《大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法》報(bào)告

1、程姓唾孑科技大凈GUILIN UMlVEftSETY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法論文課 題：大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化姓名學(xué)號(hào)：2019年6月 27日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 大時(shí)滯系統(tǒng)概述3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法簡(jiǎn)介4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 經(jīng)典控制方法4 HYPERLINK l bookmark28

2、o Current Document Smith控制算法4 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 達(dá)林算法4 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 現(xiàn)代控制方法5 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 預(yù)測(cè)控制5 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 自適應(yīng)控制5 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 智能控制方法5 HYPERLINK l bookmark49 o

3、Current Document 結(jié)合本組題目具體闡述一種方法一一史密斯(Smith)預(yù)估控制6基本概念6滯后6 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 純滯后6 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 史密斯預(yù)估控制7應(yīng)用與意義7實(shí)際預(yù)估器7 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 應(yīng)用效果8 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 意義8 HYPERLINK l bookmark72 o Current Docume

4、nt 關(guān)于結(jié)果的分析討論8使用PID調(diào)節(jié)器，并用試湊法確定參數(shù)8PID調(diào)節(jié)器原理8 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 試湊法9 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document Smith預(yù)估器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器11方案設(shè)計(jì)11 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 調(diào)節(jié)器D(S)的確定11 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document Smith預(yù)估器的確定12 HYPERLINK l bookmark108 o Current

5、Document 比較兩種方法的結(jié)果12大時(shí)滯系統(tǒng)概述工業(yè)過(guò)程控制中，系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象普遍存在，滯后程度不一。在控制系統(tǒng)中 如果被控對(duì)象存在純滯后，則系統(tǒng)的控制難度加大，控制的品質(zhì)會(huì)變差，系統(tǒng)的 穩(wěn)定性也會(huì)降低，延遲時(shí)間越大，系統(tǒng)就越不穩(wěn)定。由于純延遲環(huán)節(jié)的存在，使 得被控量不能及時(shí)地反映系統(tǒng)所遇到或承受的擾動(dòng)，即使檢測(cè)到了信號(hào)使控制器 動(dòng)作，也要經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間后才能使被控制量得到控制。這樣系統(tǒng)必然會(huì)經(jīng)過(guò) 較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間并產(chǎn)生明顯的超調(diào)。帶延遲特性的被控系統(tǒng)的控制難度隨滯后程 度的增加而加大。一般用系統(tǒng)純滯后時(shí)間和動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)的比值來(lái)反映滯后的程度，當(dāng)該比值 大于等于0.5時(shí)，被控系統(tǒng)為大時(shí)滯

6、系統(tǒng)。大時(shí)滯系統(tǒng)以其復(fù)雜的特點(diǎn)一直是工 業(yè)控制中的難題。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被控對(duì)象除了具有容積滯后外，往往不同程度地存在著 純滯后。由于過(guò)程通道中存在的純滯后，使得被控量不能及時(shí)的反映系統(tǒng)所承受 的擾動(dòng)。若用y (t)來(lái)表示輸出，而用r (t)來(lái)表示輸入，-：表示純滯后時(shí)間， 則有：二 r(t-T)對(duì)上式兩邊取拉氏變換可得：Y(S)R(S)eTS其傳遞函數(shù)為：此外，如反應(yīng)器、管道混合、皮傳送、軋輥傳輸、多容量、多個(gè)設(shè)備串聯(lián)以 及用分析儀表測(cè)量流體的成分等過(guò)程都存在著較大的純滯后。在這些過(guò)程中，由 于純滯后的存在，使得被控變量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，即使測(cè)量信號(hào) 達(dá)到調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)接受調(diào)

7、節(jié)信號(hào)后立即動(dòng)作，也需要經(jīng)過(guò)純滯后時(shí)間以后， 才波及被控變量，使之受到控制。因此，這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量 和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，甚至使得系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩等。如果用-表示具有時(shí)滯系統(tǒng)的純 滯后時(shí)間，T表示系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，那么一=可作為對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)難控程度 的度量指標(biāo)，不妨稱之為時(shí)滯系統(tǒng)難控程度指標(biāo)或簡(jiǎn)稱時(shí)滯系統(tǒng)的難控程度。一 般認(rèn)為純滯后時(shí)間與系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)之比。0.5,就認(rèn)為該系統(tǒng)屬于大時(shí)滯系 統(tǒng)。純滯后時(shí)間和慣性時(shí)間常數(shù)都是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)固有的特性，它與系統(tǒng)所采用的控 制策略無(wú)關(guān)。但注意到，如果不考慮其它因素的影響，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間主 要包含在控制作用中。所以在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇控制方

8、法要使得系統(tǒng)的純滯 后時(shí)間盡可能的小。對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)，常規(guī)的控制方法如PID已經(jīng)顯得無(wú)能為 力，因此對(duì)其需要采用更為先進(jìn)的控制策略。大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法簡(jiǎn)介大時(shí)滯系統(tǒng)控制方法：大時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法包括經(jīng)典控制方法、現(xiàn)代控制 方法、智能控制方法。經(jīng)典控制方法經(jīng)典控制理論產(chǎn)生于20世紀(jì)40-60年代，它以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究 單輸入、單輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。主要的研究方法有時(shí)域分析 法、根軌跡法和頻率特性法。經(jīng)典控制理論能夠有效地用來(lái)分析和設(shè)計(jì)線性、定 常單變量系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中是一種占統(tǒng)治地位的控制理論。經(jīng)典控制方法 有Smith控制和Dahlin(達(dá)林)控制。Smith控制

