时滞控制系统设计.docx

时滞控制系统设计.docx

《时滞控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《时滞控制系统设计.docx（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

时滞控制系统设计

CompanyDocumentnumber：

WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

时滞控制系统设计

成都理工大学工程技术学院

《计算机控制课程设计》

--时滞控制系统仿真研究

系别：

自动化工程系

专业：

自动化

姓名：

胡鑫材

学号：

指导老师：

2015年6月30日

摘要

时滞系统的控制是控制理论应用的一个重要领域，为了提高常规时滞控制系统的鲁棒性能，本文将智能控制的引入到时滞系统中，论文首要分析了滞后环节对系统性能的影响，讨论了集中常规控制方法，解析说了实现过程。

Smith控制是基于模型的控制补偿，但是对参数变化较为敏感。

Dahlin控制器一但设计成型对系统的不变性要求较高。

本文通过对固定模型的常规PID算法，离散PID算法。

以及结合SmithPID算法，以及Dahlin算法进行MATLAB仿真和试验，同过比较的方法学习各种控制的优缺点。

以及讨论其适应性。

关键词：

PIDSmithDahlin时滞离散MATLAB

1时滞系统控制概述

PID控制简介

PID（ProportionalIntegralDerivative）控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

从信号变换的角度而言，超前校正、滞后校正、滞后－超前校正可以总结为比例、积分、微分三种运算及其组合。

PID调节器的适用范围：

PID调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到好的效果。

均可以达到%，甚至更高的控制要求。

Smith预估控制器

Smith于1957年提出的预估控制算法,通过引入一个与被控对象相并联的纯滞后环节,使补偿后的被控对象的等效传递函数不包括纯滞后项,这样就可以用常规的控制方法（如PID或PI控制）对时滞系统进行控制.在常规方案基础上,外加调节器组成副回路对系统进行动态修正,该方法的稳定性和鲁棒性比原来的Smith预估系统要好,它对对象的模型精度要求明显地降低了.Watanabe提出的改进结构的Smith预估器采用了一个抑制扰动的动态补偿器M（s）,通过配置M（s）的极点,能够获得较满意的扰动响应及对扰动稳态误差为零.

Dahlin控制算法概述

图大林算法设计的闭环控制系统方框图

大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，可以近似用一阶或二阶惯性环节加纯滞后环节来表示，其传递函数为

一阶对象：

，

二阶对象：

大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Φ（s）相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节相串联，即

，

并希望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的纯滞后时间相同。

其中为闭环系统的时间常数，纯滞后时间与采样周期T有整数倍关系，（N=1,2﹒﹒﹒）。

大林算法的目标是设计一个合适的数字调节器D（z）,使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节,而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间.大林算法方法比较简单,只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D（z）,就能够有效地克服纯滞后的不利影响,因而在工业生产中得到了广泛应用.但它的缺点是设计中存在振铃现象,且与Smith算法一样,需要一个准确的过程数字模型,当模型误差较大时,控制质量将大大恶化,甚至系统会变得不稳定.实际上已有文献证明,只要在Smith预估器中按给定公式设计调节器D伺,则Smith预估器与Dahlin算法是等价的,Dahlin算法可以看作是Smith预估器的一种特殊情况.

2仿真的传递函数及要求

时滞系统控制器设计与设计

设计要求：

（1）使用连续、离散PID进行控制。

（2）使用计算机控制史密斯、大林等设计相应控制器比较性能优越。

3MATLAB仿真

PID控制器

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

其输入e（t）与输出u（t）的关系为公式（1-1）

（1-1）

因此它的传递函数为公式（1-2）

（1-2）

比例调节作用：

是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：

是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

微分调节作用：

微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。

因此,可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。

此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。

连续PID控制器设计

利用MATLAB中SimulinkLibraryBrowser的阶跃型号、控制器、传递函数、时滞环节、示波器构成了闭环控制系统如图所示的连续PID控制器框图。

图连续PID控制器框图

PID参数整定

通过实验参数整定后，在整定时得到的波形图如图所示，参数整定时应用的ＰＩＤ如图３．３参数整定图，得到图较好的连续PID控制器参数整定框图。

图参数整定过程中的波形图

图　参数整定图

图　图波形图

离散PID控制器设计

利用MATLAB中SimulinkLibraryBrowser的阶跃型号、控制器、传递函数、时滞环节、示波器、零阶保持器构成了闭环控制系统如图所示的离散PID控制器框图。

