大时滞过程控制系统及MATLAB仿真.doc

西安科技大学研究生考试试卷题号分 数阅卷人12345678910总分学号 201206273 姓名 陈 体 军 所在学院 电气与控制工程学院学科、专业 仪器仪表工程 考试科目 先进控制理论与 高级控制装置 考试日期 _课程学时 _注 意 事 项1、考生必须遵守考场纪律。2、答题必须写清楚题号。3、字迹要清楚，保持卷面整洁。4、试题随试卷一起交回（试题写在黑板上时，答题时应抄写题目）。开（闭）卷 _先进控制理论与高级控制装置期末论文题目： 大纯滞后过程控制及matlab仿真 subject: big pure lag process control and matlab simulation 学 号: 201206273 姓 名： 陈 体 军 专 业: 仪器仪表工程 摘 要纯滞后系统在现代工业生产过程中是广泛存在的，精确控制难度较大。因此，纯滞后系统是控制理论研究的一个重要领域，特别是很多温度、流量等控制系统都是具有纯滞后的系统，对它的研究有着很重要的现实意义；针对这一问题，本文探讨了几种较为成熟的纯滞后系统常规控制方法，微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯预估补偿以及它的改进算法等。首先，本文分析了纯滞后系统的特点，提出了现阶段的控制方法，常规控制方法和智能控制方法，本文重点介绍了常规控制方法，其中史密斯预估补偿控制效果突出，在实际应用中较为广泛，最后对改进型史密斯预估补偿控制进行了实例分析并仿真，结果表明,史密斯控制具有更好的稳定性,对于大时间滞后系统是一种比较实用的控制方法。关键字：纯滞后控制系统；史密斯控制；matlab 仿真abstractpure lag system in modern industrial production process is widely exist, accurate control difficult. therefore, pure lag system control theory is an important field, especially a lot of temperature and flow rate on the control system is a pure lag system, the research on it has very important practical significance; in order to solve this problem, this paper discusses several relatively mature pure lag system conventional control method, differential advanced control, intermediate differential feedback control, smith predictive compensation and its improved algorithm, etc. first of all, this paper analyzes the characteristics of pure lag system, puts forward a control method, the conventional control method and intelligent control method, this paper mainly introduces the conventional control method, which smith predictive compensation control effect is prominent, more widely in practical application, the improved smith predictive compensation control is analyzed and the simulation, the results show that the smith control has better stability, for big time lag system is a kind of practical control method.key words: pure lag system ; smith control ; matlab simulation 目 录1 引 言11.1 纯滞后系统特点11.1.1 纯滞后的产生11.1.2 具有纯滞后对象的传递函数21.2 纯滞后系统控制方法研究的现状21.2.1 常规控制方法21.2.2 智能控制方法32 纯滞后系统的设计42.1 改进的常规控制方案42.1.1 微分先行控制42.1.2 中间微分反馈控制52.2 补偿控制方案52.2.1 纯滞后补偿原理62.2.2 史密斯滞后控制补偿及实例仿真62.2.3 