9、算法Smith控制算法是最早專門應(yīng)用于時(shí)滯系統(tǒng)控制的方法。它是由瑞典科學(xué)家 Smith提出的。Smith控制的基本思路是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特 性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制，力圖使被延遲了-的被控量提前反映到控制器 中，并使之動(dòng)作，以此來(lái)減小超調(diào)量和加快調(diào)節(jié)過(guò)程o Smith控制在理論上能實(shí) 現(xiàn)類似無(wú)滯后的控制效果，但在實(shí)際應(yīng)用卻不盡人意。主要是Smith算法過(guò)度依 賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，它在模型估計(jì)準(zhǔn)確的情況下能實(shí)現(xiàn)較好的控制作用， 而在模型估計(jì)有偏差的情況下控制品質(zhì)就會(huì)變差。然而在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)控制中， 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是很難精確的估計(jì)出來(lái)，此外Smith算法對(duì)外部擾動(dòng)，參

10、數(shù) 變化也很敏感，因此Smith控制很難推廣到實(shí)際應(yīng)用中。達(dá)林算法達(dá)林算法是美國(guó)IBM公司的工程師達(dá)林(Dahlin)在1968年提出的一種不同 于常規(guī)PID控制規(guī)律的新型算法。該算法的最大特點(diǎn)是將期望的閉環(huán)響應(yīng)設(shè)計(jì)成 一階慣性加純延遲，然后反過(guò)來(lái)得到滿足這種閉環(huán)響應(yīng)的控制器。達(dá)林控制器的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)的魯棒性好，能夠達(dá)到最優(yōu)Smith預(yù)估器的控制效果。雖然 Dahlin控制器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用中效果較差，一個(gè)重要的原因是該控 制器會(huì)產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。Dahlin控制器能有效地應(yīng)用于大時(shí)滯系統(tǒng)的控制。現(xiàn)代控制方法現(xiàn)代控制方法產(chǎn)生于20世紀(jì)60-70年代，它以線性代數(shù)和微分方程為主要 的

11、數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，形成了以系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計(jì)、自 適應(yīng)控制為代表的理論體系?，F(xiàn)代控制理論不僅研究系統(tǒng)的輸入、輸出特性，而 且還研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性。它適合研究多輸入、多輸出的非線性或時(shí)變的復(fù)雜系 統(tǒng)。對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法有預(yù)測(cè)控制和自適應(yīng)控制。預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制是20世紀(jì)70年代后期提出的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法。它是一種 基于模型預(yù)測(cè)的啟發(fā)式控制算法，利用當(dāng)前值和過(guò)去值去預(yù)估過(guò)程的未來(lái)值，以 滾動(dòng)確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略。由于時(shí)滯控制系統(tǒng)解決問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)系統(tǒng)輸出 的預(yù)測(cè)，而預(yù)測(cè)控制可以根據(jù)過(guò)去和現(xiàn)在的輸出來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的輸出，可以說(shuō)預(yù)測(cè) 控制有著天生克服滯后的優(yōu)點(diǎn)，因此預(yù)測(cè)控制非

12、常適用于時(shí)滯系統(tǒng)。預(yù)測(cè)控制算 法中比較典型的算法有動(dòng)態(tài)矩陣控制、廣義預(yù)測(cè)控制、模型算法控制等。自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制通過(guò)修正控制參數(shù)以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化。自適應(yīng) 控制也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，只是控制時(shí)所依據(jù)的關(guān)于模型的擾動(dòng)的 先驗(yàn)知識(shí)比較小，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐 步完善。具體的說(shuō)，自適應(yīng)控制依據(jù)對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷的辨識(shí)模型參數(shù)， 可以看出自適應(yīng)控制在本質(zhì)上是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)某些重要參數(shù)的估計(jì)，以補(bǔ)償?shù)姆椒?來(lái)克服干擾和不確定性。由于自適應(yīng)控制能對(duì)系統(tǒng)參數(shù)具有良好的適應(yīng)能力，因 而在時(shí)滯系統(tǒng)中有著一定的應(yīng)用范圍。但它依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，所以

13、在對(duì) 大時(shí)滯系統(tǒng)控制時(shí)并非單獨(dú)出現(xiàn)，而是與其它方法相結(jié)合的方式出現(xiàn)。智能控制方法智能控制是一門新興的交叉前沿學(xué)科，它是應(yīng)用人工智能的理論與技術(shù)和運(yùn) 籌學(xué)的優(yōu)化方法并將其同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合,在未知環(huán)境下，仿效人的 智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能 機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，它可以很好地解決包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論在 內(nèi)的傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。相比傳統(tǒng)控制，智能控制具有以下幾 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）自學(xué)習(xí)能力：即智能控制系統(tǒng)能對(duì)一個(gè)未知環(huán)境提供的信息進(jìn)行識(shí)別、 記憶、學(xué)習(xí)，并利用積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步改善自身性能的能力。它不需幾要依靠對(duì) 象的數(shù)學(xué)模型，

