大純滯后過程特性Smith預(yù)估控制

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計題目之十三大純滯后過程特性Smith預(yù)估控制對于一個大純滯后過程特性的對象：Gpc(s)=1e-0s,試設(shè)計一(s 3)(2s 1)個Smith預(yù)估控制系統(tǒng)，并用SIMULINK和MATLAB程序仿真實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值R(s)為1時，調(diào)整PI參數(shù)，使過渡過程盡可能滿意。(假設(shè)檢測變 送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為1);比較在預(yù)估模型有偏差時，在相同的輸入條件下，與預(yù)估模型無偏差情況的仿真結(jié)果；如果系統(tǒng)有擾動信號F(s)為單位階躍信號或SINS信號時，比較系統(tǒng)的仿真結(jié)果；如有可能，再試設(shè)計一種改進(jìn)的Smith預(yù)估器。實驗報告要求：1、供系統(tǒng)仿真圖；2、按照題目要求，給出每個實驗的仿真結(jié)果

2、圖；3、根據(jù)以上仿真結(jié)果，分析Gpc(s)有滯后與無滯后情況下，PI參數(shù)整定的特點(diǎn)。大純滯后過程特性Smith預(yù)估控制摘 要：Matlab是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣計算、信號 分析與圖形 顯示為一體，構(gòu)成的一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。歷經(jīng)二十幾年的發(fā)展 和競爭，現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。Matlab最突出的特點(diǎn)就是簡潔、它用直觀的、符合人們思維習(xí)慣的代碼、代替C語言和FORTRAN言的冗長代碼。為此，Matlab獲得了對應(yīng)用學(xué)科的極強(qiáng)適應(yīng)力。在國內(nèi)外高校、Matlab已成為大學(xué)生，碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計研究學(xué)位和工業(yè)部門，Matl

3、ab已經(jīng)成為研究和解決各種具體工程問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件。Matlab軟件廣泛用于數(shù)字信號分析，系統(tǒng)識別，時序分析與建模，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)仿真等方面有著廣泛的應(yīng)用。利用 Matlab這個最優(yōu)秀的 科技軟件，把計算機(jī)技術(shù)與信號分析緊密地結(jié)合起來，對信號進(jìn)行分析處理仿真研究，經(jīng)實例驗證，取得了非常好的效果，具有一定的實用價值。本文控制系統(tǒng)為研究主體，提出一種Smith預(yù)估控制算法，通過設(shè)計自適應(yīng)非線性反饋回路來自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)，從而滿 足對象參數(shù)大幅度變化的要求。關(guān)鍵詞：Matlab ；純滯后；Smith預(yù)估控制器；SimulinkPure time-delay system control algori

4、thm of SmithAbstract ： Matlab is a software.of high performance of numerical calculation and visualization It get numerical analysis, calculation and signal analysis and graphic display together, constitute a convenient, interface, user friendly environment. After 20 years of development and competi

5、tion, has become internationally recognized the best technology application software. The most prominent feature of Matlab is concise, it use the people's thinking and habits of the visual code, instead of C language and FORTRAN language lengthy code.So, Matlab acquire the subject of application

6、 for science. Matlab,has become acollege students masters or doctors ' basskills which must be grasp of both at home and abroad ,. In the design research degree and industrial department, Matlab has become the research and solve specific engineering problems are a standard software. Matlab softw

7、are widely used in digital signal analysis, system identification, timing analysis and modeling, neural network, dynamic simulation, etc in a wide range of applications. The best use of Matlab software technology, computer technology and signal analysis closely together, the signal analysis simulati

8、on, and achieved very good results since it has certain practical value. This control system as a main body of research, and put forward a kind of Smith prediction control algorithm, and adapt to adjust the parameter through the design adaptive nonlinear feedback loop, and meet the requirements of a

9、n object parameter changes greatly.Key words: Matlab; Pure time-delay; Smith estimated controller; Simulink1純滯后產(chǎn)生的主要原因1 .物料及能量在管道或者容器中傳輸及運(yùn)送需 要時間；2 .物質(zhì)反應(yīng)、能量的釋放及能量交換需要一定 過程和時間；3 .設(shè)備和設(shè)備之間的串聯(lián)需要許多的中間環(huán)4 .測量裝置的響應(yīng)時間；5 .執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作時間；在控制對象調(diào)節(jié)通道、測量裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 環(huán)節(jié)存在純滯后時，控制系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中就存 在純滯后因子，而且存在純滯后的環(huán)節(jié)較多時 ，系統(tǒng) 滯后時間也將隨之增加

10、。因此明顯降低了系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，而且純滯后時間越長，系統(tǒng)穩(wěn)定性就越差。 由于純 滯后的存在，調(diào)節(jié)作用不及時，導(dǎo)致被調(diào)節(jié) 系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)下降。純滯后越大，則系統(tǒng)的動態(tài) 品質(zhì)越差。2史密斯預(yù)估器原理2.1密斯預(yù)估器補(bǔ)償原理-在單回路控制系統(tǒng)中，控制器的傳遞函數(shù)為D(s),被控對象傳遞函數(shù)為GP(s)e -ts ,被控對象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)為G，被控對象純滯后部分的傳遞函數(shù)為e-tso則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為(2)根據(jù)圖1可得史密斯預(yù)估器補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞 函數(shù)為咐4G) y 0e由式(3)可以看出，經(jīng)過補(bǔ)償后，純滯后環(huán)節(jié)在閉環(huán) 回路外，這樣就消除了純滯后環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的 影響。拉氏變換

