过程控制第九讲：大延时系统设计
延时控制实验报告
延时控制实验报告延时控制实验报告一、引言延时控制是一种常见的控制方法，它通过延迟信号的传输或处理时间，来实现对系统的控制。
在工业自动化、通信系统以及科学研究中都有广泛的应用。
本实验旨在通过实际操作，探索延时控制的原理和应用。
二、实验目的1. 理解延时控制的基本原理；2. 学习使用延时控制器进行系统控制；3. 探索延时控制在不同系统中的应用。
三、实验装置和方法1. 实验装置：实验装置由控制器、传感器、执行器和计算机组成；2. 实验方法：首先，搭建实验装置并连接各个部件；然后，根据实验要求设置控制器参数；最后，进行实验并记录数据。
四、实验过程和结果1. 实验一：单回路延时控制在实验装置中，我们将控制器与传感器和执行器相连，形成一个闭环控制系统。
通过设置合适的延时参数，我们可以观察到系统的响应特性。
实验结果显示，在增加延时时间后，系统的稳定性变差，但是对于某些系统，适当的延时可以提高系统的性能。
2. 实验二：多回路延时控制在实验装置中，我们增加了多个传感器和执行器，形成了多回路控制系统。
通过设置不同的延时参数，我们可以观察到不同回路之间的相互影响。
实验结果显示，当延时时间较小时，各个回路之间的耦合作用较小；而当延时时间较大时，耦合作用显著增强。
五、实验分析和讨论延时控制作为一种特殊的控制方法，具有一定的优势和局限性。
在实验中，我们观察到延时时间对系统的影响是双重的。
一方面，适当的延时可以提高系统的性能，例如减小超调量和稳态误差。
另一方面，过大的延时会导致系统不稳定，甚至产生振荡。
因此，在实际应用中，需要根据具体系统的特点和要求进行合理的延时设置。
此外，多回路延时控制系统的耦合效应也是需要考虑的问题。
在实验中，我们观察到当延时时间较大时，不同回路之间的耦合作用显著增强。
这可能会导致系统的不稳定性和性能下降。
因此，在设计多回路延时控制系统时，需要充分考虑各个回路之间的相互影响，并进行合理的参数调整。
六、实验总结通过本次实验，我们深入了解了延时控制的基本原理和应用。
第六章-大迟延系统
Smith预估器的缺点： 预估器的缺点： 预估器的缺点 • 抗干扰性比较差：对系统受到负荷扰动时， 抗干扰性比较差：对系统受到负荷扰动时， 可能会出现发散振荡。 可能会出现发散振荡。 • 因为它与被控对象的特性有密切关系，因此， 因为它与被控对象的特性有密切关系，因此， 模型的精度、运行环境都将影响控制效果。 模型的精度、运行环境都将影响控制效果。
−τs
由此可得到G 的传递函数为： 由此可得到 f(s)的传递函数为： 的传递函数为
G f (s) = − 1 + K p g p ( s ) G c ( s )(1 − e − τ s ) K p g p (s)
再写出被调量Y(s)对设定值R(s)的闭环传递函数 的闭环传递函数： 再写出被调量Y(s)对设定值R(s)的闭环传递函数： 对设定值
R(S) ＋
Gc (s )
U(s)
D(s)
＋
Kp g p (s)e
−τs
Y(s)
Kpgp(s)
Y’(s)
e −τs
＋ ＋
Smith
系统的闭环传递函数为： 系统的闭环传递函数为：
K p g p ( s )e −τs Gc ( s) 1 + K p g p ( s)Gc ( s )(1 − e −τs ) 1+ K p g p ( s )e Gc ( s ) 1 + K p g p ( s )Gc ( s )(1 − e −τs )
（Smith）预估器的设计过程 ）
R(S) ＋
Gc (s )
U(s)
Kp g p (s)e
−τs
Y(s)
G 其中： 对象传函， 是调节器传函。 其中： K p g p ( s)e −τs 对象传函， c ( s ) 是调节器传函。
大迟延控制系统设计
