基于模糊Smith控制的时滞系统设计与仿真

基于模糊Smith控制的时滞系统设计与仿真

摘要

今天的工业生产在面对日益复杂的控制问题伴随着科技的进步状态,时间延迟,但是,很难避免工业控制的内在特征, 它不仅降低了系统的稳定性,也严重影响工业生产过程的质量控制,模糊控制作为一种基于模型参数的控制方法的研究成为了一个热点。MATLAB在本文中结合了模糊控制和Smith控制，即模糊—Smith控制,不仅补偿滞后的缺点,也较强的适应控制对象的参数变化,具有一定的实际应用前景。大时滞工业生产过程中经常运用于冶金、炼油、化工、电力、航空航天和经济管理中，还在大时滞工业过程估计控制系统以传统的史密斯为主,

Smith预测控制是延时控制最有效的控制方法,它不仅克服控制系统中的各类缺陷,也可以使模糊控制和Smith预估器相结合,对于模糊控制应用于纯时滞系统在某种程度上是更成功的。

关键词：模糊控制; Smith控制; 时滞系统; MATLAB。

Based on the fuzzy - Smith control design and simulation of

time-delay systems

Abstract

In today's industrial production in the face of increasingly complex

control problems along with the progress of science and technology

condition, time delay, but it is hard to avoid the inherent characteristics

of the industrial control, it not only reduces the system's stability and serious influence the industrial process control 's quality , fuzzy control,

as a kind of control method based on model parameters become a hot

spot of research. MATLAB in this paper combines fuzzy control and

control become blurred - Smith. Smith control, not only compensate the

disadvantage of lag, and to adapt to changes in the parameters of the

controlled object, has a certain practical application prospect. Large time

delay is often used in the process of industrial chemical, oil refining,

metallurgy, electric power, aerospace, economic management and traffic

system. Also in large industrial processes with time-delay estimation

control system is given priority to with the traditional Smith, Smith

predictive control is the most classical and most mature time delay

control method, it not only make the set value input zero steady-state

error and external disturbance, also can be combined with fuzzy control

and Smith estimates

Key words: Fuzzy Control; Matlab; Delays; Smith control

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目 录 Ⅲ

1引 言 1

1.1选题的背景及意义 1 2绪论 2

2.1 研究的内容及方法 2

2.2研究的可行性 2

2.3研究的目标及意义 4

3模糊-Smith控制 4

3.1时滞 5

3.2模糊控制 5

3.3 Smith控制 6

3.4史密斯（Smith）预估器 7

3.5模糊-Smith控制 9

4 MATLAB软件仿真 13

4.1 MATLAB与其特点 13

4.2模糊-Smith控制的MATLAB仿真 13

4.3仿真结果分析 18

5结论 19

参考文献 19

致谢 20

1引 言

1.1选题的背景及意义

对于今天的工业生产在面对日益复杂的控制问题伴随着科技的进步状态,时间延迟,但是,很难避免工业控制的内在特征, 它不仅降低了系统的稳定性,也严重影响工业生产过程的质量控制,模糊控制作为一种基于模型参数的控制方法的研究成为了一个热点。为了解决这个问题，提出了一个合理而且有效的控制方法，即模糊—Smith控制,不仅补偿滞后的缺点,也较强的适应控制对象的参数变化,具有一定的实际应用前景。大时滞工业生产过程中经常运用于冶金、炼油、化工、电力、航空航天和经济管理中，还在大时滞工业过程估计控制系统以传统的史密斯为主, Smith预测控制是最经典的、最成熟的延时控制的方法,它不仅使设定值与外部干扰输入的稳态误差变为零, 也可以使模糊控制和Smith预估器相结合,对于模糊控制，它不需要建立被控对象的数学模型,可以很容易地结合其他高性能控制器的控制方法,所以相对于时滞系统控制而言，我们可以运用模糊控制,因为对于模糊控制的研究在滞后系统中具有很大的重要意义,也具有很好的发展和应用前景。

2 绪论

2.1 研究的内容及方法

史密斯预测控制系统[3],使用自己的自适应模糊控制器的参数形成机制,即根据控制系统的不同阶段呈现不同的特征,相应的调整模糊控制器与的比例因子和量化,以适应对象属性的变化。提到的实验仿真结果表明,该方法可以有效地克服了普通模糊控制算法不适应大时滞系统控制和传统的Smith算法过于依赖模型的精度的不足与缺陷,并改善普通模糊控制器控制大滞后系统的能力。同时,该算法具有良好的控制品质和较强的鲁棒性。

