時(shí)滯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寸滯控CompanyDocumentnumber:WTUT-WT88Y-W8BBGB-

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院《計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)》—時(shí)滯控制系統(tǒng)仿真研究系別：自動(dòng)化工程系專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化姓名：胡鑫材學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：2015年6月30日摘要時(shí)滯系統(tǒng)的控制是控制理論應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，為了提高常規(guī)時(shí)滯控制系統(tǒng)的魯棒性能，本文將智能控制的引入到時(shí)滯系統(tǒng)中，論文首要分析了滯后環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，討論了集中常規(guī)控制方法，解析說(shuō)了實(shí)現(xiàn)過(guò)程。Smith控制是基于模型的控制補(bǔ)償，但是對(duì)參數(shù)變化較為敏感。Dahlin控制器一但設(shè)計(jì)成型對(duì)系統(tǒng)的不變性要求較高。本文通過(guò)對(duì)固定模型的常規(guī)PID算法，離散PID算法。以及結(jié)合SmithPID算法，以及Dahlin算法進(jìn)行MATLAB仿真和試驗(yàn)，同過(guò)比較的方法學(xué)習(xí)各種控制的優(yōu)缺點(diǎn)。以及討論其適應(yīng)性。關(guān)鍵詞：PIDSmithDahlin時(shí)滯離散MATLAB目錄1時(shí)滯系統(tǒng)控制概述PID控制簡(jiǎn)介PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是一種算法。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。從信號(hào)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(jié)為比例、積分、微分三種運(yùn)算及其組合。PID調(diào)節(jié)器的適用范圍：PID調(diào)節(jié)控制是一個(gè)傳統(tǒng)控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場(chǎng)，不同的現(xiàn)場(chǎng)，僅僅是PID參數(shù)應(yīng)設(shè)置不同，只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可以達(dá)到好的效果。均可以達(dá)到％，甚至更高的控制要求。Smith預(yù)估控制器Smith于1957年提出的預(yù)估控制算法，通過(guò)引入一個(gè)與被控對(duì)象相并聯(lián)的純滯后環(huán)節(jié)，使補(bǔ)償后的被控對(duì)象的等效傳遞函數(shù)不包括純滯后項(xiàng)，這樣就可以用常規(guī)的控制方法(如PID或PI控制)對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行控制.在常規(guī)方案基礎(chǔ)上，外加調(diào)節(jié)器組成副回路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，該方法的穩(wěn)定性和魯棒性比原來(lái)的Smith預(yù)估系統(tǒng)要好，它對(duì)對(duì)象的模型精度要求明顯地降低了.Watanabe提出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的Smith預(yù)估器采用了一個(gè)抑制擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器M(s),通過(guò)配置M(s)的極點(diǎn)，能夠獲得較滿(mǎn)意的擾動(dòng)響應(yīng)及對(duì)擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差為零.Dahlin控制算法概述圖大林算法設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對(duì)象具有較大的純滯后時(shí)間，可以近似用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示，其傳遞函數(shù)為一階對(duì)象：G(s)=—^e-w=NT，T1s+1二階對(duì)象：G(s) e-&,t=NT二階對(duì)象：(T1s+1)(T2s+1) ，大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù) 中(s)相當(dāng)于一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即^(s)= e-^s,t=NT，Tts+1并希望整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間和被控對(duì)象的純滯后時(shí)間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，純滯后時(shí)間與采樣周期T有整數(shù)倍關(guān)系，(N=1,2.一)。大林算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),使整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間等于被控對(duì)象的純滯后時(shí)間.大林算法方法比較簡(jiǎn)單,只要能設(shè)計(jì)出合適的且可以物理實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用.但它的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)中存在振鈴現(xiàn)象，且與Smith算法一樣，需要一個(gè)準(zhǔn)確的過(guò)程數(shù)字模型，當(dāng)模型誤差較大時(shí)，控制質(zhì)量將大大惡化，甚至系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定.實(shí)際上已有文獻(xiàn)證明,只要在Smith預(yù)估器中按給定公式設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器D伺，則Smith預(yù)估器與Dahlin算法是等價(jià)的,Dahlin算法可以看作是Smith預(yù)估器的一種特殊情況.2仿真的傳遞函數(shù)及要求時(shí)滯系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：（1） 使用連續(xù)、離散PID進(jìn)行控制。（2） 使用計(jì)算機(jī)控制史密斯、大林等設(shè)計(jì)相應(yīng)控制器比較性能優(yōu)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(guān)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(shù)為公式（1-2）G。