引言在热工生产中，最基本的且应用最多的是单回路控制系统，其他各种复杂控制系统都是在单回路系统的基础上发展起来的，而且许多复杂控制系统的整定都是利用了单回路系统的整定方法，可以说单回路控制系统是过程控制系统的基础。
生产控制是利用过程检测控制仪表、自动化设备与装置、数字计算机等自动化技术工具。
对整个生产过程进行自动检测与控制，以期达到各种最优的技术、经济指标。
被控对象动态特性有迟延(也叫延迟或滞后)。
因为对象的大设备、大存储容量、大惯性及阻力，使被控参数不可能立即响应而有延迟。
时间延迟有传输延迟与容量延迟之分。
传输延迟(也称纯延迟)是因为物料或能量需要经过一个传输过程而造成的；而容量延迟则是由于对象中包含有多个容积所造成的。
当过程的纯延迟时间与其动态τ时，则被控对象就被认为是较大延迟对象了。
时间常数T的关系满足3.0T/≥在冶金、机械、石油、化工、电力、轻工、建材、原子能与环保等部门生产中，大量需要对温度、压力、流量、液位、成分等物理量实现自动控制。
生产过程自动控制是一门内容极为丰富的综合性应用科技学科。
它与工程实践联系紧密，与电力拖动自动控制系统一样，在现代化生产自动化中也得到了十分广泛的应用。
生产过程中，有些工艺参数目前还没有获得直接的快速测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。
这种情况下往往采用间接测量手段，如采用磨煤机入口介质的温度来代表原煤的干燥程度。
以间接参数作为系统地被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采取相应的补偿措施。
对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或延迟较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。
为提高测量的灵敏度，减小延迟，应采用先进的测量方法，选择合理的采样点，正确合理的安排检测元件。
第一章绪论目前在工业生产过程控制中，主要应用模拟控制仪表构成各种类型的控制系统。
随着科学技术的发展，电子计算机控制是热工自动控制系统发展的必然趋势。
过程控制4.3大迟延过程系统解读
第四章
史密斯 补偿法
令并联后的等效传递函数为Wp（s）， 即， Wp（s）= Wp（s）e-τs + Wτ（s） 因此， Wτ（s） = Wp（s）（1-e-τs ）
史密斯 预估器
3、控制效果：
X + _ Wc(s) Wp(s)e
- s
过程控制
第四章
Y
（a）单回路
X + _ Wc(s) Wp(s)e
2、原理方案
F(S) X(S) + _ Kc(1+1/TIS) + WO(S)e- s Y(S)
TDS+1
中间微分反馈控制方案
3、控制效果：
方案 PID 微分先 行 中间反 馈 整定参数 相对最佳 相对最佳 相对最佳 超调量 28.9% 16.2% 13.3% 调节时间 25min 28min 21min
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
第四章
以抵消对象的纯滞后因素。
2、原理结构
原理思想：若能采取某些方法，将纯滞后环节排除在控制 系统之外，则会提高系统的控制质量。 假设广义对象的传递函数为：WO（s）= Wp（s）e-τs 我们可以在广义对象上并连一个分路， 假设这一分路的传递函数为Wτ（s）。
过程控制
Wp(s)e- s P W (s) Y
微分先行较常规PI＋D少了一个零点Z=1/TD , 故超调量要小一些。
大时滞系统控制算法设计与仿真
大时滞系统控制算法设计与仿真
大时滞系统控制算法设计与仿真是一种建立复杂控制系统的模型，可以有效地控制复杂的系统。
它的原理是建立一个输入状态和一个输
