纯滞后控制系统设计

过程控制系统课程设计题目之十三

大纯滞后过程特性Smith预估控制

对于一个大纯滞后过程特性的对象：sPCesssG10)12)(3(1)(，试设计一个Smith预估控制系统，并用SIMULINK和MATLAB程序仿真实现。当系统设定值R(s)为1时，调整PI参数，使过渡过程尽可能满意。（假设检测变送环节的传递函数为1）；比较在预估模型有偏差时，在相同的输入条件下，与预估模型无偏差情况的仿真结果；如果系统有扰动信号F(s)为单位阶跃信号或SINS信号时，比较系统的仿真结果；如有可能，再试设计一种改进的Smith预估器。

实验报告要求：

1、供系统仿真图；

2、按照题目要求，给出每个实验的仿真结果图；

3、根据以上仿真结果，分析)(sGPC有滞后与无滞后情况下，PI参数整定的特点。

II

大纯滞后过程特性Smith预估控制

摘 要：Matlab 是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵计算、信号分析与图形 显示为一体，构成的一个方便的、界面友好的用户环境。历经二十几年的发展和竞争，现已成为国 际公认的最优秀的科技应用软件。Matlab 最突出的特点就是简洁、它用直观的、符合人们思维习惯 的代码、代替 C 语言和 FORTRAN 语言的冗长代码。为此，Matlab 获得了对应用学科的极强适应力。 在国内外高校、Matlab 已成为大学生，硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究学位和工 业部门，Matlab 已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。Matlab 软件广泛用于数字 信号分析，系统识别，时序分析与建模，神经网络、动态仿真等方面有着广泛的应用。利用 Matlab 这个最优秀的科技软件，把计算机技术与信号分析紧密地结合起来，对信号进行分析处理仿真研究， 经实例验证， 取得了非常好的效果， 具有一定的实用价值。 本文控制系统为研究主体， 提出一种 Smith 预估控制算法，通过设计自适应非线性反馈回路来自适应调节参数，从而满足对象参数大幅度变化的要求。

