时变大时滞系统的控制方法综述

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空调系统大时滞过程控制方法综述

ｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏ１．
ＫｅｙｗｏｒｄｓＡｉｒ．ｃｏｎｉｔｄｉｏｎｉｎｇｙｓｓｔｅｍｓ；Ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｌａｒｇｅｔ￣ｉｍｅｄｅｌａｙ；Ｕｎｄｅｒｒｏｇｎｄｗｏｕｒｋｓ
Ａｂ￣ｒａａＩｎｃｏｍｐｌｅｘａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｌａｒｇｅｄｅｌａｙｉｓｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ，ｍａｋｉｎｇｐｏｏｒｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｓｕｌｉｔｎｇｉｎｇｒｅａｔｅｒｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓ．Ａｎｄｆｏｒｔｈｅｓ１）ｅｃｉａｌｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｉｆｎｅｄｓｐａｃｅ，ＳＯｔｈａｔｈｅｔｎｅｗａｉｒｏｎｃｄｉｔｉｏｎｉｎｇｙｓｓｔｅｍｏｆｖｅｎｉｔｌａｉｔｏｎｒｅｆｑｕｅｎｃｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｌａｒｇｅｄｅｌａｙｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓ，ｈｅｔｅｎｅｒｇｙ

过程控制系统第六章大时滞过程控制系统

过程控制系统
1
6.1 大时滞过程概述
时滞现象在工业生产过程中是普遍存在的。时滞可分为两类，一类称为纯时滞，如带式运输机的物料传输、管道输送、管道混合、分析仪表检测流体的成分等过程；另一类为惯性时滞，又称为容积时滞。该类时滞主要来源于多个容积的存在，容积的数量可能有几个甚至几十个，如分布参数系统可以理解为具有无穷多个微分容积。因此，容积越大或数量越多，其滞后的时间就越长。由于时滞的存在，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，执行机构接受控制信号后立即动作，也需要经过时滞以后，才能波及到被控量，使其受到控制。因此，这样的过程必然会产生比较明显的超调量和比较长的调节时间。所以具有时滞的过程被公认为比较难以控制的过程。其难控程度随着时滞占整个过程动态份额的增加而增加。一般认为时滞与过程的时间常数T 之比 / T 大于0.3时，则认为该过程是具有大时滞的过程。当 / T 增加时，过程中的相位滞后也随之增加，使以上现象更为突出。有时甚至会因为超调严重而出现停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全极限而危及设备及人身安全。因此，大时滞过程的控制问题一直是倍受人们关注的重要研究课题。
1. 微分先行控制方案
微分作用的特点是能够按被控参数的变化速度来校正被控参数的偏差，它对克服超调现象起到很大的作用。但是，对于图6-5所示的PID控制方案，微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值。
油储罐 A种粘度泵
混合管道
出口
油储罐 B种粘度
泵 PUMP CONTROLS 粘度检测与泵流量控制
图6-2 粘性液体混合过程示意图
过程控制系统
4
6.1 大时滞过程概述
啤酒发酵过程示意图如图6-3所示。在酵母繁殖的生物化学反应过程中，会释放大量的热量。为了实现罐内温度的时间程序控制、以保证啤酒质量，通常采用冷媒对罐体进行冷却，使罐内温度按照工艺要求的曲线变化。由于罐体比较高，一般将发酵罐分成上、中、下三段进行冷却。三只调节阀分别控制上、中、下三套缠绕在罐壁之外的盘管状热交换器（又称为螺旋状冷带）内冷媒的流量，以控制其带走热量的多少，从而达到控制罐内温度的目的。由于罐子的半径很大，罐壁与罐子中央的温差较大。罐壁温度最低，罐中央的温度最高。虽然，在生化放热反应过程中，罐内啤酒会不断地进行着缓慢的热循环流动，但在热传递的过程中，罐内任何一点都存在着以该点半径描述的等温柱面层。因此，啤酒发酵过程是一个分布参数过程，具有无穷多个微分容积。发酵罐越大，其惯性滞后的时间越长。

