２００５往第２６卷
３月
第１期
郑州大学学报（工学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｍａｒ．２００５
Ｖ０１．２６Ｎｏ．１
文章编号：１６７１—６８３３（２００５）０１—００９２—０４
纯滞后系统的模糊复合控制方法
朱晓东，李晓媛，万红
（郑州大学电气工程学院，河南郑州４５０００２）
摘要：针对具有纯时间滞后的系统，分析了ＰＩＤ算法、Ｓｍｉｔｈ预估算法以及模糊控制的不足，由此提出了一种新的模糊复合型控制器，该控制器是基于Ｓｍｉｔｈ预估的模糊一ＰＩＤ控制器，利用Ｓｍｉｔｈ预估算法克服纯滞后，利用模糊控制来提高系统的鲁棒性，而在稳态阶段则切换为ＰＩＤ控制来提高控制精度．在模型匹配和失配情况下进行了仿真研究，结果表明该复合型控制器既具有模糊控制较强的鲁棒性，又具有ＰＩＤ控制精度高的特点，尤其是在模型失配时表现出良好的稳定性和鲁棒性，对于大时间滞后系统是一种实用而简便的控制方法．
关键词：纯滞后；ＰＩＤ算法；Ｓｍｉｔｈ预估；模糊控制
中图分类号：ＴＰ２７３＋．５文献标识码：Ａ
０引言１ＰＩＤ控制算法［２］
在多数工业过程当中，控制对象普遍存在着纯时间滞后现象，如化工、热工过程等．这种滞后时间的存在，会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间，滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性．因此长期以来，纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制对象，人们也对它进行了大量的研究．对于纯滞后系统常用的控制方法主要是ＰＩＤ控制、Ｄａｈｌｉｎ控制算法和Ｓｍｉｔｈ预估算法ｕ，２１．随着控制理论的发展，智能控制尤其是模糊控制理论得到了广泛的发展和应用，模糊控制理论是将人的经验知识转化为控制策略，对于难以建立准确模型以及复杂系统的控制提供了一种有效的控制模式．模糊控制系统具有不要求精确模型以及较强的鲁棒性的特点．传统ＰＩＤ控制具有结构简单、控制精度高、可靠性高等优点，在工业控制领域仍然在大量应用也说明了它的生命力．由于模糊控制与传统ＰＩＤ控制有着各自的特点，因此基于两者结合的模糊一ＰＩＤ复合控制就成为改善系统性能的一种新的有效控制手段，也是模糊控制领域一个热门的话题．本研究将探讨把模糊控制与传统控制方法结合起来对纯滞后系统进行控制的方法．
ＰＩＤ控制算法的原理可以表示为：Ｍ（ｔ）＝Ｋｐｅ（ｆ）＋Ｋｉｊｉｅ（ｒ）ｄｒ＋Ｋｄ掣，控制器的传递函数为Ｇ。（ｓ）＝Ｋ。＋Ｋｉ／ｓ＋＆ｓ．ＰＩＤ控制器的参数Ｋ。，Ｋｉ和Ｋｄ可以根据过程的动态特性进行整定［３｜．ＰＩＤ参数整定方法很多，如工程整定法、理论值计算法、经验法等，在工程中一般采用实验经验法，如Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ整定公式Ｈｊ、Ｃｏｈｅｎ．Ｃｏｏｎ整定公式Ｌ４１等等．
２复合控制算法及仿真
２．１模糊控制算法【５１
常规模糊控制系统的结构如图１所示，为了提高稳态误差，往往在模糊控制器上并联～个积分器以消除稳态误差，如图中虚线所示．
图中Ｋ。，Ｋ。。及Ｋ。分别为误差量化因子、误差变化率量化因子及输出比例因子，它们的大小以及不同量化因子之间大小的相对关系，对模糊控制器的控制性能影响极大．对于不同的系统，要选择合适的量化因子及比例因子．笔者以实验室中的电阻炉加热系统为对象，建立模糊控制系统．取模糊变量误差Ｅ，误差变化率ＥＣ的论域为［一６，６］，模糊子集均为｝ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，
收稿日期：２００４—１１—１６；修订日期：２００５—０１一１５
基金项目：河南省自然科学基金资助项目（０１１１０６０３００）
作者简介：朱晓东（１９７０一），男，河南省安阳市人，郑州大学讲师，硕士，主要从事计算机控制技术研究万方数据
第１期朱晓东等纯滞后系统的模糊复合控制方法９３
ＰＢ｝，输出量ｕ的论域为［一６，６］，模糊子集为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝．ＮＢ（负大）、ＮＭ（负中）、ＮＳ（负小）、ｚｏ（零）、ＰＳ（正小）、ＰＭ（正中）、ＰＢ（正大）分别是对应于各语言值的隶属函数．误差Ｅ，误差变化率ＥＣ的隶属函数相同均为三角形，如图２所示；输出量ｕ的隶属函数为高斯图形，
如图３所示．
图１模糊控制系统的结构图
Ｆｉｇ．１
Ｂｌｏｃｋ
ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
图２误差及误差变化率的隶属函数
Ｆｉｇ．２
Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ
ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅｒｒｏｒ
ａｎｄｃｈａｎｇｅｏｆ
ｅｒｒｏｒ
图３输出量的隶属函数
Ｆｉｇ３
Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎ
ｏｆｏｕｔｐｕｔ
根据专家经验，可建立４９条模糊控制规则控制规则如表１所示．
表１模糊控制规则表
Ｔａｂ．１
Ｔａｂｌｅｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｒｕｌｅｓ
ＮＢ
ＮＭ
ＮＳＺＯＰＳ
ＰＭ
ＰＢＺ０Ｚ０ＰＳＰＭＰＭＰＢ
ＰＢ
控制对象为实验室中的电阻炉加热温度系
统，通过阶跃响应辨识方法可以得到对象的传递
矿
函数模型为：Ｇ（ｓ）＝Ｇ，（ｓ）ｅ一”＝Ｆ靠ｅ一“，其
中：增益Ｋ＝３０，时间常数Ｔ＝６３０Ｓ，滞后时间ｒ
＝６０
Ｓ．ＰＩＤ控制器参数按Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ公式整定
并优化为Ｋ。＝０．２６，ＫＩ＝０．０００４和Ｋ。ｌ＝２．模糊控制器的各个因子经调试确定为Ｋ。＝６，Ｋ，，＝６０，Ｋ。＝０．０１，积分系数为０．０１２．
利用ＭＡＴＬＡＢ［６Ｊ对系统进行仿真，图４为模型匹配时ＰＩＤ与模糊控制算法的仿真曲线，其中
曲线１为ＰＩＤ控制曲线，曲线２为模糊控制曲线，
性能比较见表２．
图４模型匹配时控制系统的仿真曲线
Ｆｉｇ．４
ｃｕｒｖｅｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｏｄｅｌｍａｔｃｈｉｎｇ
表２模型匹配时的控制性能指标
Ｔａｂ．２
Ｔａｂｌｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔａｒｇｅｔ
从图表中可以看到，虽然模糊控制能够消除
系统的超调量，但是其调节时间明显过长（６００Ｓ），其原因一方面是因为模糊控制器为了保证系统的稳定性，输出比例因子Ｋ。不能太大，另
一方面也在于系统的大滞后时间的影响．传统上
能够克服大滞后的Ｓｍｉｔｈ预估算法可以有效地解
决纯滞后问题，减小超调，缩短调节时间，而模糊
控制器具有动态性能好，鲁棒性强的特点，因此将
模糊控制和Ｓｍｉｔｈ预估算法结合起来，无疑是一
种新颖的方法．
２．２模糊Ｓｍｉｔｈ预估算法【４Ｊ
Ｓｍｉｔｈ预估控制从理论上提供了将含有纯滞后的对象简化为不含纯滞后对象进行控制的方法．其结构图如图５所示．
加趵｝ⅢⅢ雎船