2.2 研究的可行性

在工业生产控制、大时滞系统控制长期以来一直被视为一个困难,但史密斯(Smith)预测控制通常用于这种类型的控制系统。然而,根据传统的史密斯(Smith)预测控制理论设计控制器PID控制器,这种缺乏准确或时变参数,大时滞系统的数学模型,一个令人满意的控制性能是非常困难的。由于微分PID控制器在工程实践中并不明显,因此提出了模糊自适应PID -史密斯(Smith)控制方法,该方法结合了模糊控制和传统的史密斯(Smith)预测控制和PID控制。模糊控制是用来自动在线调整PID控制参数,与此同时,史密斯(Smith)预测控制用于改善系统上的长时间延迟效应。史密斯经典控制是通过调整参数以控制的精确模型,但是对每个参数过度依赖。

2.3 研究目标及意义

时滞系统[4]是一种广泛存在于工业生产系统,因为它控制的输出纯滞后,可以及时反映在流量控制的控制对象,导致控制系统超调,稳态误差显著和稳定。针对大时滞对象,吧史密斯(Smith)预测控制原理和自适应模糊控制器参数的自适应性调整方法相结合起来。

随着科技的进步与时代的进步,现代工业生产控制的生产问题越来越复杂,许多控制对象是一个大时滞、非线性、参数等特点。许多控制对象存在于纯滞后环节,如航空航天、经济、化工等。

针对大时滞过程,在1957年,史密斯提出了一种预测补偿的方法来改善传统的控制器对时滞系统的控制性能,即史密斯预测控制, 史密斯预测控制的基本思想要求提前预估实际系统动态特性中会遇到的各种问题,然后时滞补偿的预测,提前调制延迟反映流动的监管机构,调整提前行动,以抵消延时的特点的影响,减少超调,加速度反应,改善系统稳定性,提高系统的速度。许多学者对这个问题进行了广泛、深入地学习和研究,并提出了许多可行的控制方法。

在现代工业生产过程的时滞系统的研究已经广泛的实用的现实背景,并大力推广由生产工程国内外理论界。在现代大时滞工业过程中经常使用的运输系统、电力、冶金、化工、炼油、航空航天、经济管理。仍然以这个大延迟的过程工业的史密斯预测控制系统为主,史密斯预测控制是目前为止最成熟最成功的延时控制方法，它不但极大地降低了外部扰动输入的零稳态误差及将设定值为零,也将史密斯预估器和模糊控制相结合，其在模糊控制在纯滞后系统中的实际应用非常成功的。

3 模糊-Smith控制

3.1 时滞

时滞是什么?是人们认识事物的过程中存在一种“延迟”现象,换句话说,从一个消息开始到实际行动结束后将会有一个时间差。时滞现象普遍存在各种各样的控制工程,延迟往往是导致系统不稳定或恶化的主要原因之一，时滞系统的性能的研究在过去的几十年中一直被大量学者们所关注。时滞现象在本质上是普遍的和不可避免的,往往是系统性能下降,甚至极其不稳定的主要根源之一。

延迟是指系统输出的趋势不仅取决于系统的当前状态,还取决于在过去某一时刻的状态。导致的原因很多，其中包括被控对象的物理特性,实际的系统变量测量、传输及处理因素等等,因此,时滞现象普遍存在各种各样的控制工程中,它往往是导致系统不稳定,性能下降的主要原因之一。过去几十年以来,其得到了大量学者的关注,时滞系统的研究,其数学模型属于一类无限维的泛函微分方程,在他们的研究和数学模型在数学理论属于很多研究的常微分方程是困难的时滞系统,有很高的理论价值,因此对时滞系统的分析和研究具有非常重要的理论意义与现实意义。

延迟是一种系统的性质,即使是世界上最先进的技术,它是不可能完全消除。生产力的快速发展和科学技术的进步,控制对象越来越复杂,想要准确的数学模型是一个非常困难的事情,经常不确定系统模型,使一类线性系统的分析和控制变得越来越困难,因此，时滞系统的分析和综合一直是研究的一个热点和难点。

3.2 模糊控制

为什么一定要强调模糊呢?“模糊”是人类知觉、知识、思维、推理、决策的重要特征。这是“明确”有更丰富的信息容量,更符合客观世界。在1965年Zadeh教授率先提出了模糊控制理论。在19世纪70年代, 蒸汽发动机控制采用了英国马丹尼(Mamdani)模糊控制理论。模糊控制也因此才得到极其快速的发展。近年来已广泛应用于工业生产过程。模糊控制能够得到快速发展主要是由于以下几个方面: