大时滞过程控制系统及MATLAB仿真

大时滞过程控制系统及

M A T L A B仿真

Prepared on 24 November 2020

西安科技大学研究生考试试卷

姓名陈体军

所在学院电气与控制工程学院

学科、专业仪器仪表工程

考试科目先进控制理论与

高级控制装置

考试日期 ________________

课程学时 ________________

开（闭）卷 ________________

先进控制理论与高级控制装置期末论文

姓名：陈体军

专业: 仪器仪表工程

摘要

纯滞后系统在现代工业生产过程中是广泛存在的，精确控制难度较大。因此，纯滞后系统是控制理论研究的一个重要领域，特别是很多温度、流量等控制系统都是具有纯滞后的系统，对它的研究有着很重要的现实意义；针对这一问题，本文探讨了几种较为成熟的纯滞后系统常规控制方法，微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯预估补偿以及它的改进算法等。

首先，本文分析了纯滞后系统的特点，提出了现阶段的控制方法，常规控制方法和智能控制方法，本文重点介绍了常规控制方法，其中史密斯预估补偿控制效果突出，在实际应用中较为广泛，最后对改进型史密斯预估补偿控制进行了实例分析并仿真，结果表明,史密斯控制具有更好的稳定性,对于大时间滞后系统是一种比较实用的控制方法。

关键字：纯滞后控制系统；史密斯控制；MATLAB 仿真

Abstract

Pure lag system in modern industrial production process is widely exist, accurate control difficult. Therefore, pure lag system control theory is an important field, especially a lot of temperature and flow rate on the control system is a pure lag system, the research on it has very important practical significance; In order to solve this problem, this paper discusses several relatively mature pure lag system conventional control method, differential advanced control, intermediate differential feedback control, Smith predictive compensation and its improved algorithm, etc.

First of all, this paper analyzes the characteristics of pure lag system, puts forward a control method, the conventional control method and intelligent control

method, this paper mainly introduces the conventional control method, which Smith predictive compensation control effect is prominent, more widely in practical application, the improved Smith predictive compensation control is analyzed and the simulation, the results show that the Smith control has better stability, for big time lag system is a kind of practical control method.

Key words: Pure lag system ; Smith control ; MATLAB simulation

目录

1 引言

在化工、炼油、冶金、航空航天、机械制造业等复杂工业过程中，广泛存在大时滞现象;如生产过程的物料传输、直升飞机俯仰调节系统、化工过程的聚合反应过程、以及化工、电力生产中温度、流量、压力的测量过程等均存在时滞，被控对象本身时滞的存在相当于在控制系统中引入了附加的相移，使系统趋于不稳定;导致系统的超调量变大，调节时间加大;甚至出现振荡、发散，使系统的动态品质变差。时滞环节的存在相当于被控制对象变成无穷阶，即具有无穷多个极点;要通过有限维的控制器获得比较满意的控制性能具有一定的难度。当时滞时间比较小时对被控过程性能影响不大，可以忽略其影响，但是，当时滞时间大到一定值时，其对控制系统的影响必须考虑。

一般以被控对象的时滞时间:与其时间常数T之比的大小来确定是否为大时滞:当τ<时，时滞很小，时滞作用不强，此时可忽略时滞对系统的影响。当: τ>时，时滞作用强，则该被控过程就可以认为是大时滞过程。此时不能忽略时滞对系统的影响。

纯滞后系统特点

纯滞后的产生

在自然界里，总是存在各种各样的滞后现象，比如河水流动的滞后，声音传播的滞后，生物体神经传导的滞后，只不过有的滞后时间较长，被人们明显的感觉到了，有的滞后时间很短，被人忽略了，但滞后的存在是一种自然现象，不可人为的去除，只能想办法克服或给以补偿，在工业生产过程中，滞后

系统也是大量存在的，特别是在石油冶炼、化肥生产企业，滞后产生的主要原因有：对系统被测变量的测量变送延时，比如某种化学成分或物体温度作为被测变量时，由于分布参数过程或测量对象是非线性高阶系统等原因，测量信号的起始部分变化非常缓慢，近似为纯滞后，也可能是由于系统中信号的传递延时，比如气压信号在管路中的传输延时。

在实际控制中，有时因滞后很小，对系统的影响不大而在系统的设计或建模中将滞后忽略，但是在更多的实际过程中，滞后是不能省略的，如大纯滞后系统，滞后时变系统等。这些对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能影响极为不利，特别当对象的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于0．5时(称为大时滞系统)，采用常规的控制方法很难获得满意的控制效果。根据控制理论的分析可以知道，由于滞后环节的存在，相当于使系统变成了无穷阶，有无数个闭环极点，当前施加的控制作用需要经过一段时间才会在输出中反映。时滞的存在会增加系统的相角滞后，严重影响了系统的稳定性，导致系统的超调量变大，调节时间变长，甚至出现振荡、发散，系统的动态品质大大下降。 具有纯滞后对象的传递函数

纯滞后环节的特点是其输出信号比输入信号延迟一定的时间，单位阶跃响应的时域表达式为：()()y t x t τ=- （）

公式中τ为纯滞后时间 。

对上式求拉普拉斯变换，可得：

()()s Y s X s e τ-= （）