14、而是根據(jù)系統(tǒng)的控制效果不斷地學(xué)習(xí)，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù) 的目的，實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。（2）自適應(yīng)能力：控制系統(tǒng)具有適應(yīng)被控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性變化、環(huán)境變化 和運(yùn)行條件變化的能力。這種智能行為實(shí)質(zhì)上是一種從輸入到輸出之間的映射關(guān) 系，它不依賴模型，如果對(duì)象的參數(shù)發(fā)生了變化，那么控制器的參數(shù)也會(huì)自動(dòng)地 調(diào)整以適應(yīng)系統(tǒng)的變化。（3）自組織能力：即智能控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)和分散的傳感信息有自組織 和協(xié)調(diào)的能力，可以在任務(wù)要求的范圍內(nèi)自行決策，主動(dòng)采取行動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)多目 標(biāo)沖突時(shí)，在一定限制下，控制器可在一定范圍內(nèi)自行解決，使系統(tǒng)能滿足多目 標(biāo)、高標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的控制，智能控制主要包括專家控制、模糊

15、控 制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制三個(gè)部分。結(jié)合本組題目具體闡述一種方法一一史密斯（Smith）預(yù)估控制史密斯（Smith）預(yù)估控制，是一種針對(duì)純滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制策略。史密斯 預(yù)估控制，或稱史密斯預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制，是一種純滯后補(bǔ)償控制手段?；靖拍顪鬁笫侵敢粋€(gè)事物的出現(xiàn)或發(fā)展比預(yù)計(jì)的時(shí)間晚，或比相關(guān)聯(lián)的其他事物的 出現(xiàn)或發(fā)展晚。滯后有因停滯或阻滯而落后的意思。在控制理論中，滯后指在時(shí)間上被控變量的變化落后于擾動(dòng)變化，是一種十 分常見(jiàn)的現(xiàn)象。因?yàn)樵趯?shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，控制通過(guò)往往不同程度的存在滯后情況。 一般將控制系統(tǒng)中的滯后分為容量滯后和純滯后。純滯后純滯后是指，在物料、能量或信號(hào)傳輸過(guò)程中由于傳輸速度有限而

16、產(chǎn)生的延 遲。一般純滯后就是指由傳輸速度限制導(dǎo)致的滯后。帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)如 下圖所示。史密斯預(yù)估控制史密斯預(yù)估控制是一種純滯后補(bǔ)償控制，其通過(guò)引入一個(gè)和被控對(duì)象并聯(lián)的 補(bǔ)償器對(duì)純滯后進(jìn)行削弱和消除。史密斯預(yù)估器的引入如下圖所示。Smith預(yù)估器I- |應(yīng)用與意義實(shí)際預(yù)估器從現(xiàn)實(shí)的操作出發(fā)，實(shí)際上的史密斯預(yù)估器通常不是并聯(lián)在被控對(duì)象上的， 而是反向并聯(lián)在控制器上的，如下圖所示。應(yīng)用效果經(jīng)過(guò)史密斯預(yù)估器的補(bǔ)償，純滯后環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)移到了閉環(huán)控制回路之外，因而 不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。由拉氏變換的位移定理可知，純滯后特性只是將原輸 出信號(hào)推移了時(shí)間？，不會(huì)改變輸出信號(hào)的波形和性能表現(xiàn)。意義在工業(yè)過(guò)程

17、中，被控對(duì)象或多或少存在一定的純滯后特性，純滯后特性往往 使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，動(dòng)態(tài)性能變壞，可能引起超調(diào)和振蕩；史密斯預(yù)估器的引入 很好的補(bǔ)償了大遲延對(duì)象的純滯后特性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于 以穩(wěn)定性為首要要求、快速性為次要要求的系統(tǒng)，史密斯預(yù)估器十分有效。關(guān)于結(jié)果的分析討論設(shè)有一純延時(shí)被控對(duì)象G(s)10e8sG(s) = i)(5s + 1)使用PID調(diào)節(jié)器，并用試湊法確定參數(shù)PID調(diào)節(jié)器原理比例(P)控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與 輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steadystate error)。積分(I)控制：在積分控

18、制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正 比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制 系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為 了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的 積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨 著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到接 近于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后幾乎無(wú)穩(wěn)態(tài) 誤差。（3）微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即 誤差的變化率

19、）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn) 振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay） 組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使 抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是 零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅 是放大誤差的幅值，而需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這 樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至 為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象， 比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在

20、調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。試湊法實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響 應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中 選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響 應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊 至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過(guò)步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意， 則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相 應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參 數(shù)。PID控制系統(tǒng)框圖經(jīng)過(guò)整定得到以下參數(shù)：Kp= 0.055,Ki= 0.0073,Kd= 0.11。相關(guān)的原理圖及仿真波形圖如下:PID控制系統(tǒng)simulink仿真圖仿真波形圖Smith預(yù)估器