大纯滞后过程特性Smith预估控制

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：，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〕；比拟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，比拟系统的仿真结果；如有可能，再试设计一种改良的Smith预估器。实验报告要求：供系统仿真图；按照题目要求，给出每个实验的仿真结果图；根据以上仿真结果，分析有滞后与无滞后情况下，PI参数整定的特点。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。历经二十几年的开展和竞争，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、博士生必须掌握的根本技能。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响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。关键词：Matlab；纯滞后；Smith预估控制器；SimulinkPuretime-delaysystemcontrolalgorithmofSmithAbstract：Matlabisasoftware.ofhighperformanceofnumericalcalculationandvisualizationItgetnumericalanalysis,calculationandsignalanalysisandgraphicdisplaytogether,constituteaconvenient,interface,userfriendlyenvironment.After20yearsofdevelopmentandcompetition,hasbecomeinternationallyrecognizedthebesttechnologyapplicationsoftware.ThemostprominentfeatureofMatlabisconcise,itusethepeople'sthinkingandhabitsofthevisualcode,insteadofClanguageandFORTRANlanguagelengthycode.So,Matlabacquirethesubjectofapplicationforscience.Matlab,hasbecomeacollegestudents’,masters’ordoctors’basicskillswhichmustbegraspofbothathomeandabroad,.Inthedesignresearchdegreeandindustrialdepartment,Matlabhasbecometheresearchandsolvespecificengineeringproblemsareastandardsoftware.Matlabsoftwarewidelyusedindigitalsignalanalysis,systemidentification,timinganalysisandmodeling,neuralnetwork,dynamicsimulation,etcinawiderangeofapplications.ThebestuseofMatlabsoftwaretechnology,computertechnologyandsignalanalysiscloselytogether,thesignalanalysissimulation,andachievedverygoodresultssinceithascertainpracticalvalue.Thiscontrolsystemasamainbodyofresearch,andputforwardakindofSmithpredictioncontrolalgorithm,andadapttoadjusttheparameterthroughthedesignadaptivenonlinearfeedbackloop,andmeettherequirementsofanobjectparameterchangesgreatly.Keywords：Matlab;Puretime-delay;Smithestimatedcontroller;Simulink1纯滞后产生的主要原因1.物料及能量在管道或者容器中传输及运送需要时间；2.物质反响、能量的释放及能量交换需要一定过程和时间；3.设备和设备之间的串联需要许多的中间环节；4.测量装置的响应时间；5.执行机构的动作时间；在控制对象调节通道、测量装置及执行机构等环节存在纯滞后时，控制系统闭环特征方程中就存在纯滞后因子，而且存在纯滞后的环节较多时,系统滞后时间也将随之增加。因此明显降低了系统的稳定性，而且纯滞后时间越长，系统稳定性就越差。由于纯滞后的存在，调节作用不及时，导致被调节系统的动态品质下降。纯滞后越大，那么系统的动态品质越差。2史密斯预估器原理2.1史密斯预估器补偿原理在单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为Gp(s)e-ts，被控对象中不包含纯滞后局部的传递函数为Gp(s)，被控对象纯滞后局部的传递函数为e-ts。那么系统的闭环传递函数为(1)由式(1)可以看出，系统特征方程中含有纯滞后环节，它会降低系统的稳定性。史密斯补偿的原理是：与控制器D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后局部，这个补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如图1所示。图1史密斯补偿后的控制系统由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为(2)根据图1可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为(3)由式(3)可以看出，经过补偿后，纯滞后环节在闭环回路外，这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。拉氏变换的位移定理说明e-s仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间，而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同。2.2史密斯预估器的计算机实现由图1可以得到带有史密斯预估器的计算机控制系统结构框图，如图2所示。图中，H0(s)为零阶保持器，带零阶保持器的广义对象脉冲传递函数为G‘(z)为被控对象中不具有纯滞后局部的脉冲传递函数，N＝/T，是被控对象纯滞后时间，T是系统采样周期。图2史密斯补偿计算机控制系统D’(z)就是要在计算机中实现的史密斯补偿器，其传递函数为(4)对于控制器D(z)，可以采用如下方法确定：不考虑系统纯滞后局部，先构造一个无时间滞后的闭环系统(见图3)，根据闭环系统理想特性要求确定的闭环传递函数为Φ(z)，那么数字控制器D(z)为(5)图3理想闭环系统3纯滞后对控制效果的影响3.1系统仿真图①在没有纯滞后时整定调节器PI参数滞后时间为0，PI整定参数P=4.7，I=3.9，阶跃输入信号②具有纯滞后环节对控制效果的影响滞后时间为10，PI参数保持不变，阶跃输入信号可见使用整定的控制器无法正常工作。3.2构建smith预估控制系统①预估模型无偏差时，在无扰动信号情况下输出波形②预估模型无偏差时，在有扰动信号情况下输出波形③预估模型有偏差时，在无扰动信号情况下输出波形，令transportdelay1滞后时间为5，其余参数保持不变④预估模型有偏差时，在有扰动信号情况下输出波形采用了Smith预估控制器可以到达较好的控制效果，但其在扰动下的控制表现不好。4.PI控制特点积分作用使控制器的输出和偏差的积分成比例，故过度过程结束时无余差，但是加上积分作用，稳定性降低。积分作用时增大比例度，保持稳定性，但超调量和振荡周期增大，过度时间增长.次控制器是适用最多的，它适用于调节通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求不能有余差的系统！结语针对大纯滞后过程特性的对象：，成功设计出了一个Smith预估控制系统，并用SI