寸滯控CompanyDocumentnumber:WTUT-WT88Y-W8BBGB-

成都理工大學工程技術學院《計算機控制課程設計》—時滯控制系統仿真研究系別：自動化工程系專業：自動化姓名：胡鑫材學號：指導老師：2015年6月30日摘要時滯系統的控制是控制理論應用的一個重要領域，為了提高常規時滯控制系統的魯棒性能，本文將智能控制的引入到時滯系統中，論文首要分析了滯后環節對系統性能的影響，討論了集中常規控制方法，解析說了實現過程。Smith控制是基于模型的控制補償，但是對參數變化較為敏感。Dahlin控制器一但設計成型對系統的不變性要求較高。本文通過對固定模型的常規PID算法，離散PID算法。以及結合SmithPID算法，以及Dahlin算法進行MATLAB仿真和試驗，同過比較的方法學習各種控制的優缺點。以及討論其適應性。關鍵詞：PIDSmithDahlin時滯離散MATLAB目錄1時滯系統控制概述PID控制簡介PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節，它實際上是一種算法。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。從信號變換的角度而言，超前校正、滯后校正、滯后一超前校正可以總結為比例、積分、微分三種運算及其組合。PID調節器的適用范圍：PID調節控制是一個傳統控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現場，不同的現場，僅僅是PID參數應設置不同，只要參數設置得當均可以達到好的效果。均可以達到％，甚至更高的控制要求。Smith預估控制器Smith于1957年提出的預估控制算法，通過引入一個與被控對象相并聯的純滯后環節，使補償后的被控對象的等效傳遞函數不包括純滯后項，這樣就可以用常規的控制方法(如PID或PI控制)對時滯系統進行控制.在常規方案基礎上，外加調節器組成副回路對系統進行動態修正，該方法的穩定性和魯棒性比原來的Smith預估系統要好，它對對象的模型精度要求明顯地降低了.Watanabe提出的改進結構的Smith預估器采用了一個抑制擾動的動態補償器M(s),通過配置M(s)的極點，能夠獲得較滿意的擾動響應及對擾動穩態誤差為零.Dahlin控制算法概述圖大林算法設計的閉環控制系統方框圖大多數工業對象具有較大的純滯后時間，可以近似用一階或二階慣性環節加純滯后環節來表示，其傳遞函數為一階對象：G(s)=—^e-w=NT，T1s+1二階對象：G(s) e-&,t=NT二階對象：(T1s+1)(T2s+1) ，大林算法的設計目標是使整個閉環系統所期望的傳遞函數 中(s)相當于一個純滯后環節和一個慣性環節相串聯，即^(s)= e-^s,t=NT，Tts+1并希望整個閉環系統的純滯后時間和被控對象的純滯后時間相同。其中為閉環系統的時間常數，純滯后時間與采樣周期T有整數倍關系，(N=1,2.一)。大林算法的目標是設計一個合適的數字調節器D(z),使整個系統的閉環傳遞函數相當于一個帶有純滯后的一階慣性環節，而且要求閉環系統的純滯后時間等于被控對象的純滯后時間.大林算法方法比較簡單,只要能設計出合適的且可以物理實現的數字調節器D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業生產中得到了廣泛應用.但它的缺點是設計中存在振鈴現象，且與Smith算法一樣，需要一個準確的過程數字模型，當模型誤差較大時，控制質量將大大惡化，甚至系統會變得不穩定.實際上已有文獻證明,只要在Smith預估器中按給定公式設計調節器D伺，則Smith預估器與Dahlin算法是等價的,Dahlin算法可以看作是Smith預估器的一種特殊情況.2仿真的傳遞函數及要求時滯系統控制器設計與設計設計要求：（1） 使用連續、離散PID進行控制。（2） 使用計算機控制史密斯、大林等設計相應控制器比較性能優越。3MATLAB仿真PID控制器PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關系為公式（1-1）TOC\o"1-5"\h\zu（t）=Ke（t）+KW）dT+K竺^（1-1）Pi ddt0因此它的傳遞函數為公式（1-2）G。