ⅢⅢ趵黔Ⅲ阳雎船№Ⅲ砷肼船雎№船胁№趵附附№№Ⅲ肼｛呈趵趵船№ⅢⅢｌ全抛加№Ⅲ｜全趵黔眦阳
万方数据
９４郑州大学学报（工学版）２００５拄
图５Ｓｍｉｔｈ预估控制系统的结构图
Ｆｉｇ．５Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆ
Ｓｍｉｔｈｐｒｅｄｉｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
图中Ｇ。（５）为对象中不含时间滞后的部分，
Ｇ。（ｓ）（１一ｅ一”）为Ｓｍｉｔｈ预估器，理想情况下Ｇ。（ｓ）＝Ｇ。（ｓ），Ｇ。（ｓ）为控制器．Ｓｍｉｔｈ预估控制的实质就是与实际对象并联一个模型Ｇ。（ｓ）（１一ｅ。８），因此，控制器Ｇ。（ｓ）的等效控制对象变为Ｇ。（ｓ），也就是说，设计控制器Ｇ。（ｓ）时不必考虑纯滞后环节的影响．此时系统的闭环传递函数为
。，、Ｇ。（ｓ）Ｇ。（ｓ）ｅ一
叭叫一１＋Ｇ。（ｓ）Ｇ。（ｓ）‘
可见，滞后环节ｅ一５已不包含在系统的特征方程里，因此系统性能完全不受纯滞后的影响．模糊Ｓｍｉｔｈ控制系统的结构如图６所示，其中的模糊控制器依然带有积分器，参数经调试确定为Ｋ。＝６，Ｋ。。＝１００，Ｋｕ＿０．１２，积分系数为０．００１．仿真结果为图４中的曲线３，此时系统静态误差为零，无超调，调节时间为１７５Ｓ，比单纯的模糊控制系统有了极大地提高．
图６模糊Ｓｍｉｔｈ预估控制系统的结构图
Ｆｉｇ．６ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＦｕｚｚｙ—Ｓｍｉｔｈ
ｐｒｅｄｉｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
但是Ｓｍｉｔｈ预估算法要求预估模型要和对象模型严格一致，而在实际当中两者往往会不一致，这样就给系统带来模型失配方面的干扰．当预估模型的滞后时间ｒ由６０Ｓ变为８０Ｓ而其他参数不变时，模糊Ｓｍｉｔｈ预估算法的仿真曲线如图７所示的曲线２，稳态时系统在稳态值附近产生振荡，性能变坏，曲线１为ＰＩＤ控制的响应曲线．性能指标如表３，对比可见，虽然由于模糊Ｓｍｉｔｈ控制算法的鲁棒性使得系统暂态响应要好于ＰＩＤ控制算法，但稳态性能却变差了，这是因为由于模型失配，系统在稳定时会有一定的偏差，而模糊控制器由于论域的划分存在重合，其在稳态时的控制精度比较低，由此造成了稳态性能的降低．
图７模型滞后时间失配时系统的仿真曲线
Ｆｉｇ．７Ｃｕｒｖｅｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｕｎｍａｔｃｈｅｄｄｅｌａｙｔｉｍｅ表３模型滞后时间不匹配时的控制性能指标
Ｔａｂ．３Ｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔａｒｇｅｔｗｉｔｈｕｎｍａｔｃｈｅｄｄｅｌａｙｔｉｍｅ
由分析可知，模糊控制器具有较强的鲁棒性，可以实现暂态过程的快速性和稳定性，但是存在稳态误差；而传统的ＰＩＤ控制器则在稳态时具有较高的控制精度．当系统响应进入稳态时，误差和误差变化率都比较小，此时模糊控制器的调节精度往往不够，而在这个时侯传统ＰＩＤ控制器却能有比较高的控制精度，因此在稳态阶段可以充分发挥ＰＩＤ控制器的这个优点．这样，就可以构成一种新的复合型控制器：模糊Ｓｍｉｔｈ．ＰＩＤ控制器．
２．３复合控制器的设计
由模糊Ｓｍｉｔｈ及ＰＩＤ组成的复合控制器如图８所示，利用Ｓｍｉｔｈ预估算法来克服纯滞后的影响，利用模糊控制器的鲁棒性克服模型不准确带来的影响，而利用ＰＩＤ控制算法来提高稳态时的控制精度．
图８复合控制系统的结构图
Ｆｉｇ．８Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
对该系统进行仿真，模糊控制器的参数确定为：Ｋ。＝６，Ｋ。。＝１３０，Ｋ。＝０．１，积分系数为０．００１；
ＰＩＤ控制器的参数为Ｋｐ＝０．２６，ＫＩ＝０．０００６５和
万方数据
第１期朱晓东等纯滞后系统的模糊复合控制方法９５
Ｋｄ＝２；模糊控制器与ＰＩＤ控制器的误差切换值为稳态值的８０％，即０．８．模型匹配时的仿真曲线如图４所示的曲线４，当对象的滞后时间由６０Ｓ变为８０Ｓ时响应曲线如图７中的曲线３；保持滞后时间为６０Ｓ，而把模型的增益由３０增加２０％，即增加为３６，此时系统的仿真曲线如图９所示，曲线１为ＰＩＤ控制，曲线２为模糊Ｓｍｉｔｈ控制，曲线３为复合控制，此时系统响应的指标如表４所示．
多＼ｆ二ｏ２厂．皆ｎ＿
Ｏ１００２００３００４００５００６００７００８００９００１０００
ｆ，ｓ
图９模型增益失配时控制系统的仿真曲线
Ｆｉｇ．９Ｃｕｒｖｅｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｕｎｌａｔｃｈｅｄｍｏｄｅｌｇａｉｎ
表４模型增益失配时的控制性能指标
髓ｂ．４Ｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｎｍｎ睫ｔａｒｇｅｔｗｉｔｈⅧｍ柚ｔｃｈｅｄｍｏｄｅｌｇａｉｎ３结论
通过以上的分析和仿真，可知不同的控制器都有其不同的特点，在实际当中，由于对象的变化，一种控制器往往不能应对所出现的各种情况．综合不同控制器特点的复合型控制器此时却能够得到比较好的控制效果，尤其是对于大时间滞后这一类复杂系统的控制．仿真表明，模糊Ｓｍｉｔｈ及ＰＩＤ的复合型控制器综合了Ｓｍｉｔｈ预估对滞后的补偿，模糊控制的鲁棒性以及ＰＩＤ控制的控制精度等特点，对纯滞后系统的控制效果要好于单纯使用一种控制器的控制效果，尤其是在模型失配时，复合型控制器表现出良好的稳定性和鲁棒性，对于大时间滞后系统是一种实用而简便的控制方法．
参考文献：
［１］朱晓东，王军．基于Ｓｍｉｔｈ预估的纯滞后系统控制［Ｊ］．郑州大学学报（工学版），２００４，２５（１）：７７—８１．［２］王宏华，樊桂林．含有纯滞后系统的控制方法［Ｊ］．江苏理工大学学报，１９９４，１５（６）：８７—９２．
［３］师黎，丁海．ＰＩＤ控制的参数模糊自整定方法［Ｊ］．郑州大学学报（工学版），２００１，２２（３）：２５。２７．［４］谢剑英．微型计算机控制技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００１．１４５—１６０．
［５］刘曙光．模糊控制技术［Ｍ］．北京：中国纺织出版社。２００１．５９—８２．
［６］楼顺天．基于Ｍａｆｌａｂ的系统分析与设计［Ｍ］．北京：电子工＿ｋ出版社，２０００．
ＦｕｚｚｙＣｏｍｐｌｅｘＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＰｕｒｅＴｉｍｅＤｅｌａｙ
