1、本科毕业论文（20 届）纯滞后系统控制算法仿真设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 中 文 摘 要I摘 要工业生产过程中，大多数工业工程的被控对象除了容积延迟外，通常还有不同程度的纯滞后，它们对系统的稳定性影响极坏，会使系统产生长时间和大幅度的超调或者振荡。如气体物料的传送通常是经过管道传送的，而固体物料则往往是通过传送带传送的。当将改变物料的流量等调节作为生产过程时，经过输送环节的传送后，出现了一定时间的滞后，致使物料的变化情况经过了一段时间才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就是一个纯滞后时间。在过程控制中，被控对象具有滞
2、后特性是普遍现象，一般在滞后不显著时，为了简化控制系统而忽略其影响。当滞后特性显著以至影响系统控制的品质时，则应对滞后特性进行有针对性的控制。 对于这种以超调为主要设计指标的纯滞后控制系统，人们长期以来做过大量的研究，工程实践发现用单纯的最少拍控制或简单的 PID 控制都不行。目前常用的方法有两种：达林算法和 Smith 补偿法。本文采用 MATLAB 语言对两种控制算法进行仿真设计。关键词：MATLAB，纯滞后，Smith 补偿法，达林算法英 文 摘 要IIAbstractIn Industrial production process, the controlled object of m
3、ost of the industrial engineering in addition to the volume of the delay, usually there are different degrees of pure delay, their effects about the stability of the system are very bad, the system will have a long and substantial overshoot or oscillation. Such as the transmission of the gas materia
4、l is usually sent through a pipe, but the solid material is often sent through the conveyor belt. When change the material flow adjustment as a production process, after conveying aspects of the transmission, there is a certain time delay, resulting in material changes in circumstances after a perio
5、d of time before reaching the production equipment so as to realize the change of process parameters, the transmission time of this transport process is a pure time delay. In process control, controlled object with hysteresis is a common phenomenon in general, in order to simplify the control system
6、 when delay is not significant to ignore its impact. When the hysteresis significant and hence affect the quality of the system control, to deal with the hysteresis characteristics of the targeted control.For this overshoot as the main design indicators of pure time delay control system, people have
7、 done a lot of research in a long time, a simple beat control or PID control will not work in engineering practice. There are two commonly used methods: Dahlin algorithm and Smith algorithm. In this paper, the MATLAB language for simulation design of the two control algorithms.Keywords: MATLAB, pure