11、的位移定理說明e- s僅僅將控制作用在時間座標(biāo)上推移了一個時間，而控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標(biāo)都與對象特性為GP(s)時完全相同。圖1史密斯補(bǔ)償后的控制系統(tǒng)密斯預(yù)估器補(bǔ)償原理在單回路控制系統(tǒng)中，控制器的傳遞函數(shù)為D(s),被控對象傳遞函數(shù)為 G(s)e -ts ,被控對象中 不包含純滯后部分白傳遞函數(shù)為GP(s),被控對象純滯后部分的傳遞函數(shù)為e-tso則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為由式(1)可以看出，系統(tǒng)特征方程中含有純滯后環(huán)節(jié)，它會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。史密斯補(bǔ)償?shù)脑硎牵号c控制器D(s)并接一個補(bǔ) 償環(huán)節(jié)，用來補(bǔ)償被控對象中的純滯后部分，這個 補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為G(s)(1-e -ts) , t

12、為純滯后時間，補(bǔ)償后的系統(tǒng)如圖 1所示?？刂破鱀(s)和史密斯預(yù)估器組成的補(bǔ)償回路稱為 純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為由式(1)可以看出，系統(tǒng)特征方程中含有純滯后環(huán)節(jié)，它會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。史密斯補(bǔ)償?shù)脑硎牵号c控制器D(s)并接一個補(bǔ) 償環(huán)節(jié)，用來補(bǔ)償被控對象中的純滯后部分，這個 補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為GP(s)(1-e -ts), t為純滯后時間，補(bǔ)償后的系統(tǒng)如圖1所示?？刂破鱀(s)和史密斯預(yù)估器組成的補(bǔ)償回路稱為 純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為0(0 =環(huán)系統(tǒng)(見圖3),根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)理想特性要求確定 的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (z),則數(shù)字控制器 D(z)為3(2)根據(jù)圖1可得史密斯預(yù)估器補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)

13、傳遞 函數(shù)為 F (5)由式(3)可以看出，經(jīng)過補(bǔ)償后，純滯后環(huán)節(jié)在閉環(huán) 回路外，這樣就消除了純滯后環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的 影響。拉氏變換的位移定理說明e- s僅僅將控制作用在時間座標(biāo)上推移了一個時間，而控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標(biāo)都與對象特性為Gp(s)時完全相同。2.2史密斯預(yù)估器的計算機(jī)實現(xiàn)由圖1可以得到帶有史密斯預(yù)估器的計算機(jī)控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2所示。圖中，代 為零階保持器，帶零階保持器的廣義對 象脈沖傳遞函數(shù)為3純滯后對控制效果的影響3.1系統(tǒng)仿真圖在沒有純滯后時整定調(diào)節(jié)器PI參數(shù)T 1-尸一G(z) = z Z z G(z)sc . . 一. 、 . - G (z)為被控對

14、象中不具有純滯后部分的脈沖傳遞函數(shù)，Nl= /T,是被控對象純滯后時間，T是系統(tǒng)采樣周期。滯后時間為0, PI整定參數(shù)P=4.7, I=3.9,階躍輸 入信號具有純滯后環(huán)節(jié)對控制效果的影響圖2史密斯補(bǔ)償計算機(jī)控制系統(tǒng)D (z)就是要在計算機(jī)中實現(xiàn)的史密斯補(bǔ)償器, 其傳遞函數(shù)為如二右1 +。-尸(水；(,)對于控制器D(z),可以采用如下方法確定：不 考慮系統(tǒng)純滯后部分，先構(gòu)造一個無時間滯后的閉滯后時間為10, PI參數(shù)保持不變，階躍輸入信號預(yù)估模型無偏差時，在有擾動信號情況下輸出波 形01020304050Time offeet: Q可見使用整定的控制器無法正常工作。3.2構(gòu)建smith預(yù)估控

15、制系統(tǒng)預(yù)估模型無偏差時，在無擾動信號情況下輸出波 形預(yù)估模型有偏差時，在無擾動信號情況下輸出波Time offset: 0預(yù)估模型有偏差時，在有擾動信號情況下輸出波形Q 1020304050Gpc(s)(s 3)(2s 1)10Se_ ,成功設(shè)計出了一個3210-1Time offeet: Q采用了 Smith預(yù)估控制器可以達(dá)到較好的控制效果, 但其在擾動下的控制表現(xiàn)不好。4 .PI控制特點(diǎn)積分作用使控制器的輸出和偏差的積分成比 例，故過度過程結(jié)束時無余差，但是加上積分作 用，穩(wěn)定性降低。積分作用時增大比例度，保持 穩(wěn)定性，但超調(diào)量和振蕩周期增大，過度時間增 長.次控制器是適用最多的，它適用于調(diào)節(jié)通道滯 后較小，負(fù)荷變化不大，工藝要求不能有余差的 系統(tǒng)！5 .結(jié)語針對大純滯后過程特性