《工业控制计算机》２０１３年第２６卷第１期　４１　纯滞后系统ＰＩ　Ｄ一模糊控制　ＰＩＤ——ｆｕｚｚｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｐｕｒｅ　Ｌａｇ　尹　超　李茂军　张　静　（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１００７６）　摘　要　为了保证城市供水质量，常常采用变频恒压供水方式。针对恒压供水系统的非线性、随机性、大惯性和纯滞后特性，提　出了一种带Ｓｍｉｔｈ预估的ＰＩＤ一模糊复合控制策略。这种控制策略融合了模糊控制动态响应性能好、ＰＩＤ控制调节精度高　以及Ｓｍｉｔｈ预估纯滞后补偿的优点。在保留了系统很好的动态过程平稳性和稳态性能的基础上，明显改善了系统的动态过　程快速性，同时对被控对象模型参数变化具有很好的适应性，鲁棒性好。仿真实验结果表明：带Ｓｍ＿ｆｈ预估的ＰＩＤ一模糊复　合控制策略可使恒压供水系统的动态稳态性能明显优于常规ＰＩＤ、模糊控制和ＰＩＤ一模糊复合控制。　关键词：变频，恒压供水，ＰＩＤ控制，模糊控制，Ｓｍｉｔｈ预估控制　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗｉｔｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｏｆｔｅｎ　ｕｓｅｄ．Ａ　ＰＩＤ－ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｗｉｔｈ　Ｓｍｉｔｈ　ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ．　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｒａｎｄｏｍｉｃｉｔｙ，ｌａｒｇｅ　ｉｎｅｒｔｉａ　ａｎｄ　ｂｉｇ　ｄｅｌａｙ　Ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎ—　ｒａｇｅｓ　ｏｆ　ｇｏｏｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｈｉｇｈ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｐｕｒｅ　ｌａｇ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｍｉｌｈ　ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｓ　ｓｔａｔｉｏｎａｒｉｔｙ，ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｅａｄｙ　ｓｔａｔｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｉｓ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｃａｎ　ｅｖｉｄｅｎｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｗｅｌｌ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏ１　Ｓｍ＿ｔｈ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　城市供水系统管网分布范围广、铺设复杂、弯管多、具有大滞　后、非线性及参数时变等特点，采用传统的Ｐ　ＪＤ控制很难达到满　意的效果，而模糊控制技术可避免传统ＰＩＤ控制的一些弊端　］，　鲁棒性较好，但是模糊控制属于有差控制，调节精度不高。ＰＩＤ　控制和模糊控制都未消除纯滞后对控制系统的影响。无论是　ＰＩＤ控制还是模糊控制都无法达到理想的控制效果，有必要开　拓提高恒压供水系统性能的新的途径。　文献【２］设计了模糊ＰＩＤ控制策略，设定误差阈值转换开　关，在不同的情况下使用不同的控制方法达到了较好的控制效　果。文献【３】利用遗传算法对模糊控制规则和ＰＩＤ参数进行全局　优化，设计了一种智能优化控制策略，使其更好地适应供水系统　的实际需求。文献［４】提出了采用可调整修正因子模糊ＰＩＤ控制　算法，提高了系统的稳定性、可靠性。文献［５］提出了参数寻优模　糊控制算法，其动态性能和抗扰动能力均优于传统的控制方式，　具有较强的鲁棒性。文献【６】设计了一种参数自适应模糊ＰＩＤ控　制器，能够对供水系统中的水压调节进行有效控制。这些控制策　略有的是对常规模糊控制的改进，有的在ＰＩＤ控制中用遗传算　法、模糊规则或其他启发式方法整定其控制参数，仍未充分考虑　城市恒压供水系统的非线性、随机性、大惯性和纯滞后特性。　针对城市供水系统的特点，本文提出一种带Ｓｍｉｔｈ预估的　ＰＩＤ～模糊控制策略，这种控制策略可使恒压供水系统的动态、　静态性能明显优于常规ＰＩＤ、模糊控制和ＰＩＤ一模糊复合控制。　１　变频恒压供水系统　城市变频恒压供水系统如图１所示。系统由储水池、供水管　网、水泵、变频器、压力检测仪表和控制器等组成。　压力传感器为反馈检测元件，变频器为功率驱动器件，交流　湖南省教育厅科学研究项目（１０Ｃ０３７６）　电　控制策ｌ咯　４　进水ｌ侧门　ｌ　变磊器　｛卒　０器．　压　ｒ　表　市政舒网　储水池　交流电机 ／　【－　供水管道　圭＝　水泵机组　图１　变频恒压供水系统示意图　电机为执行机构，水泵机组为控制对象。压力传感器安装水泵出　１：３管道中，控制器通过压力传感器不断检测管网中的压力，并与　输入到控制器输入端的给定压力和环境参数进行比较，然后通　过内部控制算法产生控制量去实时地控制变频器的输出功率，　从而控制电机转速，调整管道中的水压，使其始终处于最佳工作　状态。　２带Ｓｍ．１ｈ预估的ＰＩＤ一模糊控制策略　单纯采用模糊控制的恒压变频供水系统的静态性能较差，　可能导致实际压力达不到设定值。这主要是因为，通常的模糊控　制器以误差和误差变化作为输入，具有类似于比例微分控制的　作用，而缺少积分控制，导致了模糊控制的静态性能不佳，不利　于消除供水系统的压力误差。　考虑到ＰＩＤ控制动态响应性能较差，但控制精度高和静态　性能好；模糊控制有良好动态响应性能和快速响应能力，但存在　稳态误差；因此，把ＰＩＤ控制和模糊控制融合，让两者优势互补，　构成ＰｌＤ模糊复合控制，如图２所示。　针对ＰＩＤ和模糊控制的特点，总结出一套整定原则：　１）当ＩｅＩ较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，

