纯滞后控制实验
盘管出水口流量纯滞后控制实验报告
盘管出水口流量纯滞后控制实验报告【实验目的】本实验旨在通过对盘管出水口流量进行纯滞后控制实验，研究纯滞后控制对系统响应速度和稳定性的影响，以及调节器参数对系统性能的影响。
【实验原理】纯滞后控制器是一种常见的控制器类型，其传递函数形式为Gc(s) = Kc(τs + 1)/τs。
其中，Kc为控制器增益，τ为控制器时间常数，s为复变量。
在本实验中，我们将通过调节器来控制盘管出水口流量，以使得系统能够在给定的参考信号下实现稳定的控制。
【实验步骤】1. 实验准备：a. 确保实验所需设备正常工作，包括盘管系统、传感器、控制器和数据采集装置；b. 按照实验要求设置参考信号。
2. 纯滞后控制器参数调节：a. 将控制器增益Kc设置为一个合适的初值，例如1；b. 将控制器时间常数τ设置为一个合适的初值，例如0.1；c. 根据实验要求，逐步调节控制器增益和时间常数，观察系统响应速度和稳定性的变化。
3. 实验数据采集与记录：a. 启动数据采集装置，记录系统实际输出值和参考信号值；b. 记录控制器参数的设定值。
4. 实验结果分析：a. 统计记录的实验数据；b. 分析系统响应速度和稳定性的变化，以及调节器参数对系统性能的影响。
5. 实验总结：a. 总结实验过程中遇到的问题和解决方法；b. 总结纯滞后控制对系统的影响；c. 提出改进控制系统性能的建议。
【实验结果】通过实验观察和数据统计，我们得到了盘管出水口流量纯滞后控制的实验结果。
在不同的控制器参数设定下，系统响应速度和稳定性存在明显差异。
当控制器增益Kc较小时，系统响应速度较慢，但较为稳定；当控制器增益Kc较大时，系统响应速度较快，但可能存在振荡或超调现象。
控制器时间常数τ的变化会影响系统稳定性，较大的时间常数可使系统更加稳定，但响应速度会受到一定的影响。
【实验总结】通过本次实验，我们深入了解了纯滞后控制在盘管出水口流量控制中的应用。
纯滞后控制在系统响应速度和稳定性之间存在着一定的权衡关系，需要合理调节控制器参数，以满足实际需求。
纯滞后对象模糊控制方法研究
（ ．北京理工大学机械 与车辆工程学 院， １ 北京 １０ ８ ； ０ ０ １ ２ ．北京特种车辆 研究所 ， 京 １０ ７ ２ 北 ００ １） 摘要： 模糊控 制由于 自身的特点 ， 在现代控制领的应用越来越广泛 ， 由于大纯滞 后影响 ， 但 其控制效果往往达不 到要求 。 对 针 这种情况 ， 在模糊 控制中提出了引入线性前馈和利用 Ｓｍｉ ｉｔ ｈ预估算法来提高其控 制品质 的两种方案 。 并针对 北京理工 大学
采用状态反馈实现纯滞后系统的控制
工业生产过程 中， 滞后现象又是普遍存在的， 例如冶 金、 玻璃 、 造纸工业中板材厚度的控制 ， 加热炉、 炉窑 的传热 ， 化工、 炼油生产 中物料 的传 输， 反应器的化 学合成等系统都存在纯滞后环节 。目前工业控制 中 比较普遍采用 Ｓ ｉ ｍｔ ｈ预估控制 的方法， ｓｉ 但 ｍｔ ｈ预估 控制系统又存在（ ） １ 随对 象特性变化 的鲁棒性差 ； （） ２ 当存在外扰动 时， 不能很好的克 服这两个主要 的缺点。虽然 目前对纯滞后对象的控制方法还有内 模控制、 灰度控制或是模糊控制等设计方法 ， 但是都 存在着计算复杂或规则难以提取等困难。因此 ， 本 文提出了一种采用状态反馈来控制纯滞后对象 的方 法， 其基本原理是由于实际对象带有纯滞后环节 ， 其 状 态无法 直接 提取 ， 因此加入 一个 状态观测 器 ， 同时 将纯滞后环 节进行非对 称二 阶伯 德近 似， 再按 照 Ｂｔｒｏｈ 波器原 理设 计 观 测器 和状 态 反馈 系数 ｕｔ ｗｔ 滤 ｅ ｔ
ｂｃ Ｔ ｉ ａｋ． ｈｓｍｅ ｏ ｒｔ ｅ ｕ ｅ ｎａｙ ＇ ｔ Ⅵ ｔ ｄ ６ ｓ ｖｄ ｄ ｃｓａ ｓｎ ｒ 。一ｏｄ￣ｐ ｄ ｈ Ｉ ￣ｅ ｙｔ ｒｅ ａ ｅｍｏ ｅ ， ｅ ｅｉｎ ｈ ｔｔ ｄ ｌｔ ｎｄ ｓｇｓｔｅｓ ｅ—ｆｅ ｂ ｃ 丑 ｈ ａ ｅｄ ａ ｋ ｐ ．
本身具有低通滤波器 的特性（ 抗高频干扰） 同时还 ，
具有状 态 反馈设 计 的最 优 特性 ， 因此这 里 采 用非对
称的二 阶 Ｐｄ 近似是可行的。具体的近似式如式 ａ ｅ
（） 示 ： １所
ｅ一 —
纯滞后系统PID-模糊控制
４ １
纯滞后系统 Ｐ Ｉ Ｄ 一 模糊控制
ＰＩ Ｄ— — ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｉ ｔ ｈ Ｐ ｕ ｒ ｅ Ｌ ａ ｇ