大滞后系统控制方法

大滞后系统控制方法
大滞后系统控制可有点小麻烦呢。

你想啊，就像你喊一个人，结果他过了老半天才有反应，这多让人着急。

那对于这种大滞后系统，有一种预测控制方法。

这就好比你要去赶火车，你知道火车啥时候开，路上大概会堵多久，那你就能提前规划好出门时间。

预测控制就是这么个道理，它根据系统的模型，去预测未来的输出，然后提前调整控制量。

比如说在一些化工生产里，从原料投入到产品出来可能有很长的滞后，通过预测控制就能提前调整进料量、温度这些参数，让最后的产品质量啥的都能符合要求。

还有一种方法是史密斯预估器。

这个东西可神奇啦，它就像是给这个滞后系统找了个替身。

它把这个滞后环节单独拎出来，然后通过一个预估模型，让控制器看到如果没有滞后的话系统应该是什么样的反应。

这样控制器就不会被滞后给搞晕头转向啦。

打个比方，就像你在玩一个有延迟的游戏，这个预估器就像是告诉你，要是没有这个网络延迟，你的操作应该会有什么样的结果，然后你就能更好地玩游戏啦。

模糊控制也能在大滞后系统里发挥作用哦。

模糊控制就不那么死板，它不是说精确地算出一个数值来控制。

就像你做菜的时候，你不会精确到放多少克盐，而是根据感觉，大概、差不多就行。

模糊控制对于大滞后系统，就是根据一些模糊的规则，比如“如果偏差大而且变化快，那就大幅度调整控制量”这种感觉的规则。

因为大滞后系统很难精确建模，模糊控制这种有点“随性”的方法有时候反而能取得不错的效果呢。

大滞后系统控制虽然有点难搞，但有了这些方法，就像给我们在黑暗中摸索的人点亮了一盏盏小灯，让我们能更好地驾驭这些“反应慢半拍”的系统啦。

大时滞系统的模糊-smith控制

西安邮电学院毕业设计（论文）题目：大时滞系统的模糊-smith控制院（系）：自动化学院专业：自动化班级：自动化0804班学生姓名：耿宗杰导师姓名：魏秋月职称：讲师起止时间： 2012年 03月 06日至 2012年 06月 11日西安邮电学院毕业设计(论文)任务书学生姓名耿宗杰指导教师魏秋月职称讲师院（系）别自动化学院专业测控技术与仪器题目大时滞系统的模糊-Smith 控制任务与要求分析采用常规模糊控制的大时滞系统控制性能不佳的原因,研究适合大时滞系统的模糊-Smith 控制策略，并对控制算法进行仿真。

算法应用于大时滞系统控制时应具有较好的性能,且对于时滞参数大范围变化的系统应具有良好的鲁棒性。

开始日期2010年12月10日完成日期2012年6月25日院长(签字) 201112 月 6 日西安邮电学院毕业设计 (论文) 工作计划学生姓名耿宗杰指导教师___魏秋月_ 职称_ 讲师_____院（系）别____自动化学院_____专业__自动化 __ 题目__________________________________________________大时滞系统的模糊-Smith 控制工作进程起止时工作内容3月19日～3月26日收集资料，撰写、提交开题报告3月27日～4月11日方案论证与确定4月12日—4月26日学习、熟悉模糊逻辑工具箱和SIMULINK仿真工具的使用4月27日—5月11日设计模糊-Smith控制器5月12日—5月19日系统仿真和结果分析5月20日—6月4日撰写论文6月3日—6月10日修改、装订论文，准备答辩6月11日—6月18日准备答辩主要参考书目(资料)1. 楼顺天, 胡昌华, 张伟.基于 MATLAB 的系统分析与设计—模糊系统.西安: 电子科技大学出版社, 1998.2. 席爱民.模糊控制技术. 西安: 电子科技大学出版社, 2008.3. 郑恩让，聂诗良. 控制系统仿真. 北京: 中国林业出版社， 2006.计算机、MATLAB 软件每周三为固定答疑时间，其余时间有问题时电话联系地点：教研室或测控实验室无主要参考书目(资料) 主要仪器设备及材料论文(设计)过程中教师的指导安排对计划的说明西安邮电学院毕业设计(论文)开题报告自动化学院自动化专业 08 级 04 班课题名称：大时滞系统的模糊_Smith控制学生姓名：耿宗杰学号：06071108指导教师：魏秋月报告日期： 2012-3-221．本课题所涉及的问题及应用现状综述涉及的问题：本题目针对普通模糊控制的大时滞系统控制性能不佳的原因，研究了一种适合大时滞系统的模糊_Smith控制策略。