完全抗干扰的史密斯滞后补偿控制112.2.4 增益自适应性补偿控制112.2.5 改进型史密斯补偿控制122.2.6 控制参数整定方法的介绍133 改进型smith补偿控制仿真研究实例143.1 matlab的介绍143.2 过热器概述143.3 过热气温控制系统实例及参数整定143.3 改进型smith补偿控制器仿真研究153.3.1 改进型smith补偿控制器主控制器参数整定153.3.2 改进型smith补偿控制器辅助控制器参数整定163.3.3 加入扰动时的系统控制研究17参考文献20第一章 引言1 引 言在化工、炼油、冶金、航空航天、机械制造业等复杂工业过程中，广泛存在大时滞现象;如生产过程的物料传输、直升飞机俯仰调节系统、化工过程的聚合反应过程、以及化工、电力生产中温度、流量、压力的测量过程等均存在时滞，被控对象本身时滞的存在相当于在控制系统中引入了附加的相移，使系统趋于不稳定;导致系统的超调量变大，调节时间加大;甚至出现振荡、发散，使系统的动态品质变差。时滞环节的存在相当于被控制对象变成无穷阶，即具有无穷多个极点;要通过有限维的控制器获得比较满意的控制性能具有一定的难度。当时滞时间比较小时对被控过程性能影响不大，可以忽略其影响，但是，当时滞时间大到一定值时，其对控制系统的影响必须考虑。一般以被控对象的时滞时间:与其时间常数t之比的大小来确定是否为大时滞:当0.5t时，时滞作用强，则该被控过程就可以认为是大时滞过程。此时不能忽略时滞对系统的影响。1.1 纯滞后系统特点1.1.1 纯滞后的产生在自然界里，总是存在各种各样的滞后现象，比如河水流动的滞后，声音传播的滞后，生物体神经传导的滞后，只不过有的滞后时间较长，被人们明显的感觉到了，有的滞后时间很短，被人忽略了，但滞后的存在是一种自然现象，不可人为的去除，只能想办法克服或给以补偿，在工业生产过程中，滞后系统也是大量存在的，特别是在石油冶炼、化肥生产企业，滞后产生的主要原因有：对系统被测变量的测量变送延时，比如某种化学成分或物体温度作为被测变量时，由于分布参数过程或测量对象是非线性高阶系统等原因，测量信号的起始部分变化非常缓慢，近似为纯滞后，也可能是由于系统中信号的传递延时，比如气压信号在管路中的传输延时。在实际控制中，有时因滞后很小，对系统的影响不大而在系统的设计或建模中将滞后忽略，但是在更多的实际过程中，滞后是不能省略的，如大纯滞后系统，滞后时变系统等。这些对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能影响极为不利，特别当对象的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于05时(称为大时滞系统)，采用常规的控制方法很难获得满意的控制效果。根据控制理论的分析可以知道，由于滞后环节的存在，相当于使系统变成了无穷阶，有无数个闭环极点，当前施加的控制作用需要经过一段时间才会在输出中反映。时滞的存在会增加系统的相角滞后，严重影响了系统的稳定性，导致系统的超调量变大，调节时间变长，甚至出现振荡、发散，系统的动态品质大大下降。1.1.2 具有纯滞后对象的传递函数 纯滞后环节的特点是其输出信号比输入信号延迟一定的时间，单位阶跃响应的时域表达式为： （1.1）公式中为纯滞后时间 。对上式求拉普拉斯变换，可得： （1.2）由此可得纯滞后环节的传递函数： （1.3）在实际自动控制系统中，被控对象往往与执行机构一起构成广义被控对象。它的动态特性通常可近似为具有纯滞后的一阶系统： （1.4）或是二阶系统： （1.5） 事实上，实际中的系统地阶次可能更高，但在系统的控制要求内，可将大部分高阶系统近似为以上两种形式。时滞过程的控制难度一般用来衡量，越大，系统越难以控制。1.2 纯滞后系统控制方法研究的现状 从上世纪5 0年代以来，随着自动控制理论的发展，针对纯滞后控制系统，先后出现了很多常规控制方法和智能控制方法这两大类。常规控制方法一般需要知道被控对象的数学模型，有pid及pid改进算法控制，大林算法控制，预估补偿控制，内模控制，鲁棒控制等。智能控制方法不需要知道对象的数学模型，有模糊控制，神经网络控制，遗传算法，专家系统等。近年来，有些学者尝试把两类方法结合起来构成一些新兴的复合控制算法，也取得了不错的效果。下面我们对其中一些方法做一个简要回顾。1.2.1 常规控制方法上世纪60年代，smith提出了smith预估控制器，从原理上讲它是一个克服纯滞后影响的有效方法，其基本原理是与具有纯滞后的对象并联一个补偿环节，经补偿后，实现了将纯滞后环节转移到闭环控制回路之外，从而消除了纯滞后对控制性能的影响，但目前它的应用并不是很广泛，因为设计它需要知道精确的数学模型，而人们能够得到的一些对象的数学模型仅仅能称为近似模型，但模型的不精确又会影响控制效果。1968年，ibm公司的大林提出了一种针对工业过程中含有纯滞后的对象的算法，其基本原理是把具有纯滞后对象的闭环控制系统的传递函数设计成一阶惯性纯滞后，其滞后时间要求与对象的滞后时间相同，然后推理出控制器的传递函数，这是一种直接数字控制器设计方法，后人称之为“大林算法”，获得了良好的效果。