实验8实验指导书具有纯滞后系统的大林控制

实验8具有纯滞后系统的大林控制系统

一、 实验目的

1．了解算法的基本原理；

2.掌握纯滞后对象的控制算法及其在控制系统中的应用。2、 实验设备

1．thbcc-1型信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台2．thbxd数据采集卡一块(含37芯通信线、16和usb电缆线各1根))三、实验内容

1.纯滞后一阶惯性环节达林算法的实现。2.采用纯滞后二阶惯性环节实现达林算法。4、 实验原理

在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间?对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间

? 与对象的惯性时间常数相比，传统的比例积分微分（PID）控制难以获得良好的控制性能

制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿预估)控制。

本实验基于达林算法。Dalin算法的综合目标不是最小拍频响应，而是具有纯滞后时间的一阶滞后响应。其等效闭环传递函数为

要求的等效环节的时间常数，t为采样周期。

通过对零阶holder方法进行离散，可以得到系统的闭环传递函数：v.实验步骤

1、实验接线

1.1根据图8-1，连接惯性链接的模拟电路；

1.2用导线将该电路输出端与数据采集卡的输入端“ad1”相连，电路的输入端与数据采集卡的输入端“da1”相连；

2.脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“thbcc-1”，运行实验软件；2.2顺序点击虚拟示波器界面上的开始钮和工具栏上的脚本编程器 2.3点击脚本编辑器窗口文件菜单下的“打开”按钮，选择“计算机控制算法VBS\\basic algorithm of computer control technology”文件夹下的“Dalin

自动化与仪器仪表　

ＺＩＤＯＮＧＨＵＡＹＵＸ，ＩＱｉＹＩＢＩＡＯ　２００２年第３期（总第１０１期）　

文章编号：１００１—９２２７（２００２｝０３—０００１—０３　

采用状态反馈实现纯滞后系统的控制　

尚智强　

（国立华侨大学福建泉州，３６２０１１）　

摘要：本文提出了一种采用最优状态反馈来实现对纯滞后对象的控制的方法。它将纯滞后　

环节进行非对称二阶伯德近似，然后按照Ｂｕａｅｒｗｏｒｔｈ滤波器原理设计状态反馈系数，从而实现对纯　

滞后对象的近似最优控制。仿真实验表明该系统具有较强的鲁棒性和抗扰性能。　

关键词：纯滞后Ｂｕｔｔｅｒｗｏｔｔｈ滤波器状态反馈鲁棒性　

ＡＢＳ＇Ｉ＇ＲＡＧ＇－ｆ：　ｓ　ｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｔ￣ａｌｌｉｎｇ　ｐｕｒｅ—ｌａｇ　ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ　ｏｐｔｉｍｉｓｍ　ｓｔａ￥￣一ｆｅｅｄ－　

ｂａｃｋ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ　６ｒｓｔＩｖ　ｄｅｄｕｃｅｓ　ａｎ　ａｓｙｎ＇￣ｅｔｒｙｔⅥ。一ｏｒｄｅ￣ｐａｄｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅ　ｓｔａｔｅ—ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｐ丑．　

ｒａｍｅｔｅ￣ｓ　ａｃｏ０　ｔｏ　Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｄａｆｉｌｔｅｒ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．１＂ｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈ　ｈｉ　ｈ　

—ｍｂｕｓｍｅｓｓ　ａｎｄ　ａｎｔｉ—ｊａＩＩ血ｉ“ｇ．　ＫＥＷｄＯＲＤＳ：Ｐｕｒｅ—ｌａｇ　Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ　ｆｉｌｔｅｒ　Ｓｔａｔｅ—ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｒｏｂｕｓｔａａｅｓｓ　

中图分类号：什２７１　８３　文献标识码：Ｂ　

０概述　纯滞后是工业生产过程中一种最普遍而又最难　

控制的一类对象。它“具有滞后的过程，在输入作用　

下不能立刻观察它对输出的影响，因此，控制问题变　

得复杂化了，基于这个原因，滞后就被认为是本来就　

存在于物理系统中的最难控制的环节”。而在许多　

工业生产过程中，滞后现象又是普遍存在的，例如冶　金、玻璃、造纸工业中板材厚度的控制，加热炉、炉窑