大时滞过程控制方法及应用分析

大时滞过程控制方法及应用分析诸葛晓春南宁化工股份有限公司，广西南宁530001摘要：本文对常用控制方法中的PID控制、Smith预估控制、Dahlin控制以及现代控制方法中的内膜控制、预测控制等各种控制方法及特点进行介绍，并对大时滞过程控制方法的应用进行分析。

关键词：大时滞；控制方法；应用分析时滞是工业生产中常见的现象。

存在时滞，意味着系统的扰动不能及时地在控制作用上得到反映，而是延迟一段时间后才在对象输出上反映出来。

因此，选择适当的控制方法，能有效控制时滞系统，保证工业生产的安全可靠性。

1.经典控制方法1.1Smith预估控制Smith预估控制方法是由瑞典科学家Smith提出的，它的基本控制思路是预估出系统在扰动状态下的特征，再通过构建函数，以向内反馈的形式，使常规控制器的时滞得到补偿，达到控制作用超前反映在对象输出上的目的。

从理论上讲，Smith预估控制法可以避免时滞现象带来的影响，然而在实际的实践中却大相径庭。

被控制对象的精确的数学模型是Smith预估控制器得以实现的基础，因此，当数学模型与控制对象存在偏差时，控制器便达不到预期的控制效果，甚至还有恶化的可能。

1.2Dahlin控制Dahlin控制是由Dahlin在1968年提出的一种数字控制方法，它主要是针对大纯滞后系统，即对当纯滞后时间τ与对象时间常数T之比（τ／T），大于0．5甚或超过1．0时的对象进行控制。

它的基本思路是使得闭环系统等效为一个一阶惯性环节加纯滞后环节，并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的纯滞后时间相同。

Dahlin算法方法比较简单,只要根据传递函数设计出合适的且可以实现的数字调节器,就能够有效地克服纯滞后的不利影响。

但采用Dahlin控制会出现振铃现象，即闭环系统的输出以指数形式较快地趋向稳态值，而数字控制器的输出则以二分之一的采样频率大幅度的衰减震荡。

这样一来，会造成执行机构大幅度的摆动，加剧磨损，甚至引起系统的稳定性下降。

一类时变时滞系统的稳定性分析及控制

信息记录材料２０１７年５月第１８卷第５期
一
类时变时滞系统的稳定性分析及控制
胡潇达，刘延泉，张华
（华北电力大学控制与计算机工程学院河北保定
０７１００３）
【摘要】本文对一类区间时变时滞系统的稳定性分析和控制器设计问题进行了研究。首先，为了得到时滞系统的稳定性新判据，在对Ｌｙａｐｕｎｏｖ — Ｋｒａｓ０ｖｓｋｉｌ泛函进行构造时考虑了时滞下界信息，并且在对Ｌｙａｐｕｎｏｖ — Ｋｒａｓｏｖｓｋｉｉ泛函的导数进行处理时采用了积分不等式牙口逆凸组合法相结合的方法。进一步，根据所得的时滞相关稳定性判据，对系统的状态反馈控制器设计进行了分析。最后通过对数值算例进行仿真验证了本文方法的有效性和正确性。【关键词１时滞相关稳定，时变时滞，线性矩阵不等式【中图分类号】ＴＰ２７３【文献标识码】Ａ【文章编号】１００９ — ５６２４（２０１７）０５ — ００２２ — ０３
ｄｅｓｉｇｎｅｄＡｔｌａｓｔ，ｉｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｈｅｔｅｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄ也ｅｖａｌｉｄｉｙｔｏｆｈｅｔｍｏｄｉｉｆｅｄｍｅｈｏｔｄｂｙｓｉｍｕｌａ廿ｎｇａｎｕｍｅｒｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅ．
（ｆ）是连续可微时变时滞，满足约束条件：