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。微分先行pid控制是一种基本pid控制改进算法，由于纯滞后的存在，应用基本pid控制很难取得较好的控制效果，微分先行pid控制不是把微分控制加到控制系统的前向通道，而是加到反馈通道，只对输出量进行微分，不对给定值微分，从而改善了控制性能，提高了稳定性。当然，基于计算机控制平台，还出现了很多其他的控制方法，如自适应控制、内模控制等等，这里不再一一介绍。1.2.2 智能控制方法智能控制是在自动控制、计算机技术、人工智能等多学科基础上发展起来的一门交叉学科，处于控制科学的前沿领域，它的优势主要体现在传统的控制理论无能为力的控制领域，比如控制系统的复杂性、测量的不准确性和不确定性；目前，智能控制理论和技术在国内外都有了长足的发展，已经进入工程化和实用化阶段，其主要分支有模糊控制、神经网络、遗传算法、专家系统等。模糊控制是以模糊数学、模糊逻辑推理及计算机技术为基础的计算机智能控制，模糊控制系统与其它控制系统的区别主要是控制器的设计不同，模糊控制器的输入是人类思维中的模糊变量，输出量也是模糊变量，它由模糊逻辑推理导出，推理过程模仿人类的思维过程，模糊控制的关键是模糊推理规则，而规则的建立依赖于工业现场操作人员的经验知识和操作数据。该方法具有较强的鲁棒性，对过程参数的变化不敏感，一般都能获得较稳定的控制。神经网络是一门新兴学科，它是在科学工作者对大脑工作机制长期探索和研究的基础上发展起来的，人工神经网络是利用工程技术(主要是计算机技术)手段来模拟人脑神经网络，它是一种大规模并行的非线性动力系统，它的主要特点有：分布式存储信息，大规模并行处理，自组织自学习能力，信息综合能力。近年来，随着新兴学科的发展，模糊控制、神经网络与其它学科的结合也成为一个研究的热点，比如模糊pid控制，模糊神经网络，神经网络专家系统等等。用智能控制的方法对纯滞后系统进行控制，是当前控制科学的一个热门领域，它解决了滞后对象模型无法得到或不精确的缺陷，但智能控制是一门新兴学科，它还在不断发展之中，需要科技工作者继续深入的探索研究。22第二章 纯滞后系统的设计2 纯滞后系统的设计基本pid控制虽然也能实现对纯滞后系统的稳定控制，但由于纯滞后的存在，使得系统的响应速度较慢，超调量较大，抗干扰能力较差，为了提高控制精度，加快系统响应速度，前人在pid控制的基础上提出了很多改进算法，主要有微分先行pid算法、中间微分反馈控制、smith预估控制算法等。本章对这几种方法做一个简单的介绍和比较。2.1 改进的常规控制方案在纯滞后系统控制中，为了充分发挥pid的作用，改善滞后问题，主要采用常规pid的变形形式：微分先行控制和中间微分控制。微分先行控制和中间微分控制都是为了充分发挥微分作用提出的。微分的作用是导前，根据变化规律提前求出其变化率，相当于提取信息的变化趋势，所以对滞后系统，充分利用微分作用，可以提前预知变化情况，进行有效的“提前控制”。 2.1.1 微分先行控制微分先行pid原理：它和标准pid控制的不同之处在于，只对被控量y（t）微分，不对偏差e（t）微分，也就是说对给定r（t）无微分作用。这样就可避免给定值的升降给控制系统带来冲击。微分先行控制如图3.1所示图2.1微分先行控制图2.1中表示比例积分调节器。表示先行的微分环节,表示被控对象传递函数中不含时间滞后的部分，表示被控对象传递函数中的时间滞后部分。系统的传递函数为： （2.1）若对系统采用常规的pid，则系统传递函数可写为： （2.2） 显然，采用pi的微分先行控制比采用常规pid控制形式相比系统传递函数少了一个零点，因此，虽然两种方式都采用了比例、微分和积分环节，但采用pi的微分先行控制方案可较好的抑制系统的超调量。2.1.2 中间微分反馈控制与微分先行控制方案的设想类似，采用中间微分反馈控制方案，加快系统的反应速度进而改善系统的控制质量。中间微分反馈控制方框图如图2.2 所示。 图2.2中间微分反馈控制系统的传递函数 （2.3）系统的微分只是对系统输出起作用，并作为控制量的一部分，这样的方式能在被控参数变化时，及时根据其变化的速度大小起附加校正作用。微分校正作用与pi调节器的输出信号无关，仅在动态时起作用，而在静态时或在被控参数变化速度恒定时就失去作用。微分先行和中间微分反馈方法都能有效地克服超调现象，缩短调节时间，而且不需特殊设备。因此，这两种控制形式都具有一定的实际应用价值。但是这两种控制方式都仍有较大超调且响应速度很慢，不适于应用在控制精度要求很高的场合。 2.2 补偿控制方案纯滞后补偿控制的基本思路是：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性等。 2.2.1 纯滞后补偿原理纯滞后补偿的基本原理如图2.3所示，图中不含滞后，为增加的补偿环节。图2.3 纯滞后补偿基本原理 令增加补偿后传递函数为： （2.4）得： （2.5）通过图2.3所示，附加关联环节的补偿处理，在与之间的传递函数不在表现为滞后性。