ＺＨＵＸｉａｏ—ｄｏｎｇ，ＬＩＸｉａｏ—ｙｕａｎ，ＷＡＮＨａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｈｏｒｔａｇｅｏｆｓｏｍｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｐｕｒｅｔｉｍｅｄｅｌａｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｙａｌｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，Ｓｍｉｔｈｐｒｅｄｉｃｔｏｒａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒ０１．Ａｎｅｗａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｔｒｏｌｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗｈｉｃｈｉｓａｆｕｚｚｙ—ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＳｍｉｔｈｐｒｅｄｉｃｔｏｒ．ＳｍｉｔｈｐｒｅｄｉｃｔｏｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｓｆｏｒｔｈｅｔｉｍｅｄｅｌａｙａｎｄｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｉｓｕｓｅｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｓｙｓ—ｔｅｍｗｈｅｎｉｔｉｓｓｔｅａｄｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅｗｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｔｕｄｉｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｍｏｄｅｌｍａｔｃｈｉｎｇａｎｄｕｎｍａｔｃｈｅｄｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｓａｂｅｔｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ．Ａｎｄｉｔｉｓａｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅａｎｄｓｉｍｐｌｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｐｕｒｅｔｉｍｅｄｅｌａｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｒｅｔｉｍｅｄｅｌａｙ；ＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ；Ｓｍｉｔｈｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ万方数据
第五章自动控制系统的校正 本章要点 在系统性能分析的基础上，主要介绍系统校正的作用和方法，分析串联校正、反馈校正和复合校正对系统动、静态性能的影响。 第一节校正的基本概念 一、校正的概念 当控制系统的稳态、静态性能不能满足实际工程中所要求的性能指标时，首先可以考虑调整系统中可以调整的参数；若通过调整参数仍无法满足要求时，则可以在原有系统中增添一些装置和元件，人为改变系统的结构和性能，使之满足要求的性能指标，我们把这种方法称为校正。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。系统中除校正装置以外的部分，组成了系统的不可变部分，我们称为固有部分。 二、校正的方式 根据校正装置在系统中的不同位置，一般可分为串联校正、反馈校正和顺馈补偿校正。 1．串联校正 校正装置串联在系统固有部分的前向通路中，称为串联校正，如图5-1所示。为减小校正装置的功率等级，降低校正装置的复杂程度，串联校正装置通常安排在前向通道中功率等级最低的点上。 图5-1 串联校正 2．反馈校正 校正装置与系统固有部分按反馈联接，形成局部反馈回路，称为反馈校正，如图5-2所示。 3．顺馈补偿校正
顺馈补偿校正是在反馈控制的基础上，引入输入补偿构成的校正方式，可以分为以下两种：一种是引入给定输入信号补偿，另一种是引入扰动输入信号补偿。校正装 置将直接或间接测出给定输入信号R(s)和扰动输入信号D(s)，经过适当变换以后，作为附加校正信号输入系统，使可测扰动对系统的影响得到补偿。从而控制和抵消扰动对输出的影响，提高系统的控制精度。 三、校正装置 根据校正装置本身是否有电源，可分为无源校正装置和有源校正装置。 1．无源校正装置 无源校正装置通常是由电阻和电容组成的二端口网络，图5-3是几种典型的无源校正装置。根据它们对频率特性的影响，又分为相位滞后校正、相位超前校正和相位滞后—相位超前校正。 无源校正装置线路简单、组合方便、无需外供电源，但本身没有增益，只有衰减；且输入阻抗低，输出阻抗高，因此在应用时要增设放大器或隔离放大器。 2．有源校正装置 有源校正装置是由运算放大器组成的调节器。图5-4是几种典型的有源校正装 置。有源校正装置本身有增益，且输入阻抗高，输出阻抗低，所以目前较多采用有源图5-2 反馈校正 图5-3 无源校正装置 a)相位滞后 b)相位超前 c)相位滞后-超前
学号09750201 （自动控制原理课程设计） 设计说明书 串联滞后校正装置的设计起止日期：2012 年 5 月28 日至2012 年 6 月1 日 学生姓名安从源 班级09电气2班 成绩 指导教师(签字) 控制与机械工程学院 2012年6 月1 日
天津城市建设学院 课程设计任务书 2011 —2012 学年第 2 学期 控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 系 09-2 班级 课程设计名称： 自动控制原理课程设计 设计题目： 串联滞后校正装置的设计 完成期限：自 2012 年 5 月 28 日至 2012 年 6 月 1 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 设单位反馈系统的开环传递函数为：) 2()(+= s s K s G 要求系统的速度误差系数为120-≥s K v ，相角裕度 45≥γ，试设计串联滞后校正装置。 基本要求： 1、对原系统进行分析，绘制原系统的单位阶跃响应曲线， 2、绘制原系统的Bode 图，确定原系统的幅值裕度和相角裕度。 3、绘制原系统的Nyquist 曲线。 4、绘制原系统的根轨迹。 5、设计校正装置，绘制校正装置的Bode 图。 6、绘制校正后系统的Bode 图、确定校正后系统的幅值裕度和相角裕度。 7、绘制校正后系统的单位阶跃响应曲线。 8、绘制校正后系统的Nyquist 曲线。 9、绘制校正后系统的根轨迹。 指导教师（签字）： 系主任（签字）： 批准日期：2012年5月25日
目录 一、绪论 (4) 二、原系统分析 (5) 2.1原系统的单位阶跃响应曲线 (5) 2.2 原系统的Bode图 (5) 2.3 原系统的Nyquist曲线 (5) 2.4 原系统的根轨迹 (5) 三、校正装置设计 (5) 3.1 校正装置参数的确定 (5) 四、校正后系统的分析 (6) 4.1校正后系统的单位阶跃响应曲线 (6) 4.2 校正后系统的Bode图 (6) 4.3 校正后系统的Nyquist曲线 (6) 4.4 校正后系统的根轨迹 (6) 五、总结 (7) 六、参考文献 (7) 七、附图 (8)
目录 0.前言 (1) 1. 不完全微分PID算法设计 (2) 2.算法仿真研究 (3) 3.一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制程序 (4) 4.实验结果 (7) 5.结论及总结 (8) 参考文献 (8) 课设体会 (10)
