课程设计-基于模型滞后的控制设计

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1、1引言1.1课题背景 在多数工业过程当中,控制对象普遍存在着纯时间滞后现象,如化工,热工过程等.这种滞后时间的存在,会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间,滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性,在工业生产上产生事故.因此长期以来,纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制对象,人们也对它进行了大量的研究.在现代工业生产和理论研究中出现了多种控制方法,如PID控制、PID改进控制、Smith预估算法控制以及模糊控制、神经网络控制等.而对于最基础的一阶纯滞后系统常用的控制方法主要是PID控制、微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制等1.2课题

2、综述 在现代科学技术的众多领域中自动控制技术起着越来越重要的作用.自动控是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器,设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控制量)自动的按照预定的规律运行的控制技术. 为了实现各种复杂的控制任务,首先要根据设计要求将被控制对象和控制装置按照一定的控制方式连接起来,组成一个有机的总体,这就是自动控制系统.在自动控制系统中被控对象的输出量即被控量是要严格加以控制的物理量,它可以要求保持为某一恒定值,例如温度,压力或飞行规迹等;而控制装置则是对被控对象施加控

3、制作用的机构的总体,它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制,但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统. 在反馈控制系统中,控制装置对被控装置施加的控制作用,是取自被控量的反馈信息,用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务,这就是反馈控制的原理.反馈过程中难免会产生滞后现象,纯滞后问题对工业生产的影响越来越大,解决纯滞后问题具有非常重要的意义2纯滞后相关定义及其工艺过程2.1纯滞后相关定义在工业生产过程中，被控对象通常具有不同程度的纯延迟。例如气体物料、液体物料通常经过管道传送，固体物料通过传送带传送。

4、而在工业生产中利用改变物料的流量来调节生产过程时，经过输送环节的传送时间（滞后）后，物料的变化情况才能到达生产设备进而实现工艺参数的改变。这个输送过程的传送时间是一个纯滞后时间。再如，在热交换过程中，经常将被加热物料的输出温度作为被控制量，而把载热介质（如过热蒸汽）的流量作为控制量，载热介质流量改变后，经过一定时间才表现为输出物料温度的变化。 系统这种表现可用含有纯滞后的传递性描述。这类控制过程的特点是：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应，使得系统不能及时随被控量进行调整以克服系统所受的扰动。因此这样的过程必然会产生

5、较时显的超调量和需要较长的调节时间。所以，含有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控制程度与过程的时间常数之比大于0.3时，该过程是大滞后过程。随此比值的增加，过程的相位滞后增加而使超调增大，在实际生产过程中甚至会因为严重超调而出现事故。在反馈控制系统中,控制装置对被控装置施加的控制作用,是取自被控量的反馈信息,用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实被控量进行控制的任务,这就是反馈控制的原理.反馈过程中难免会产生滞后现象,纯滞后问题对工业生产的影响越来越大,解决纯滞后问题具有非常重要的意义2.2纯滞后工艺过程在工业生产过程中，极

6、大部分工艺过程的动态特性往往是既包含一部分纯滞后特性又包括一部分惯性特性，这种工艺过程就称为具有纯滞后的工艺过程。譬如对于大型档案馆的温湿度控制，就是存在纯滞后较大的实际对象。在长沙地区，夏天的空气相对湿度一般而言是比较大的，在档案馆进行适当的除湿操作是非常有必要的，而在进行除湿动作以后，档案馆内的相对湿度要相应得到降低则需要一段时间的延迟。当然，对档案馆内温度的控制也是如此。纯滞后环节的输入输出关系（如图1）所示:图1纯滞后环节的输入输出关系除过程本身的纯滞后以外，多个设备串联也会引起系统的纯滞后。例如，在生产过程中常有这样的操作情况：

7、一个流水作业线或物料加工过程终端产品的质量指标是用改变作业线起始端的输入物料调节的。中间往往要经过很多道加工工序，或是要经过很多工艺设备。这时起始端物料流量的改变要引起终端产品质量指标发生改变，必然要经过一个较长的时间间隔，这个时间间隔一方面包括物料由起始端到终端的传输时间，另一方面包括物料在中间设备中的停留时间和处理时间，这两个时间有时甚至达数十分钟。在这些过程中，由于纯滞后的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动或系统的给定，即使测量信号到达调节器使得调节器立即工作，也需经过纯滞后时间以后(如图1-1)，这时输出才能作用到被控量

8、上使之受到控制。所以，滞后过程必然会产生较明显的超调和较长的调节时间。因此，调节系统存在纯滞后会造成闭环系统动态品质下降，纯滞后愈大则系统控制品质就愈差。另外，在一些工业对象的调节过程中，测量