2.2.2 史密斯滞后控制补偿及实例仿真史密斯提出的补偿方案如图2.4所示，虚框线部分为史密斯预估器。图2.4史密斯补偿控制系统框图系统传递函数为： （2.6）可见，经补偿后，传递函数特征方程中已消除时间滞后项，也就是消除了时滞对系统控制品质的影响。实例仿真以下通过一个数字仿真来看一下史密斯预估补偿的效果。学习借助matlab软件设计一个smith预估器控制一个大滞后环节,并且了解smith预估器参数对系统的影响。仿真框图如图2.5借助matlab软件我们可以轻易的模拟大滞后系统,对其进行控制仿真, smith预估器的基本原理就是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器进行补偿,力图使被延迟了的被调量超前反映的调节器,使调节器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程。 图2.5 史密斯预估补偿仿真框图其中对以下大滞后环节 采取smith预估器控制方案进行控制，其中k=2.2t=200=60。采用工程整定中的动态特性参数法，有一组公式如下：kck=1.35(t)-1+0.72tit=2.5t+0.5(t)21+0.6ttdt=0.37t1+0.2t由此得到一组参数为：kc=2.36 ti=134.7s td=20.9s用matlab中的simulink仿真工具箱仿真。simulink 仿真方框图如图2.6图2.6 simulink 仿真方框图当k=2.36 ti=134.7s td=20.9s时，响应曲线如图2.7图2.7 k=2.36 ti=134.7s td=20.9s时，响应曲线（1）当kt变化5%，其中k=2.31t=210=63时。 k=2.31t=210=63时，响应曲线如图2.8。图2.8 k=2.31t=210=63时响应曲线（2）当kt变化-5%，其中k=2.09t=190=57时。当k=2.09t=190=57时，响应曲线如图2.9。图2.9 当k=2.31t=210=63时响应曲线 （3）当kt变化10%，其中k=2.42t=220=66时。当k=2.42t=220=66时，响应曲线如图2.10图2.10 当k=2.09t=190=57时响应曲线 （4）当kt变化-10%，其中k=1.98t=180=54时，当k=1.98t=180=54时，响应曲线如图2.11。图2.11 当k=1.98t=180=54时响应曲线结论：通过试验，发现smith预估器的控制能力强，控制范围广，对大延迟系统有很强的控制能力,使被延迟了的被调量超前反映的调节器,使调节器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程。2.2.3 完全抗干扰的史密斯滞后补偿控制完全抗干扰的史密斯滞后补偿控制系统是在史密斯控制方案的基础上，增加一个反馈环节，从而实现系统的完全抗干扰。如图2.12。图2.12 完全抗干扰史密斯补偿控制系统既可完全恒定跟踪设定值，而与过程中所有参数无关。由于实际中很难实现，所以这种补偿方式，只有理论的意义而在实际中很少采用。2.2.4 增益自适应性补偿控制该补偿控制是在史密斯补偿控制基础上增加了一个除法器、一个导前微分环节（其中）和一个乘法器。利用这三个环节根据模型和过程输出信号之间的比值提供一个自动校正预估器增益的信号。如图2.13 图2.13 增益自适应性补偿控制2.2.5 改进型史密斯补偿控制 改进型史密斯补偿控制方案的最大特征是比其他方案多了一个调节器，即反馈通道传递函数： 中的控制方案如图2.14图2.14 改进型史密斯补偿控制改进型史密斯补偿控制其参数整定规律比较简单。为了保证系统输出响应无静差，要求两个调节器和均为pi方式，主调节器按估计模型准确无误差整定即可。的整定只是整定参数ki即可。理论分析证明改进型方案的稳定性优于原smith方案，其对模型精度的要求明显降低，有利于改善系统的控制性能。无论在设定值扰动或负荷扰动下，史密斯预估器对模型精度十分敏感，而改进型方案确有相当好的适应能力，是一种有希望的史密斯改进方案。2.2.6 控制参数整定方法的介绍一个控制系统的控制质量与被控对象的特性、干扰的形式和幅值、控制方案及控制器的参数等因数密切相关。其中，对象特性和是系统固有的，不会随意改变。所以在控制方案确定的情况下，控制器的参数就决定了控制系统的控制性能。用理论方法设计的控制器需要经历复杂的建模、分析与校正过程。还会因为设计过程中诸多简化而导致获得控制器参数不能直接应用，这就要求在现场使用时进行整定。在工程上常常采用一些近似方法，避开对象特性曲线和数学模型，预先选择一定类型的控制器，直接在控制系统中进行控制器参数的现场整定。经过长期的运行、实验、分析和总结，现在已经有了一系列成熟的、实用的工程整定方法。控制器参数工程整定方法有：经验数据法、试凑法、临界比例度法、衰减曲线法等方法。