一种新的时变时滞系统控制方法

一种新的时变时滞系统控制方法
本文主要提出了一种新的时变时滞系统控制方法。

时变时滞系统是指在受控对象函数或参数中存在时变时滞的系统，它的控制机制是要求系统的学习和更新过程必须以时滞机制作为整体来考虑。

本文提出的新方法以建立不同实验参数的建模和模型补偿结构作为基础，引入基于时滞的因子，然后启动基于模糊实值的自适应控制。

最后，它利用模糊组合的技术对TS向量进行计算与优化，使系统具有良好的抗外部扰动能力和理想的运行性能。

实验结果表明，本文提出的时变时滞系统控制方法，在较低的控制成本和更短的建模时间内具有更快的响应速度和更高的精度，从而达到期望的控制效果。

时滞系统的控制方法研究

下面再来分析调节通道有纯滞后的情况，系统方框图如图卜４所示：
图１－４对象调节通道含有纯滞后的闭环系统
同理可以得到：
Ｃ（ｓ）一Ｇ。（ｓ）Ｇ。（５）ｅ１Ｒ（ｓ）１＋Ｇ。（ｓ）Ｇ。（ｓ）日０弦一
∽ 即Ｄ
Ｃ（引一
Ｇ。（ｓ）
三（ｓ）１＋Ｇｃ（Ｊ）Ｇ。（ｓ）Ⅳ（ｓ）Ｐ１
∽扣动
它们的特征方程式都可以表示为：
ｌ＋Ｇｃ（ｓ）Ｇ。（５）日（５）Ｐ一＝０
（１－２—６）
３．反馈通道有纯滞后
此外若仅反馈通道中测量元件Ｈ（ｓ）具有纯滞后，此时闭环传递函数为：
皇盟：鱼！！狂盟
Ｒ（５）１＋Ｇ。（５）Ｇ０（ｓ）Ｈ（ｓ）ｅ１
（卜２—７）
Ｃ（ｓ）
Ｇ。（ｓ）
Ｌ（ｓ）ｌ＋Ｇ。Ｏ）Ｇ。（ｓ）日（ｓ弦１
（１－２—８）
其特征方程式的形式与式（１－２—６）相同。
后和控制存在滞后的时滞系统的变结构控制。仿真研究均说明了所设计的模糊自
适应控制算法和变结构控制算法的有效性。最后论文讨论了电厂锅炉过热汽温的模糊控制系统，并设计了其硬件电路实现图。
关键词：纯滞后模糊控制变结构控制锅炉
塑更查兰堡主兰堡笙茎
Ａｂｓｔｒａｅｔ
Ｔｉｍｅ－ｄｅｌａｙｓｙｓｔｅｍｉｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｉｅｌｄｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ．
Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｔｉｍｅ－ｄｅｌａｙｓｙｓｔｅｍｉｓ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｔｉｍｅ—ｄｅｌａｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．

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时变大时滞系统的控制方法综述
1 引言
在化工、炼油、冶金、玻璃等一些复杂的工业过程当中,广泛地存在着大时滞现象。

由于时滞的存在,使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动,从而产生明显的超调,使得控制系统的稳定性变差,调节时间延长,对系统的设计和控制增加了很大的困难。

而时变时滞的特性则使得问题更加复杂,因而对此类问题的研究具有重要的理论和实际意义。

自从1957年Smith首次提出针对时滞系统的预估控制方法以来,许多学者在这一领域进行了广泛而深入的研究,相继提出了许多行之有效的控制方法。

根据对专统数学模型的依赖程度的不同,这些方法大致可以分为自适应控制和智能控制两大类。

本文即对此进行了总结介绍,分析了各种控制方法的优点及其所存在的局限性,并且探讨了该领域今后的发展方向。

2 Smith预估器
Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。

该方法的基本思路是:预先估计出系统在基本扰动下的动态特性,然后由预估器对时滞进行补偿,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,从而抵消掉时滞特性所造成的影响:减小超调量,提高系统的稳定性$加速调节过程,提高系统的快速性。

Smith预估器的原理如图1所示。

图1 Smith预估器控制框图
从理论上分析,Smith预估器可以完全消除时滞的影响,从而成为一种对线性、时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方案。