（s）=^^=Kp+K+Kd （1-2）0E（s） s '7比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差上匕例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差,積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性,能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì),因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié),對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。連續(xù)PID控制器設(shè)計(jì)利用MATLAB中SimulinkLibraryBrowser的階躍型號(hào)、控制器、傳遞函數(shù)、時(shí)滯環(huán)節(jié)、示波器構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖所示的連續(xù)PID控制器框圖。圖連續(xù)PID控制器框圖PID參數(shù)整定通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)整定后，在整定時(shí)得到的波形圖如圖所示，參數(shù)整定時(shí)應(yīng)用的PID如圖3.3參數(shù)整定圖，得到圖較好的連續(xù)PID控制器參數(shù)整定框圖。圖參數(shù)整定過(guò)程中的波形圖圖參數(shù)整定圖圖圖波形圖離散PID控制器設(shè)計(jì)利用MATLAB中SimulinkLibraryBrowser的階躍型號(hào)、控制器、傳遞函數(shù)、時(shí)滯環(huán)節(jié)、示波器、零階保持器構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)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(shù)整定利用連續(xù)的PID參數(shù)調(diào)整方法，及經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一系列的參數(shù)嘗試調(diào)整后得到合理的PID參數(shù)如圖，及其波形圖。圖離散PID波形圖圖離散PID參數(shù)整定史密斯控制器設(shè)計(jì)根據(jù)史密斯控制設(shè)計(jì)的控制器，依據(jù)理論推倒傳遞函數(shù)得到如圖所示的系統(tǒng)框圖.圖史密斯控制器系統(tǒng)框圖史密斯控制器參數(shù)整定在調(diào)整參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)只要調(diào)整P就可達(dá)到想要的效果，是一種比較好調(diào)節(jié)的控制器。調(diào)整參數(shù)過(guò)程中的波形圖。調(diào)整好的如圖參數(shù)，及波形圖。圖調(diào)參波形圖圖參數(shù)整定圖圖對(duì)應(yīng)的波形圖通過(guò)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(tǒng)的超調(diào)量也不大，在可以接受的范圍之內(nèi)。大林控制器設(shè)計(jì)首先根據(jù)具體傳遞函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)（z），具體過(guò)程用MATLAB程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序見(jiàn)附錄1。得到的大林控制器如圖所示。同時(shí)，根據(jù)附錄程序可以得到參數(shù)整定圖及圖的波形圖。圖大林控制器框圖

圖參數(shù)整定圖1圖參數(shù)整定圖2經(jīng)過(guò)多次參數(shù)整定，得到較為合理的參數(shù)如圖，其波形圖見(jiàn)圖所示。圖參數(shù)顯示圖圖圖對(duì)應(yīng)的波形圖通過(guò)圖可以看出這個(gè)參數(shù)是有靜差的參數(shù)調(diào)整，如果要的到想要的參數(shù)就必須繼續(xù)構(gòu)造相應(yīng)的參數(shù)。4控制器的分析及對(duì)比IEIE控制器PID控制器由于具有算法簡(jiǎn)單，魯棒性好和可靠性高等特點(diǎn),因而在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的運(yùn)用.PID控制的難點(diǎn)在于如何對(duì)控制參數(shù)進(jìn)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(shù)，基于過(guò)程特征參數(shù)的自整定技術(shù)，基于給定相位裕度和幅值裕度的SPAM法自整定技術(shù)，基于遞推參數(shù)估計(jì)的自整定技術(shù)以及智能自整定技術(shù)等.總體來(lái)看這類(lèi)自整定PID控制器對(duì)于(T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù))的純滯后對(duì)象控制是有效的，但難以穩(wěn)定.Smith預(yù)估控制Smith預(yù)估控制方法雖然從理論上解決了時(shí)滯系統(tǒng)的控制問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用中卻還存在很大缺陷.Smith預(yù)估器的兩個(gè)主要缺陷:1.系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)很差；2.若控制對(duì)象中包含的極點(diǎn)時(shí)，即使控制器中含有積分器，系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)誤差也不為零?改進(jìn)結(jié)構(gòu)的Smith預(yù)估器采用了一個(gè)抑制擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器M(s)，通過(guò)配置M(s)的極點(diǎn),能夠獲得較滿(mǎn)意的擾動(dòng)響應(yīng)及對(duì)擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差為零.大林算法大林算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)，使整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間等于被控對(duì)象的純滯后時(shí)間.大林算法方法比較簡(jiǎn)單,只要能設(shè)計(jì)出合適的且可以物理實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用.但它的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)中存在振鈴現(xiàn)象，與Smith算法一樣，需要一個(gè)準(zhǔn)確的過(guò)程數(shù)字模型,當(dāng)模型誤差較大時(shí),控制質(zhì)量將大大惡化，甚至系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定.只要在Smith預(yù)估器中按給定公式設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器D伺，則Smith預(yù)估器與Dahlin算法是等價(jià)的,Dahlin算法可以看作是Smith預(yù)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