图离散PID控制器框图

离散PID控制及参数整定

利用连续的PID参数调整方法，及经验，经过一系列的参数尝试调整后得到合理的PID参数如图，及其波形图。

图离散PID波形图

图离散PID参数整定

史密斯控制器设计

根据史密斯控制设计的控制器，依据理论推倒传递函数得到如图所示的系统框图.

图史密斯控制器系统框图

史密斯控制器参数整定

在调整参数时，发现只要调整P就可达到想要的效果，是一种比较好调节的控制器。

调整参数过程中的波形图。

调整好的如图参数，及波形图。

图调参波形图

图参数整定

图图对应的波形图

通过波形图，可以明显的看到smith控制器的快速性是非常好的，而且系统的超调量也不大，在可以接受的范围之内。

大林控制器设计

首先根据具体传递函数来设计

，具体过程用MATLAB程序来实现。

程序见附录1。

得到的大林控制器如图所示。

同时，根据附录程序可以得到参数整定图及图的波形图。

图大林控制器框图

图参数整定图1

图参数整定图2

经过多次参数整定，得到较为合理的参数如图，其波形图见图所示。

图参数显示图

图图对应的波形图

通过图可以看出这个参数是有静差的参数调整，如果要的到想要的参数就必须继续构造相应的参数。

4控制器的分析及对比

PID控制器

PID控制器由于具有算法简单,鲁棒性好和可靠性高等特点,因而在实际控制系统设计中得到了广泛的运用.PID控制的难点在于如何对控制参数进行整定,以求得到最佳控制效果.目前用于自整定的方法比较多,如继电型自整定技术,基于过程特征参数的自整定技术,基于给定相位裕度和幅值裕度的SPAM法自整定技术,基于递推参数估计的自整定技术以及智能自整定技术等.总体来看这类自整定PID控制器对于（T为系统的惯性时间常数）的纯滞后对象控制是有效的,但难以稳定.

Smith预估控制

Smith预估控制方法虽然从理论上解决了时滞系统的控制问题,但在实际应用中却还存在很大缺陷.Smith预估器的两个主要缺陷:

1.系统对扰动的响应很差;2.若控制对象中包含的极点时,即使控制器中含有积分器,系统对扰动的稳态误差也不为零.改进结构的Smith预估器采用了一个抑制扰动的动态补偿器M（s）,通过配置M（s）的极点,能够获得较满意的扰动响应及对扰动稳态误差为零.

大林算法

大林算法的目标是设计一个合适的数字调节器D（z）,使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节,而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间.大林算法方法比较简单,只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D（z）,就能够有效地克服纯滞后的不利影响,因而在工业生产中得到了广泛应用.但它的缺点是设计中存在振铃现象,与Smith算法一样,需要一个准确的过程数字模型,当模型误差较大时,控制质量将大大恶化,甚至系统会变得不稳定.只要在Smith预估器中按给定公式设计调节器D伺,则Smith预估器与Dahlin算法是等价的,Dahlin算法可以看作是Smith预估器的一种特殊情况.

附录1大林算法主程序

gps=tf（[],[82,1],'inputdelay',13）;

sys=tf（[1],[14,1],'inputdelay',13）;

ts=13;

gpz=c2d（gps,ts,'zoh'）;

[num,den]=tfdata（gpz,'v'）;

dsys=c2d（sys,ts,'zoh'）;

gpz=

z^（-1）*----------

z-

z=[1;;0];

p=;

G=zpk（z,p,1,'ts',13）;

G=

z（z-1）

------------------

%%%

G=

z（z-1）（z+

------------------

gcz=G*[dsys/（1-dsys）];

gcz=

z^2（z-1）（z+

z^（-1）*---------------------------------------

（z-1）（z+

%%%%

gcz=

z^2（z-1）

z^（-1）*---------------------------------------

（z-1）（z+