一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制 沈阳航空航天大学北方科技学院 摘要：提出在PID算法中加入一阶惯性环节，通过不完全微分PID算法来改善干扰对系统的影响，用MATLAB仿真分析说明该算法在改善过程的动态性能方面具有良好的控制精度。在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的PID控制以及微分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。自动控制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题：如在本文中所研究的一阶纯滞后系统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。由控制理论可知，无滞后控制系统（简单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。因此如何解决生产中滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。论文在常规PID控制也就是比例-积分-微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制。并对这三种方案进行Simulink 仿真，检测其抗干扰性能。为便于分析，论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。 关键词：一阶纯滞后 ;不完全微分;仿真;PID 0.前言 在多数工业过程当中,控制对象普遍存在着纯时间滞后现象,如化工,热工过程等. 这种滞后时间的存在,会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间,滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性,在工业生产上产生事故.因此长期以来,纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制对象,人们也对它进行了大量的研究.在现代工业生产和理论研究中出现了多种控制方法,如PID控制、PID改进控制、Smith 预估算法控制以及模糊
计算机控制技术 ------滞后-超前校正控制器设计 系别：电气工程与自动化 专业：自动化 班级：B110411 学号：B11041104 姓名：程万里
目录 一、 滞后-超前校正设计目的和原理 (1) 1.1 滞后-超前校正设计目的......................................................... 1 1.2 滞后-超前校正设计原理......................................................... 1 二、滞后-超前校正的设计过程 (3) 2.1 校正前系统的参数 (3) 2.1.1 用MATLAB 绘制校正前系统的伯德图................................. 3 2.1.2 用MATLAB 求校正前系统的幅值裕量和相位裕量.................. 4 2.1.3 用MATLAB 绘制校正前系统的根轨迹................................. 5 2.1.4 对校正前系统进行仿真分析.............................................5 2.2 滞后-超前校正设计参数计算 (6) 2.2.1 选择校正后的截止频率c ω............................................. 6 2.2.2 确定校正参数β、2T 和1T (6) 2.3 滞后-超前校正后的验证 (7) 2.3.1 用MATLAB 求校正后系统的幅值裕量和相位裕量..................7 2.3.2 用MATLAB 绘制校正后系统的伯德图.................................8 2.3.3 用MATLAB 绘制校正后系统的根轨迹.................................9 2.3.4 用MATLAB 对校正前后的系统进行仿真分析 (10) 三、前馈控制 3.1 前馈控制原理..................................................................... 12 3.2控制对象的介绍及仿真......................................................... 12 四、 心得体会.............................................................................. 16 参考文献.......................................................................................17 附录 (18)
实验三 纯滞后控制实验 1. 实验目的与要求 (1) 掌握应用达林算法进行纯滞后系统D(z)的设计； (2) 掌握纯滞后系统消除振铃的方法。 2. 实验设备 (1) 硬件环境 微型计算机一台，P4以上各类微机 (2) 软件平台 操作系统：Windows 2000以上； 仿真软件工具：MATLIB5.3以上。 3. 实验原理 在一些工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过长度为L 的路程才能反映出来。这样，就造成水温的变化要滞后一段时间τ（v v L ,=τ是蒸汽的速度）。对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。因此，对于这一系统，采用一般的随动系统设计方法是不行的，而用PID 控制往往效果也欠佳。 本实验采用达林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达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)，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即 1 )(+=Φ-s e s s τθ，NT =θ 该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。控制原理如图1，其中：采样周期T=0.9秒，期望传递函数τ=0.5秒，被控对象 1 23)(8.1+=-s e s G s ；输入信号为单位阶跃信号。
图1 纯滞后系统控制原理图 应用达林算法进行纯滞后系统设计) D控制器。 (z 4.实验内容与步骤 (1)按照纯滞后控制系统要求设计) D； (z (2)按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型，观察输入输出波形，标明参数，打印结果； (3)尝试用M文件实现dalin算法控制。 5.实验结果 simulink框图（用simulink实现dalin算法）: Array 图2 纯滞后控制设计