（s）=^^=Kp+K+Kd （1-2）0E（s） s '7比例調節作用：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差上匕例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差,積分調節就進行，直至無差,積分調節停止，積分調節輸出一個常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti,Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。微分調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調,減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節,對系統抗干擾不利。此外,微分反應的是變化率,而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。連續PID控制器設計利用MATLAB中SimulinkLibraryBrowser的階躍型號、控制器、傳遞函數、時滯環節、示波器構成了閉環控制系統如圖所示的連續PID控制器框圖。圖連續PID控制器框圖PID參數整定通過實驗參數整定后，在整定時得到的波形圖如圖所示，參數整定時應用的PID如圖3.3參數整定圖，得到圖較好的連續PID控制器參數整定框圖。圖參數整定過程中的波形圖圖參數整定圖圖圖波形圖離散PID控制器設計利用MATLAB中SimulinkLibraryBrowser的階躍型號、控制器、傳遞函數、時滯環節、示波器、零階保持器構成了閉環控制系統如圖所示的離散PID控制器框圖。圖離散PID控制器框圖離散PID控制及參數整定利用連續的PID參數調整方法，及經驗，經過一系列的參數嘗試調整后得到合理的PID參數如圖，及其波形圖。圖離散PID波形圖圖離散PID參數整定史密斯控制器設計根據史密斯控制設計的控制器，依據理論推倒傳遞函數得到如圖所示的系統框圖.圖史密斯控制器系統框圖史密斯控制器參數整定在調整參數時，發現只要調整P就可達到想要的效果，是一種比較好調節的控制器。調整參數過程中的波形圖。調整好的如圖參數，及波形圖。圖調參波形圖圖參數整定圖圖對應的波形圖通過波形圖，可以明顯的看到smith控制器的快速性是非常好的，而且系統的超調量也不大，在可以接受的范圍之內。大林控制器設計首先根據具體傳遞函數來設計（z），具體過程用MATLAB程序來實現。程序見附錄1。得到的大林控制器如圖所示。同時，根據附錄程序可以得到參數整定圖及圖的波形圖。圖大林控制器框圖

圖參數整定圖1圖參數整定圖2經過多次參數整定，得到較為合理的參數如圖，其波形圖見圖所示。圖參數顯示圖圖圖對應的波形圖通過圖可以看出這個參數是有靜差的參數調整，如果要的到想要的參數就必須繼續構造相應的參數。4控制器的分析及對比IEIE控制器PID控制器由于具有算法簡單，魯棒性好和可靠性高等特點,因而在實際控制系統設計中得到了廣泛的運用.PID控制的難點在于如何對控制參數進行整定，以求得到最佳控制效果.目前用于自整定的方法比較多,如繼電型自整定技術，基于過程特征參數的自整定技術，基于給定相位裕度和幅值裕度的SPAM法自整定技術，基于遞推參數估計的自整定技術以及智能自整定技術等.總體來看這類自整定PID控制器對于(T為系統的慣性時間常數)的純滯后對象控制是有效的，但難以穩定.Smith預估控制Smith預估控制方法雖然從理論上解決了時滯系統的控制問題，但在實際應用中卻還存在很大缺陷.Smith預估器的兩個主要缺陷:1.系統對擾動的響應很差；2.若控制對象中包含的極點時，即使控制器中含有積分器，系統對擾動的穩態誤差也不為零?改進結構的Smith預估器采用了一個抑制擾動的動態補償器M(s)，通過配置M(s)的極點,能夠獲得較滿意的擾動響應及對擾動穩態誤差為零.大林算法大林算法的目標是設計一個合適的數字調節器D(z)，使整個系統的閉環傳遞函數相當于一個帶有純滯后的一階慣性環節，而且要求閉環系統的純滯后時間等于被控對象的純滯后時間.大林算法方法比較簡單,只要能設計出合適的且可以物理實現的數字調節器D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業生產中得到了廣泛應用.但它的缺點是設計中存在振鈴現象，與Smith算法一樣，需要一個準確的過程數字模型,當模型誤差較大時,控制質量將大大惡化，甚至系統會變得不穩定.只要在Smith預估器中按給定公式設計調節器D伺，則Smith預估器與Dahlin算法是等價的,Dahlin算法可以看作是Smith預估器的一種特殊情況.附錄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,t