纯滞后对控制过程有什么影响(具有纯滞后对象控制器的设计)

大规模工业生产使得工业过程更加复杂，对具有大时滞、不确定性、严重非线性和时变性的对工业过程控制系统的设计提出了更高的要求。时滞系统的对控制不能用单一的方法完全解决。开发和设计各种智能控制方法或将它们以不同的形式结合起来将是解决时滞过程的有效途径。本文首先阐述了纯滞后过程和纯滞后的相关定义，分析了纯滞后对图像的数学模型和实际计算机控制中的离散化方法，讨论了纯滞后系统的几种常规控制方法。

2纯滞后理论概述

所谓纯滞后是一种时间延迟，即从动态要素发生变化的时间到输出开始变化的时间。具有时间延迟的对图像被称为具有纯延迟的对图像。在下文中，它将被称为纯滞后的对形象或滞后的对形象。

在工业生产过程中，大多数工艺过程的动态特性往往既包括一部分纯滞后特性，又包括一部分惯性特性。这个工艺过程被称为纯滞后工艺过程。大多数工业过程可以用以下两种简化形式来描述。

(1)

(2)

公式(1)所示的工业过程称为纯滞后的一阶惯性环节，而公式(2)所示的工业过程称为纯滞后的二阶惯性环节。

3史密斯预测补偿和串级控制原理

史密斯预测补偿控制在系统的反馈回路中引入了一个补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分开。其特点是预先估计系统在给定信号下的动态特性，然后通过预测器进行补偿，试图使延迟的调节量提前对调节器作出反应，使调节器提前动作，从而减少超调量，加快调节过程。如果预测模型准确，该方法可以达到更好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响。系统的质量与受控过程的质量相同，没有纯延迟。

理论上，史密斯预估补偿控制可以克服大时滞的影响。然而，Smith预估器需要知道被控过程的精确数学模型，并且对模型的误差非常敏感，因此很难在工业生产过程中广泛应用。为了提高对史密斯预测器的性能，学者们已经提出了许多改进的史密斯预测器。

4史密斯-串级混合系统的仿真研究

4.1混合系统结构

利用史密斯补偿解决副回路设计中不可避免的纯滞后问题的思路是：将史密斯补偿器引入副回路，将副回路的纯滞后加到(相当于)主回路。由于副回路的存在和无纯滞后调节速度的大幅加快，有效地提高了级联系统抗二次干扰的能力，从而大大降低了对主回路的要求。同时， 由于主回路的惯性大于副回路，纯滞后的影响小于对。此外，副回路的加速也提高了整个系统的调节速度，从而提高了系统的整体性能。 混合系统结构的如图l。

混合系统结构中的参数为：在理论推导过程中，主副回路采用比例控制。

图1级联-史密斯混合系统结构图

4.2 Matlab/Simulink软件简介

随着计算机技术的飞速发展，获取系统时间响应的任务可以通过计算机来完成，即数字仿真。本质上，数字仿真是一种基于所研究的真实系统模型的实验研究方法。本章模拟主要是计算机模拟。

MATLAB由主软件包、Simulink和不同功能的工具箱组成。基于矩阵运算，MATLAB将计算、可视化和编程集成到一个易于使用的交互式工作环境中。这里可以实现工程计算、算法研究、符号运算、建模与仿真、原型开发、数据分析与可视化、科学与工程制图、应用开发(包括图形用户界面设计)等。

Simulink为用户提供一个图形窗口，用框图对系统进行建模，并利用这种建模方法绘制控制系统的动态模型结构图。与传统的用微分方程或差分方程建模的仿真软件相比，它更直观、更简单、更方便、更灵活。这可以大大简化设计过程，减轻设计负担，降低设计成本，提高工作效率。

4.3对混合系统仿真分析

根据常规经验，串级控制系统中对的副回路时间常数与主回路时间常数之比一般小于1: 3。在模拟实验过程中，我们拍摄了主对图像

(3)

para对Egypt

(4)

纯滞后时间

=8秒

通过仿真实验，得出当控制系统稳定且具有良好的控制品质时，主回路控制器的控制参数如下：

副回路控制器的控制参数为：

；

该系统的Simulink仿真在如图2。

图2 (a)史密斯-串级混合系统的Simulink仿真

图2(b)常规级联混合系统的Simulink仿真

系统的阶跃响应曲线如如图3所示。

图3 (a)史密斯-串级混合系统的阶跃响应曲线

图3 (b)常规级联系统的阶跃响应曲线

(a)是具有史密斯预估补偿的控制系统的输出曲线，(b)是具有相同纯延迟但没有史密斯预估补偿的常规串级控制系统的输出曲线。根据仿真实验得到的系统参数，由于Smith预估器的引入，副回路不再包含大的纯时延，副回路控制器的静态增益较常规串级控制系统有很大提高，从而增强了副回路的非线性适应性。如图，对指责对是主回路的一阶环节，是副回路的大纯滞后串级控制系统，通过在副回路，引入史密斯预估器，可以提高系统的控制质量。(节选)