尹 超 李 茂 军 张 静 （ 长沙理工大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ７ ６ ）
Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄｅ ｒ ｔ ｏ ｅ ｎｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈｅ ｑｕ ａｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｕ ｒ ｂ ａｎ ｗａ ｔ ｅｒ ｓ ｕ ｐｐｌ ｙ， ｔ ｈ ｅ ｗａ ｔ ｅｒ ｓ ｕｐｐｌ ｙ ｗｉ ｔ ｈ ｆ ｒ ｅ ｑｕ ｅ ｎ ｃｙ ｃ ｏｎ ｖ ｅｒ ｓ ｉ ｏｎ ａｎ ｄ ｃｏ ｎ ｓ ｔ ａｎ ｔ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅｎ ｕ ｓｅ ｄ．Ａ ＰＩ Ｄ－ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅｇ ｙ ｗｉ ｔ ｈ Ｓｍｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｄｉ ｃ ｔ ｏｒ ｉ ｓ ｐｒ ｏｐ ｏｓ ｅ ｄ ｆ ｏｒ ｔ ｈ ｅ ｃｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｕ ｐｐｌ ｙ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ ． ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｈａ ｓ ｔ ｈｅ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏｆ ｎ ｏｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａｒ ｉ ｔ ｙ， ｒ ａ ｎｄｏ ｍｉ ｃｉ ｔ ｙ， ｌ ａｒ ｇ ｅ ｉ ｎ ｅｒ ｔ ｉ ａ ａ ｎ ｄ ｂｉ ｇ ｄｅｌ ａｙ Ｔ ｈｉ ｓ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅｇ ｙ ｃｏ ｍ ｂｉ ｎｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖａ ｎ — ｒ ａ ｇｅｓ ｏｆ ｇｏ ｏｄ ｄ ｙｎ ａ ｍｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｐｏ ｎ ｓｅ ｏ ｆ ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ， ｈ ｉ ｇｈ ｒ ｅｇ ｕｌ ａｔ ｉ ｏ ｎ ａｃ ｃｕ ｒ ａｃ ｙ ｏ ｆ ＰＩ Ｄ ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ ａｎ ｄ ｐｕ ｒ ｅ ｌ ａｇ ｃ ｏ ｍｐ ｅｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ Ｓｍｉ ｌ ｈ ｐｒ ｅｄｉ ｃ ｔ ｏｒ Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｂａ ｓ ｉ ｓ ｏｆ ｒ ｅ ｔ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ Ｓ ｓ ｔ ａｔ ｉ ｏ ｎ ａｒ ｉ ｔ ｙ， ｄ ｙｎ ａ ｍｉ ｃ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅｓ ｓ ａｎ ｄ ｓ ｔ ｅａ ｄｙ ｓ ｔ ａｔ ｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａｎ ｃ ｅ， ｔ ｈｉ ｓ ｃ ｏ ｎ — ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇｙ ｃ ａｎ ｅ ｖ ｉ ｄｅ ｎ ｔ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐｅ ｅｄ ａｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ｄ ｙｎ ａｍｉ ｃ ｐｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ， ｈ ａ ｓ ｇｏ ｏｄ ｒ ｏ ｂｕ ｓ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎｄ ｈａ ｓ ｗｅｌ ｌ ａ ｄａ ｐｔ ａｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｔ ｏ