题 目: 温度控制系统的滞后校正 初始条件：某温箱的开环传递函数为3()(41) s p e G s s s -=+ 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、 试用Matlab 绘制其波特图和奈奎斯特图，计算相角裕度和幅值裕度； 2、 试设计滞后校正装置，使系统的相角裕度增加15度。 3、 用Matlab 对校正后的系统进行仿真，画出阶跃相应曲线 时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
温度控制系统的滞后校正 1 系统传递函数分析 该传递函数由比例环节，延迟环节，积分环节，惯性环节组成。 1.1比例环节 比例环节的传递函数和频率特性: 1)(=s G 1)(=ωj G 幅值特性和相频特性: 。 )()( 1|)G(j |)A (=∠===ωω?ωωj G 对数幅频特性和对数相频特性: 。 )(0 20lg1)20lgA()(L ====ω?ωω 所以对数幅频特性L (ω)是ω轴线。 1.2延迟环节 延迟环节的传递函数和频率特性: s e s G 3)(-= ωωj e j G 3)(-= 幅频特性和相频特性: 1|e *1||)G (j |)A(-3j ===ωωω ?ωωωωω33.57)(3)()(3*-=-=∠=∠=-rad e j G j 对数幅频特性和对数相频特性: ω ω?ωω3*-57.3)(0 20lg1)20lgA()L(==== 由以上可知延迟环节不影响系统的幅频特性，只影响系统的相频特性。 1.3积分环节 积分环节的传递函数和频率特性: s s G 1)(=
西安邮电学院 自动控制原理 实验报告
实验三系统校正 一，实验目的 1.了解和掌握系统校正的一般方法。 2.熟悉掌握典型校正环节的模拟电路构成方法。二．实验原理及电路 1.未校正系统的结构方框图 图1 2.校正前系统的参考模拟方框图 图2 3.校正后系统的结构方框图
图3 4.校正后系统的模拟电路图 图4 三．实验内容及步骤 1.测量未校正系统的性能指标 （1）按图2接线 （2）加入阶跃电压观察阶跃响应曲线，并测出超调量和调节时间，并将曲线和参数记录出来。 2.测量校正系统的性能指标 （1）按图4接线
（2）加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量以及调节时间。 四．实验结果 未校正系统 理论值σ% = 60.4% t s = 3.5s 测量值σ% = 60% t s = 2.8s 校正后系统 理论值σ% = 16.3% t s = 0.35s 测量值σ% = 5% t s = 0.42s
五．心得体会 在课本的第六章，我们学习了线性系统的校正方法，包括串联校正、反馈校正以及复合校正等矫正方法，相对于之前学习的内容，理解起来相对难一些，做起实验来也不容易上手。试验期间，遇到了很多难题，反复调整修改甚至把连接好的电路全都拆了重连，最后终于完成了实验。相对于之前的几次试验，这次实验师最让人头疼的，幸好之前积累了些经验，才使得我们这次实验的时候不至于手忙脚乱，但是也并不轻松。 虽然遇到的困难很多，但是我们却收获的更多，线性系统的校正是自动控制原理中重要的部分，通过理论课的学习，再加上实验课的实践，我终于对这些内容有个系统的理解。
绪论 在现代科学的众多领域中，纯滞后对象的控制一直是人们研究的重要课题。 早期的研究主要是运用线性系统的经典方法对纯滞后系统进行分析设计。譬如运用Nyquist法分析纯滞后系统的稳定性问题，用Pade近似方法将纯滞后环节近似为线性系统进行根轨迹的分析综合等。但总的来说，当系统滞后时间较小时，只要我们设计时给予充分的考虑就可以了。这时实际的控制效果不会与设计要求相去甚远。对于滞后时间相对较大的系统，Smith提出了预估补偿的方法，通过补偿环节来消除或减弱闭环系统中纯滞后因素的影响。只要对象的模型较精确，Smith方法的效果是比较理想的。 上世纪80年代起，随着自动控制理论、实践的深入发展和广泛应用，最优控制、鲁棒控制、变结构控制、H 控制以及预测控制等现代控制理论也逐步地应用到纯滞后的系统中来，并取得了一定的成果。 近几年来，以模糊控制技术、神经网络、专家系统和遗传算法为主要内容的智能控制技术，得到了充分的发展和广泛的应用。尤其是它与传统的控制技术相结合，成功地解决了采用传统控制技术难以控制的控制对象(特别是对象模型难定的情况)，在工程应用中有着强大的生命力并得到了广泛的应用。 本文通过纯滞后工艺过程描述了纯滞后系统的特性，从这个特性可以知道被控对象大多数都有纯滞后特性。根据纯滞后控制系统的基本特点和纯滞后控制系统的设计以及纯滞后控制系统控制器参数整定等基础知识，并通过实例常规模糊控制器在纯滞后系统中的应用来理解和深化对纯滞后控制系统的理解。
1 纯滞后理论概述 1.1 纯滞后相关定义及其工艺过程 1.1.1 纯滞后相关定义 所谓纯滞后是一种时间上的延迟，这种延迟是从引起动态要素变化的时刻到输出开始变化的时刻的这一段时间。存在时间延迟的对象就称为具有纯滞后的对象，简称为纯滞后对象或滞后对象，实际被控对象大多数都有纯滞后特性。 被控对象时滞与其瞬态过程时间常数值比较大，采用通常的控制策略时，不能实现系统的精度控制，甚至会造成系统不稳定。通常认为当被控对象时滞与其瞬态过程时间常数之比大于0.3时，被控系统为纯滞后系统。滞后是过程控制系统中的重要特征，滞后可导致系统不稳定。有些系统滞后较小这时人们为了简化控制系统设计，忽略了滞后；但在滞后较大时，不能忽略，当被控对象的时滞与其瞬态过程时间常数之比大于0.3时，被控系统应按纯滞后系统设计。这类控制过程的特点是：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应，使得系统不能及时随被控制量进行调整以克服系统所受的扰动。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。所以，含有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控制程度随着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。 但总的来说，当系统滞后时间较小时，只要我们设计时给予充分的考虑就可以了。对于滞后时间相对较大的系统，Smith提出了预估补偿的方法，通过补偿环节来消除或减弱闭环系统中纯滞后因素的影响。 1.1.2 纯滞后工艺过程 在工业生产过程中，极大部分工艺过程的动态特性往往是既包含一部分纯滞后特性又包括一部分惯性特性，这种工艺过程就称为具有纯滞后的工艺过程。譬如对于大型档案馆的温湿度控制，就是存在纯滞后较大的实际对象。在长沙地区，夏天的空气相对湿度一般而言是比较大的，在档案馆进行适当的除湿操作是非常有必要的，而在进行除湿动作以后，档案馆内的相对湿度要相应得到降低则需要一段时间的延迟。当然，对档案馆内温度的控制也是如此。纯滞后环节的输入输出关系（如图1-1）所示:
自动控制原理课程设计 设计题目：基于Matlab的自动控制系统设计与校正