8、 time delay, Smith algorithm, Dahlin algorith目 录III目 录摘 要 .IABSTRACT(英文摘要) .II第一章 引 言 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 MATLAB 语言基础知识 .11.2.1 MATLAB 语言简介 .11.2.2 MATLAB 的基本功能 .21.2.3 MATLAB 语言的主要优点 .2第二章 纯滞后补偿控制系统 .42.1 纯滞后理论概述 .42.1.1 纯滞后的定义 .42.1.2 纯滞后对象的控制问题 .52.1.3 纯滞后常规控制方法 .6第三章 Smith 控制算法及其 MATLAB 仿真 .7
9、3.1 纯滞后补偿控制 .73.1.1 纯滞后补偿的原理 .73.1.2 纯滞后施密斯补偿控制的效果 .83.1.3 施密斯补偿的实现 .103.2 Smith 补偿控制的实现 .133.3 纯滞后系统的施密斯控制算法举例 .15第四章 达林算法及其 MATLAB 仿真 .204.1 按 z 变换设计的控制系统 达林算法 .204.1.1 达林算法针对的对象 .204.1.2 达林算法的设计目标 .20目 录IV4.1.3 达林算法的设计步骤 .204.2 振铃现象 .214.2.1 振铃现象及其消除方法 .214.2.2 振铃现象的消除 .244.2.3 振铃现象影响下达林算法设计步骤 .2
10、54.3 达林算法的仿真举例 .26结 论 .32参考文献 .33致 谢 .34第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题研究的背景和意义在现代的众多科学领域中，纯滞后对象的控制早已成为人们研究的重要课题。早期的研究是纯滞后系统使用线性系统的经典方法进行分析和设计，例如，Nyquist 法分析纯滞后系统的稳定性问题，Pade 近似法将纯滞后环节近似为线性系统进行根轨迹的综合分析等等。但当滞后时间较小时，我们只要在设计时给予充分考虑就可以了，这时实际的控制效果与设计要求的理论效果不会相差太远。对于滞后时间较大的系统，施密斯提出了一种纯滞后补偿模型，通过与PID 控制器并接一补偿环节来消除
11、或者减弱闭环系统中纯滞后因素的影响。而针对大部分工业对象都含有一阶或二阶惯性环节，美国 IBM 公司的 Dahlin 提出了一种不同于常规 PID 控制规律的新型算法即达林算法，这种算法的最大特点是将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟然后反过来得到能满足这种闭环响应的控制器。自上世纪 80 年代，随着自动控制理论的深入发展和广泛应用，现代控制理论的最优控制、鲁棒控制以及预估控制等也逐步应用到纯滞后的系统中来，并以取得了一定成果。近几年来，智能控制技术的模糊控制技术、神经网络、专家系统和遗传算法得到了充分发展和广泛应用。尤其是它与传统的控制技术相结合，成功地解决了传统控制技术难以控制的控制对象
12、，尤其是对象模型难定的情况，在工程应用中得到了广泛的应用和深入的发展。本论文通过纯滞后系统的特性，根据纯滞后系统的基本特点和设计要求以及控制器参数整定等知识，并通过举例进行仿真来理解和深化对纯滞后控制系统的理解。1.2 MATLAB 语言基础知识1.2.1 MATLAB 语言简介MATLAB 是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵计算、信号分析与图形显示为一体，构成的一个方便的、界面友好的用户环境。作为强大的科学计算平台，它几乎能够满足所有的计算需求，现已成为国际公第一章 引 言- 2 -认的最优秀的科技应用软件。MATLAB 语言语法简单，最突出的特点就是简洁、它用直观的、符
13、合人们思维习惯的代码、代替 C 语言和 FORTRAN 语言的冗长代码，程序调试和维护容易，其编程效率远高于 BASIC、PISCAL 及 C 等语言。在国内外高校、MATLAB 已成为大学生，硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究学位和工业部门，MATLAB 已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。MATLAB 软件广泛用于数字信号分析，系统识别，时序分析与建模，神经网络、动态仿真等方面有着广泛的应用。利用 MATLAB这个最优秀的科技软件，把计算机技术与信号分析紧密地结合起来，对信号进行分析处理仿真研究，经实例验证，取得了非常好的效果，具有很高的实用价值，所以我们有必要了解
14、和掌握 MATLAB 这门语言工具。1.2.2 MATLAB 的基本功能（1）强大的数学计算功能（2）开发工具（3）图形和数据可视化功能（4）工具箱功能（5）可视化建模和虚拟现实 Simulink 仿真功能（6）图形用户接口界面开发环境1.2.3 MATLAB 语言的主要优点（1）功能强大的数值计算处理能力。MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合,它可以使用户所需的各种计算功能方便的实现。函数中的算法大都是科研以及工程计算中的所得的最新的研究成果，大部分经过了容错和优化处理。一般情况下，可以用来代替底层的汇编语言，如 C 和 C+ 。在相同的计算量要求下，用 MATLAB 的编程会使工作量