第十四节 纯滞后对象的控制
相应的闭环传函变为
D( z )G( z ) 0.2271 z 2 (1 0.733z 1 ) ( z ) 1 D( z )G( z ) 1 0.6065z 1 0.1664z 2 0.1664z 3
相应的控制量为
Φ( z ) 2.6356 (1 0.7413z 1 ) U (z) R( z ) G( z ) (1 0.6065z 1 )(1 z 1 )(1 0.733z 1 ) 2.6356 0.3484z 1 1.8096z 2 0.6078z 3 1.4093z 4 ...
可得补偿器的差分实现
p' (k ) p' (k 1) u (k 1) p ( k ) P' ( k ) p ' ( k l )
◆对带纯滞后的二阶惯性对象
Ke s G( s ) (T1 s 1)(T2 s 1)
纯滞后补偿器为
1 2 K (1 e Ts )(1 e s ) b z b z 1 1 2 D ( z ) Z ( 1 z ) 1 2 s ( T s 1 )( T s 1 ) 1 a z a z 1 2 1 2
◆振铃极点主要来源于G(z) 在负实轴或二、三象 限的零点；
◆对于一阶滞后对象，如果滞后时间为采样周期 的整数倍，离散化后不存在这样零点，故不会 产生振铃现象； ◆对二阶滞后对象和滞后时间不为采样周期整数 倍的一阶对象，离散化后则可能存在这样的零 点。
U ( z) R( z) Ku ( z)
通常用振铃幅度RA来衡量振铃强烈的程度。通常 用单位阶跃下数字控制器第0次输出量与第1次输 出量的差值来表示。 1 2
Smith纯滞后补偿PID
软件设计报告——Smith纯滞后补偿PID 控制塔顶轻组分含量、继电法整定PID参数目录目录 (2)一、题目 (3)二、原理 (4)1、Smith纯滞后补偿控制原理 (4)2、具有纯滞后补偿的数字控制器 (5)3、数字Smith预估控制 (5)4、继电法整定PID参数 (6)5、继电法整定PID参数的计算 (8)三、程序设计 (8)1、程序设计流程图 (8)2、程序设计详单 (10)四、结果展示与分析 (13)1、系统控制效果 (13)2、系统参数变化的控制结果 (13)五、体会 (17)六、参考文献 (17)一、题目题目5：以中等纯度的精馏塔为研究对象，考虑到不等分子溢流的影响和非理想的汽液相平衡，可以得到塔顶产品轻组分含量Y及回流量L之间的传递函数为：控制要求：1、采用Smith纯滞后补偿PID控制算法将塔顶轻组分含量控制在0.99。
2、采用继电法整定PID参数。
3、整定效果验证：当被控过程参数时变时，如滞后时间有12→24，开环增益由3.4→6时，讨论PID控制的响应速度及鲁棒性问题，考察当系统参数发生变化时，上述PID参数是否选取合适。
二、原理1、Smith 纯滞后补偿控制原理在工业过程控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控对象具有纯滞后。
由于纯滞后的存在，被控量不能及时反映系统所受到的干扰影响，即使测量信号已到达控制器,执行机构接受控制信号后迅速作用于对象,也需要经过纯滞后时间τ以后才能影响到被控量，使之发生变化。
在这样一个控制过程中，必然会产生较明显的超调或震荡以及较长的控制时间，使Smith 就这个问题提出了一种纯滞后补偿控制器，即Smith 补偿器。
其基本思想是按照过程的动态特性建立一个模型加入到反馈控制系统中，使被延迟了τ的被控量提前反映到控制器，让控制器提前动作，从而可明显地减少超调量，加快控制过程。
下图1为Smith 预估控制系统的示意框图。
如果模型是精确的，即m m s G s G ττ==),()(0，且不存在负荷扰动（D=0），则m m m m X X Y Y E Y Y ==-==,0,，则可以用m X 代替X 作为第一图1、Smith 预估控制系统等效图条反馈回路，实现将纯滞后环节移到控制回路的外边。