目录 目录 第一章课程设计内容与要求分析 (1) 1.1设计内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 1.3 Matlab软件 (2) 1.3.1基本功能 (2) 1.3.2应用 (3) 第二章控制系统程序设计 (4) 2.1 校正装置计算方法 (4) 2.2 课程设计要求计算 (4) 第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析 (6) 3.1校正系统的传递函数 (6) 3.2用Matlab仿真 (6) 3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应 (10) 3.2.1原系统单位阶跃响应 (10) 3.2.2校正后系统单位阶跃响应 (11) 3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较 (12) 3.4硬件设计 (13) 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图 (14) 课程设计心得体会 (16) 参考文献 (18)
第一章 课程设计内容与要求分析 1.1设计内容 针对二阶系统 )1()(+= s s K s W ， 利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数 11 )(++-=Ts Ts K s W c c α， 其中 132R R R K c += ，1 )(13243 2>++=αR R R R R ，C R T 4=， “-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S 断开，该装置相当于一个放 大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 1.2 设计要求 1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差1.0)(≤∞e ，开环截止频率ωc’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°； 2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数； 3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线； c R R
纯滞后环节高阶系统的内模控制及仿真 发表时间：2018-10-18T13:52:34.917Z 来源：《河南电力》2018年8期作者：尚玉廷[导读] 在快响应的电机控制中也能取得了比PID更为优越的效果。IMC设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强，能消除不可测干扰的影响，一直为控制界所重视。37142819790721xxxx 摘要：内模控制（IMC）是80年代初提出的，由Garcia和Morari引进，其产生的背景主要有两个方面，一是为了对当时提出的两种预测控制算法MAC和DMC进行系统分析；其次是作为Smith预估器的一种扩展，使设计更为简便，鲁棒及抗扰性大为改善。内模控制器 （IMC）是内部模型控制器（Internal model controller）的简称，由控制器和滤波器两部分组成，两者对系统的作用相对独立，前者影响系统的响应性能，后者影响系统的鲁棒性。它是一种实用性很强的控制方法，其主要特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调整方针明确，调整容易。特别是对于鲁棒及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤为显著。因此自从其产生以来，不仅在慢响应的过程控制中获得了大量应用，在快响应的电机控制中也能取得了比PID更为优越的效果。IMC设计简单、跟踪性能好、鲁棒性强，能消除不可测干扰的影响，一直为控制界所重视。 关键词：内模控制；IMC；鲁棒 经过十多年的发展，IMC方法不仅已扩展到了多变量和非线性系统，还产生了多种设计方法，较典型的有零极点对消法、预测控制法、针对PID控制器设计的IMC法、有限拍法等。IMC与其他控制方法的结合也是很容易的，如自适应IMC，采用模糊决策、仿人控制、神经网络的智能型IMC等.值得注意的是，目前已经证明，已成功应用于大量工业过程的各类预测控制算法本质上都属于IMC类，在其等效的IMC结构中特殊之处只是其给定输入采用了未来的超前值（预检控制系统），这不仅可以从结构上说明预测控制为何具有良好的性能，而且为其进一步的深入分析和改进提供了有力的工具。 1.内模控制基本结构及其性质 内模控制不仅在工业过程控制中获得了成功的应用，而且表现出在控制系统稳定性和鲁棒性理论分析方面的优势。在工业过程中，内模控制用于强耦合多变量过程、强非线性过程和大时滞过程。 内模控制基本结构如图1.1所示。 内模控制方法的关键是获取对象的模型逆，而相当一部分非线性系统的求逆问题可以通过微分几何方法中的动态逆的理论来解决，从而将内模控制与输入输出反馈线性化方法联系起来，而内模控制所具有的鲁棒性正好能够弥补微分几何方法的不足。 2.1 内模控制结构
牡丹江师范学院 本科学生课程设计指导书 题目控制系统的滞后校正设计 班级11级工业电气 学号 姓名 指导教师王淑玉 牡丹江师范学院 2013 年11 月15 日
自控原理课程设计指导书 课程名称：自动控制原理 学时数：2周 学分数： 开课院、系（部）、教研室：物理与电子工程学院电子信息教研室执笔人：王淑玉 编写时间：2013.11.10 设计目的 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握自控原理设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。 二、设计任务 （1）画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （2）用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标； 三、设计内容与要求 根据设计要求和已知条件，确定主要参数，计算并选取外电路的元件参数。 四、设计资料及有关规定 字体符合要求，正确使用编程 五、设计成果要求 设计论文 六、物资准备 1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料
2.到实验室准备器件作好实验准备 七、主要图式、表式 电路图、表要规范，符合设计要求 八、时间安排 2013.11.1 设计动员，发放设计任务书 2013.11.2-2013.11.3查阅资料、拟定设计程序和进度计划 2013.11.4-2013.11.10 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书2013.11.11完成设计，交指导教师审阅 2013.11.14 成绩评定 九、考核内容与方式 考核的内容包括：学习态度；技术水平与实际能力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。 十、参考书目 1.田思庆，梁春英自动控制理论中国水利水电出版社 2013 2.魏克新，王云亮编著. MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版 社,2000. 3.王正林，王胜开编著. MATLAB/Simulink与控制系统仿真.电子工业出版社. 4.（美）安德鲁，（美）威廉斯编著. 实用自动控制设计指南.化学工业出版社. 5.黄忠霖编著. 自动控制原理的MATLAB实现.国防工业出版社,2007. 6.彭雪峰，刘建斌编著. 自动控制原理实践教程.中国水利水电出版社,2006.