但是在实际应用中却不尽人意,主要原因在于:Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型,而且它只能用于定常系统。

这一条件事实上相当苛刻,因而影响了Smith预估器在实际应用中的控制性能。

在Smith预估器的基础上,许多学者提出了扩展型的或者改进型的方案,这些方案包括:多变量Smith预估控制,非线性系统的Smith预估器,改进的Smith预估器。

这些方法由于并没有减小对系统数学模型的依赖程度,因而同样也具有很大的局限性。

3 自适应控制方法
对大多实际控制过程而言,被控对象的参数在整个被控过程中不可能保持定常,对于这一类系统,如果采用常规的控制方法,不仅控制性能会变差,而且还会造成系统发散,然而利用自适应技术却可以获得比较满意的控制效果。

自适应控制的基本思路是:依据自适应控制的“确定性等价原理”和“分离设计原则”,时变系统的控制器设计可以分为两步进行,首先假定被控对象的参数已知且定常,按给定的性能指标设计出相应的控制器,然后利用参数辨识在线估计出被控对象的参数值,并以参数估计值代替控制器中所用的真值对系统进行控制。

自适应控制由于具有对时变参数的良好的自适应能力,因而在时变时滞系统中得到了广泛的应用。

现已提出的控制方法包括:模型参考自适应预估控制、自适应预估最优控制、极点配置最优预报自校正PID控制器、大时滞系统的自抗扰控制、时滞并联自适应控制、零极点配置的自校正内模控制、动态矩阵控制等等。

自适应控制的典型控制框图如图2所示。

图2 自适应控制系统框图
自适应控制虽然对时变系统具有良好的控制效果,但是它也存在一定的缺陷,即它要求将对象描述为某些特定的数学模型类,自适应控制器的设计取决于这个数学模型,而实际上许多过程控制系统的数学模型难以获得,即所谓灰色系统,这将导致自适应控制岳法应用。

4 智能控制方法
随着智能控制理论和技术的飞速发展,许多学者将模糊控制和神经网络控制技术应用于大时滞控制系统当中。

模糊控制的优点是不需要被控对象的精确数学模型,而且具有很强的鲁棒性,因而非常适合于不确定性系统。

神经网络控制则具有自学习和自适应以及很强的非线性表述能力,对于不确定的非线性时变系统非常适用。

专家系统为解决复杂的不确定性对象的控制提供了另外一条有效途径,它以控制专家的经验和知识弥补了对象数学模型的缺陷。

智能控制方法虽然克服了Smith预估器和自适应控制的缺陷,但它们本身也并不是完美的。

模糊控制的显著缺点是控制精度不高、自适应能力有限、存在稳态误差、可能引起振荡。

神经网络控制的缺点是学习和训练比较费时、对训练集的要求也很高。

专家控制则过度依赖专家的经验,缺乏自学习能力,控制精度不高,而且同样存在稳态误差。

鉴于上述原因,智能控制方法经常相互融合或者和Smith预估器以及自适应控制相结合,这也正是时变大时滞系统控制方法目前的研究方向。

现已提出的方法包括:神经元自适应PID控制、自调谐模糊控制器时、专家控制与PID控制结合的递阶智能控制器、基于模糊神经网络的预测控制、变结构模糊控制器时、基于模糊预测的问歇PID控制器、基于模糊逻辑的Smith预估器、基于神经网络的非线性Smith预估器、专家Smith预估控制、非自衡系统的智能控制、遗传算法与最小二乘结合的时变时滞系统的在线辨识等等。

上述控制方法各具特色,也都具有相当不错的控制性能,但是它们并不一定是最优的,而且各自具有不同的复杂程度,对于大时滞时变系统,有些算法可能会导致不稳定,另外,目前对时变大时滞工业过程的控制仍然以传统的Smith预估器和PID控制为主,许多新型的自适应控制方法和智能控制方法仍然处于理论研究和仿真研究阶段,用于实际过程控制的不多。

因此,时变大时滞系统的智能控制方法仍然处于发展阶段。

5 结论
介绍了针对时变大时滞系统的各种控制方法,分析了各种控制方法的基本思路、适用的场合以及其所存在局限性,并探讨弯时变大时滞系统控制方法研究今后的发展方向。