纯滞后控制系统讲解
过程控制实验报告实验名称：纯滞后控制系统班级：姓名：学号：实验五 纯滞后系统一、实验目的1) 通过本实验，掌握纯滞后系统的基本概念和对系统性能的影响。
2) 了解纯滞后系统的常规控制方法和史密斯补偿控制方法。
二、 实验原理在工业生产中，被控对象除了容积延迟外，通常具有不同程度的纯延迟。
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制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较明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，其难控制程度随着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。
一般认为，纯滞后时间与过程的时间常数之比大于0.3时，该过程是大滞后过程。
随此比值增加时，过程的相位滞后增加而使超调增大，在实际的生产过程中甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。
此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。
因此大滞后过程的控制一直备受关注。
前馈控制系统主要特点如下：1) 在纯滞后系统控制中，为了充分发挥PID 的作用，改善滞后问题，主要采用常规PID 的变形形式：微分先行控制和中间微分控制。
微分先行控制和中间微分控制都是为了充分发挥微分作用提出的。
微分的作用是导前，根据变化规律提前求出其变化率，相当于提取信息的变化趋势，所以对滞后系统，充分利用微分作用，可以提前预知变化情况，进行有效的“提前控制”。
微分先行和中间微分反馈方法都能有效地克服超调现象，缩短调节时间，而且不需特殊设备。
因此，这两种控制形式都具有一定的实际应用价值。
但是这两种控制方式都仍有较大超调且响应速度很慢，不适于应用在控制精度要求很高的场合。
2) 史密斯补偿控制的基本思路是：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性等。
大林控制算法实验报告
一、实验目的1. 理解大林控制算法的基本原理及其设计过程。
2. 掌握大林控制算法在计算机控制系统中的应用。
3. 通过实验验证大林控制算法在解决纯滞后系统控制问题上的有效性。
二、实验原理大林控制算法（Dahlin Control Algorithm）是一种针对具有纯滞后特性的控制对象而设计的新型控制算法。
该算法的核心思想是将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟形式，然后通过反向设计得到满足这种闭环响应的控制器。
对于具有纯滞后特性的被控对象，其传递函数可以表示为：\[ G(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]其中，\( K \) 为系统增益，\( T_s \) 为采样周期，\( T \) 为纯滞后时间。
大林控制算法要求选择闭环传递函数 \( W(s) \) 时，采用相当于连续一阶惯性环节的 \( W(s) \) 来代替最少拍多项式。
如果对象有纯滞后，则 \( W(s) \) 应包含有同样的纯滞后环节。
带有纯滞后的控制系统闭环传递函数为：\[ W(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]根据大林控制算法，可以设计出满足期望闭环响应的数字控制器 \( D(z) \)：\[ D(z) = \frac{K_1 e^{-\frac{1}{T}}}{(1 - e^{-\frac{1}{T_1}}) (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})} \cdot \frac{1}{[1 - e^{-\frac{1}{T_1}} (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})] (1 - e^{-\frac{1}{T} z^{-1}})} \]其中，\( K_1 \)、\( T_1 \) 和 \( T_2 \) 为大林算法的参数。