实验三 基于Matlab 的纯滞后控制系统设计 一、实验目的 1) 学习使用simulink 进行Smith 预估补偿控制的设计方法。 2) 学习使用simulink 实现Dahlin 算法的设计方法。 二、实验原理 1. Smith 预估补偿控制的设计 已知被控对象传递函数： 302 3()2s +60s+1 s G s e -= (1) 应用Smith 预估补偿算法设计控制系统，并采用PID 控制。原理图参见课本P127图4-21和P128图4-22。 表1衰减曲线法整定控制器参数经验公式 2. Dahlin 算法的设计 已知被控对象传递函数： 102 ()100s+1 s G s e -= (2) 采样周期为2s ，选择期望闭环传递函数中的时间常数分别为T τ=5s ，10s ，20s ，设计Dahlin 控制器。原理图参见课本P129 4.3.2小节。 三、实验内容
1)按式(1)建立系统的Simulink模型，应用Smith预估补偿算法设计控制系统，消除滞后时 间的影响，并整定好PID参数。与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较，记录实验曲线。 据Smith预估补偿算法建立滞后系统的Simulink模型原理图： 图1 系统的Simulink模型仿真图 图2 控制系统整定好PID参数的曲线图 b）与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较 图3 同一PID控制器对无滞后的被控对象控制Simulink仿真图
图4 同一PID控制器对无滞后系统的仿真曲线图 2）与同一被控对象不带Smith预估补偿器的PID控制系统相比较，观察仿真结果，记录实验曲线。 不带Smith预估补偿器的PID控制系统Simulink仿真图如下 仿真图如下： 图5 不带 Smith预估补 偿器的PID 控制系统曲 线图 当加入离散 控制器和零 阶保持器时，
目录 一、设计题目及要求 (2) 二、设计方案与结构图 (2) 1、计算机控制系统结构图 (2) 2、硬件结构图 (3) 三、电路硬件设计 (3) 1、电桥电路 (3) 2、放大环节 (4) 3、滤波电路 (5) 4、A/D转换器 (5) 5、D/A 转换电路 (6) 四、参数计算及仿真 (7) θ=时数字调节器D（z）的实现 (7) 1、0 a、无控制作用下系统伯德图 (7) b、最少拍下调节器函数 (8) C、最少拍下系统伯德图 (10) d、单位阶跃响应下系统输出 (11) e、施加阶跃干扰信号 (12) f、施加随机信号影响 (13) θ==时数字调节器D（z）的实现 (15) 2、/20.374 T a、无控制作用下系统伯德图 (15) b、达林算法下调节器函数 (16) C、达林算法下系统伯德图（未加增益） (18) d、达林算法下系统伯德图（加增益） (19) e、单位阶跃响应下系统输出 (20) f、施加阶跃干扰信号 (21) g、施加随机信号影响 (23) 五、心得与体会 (24)
一、设计题目及要求 1、 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1 s Ke G s Ts τ-= +的温度控制系统和给 定的系统性能指标： ? 工程要求相角裕度为30°～60°，幅值裕度>6dB ? 要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃ 2、 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图； 3、 选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图； 4、 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证; 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C),T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况。 C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912 5、 进行可靠性和抗干扰性的分析。 二、设计方案与结构图 1、计算机控制系统结构图 其控制过程可描述如下： 1) 只有在采样开关闭合（即采样）的kT 时刻，才对系统误差e(t)的瞬时值 进行检测，也就是将整量化了的数字量e(kT)输入给计算机（数字控制器）。这一过程称为实时采集。 2) 计算机对所采集的数据e(kT)进行处理，即依给定的控制规律（数字控制 器）确定该kT 采样时刻的数字控制量u(kT)。这一过程称为实时决策。 3) 将kT 采样时刻决策给出的数字控制量u(kT)转换为kT 时刻生效的模拟控 制量u(t)控制被控对象。这一过程称为实时控制。
自动化专业课程设计报告 《自动控制原理设计》 班级：自动化10—1班 姓名：许明 学号：1005130116 时间：2012年12月17-21日地点: 实验楼17实验室 指导教师: 崔新忠 自动化教研室
自动控制课程设计 一、课程设计题目： 已知单位反馈系统开环传递函数如下： ()()() 2.80.8O k G s s s s = ++ 试设计滞后校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数 6 v K ≤，系统阻尼比 0.307 ζ=，绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，开环Bode 图和闭环Nyquist 图。 二、课程设计目的 1. 通过课程设计使学生更进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深 对内涵的理解，提高解决实际问题的能力。 2. 理解自动控制原理中的关于开环传递函数，闭环传递函数的概念以及二 者之间的区别和联系。 3. 理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到 最佳的系统。 4. 理解在校正过程中的静态速度误差系数，相角裕度，截止频率，滞后角 频率，分度系数，时间常数等参数。 5. 学习MA TLAB 在自动控制中的应用，会利用MA TLAB 提供的函数求出所需要得到 的实验结果。 三、课程设计内容 1. 已知单位反馈系统开环传递函数如下： ()()() 2.80.8O k G s s s s = ++ 试设计滞后校正环节，使其校正后系统的静态速度误差系数 6 v K ≤，系统阻尼比 0.307 ζ=，绘制校正前后系统的单位阶跃响应曲线，开环Bode 图和闭环Nyquist 图。 假定此时的系统的静态速度误差系数是符合要求的，即：6 v K ≤ 则有：
题目一阶纯滞后系统的控制方法研究
摘要 在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的PID控制以及微分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。自动控制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题：如在本文中所研究的一阶纯滞后系统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。由控制理论可知，无滞后控制系统（简单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。因此如何解决生产中滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。论文在常规PID控制也就是比例-积分-微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制。并对这三种方案进行Simulink仿真，检测其抗干扰性能。为便于分析，论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。 关键词：自动控制，仿真，PID，复杂控制
