控制系统课程设计-基于模型的滞后控制系统设计

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1、淮海工学院课程设计报告书课程名称：控制系统课程设计题目基于模型的滞后控制系统设计系（院）：电子工程学院学期：专业班级：自动化121姓名：学号：评语：成绩：签名：日期：1引言过程控制技术近年来发展迅速，特别是在计算机，网络通信和先进控制理论的带动下，过程控制的检测，执行仪表及控制系统日益向智能化方向发展。在化工、炼油、冶金等一些复杂工业过程中，广泛存在着较大的纯滞后。纯滞后往往是由于物料或能量需要一个传输过程而形成的，这类时间滞后系统的控制是世界公认的控制难题。由于纯滞后的存在，使得被控量不能及时地反映所受的扰动，从而产

2、生明显的超调，使得控制系统的稳定性变差，调节时间延长。传统的过程控制系统中，主要运用传统的PID控制和Smith控制，对于被控对象简单的系统，可以得到预期的效果，但是遇到大滞后的被控对象，其控制效果难以达到预定的效果，对于滞后系统，其τ/T>0.5,在这种情况下，就需要提出一种先进的PID控制器，使其在大滞后环境下，也能得到预期的控制效果。一般认为，若纯滞后时间τ与过程的时间常数T之比大于0.3时该过程是大滞后工艺过程。当τ与T之比增加时，过程中的相位滞后增加，使上述现象更为突出，有时甚至会因为超调严重而出现聚爆、结焦

3、等停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危及设备与人身安全。因此大纯滞后过程一直受到人们的关注，成为重要的研究课题之一。2控制系统解决纯滞后影响的方法很多，最简单的则是利用常规PID调节器适应性强、调整方便的特点，经过仔细的参数整定，在控制要求不太苛刻的情况下，可以满足生产过程的要求。如果在控制精度要求很高的场合，则需要采取其他控制手段，例如smith预估补偿控制、内模控制等。2.1PID控制在过去的几十年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的

4、今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。在控制器中，设定值r与测量值y相比较，得到偏差e=r-y，控制规律根据偏差e的情况，给出控制作用u。在线性连续系统中，控制规律通常由以下三种情况组成。（1）比例控制：控制作用u与偏差e成比例关系。（2）积分控制：控制作用u为偏差e对时间的积分成比例关系。（3）微分控制：控制作用u为偏差e对时间的导数（）成比例关系。（2-1）因此，控制作用u常用的表现形式为：（2-2）式中的K是控制器的比例增益，T和T都具有时间量纲，分

5、别称为积分时间和微分时间。当控制作用只包含第一项时，称为比例（P）控制；只包含第二项时，称为积分（I）控制；只包含第三项时，称为微分（D）控制；包含第一、二项时，称为比例积分（PI）控制；当包含第一、三项时，称为比例微分（PD）控制；包含第一、二、三项时，称为比例积分微分（PID）控制。因此，PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，它的基本原理比较简单，基本的PID控制规律可描述为：（2-3）其中K、K和K分别称为比例、积分、微分系数。PID控制用途广泛，使用灵活，已有系列化控制产品，使用中只

6、需设定三个参数（K、K和K）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，不过比例控制单元是必不可少的。PID控制器具有以下优点：（1）原理简单，使用方便。PID参数K、K和K可以根据过程动态特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化，如对负载变化引起的系统动态特性变化，PID参数就可以重新进行调整与设定。（2）适应性强。按PID控制规律进行工作的控制器早已经商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制。PID应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简

7、化，可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样就可以通过PID控制了。（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。但是，PID也有其固有的缺点。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，效果不是太好，最主要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。PID控制规律是最普遍的控制规律，PID控制器是最简单但许多时候仍是最好的控制器。2.2史密斯补偿控制史密斯（Smith，1958）预估补偿器是最早提出的纯滞后补偿方案之一。其特点是预先估计出过程在基本控制输入

8、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到调节器，使调节器提前动作，从而减小超调量和加速调节过程。史密斯预估器的基本思想是将纯滞后环节移至控制回路外，一方面由于控制回路不包括纯滞后环节，其控制频率可大幅提高，控制性能也将显著改善；另一方面，由于新的控制回路的输出与实际对象的输出仅包括一个纯滞后环节，稳态特