三、实验仪器1. MATLAB 6.5软件一套2. 个人PC机一台四、实验步骤1. 启动MATLAB软件，创建一个新的脚本文件。
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实验三 纯滞后控制实验
1. 实验目的与要求
(1) 掌握应用达林算法进行纯滞后系统D(z)的设计；
(2) 掌握纯滞后系统消除振铃的方法。
2. 实验设备
(1) 硬件环境
微型计算机一台，P4以上各类微机
(2) 软件平台
操作系统：Windows 2000以上；
仿真软件工具：MATLIB5.3以上。
3. 实验原理
在一些工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。
例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过长度为L 的路程才能反映出来。
这样，就造成水温的变化要滞后一段时间τ（v v L ,=τ是蒸汽的速度）。
对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。
因此，对于这一系统，采用一般的随动系统设计方法是不行的，而用PID 控制往往效果也欠佳。
本实验采用达林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。
设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Φ(s)，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即
1
)(+=Φ-s e s s
τθ，NT =θ 该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。
控制原理如图1，其中：采样周期T=0.9秒，期望传递函数τ=0.5秒，被控对象
1
23)(8.1+=-s e s G s
；输入信号为单位阶跃信号。
图1 纯滞后系统控制原理图
应用达林算法进行纯滞后系统设计)
D控制器。
(z
4.实验内容与步骤
(1)按照纯滞后控制系统要求设计)
D；
(z
(2)按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型，观察输入输出波形，标明参数，打印结果；
(3)尝试用M文件实现dalin算法控制。
5.实验结果
simulink框图（用simulink实现dalin算法）: Array
图2 纯滞后控制设计
图3：纯滞后控制器输出结果
图4 纯滞后控制系统输出结果
6.思考与分析
(1)纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调？为什么？
答：纯滞后控制系统对阶跃信号有超调，因为由纯滞后系统输出特性可知，图形在y(t)=1(t)上、下摆动，最后趋于稳定，而超调量是描述系统相对稳定性的一个动态指标，所以对阶跃信号有超调。
(2)纯滞后控制与PID控制有什么本质区别?消除振铃前后系统输出有什么不同?
答：纯滞后控制与PID 控制的本质区别是：纯滞后控制是一种基于模型和离散系统的设计方法，而PID 控制是一种基于连续系统的的设计方法。
消除振铃前，系统输出y(t)在t=(0—10)T 之间，曲线波动较大，在t=10T 滞后，曲线趋于平稳；消除振铃后，系统输出y=(t)在t=(0—10)T 之间，曲线较平缓，在t=10T 之后，曲线趋于平稳。
附:几个MATLAB 函数
(1) 1
23)(8.1+=-s e s G s
)(z G ⇒ sys1=tf([][],1,2,3‘inputdelay’,1.8)；
dsy1=c2d(sys1,ts,'zoh')；
[]1den num1,=tfdata(dsys1,'v')；
[]k1p1,z1,=tf2zp(num1,den1)
(2) 1
5.0)(8.1+=-s e s G s
)(z Φ⇒ sys2=tf([][],1,5.0,1‘inputdelay’,1.8)；
dsy2=c2d(sys2,ts,'zoh')；
(3) )
(1)()(1)(Z Z Z G Z D Φ-Φ∙= dsys=
dsys2)(1dsys2dsys11-*； []d e n
n u m ,=tfdata(dsys,'v')； []k p,z,=tf2zp(num,den)。