The control method research of the first-order delay system Abstract The automatic control technology use more and more in modern industrial production, and as the industrial and control technology development, the automatic control theory are developed and perfected, a lot of controlled methods appear such as PID control which is the most basic control and differential first control, intermediate differential control, Smith compensation control, fuzzy control, nerve network control. Automatic control technology had experienced a series of questions in industrial production: as the first-order delay system control in this article which is a more important issue in the control theory. Known by the control theory,a no lag control system (simple say is no delay) is more stable and more easily controlled than a delay system . So it is particularly important of how to solve the lagging problem in the current industrial production . The articles propose three control methods such as differential first control 、the middle of differential feedback control、smith compensation control base the conventional PID control in the other word is proportional - integral - derivative controller .And simulate this three programs by the simulink, testing its interference fearure. For convenient analyze the simulation result , the paper of the study derive from the simulation results by the graphical ,which we can easy understand and clear know the mean in the article. Key Words：automatic control; simulation; PID; complicated control
目录 引言 (1) 1 无源滞后校正的原理 (2) 2 系统校正前的图像 (4) 2.1 系统校正前的波特图 (4) 2.2 系统校正前奈氏图的绘制 (5) 3 校正环节参数计算 (6) 4 系统校正后的图像 (6) 4.1 系统校正后的波特图 (6) 4.2系统校正后的奈氏图 (7) 4.3系统校正前后的波德图对比 (8) 5 校正前后系统的阶跃响应曲线 (9) 6 心得体会 (12) 7 参考文献 (13)
课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 温度控制系统的滞后校正 初始条件：某温箱的开环传递函数为3()(41) s p e G s s s -=+ 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、 试用Matlab 绘制其波特图和奈奎斯特图，计算相角裕度和幅值裕度； 2、 试设计滞后校正装置，使系统的相角裕度增加15度。 3、 用Matlab 对校正后的系统进行仿真，画出阶跃相应曲线 时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
引言 在现代的科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制技术是能够在没有人直接参与的情况下，利用附加装置（自动控制装置）使生产过程或生产机械（被控对象）自动地按照某种规律（控制目标）运行，使被控对象的一个或几个物理量（如温度、压力、流量、位移和转速等）或加工工艺按照预定要求变化的技术。它包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识，自动控制系统的分析与综合，控制用计算机（能作数字运算和逻辑运算的控制机）的构造原理和实现方法。自动控制技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的核心技术，是自动化领域的重要组成部分。 自控控制理论是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输出入—单输出，线性定常系统的分析和设计问题。在线性控制系统中，常用的无源校正装置有无源超前网络和无源滞后网络，通过校正来改善系统的动态性能指标。系统的动态性能的改变可以由校正前后的奈奎斯特曲线和波特图看出。
课程设计 题 目 : 控制系统的滞后－超前校正设计 初始条件： 已知一单位反馈系统 的开环传递函数是 要求系统的静态速度误差系数 K v 10S 1 ，相角裕度 45 要求完成的主要任务 : （包括课程设计工作量及其技术要求， 以及说明书撰写等具体要 求） G(s) K s(s 1)(s 2)
1)用 MATLAB画出满足初始条件的最小 K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相角裕度。 2)前向通路中插入一相位滞后－超前校正，确定校正网络的传递函数。 3)用 MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。 4)用 Matlab 画出已校正系统的单位阶跃响应曲线、求出超调量、峰值时间、调节时间 及稳态误差。 5)课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和 MATLAB输出。说明 书的格式按照教务处标准书写。 时间安排： 指导教师签名： 系主任(或责任教师)签名：
目录 目录 ................................................. I.. 摘要 ................................................. II 1设计题目和设计要求. (1) 1.1题目 (1) 1.2初始条件 (1) 1.3 设计要求 (1) 1.4 主要任务 (1) 2设计原理 (2) 2.1滞后-超前校正原理 (2) 3设计方案 (4) 3.1校正前系统分析 (4) 3.1.1确定未校正系统的K 值....................................... 4.. 3.1.2 未校正系统的伯德图和单位阶跃响应曲线和根轨迹 (4) 3.1.3 未校正系统的相角裕度和幅值裕度 ............................. 7.. 3.2方案选择 (7) 4设计分析与计算 (8) 4.1校正环节参数计算 (8) 4.1.1已校正系统截止频率c的确定.................................. 8.. 4.1.4校正环节滞后部分交接频率a的确定 ............................ 8. 4.1.1校正环节超前部分交接频率b的确定 ............................ 8. 4.2校正环节的传递函数 (8) 4.3已校正系统传递函数 (9) 5已校正系统的仿真波形及仿真程序 (10) 5.1已校正系统的根轨迹 (10) 5.2已校正系统的伯德图 (11) 5.3已校正系统的单位阶跃响应曲线 (12) 6结果分析 (13) 7总结与体会 (14) 参考文献 (14)
实验三 基于Matlab 的纯滞后控制系统设计 一、实验目的 1) 学习使用simulink 进行Smith 预估补偿控制的设计方法。 2) 学习使用simulink 实现Dahlin 算法的设计方法。 二、实验原理 1. Smith 预估补偿控制的设计 已知被控对象传递函数： 302 3()2s +60s+1 s G s e -= (1) 应用Smith 预估补偿算法设计控制系统，并采用PID 控制。原理图参见课本P127图4-21和P128图4-22。 表1衰减曲线法整定控制器参数经验公式 2. Dahlin 算法的设计 已知被控对象传递函数： 102 ()100s+1 s G s e -= (2) 采样周期为2s ，选择期望闭环传递函数中的时间常数分别为T τ=5s ，10s ，20s ，设计Dahlin 控制器。原理图参见课本P129 4.3.2小节。 三、实验内容
1)按式(1)建立系统的Simulink模型，应用Smith预估补偿算法设计控制系统，消除滞后时 间的影响，并整定好PID参数。与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较，记录实验曲线。 据Smith预估补偿算法建立滞后系统的Simulink模型原理图： 图1 系统的Simulink模型仿真图 图2 控制系统整定好PID参数的曲线图 b）与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较 图3 同一PID控制器对无滞后的被控对象控制Simulink仿真图
图4 同一PID控制器对无滞后系统的仿真曲线图 2）与同一被控对象不带Smith预估补偿器的PID控制系统相比较，观察仿真结果，记录实验曲线。 不带Smith预估补偿器的PID控制系统Simulink仿真图如下 仿真图如下： 图5 不带 Smith预估补 偿器的PID 控制系统曲 线图 当加入离散 控制器和零 阶保持器时， 观察和比较 实验图。