15、得到很大程度的减少。 MATLAB 语言与其他编程语言一样规定了矩阵的算术、逻辑、关系及条件等的运算符，并且这些运算符大都可以直接运用到数组运算，如算术的运算符只要加“.”就可以运用到数组运算，体现了 MATLAB 语言的交互性。而 MATLAB 所包含的函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问第一章 引 言- 3 -题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等等。（2）简单易用且编程效率高的语言程序。MATLAB 语言是基于 C+语言之上的，因此
16、语法特征与 C+语言极为相似，而且更加简单易懂，更加符合使用人员对数字表达式的书写格式，使之更利于非计算机专业人员使用。MATLAB 语言可移植性好，扩充能力强，且编程效率高，它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许使用数学形式的语言编写程序，简单易学易懂，所以效率高，这也是其能够深入到各科学研究及工程计算领域的重要原因。（3）方便强大的处理图形的功能。 MATLAB 有数据可视化的功能，可以将矩阵和向量用图形表式出来，还可以对所得图形进行标注与打印。高版本的 MATLAB 对整个处理图形功能做了改进及完善，使其具有其他一些软件所没有的功能，像图形光照和色度处理等。同时对一些特殊的可视化要求
17、，例如图形对话等，MATLAB 也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。（4）广泛应用的模块集合工具箱。MATLAB 对很多针对性强的领域开发出了功能极强的模块集合工具箱。通常说来，它们都是针对特定领域而开发出来的，用户不需要自己写代码就可以直接使用。如今，MATLAB 的工具箱在很多科学研究及工程应用领域都有了自己的一席之地。第二章 纯滞后补偿控制系统- 4 -第二章 纯滞后补偿控制系统2.1 纯滞后理论概述2.1.1 纯滞后的定义所谓纯滞后，是指输入信号开始作用于系统的时刻到系统输出开始变化的时刻这段时间，是一种时间上的延迟。存在时间延迟的对象称为具有纯滞后的对象，简称为纯滞后对象，
18、实际被控对象大多数都有纯滞后特性。含有纯滞后的控制过程必然会产生较明显的超调量，从而降低系统的稳定性和准确性，也会产生较长的调节时间，从而降低系统的快速性。所以，具有纯滞后特性的过程被认为是较难控制的.由于被控对象的时滞与瞬态过程的时间常数比值较大，采用一般的控制策略不能实现系统的精度要求，甚至会使系统变得不稳定。一般地，当对象的纯滞后时间 与对象的惯性时间常数 之比超mT过 0.3 时，滞后较大且不能被忽略，被认为具有纯滞后的过程，而一般的纯滞后过程可采用常规的 PID 控制获得良好地控制性能，但大纯滞后过程很难通过这种常规的控制系统得到较好的控制效果。纯滞后控制过程的特点是：当系统受到扰动
19、时，被控参数已经发生改变，控制虽然已经感受到这个变化，并且其输出立即改变，但是操纵变量要经过一定的时间才能影响到被控参数，而在这期间被控参数还会继续变化，从而造成被控参数产生较大的偏差，因此，这一过程将有一个更加明显的超调量，并且需要一个较长的调节时间，所以，含有纯滞后的过程被公认是较难控制的，其控制难度是随着纯滞后时间与整个动态参数时间成正比的。总的来说，当系统的滞后时间较小时，我们在设计时只要给予充分考虑就可以了；而对于滞后时间较大的系统来说，Smith 提出了一种预估补偿方法，通过与 PID 控制器并接一补偿环节来消除或者减弱闭环系统中纯滞后因素的影响。而针对大部分工业对象都含有一阶或二
20、阶惯性环节， Dahlin 提出了一种不同于常规 PID 控制规律的新型算法即达林算法，这种算法的最大特点是将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟然后反过来得到能满足这种闭环响应的控制器。第二章 纯滞后补偿控制系统- 5 -2.1.2 纯滞后对象的控制问题在工业生产中，大多数过程对象含有较大的纯滞后特性，其对象的控制问题也一直是人们研究的重要课题，特别是温度、流量等的控制系统，都普遍存在纯滞后的问题，纯滞后系统的输入信号与输出信号有一定的延迟，用图像可简单表现为图 2-1 所示： 输入信号输出信号时间图 2-1 纯滞后输入与输出关系其中：滞后时间大多数工业生产过程的可简化为两种形式，即一种是含有一阶惯性环节的纯滞后工业过程，公式为式（2-1） ，另一种是含有二阶惯性环节的纯滞后工业过程，公式为式（2-2）：(2-1)()1sKeGTS(2-2)12()(ss式中： 为纯滞后时间； 为纯滞后时间常数； 为放大系数。12,TK在实际应用中，系统的介词可能更高，但根据在系统的控制要求，大部分的高阶系统都可近似处理为以上两种形式。其中对于纯滞后过程的控制难度的表述，大部分都采用纯滞后时间 和惯性时间常数 T 间的比值 作为衡量滞后大小的标准，如前所述，当比值小于 0.3 时，被认为是一般的纯滞后系统，当比值大于 0.3，则被认为是大滞后过程。当然比值越大其系统的控制难度也就