本设计主要对试凑法进行介绍：试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，一边观察系统的运行，一边修改参数，直到满意为止。（1）比例参数整定：首先采用纯比例控制，不考虑积分和微分作用。由小到大调整比例系数，直到系统的响应速度较快、有一定的超调量为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已经满足设计要求，那么只要纯比例调节起即可。（2）积分参数调节：如果比例控制的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。在整定时将积分时间常数逐渐减小，积分作用就逐渐增强。观察输出会发现，系统的静差会逐渐减小直至消除。反复实验几次直到消除静差的速度满意为止。注意此时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数k。系统采用比例控制时，系统有稳态误差。所以，为了使系统无静差，选择pi控制方式，采用试凑法整定参数。试凑法在控制系统的调节器参数整定过程中，被广泛应用，主要是由于其操作比较简单，通过在线整定就可以获得比较理想的控制效果，满足设计的要求。第三章 改进型smith补偿控制仿真研究实例3 改进型smith补偿控制仿真研究实例3.1 matlab的介绍目前比较流行的控制系统仿真软件是matlab。使用matlab对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。本设计主要运用matlab中的simulink这一工具箱对系统进行仿真研究。以下对其进行简单的介绍:simulink是一个交互式动态系统建模、仿真、分析图形环境。是一个进行基于模型的嵌入式系统开发的基础开发环境。simulink提供了一个建立系统方框图，并对系统进行模拟仿真的环境。3.2 过热器概述过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热到具有一定过热温度的合格蒸汽，并要求在锅炉变工况运行时保证过热蒸汽温度在允许范围内变动。过热器内流动的为高温蒸汽，其传热性能差，而且过热器由位于高烟温区，所以管壁温度很高。因此，是过热器管能长期安全工作是过热器实际和运行的主要问题。3.3 过热气温控制系统实例及参数整定本设计针对某300mw电厂的过热汽温控制系统进行研究。系统模型如下：w=e （3.1）smith控制系统参数整定的simulink方框图如图3.1，smith控制系统参数整定后的阶跃响应图如图3.2所示。图3.1 smith控制系统参数整定的simulink方框图 图3.2 smith控制系统参数整定后的阶跃响应图当k=0.3, k0.08 图3.1所得的阶跃响应如图3.2所示。此时系统无超调量，且响应较快。3.3 改进型smith补偿控制器仿真研究改进型smith补偿控制是在史密斯补偿控制基础上发展起来的。从理论上讲，该方法可以克服任何干扰。本设计采用改进型smith补偿控制方案进行研究。3.3.1 改进型smith补偿控制器主控制器参数整定改进型smith补偿控制系统结构图如图3.3所示。图3.3改进型smith补偿控制系统的结构图图3.3中主控制器的参数根据估计模型准确无误差（即=）整定。辅助调节器在系统仿真调整过程中整定。图3.4 主控制器参数整定simulink框图如图3.4所示，比例系数取0.3，对应的积分系数取0.08。对图3.4进行仿真。图3.5 主控制器参数整定阶跃响应图当系统采用比例控制时，取任何值构成的闭环系统均稳定。所以，本被控对象不能采用稳定边界法整定系统参数。采用试凑法整定参数。当k=0.3, k0.08时系统阶跃响应如图3.5所示，系统无超调量，响应时间很快。3.3.2 改进型smith补偿控制器辅助控制器参数整定被控对象实际传递函数为：w=e （3.2）根据改进型smith预估器的原理，广义对象除迟延部分的传函为： w= (3.3)wt2(s)采用pi调节器。所以有： (3.4)令 (3.5)若令ti2=4，上式可化简为： (3.6)所以只要整定即可。图3.6 辅控制器参数整定simulink框图图3.7 辅控制器参数整定阶跃响应图当k=0.005时系统阶跃响应如图3.7所示，系统无超调量,响应速度也很快。3.3.3 加入扰动时的系统控制研究在实际的系统过程控制过程中，往往会受到不同程度的扰动，这些扰动都可以降低系统的稳定性。增大系统的超调量，增加系统的调节时间，甚至会是系统变得不稳定，所以对加入扰动后系统的仿真研究很有必要。下面重点研究当两种控制系统加入扰动的仿真，看其抗扰性能是否满足设计的要求。当smith补偿控制系统和改进型smith补偿控制系统加入扰动时，仿真结果如下图3.9所示。图3.8 加入扰动时smith控制器simulink框图图3.9 加入扰动时smith控制器响应图当smith控制系统加入扰动时，从仿真图可以看出控制效果很不理想，具有一定的振荡和超调，而且要经过相