出状态之间的模型，然后通过对模型的不断调整，实现大时滞系统控制。
大时滞系统控制算法设计与仿真通常采用深度强化学习方法，该
方法通过不断更新模型参数来提高控制精度。
仿真有助于模型的优化，仿真的结果可以用来评估设计的控制策略，并对控制系统的性能有一
定的参考价值。
大时滞系统控制算法设计与仿真一般由四个部分组成，分别是模
型建模、控制算法设计、仿真模拟和结果分析。
首先，要进行系统模
型的建模。
系统模型往往面临复杂的时间延迟，受控制系统复杂性和
计算机硬件约束的影响，对于大时滞系统，需要采用简化的时滞模型，而不能使用普通的线性模型。
其次，针对模型的不同阶段，设计不同
的控制算法，设计步骤涉及控制输入选取、控制量计算以及分析。
第三，采用仿真模型模拟设计的控制系统，以评价其性能。
最后，仿真
的结果通过误差分析等手段进行定量分析，从而对控制策略进行优化、改进。
大时滞系统控制算法设计与仿真是一种研究复杂控制系统的有效
工具，可以实现更好的控制效果。
它可以在保证系统可靠性和稳定性
的前提下，最大限度地提高系统的控制精度。
延时程序设计
延时程序设计延时程序设计1. 简介2. 原理延时程序设计的原理是通过使程序暂停一段时间来实现延迟效果。
一般来说，计算机程序的执行速度非常快，可以在很短时间内完成大量的计算和操作。
有些情况下，我们希望程序在执行过程中能够暂停一段时间，以便等待输入、控制程序的执行节奏或实现特定功能。
延时程序设计的实现原理有多种，常见的包括基于硬件定时器的延时、基于软件循环的延时和基于系统调用的延时。
3. 方法3.1 基于硬件定时器的延时基于硬件定时器的延时是指通过控制计算机内部的硬件定时器来实现延时效果。
具体实现方式因计算机硬件平台而异，但一般都涉及配置定时器的频率和计数器的值。
通过设置定时器的频率和计数器的值，可以控制定时器中断的触发时间，从而实现延时效果。
3.2 基于软件循环的延时基于软件循环的延时是指通过让程序在一个循环中反复执行无意义的操作来实现延时效果。
具体实现方式包括使用空循环、使用轮询等。
在软件循环的延时中，程序执行时间的长短直接影响延时效果。
3.3 基于系统调用的延时基于系统调用的延时是指通过调用操作系统提供的延时函数来实现延时效果。
具体实现方式因操作系统而异，但一般涉及调用操作系统提供的函数，如`sleep`、`usleep`或`nanosleep`等。
通过调用这些函数，可以使程序暂停一段时间，从而实现延时效果。
4. 注意事项在进行延时程序设计时，需要注意以下事项：延时时间的选择：根据具体需求和应用场景选择合适的延时时间。
延时方式的选择：根据实际情况选择合适的延时方式，如硬件定时器、软件循环或系统调用。
延时程序的影响：延时程序可能会影响程序的响应性能和资源利用率，需要综合考虑延时程度和程序性能的平衡。
并发与延时：在多线程或多任务环境下，延时程序可能会对程序的并发性和调度产生影响，需要注意并发安全和调度策略。
5.延时程序设计是一种常用的技术，用于控制程序执行中的延迟时间。
通过选择合适的延时时间和延时方式，可以实现各种时间相关的功能。
基于MATLAB的大延迟系统的PID控制与Smith预估器控制的仿真分析
基于MATLAB的大延迟系统的PID控制与Smith预估器控制的仿真分析俞倩兰【摘要】介绍了PID控制与Smith预估器的原理及特点,仿真实例验证了Smith 预估器对大延迟系统的有效控制作用.【期刊名称】《常熟理工学院学报》【年(卷),期】2006(020)006【总页数】3页(P67-69)【关键词】大延迟系统;PID控制;Smith预估器【作者】俞倩兰【作者单位】常熟理工学院,信息与控制工程系,江苏,常熟,215500【正文语种】中文【中图分类】TP2在过程控制中，当过程的纯延迟时间τ与其动态时间常数T满足τ/T≥0.3时，则为大延迟系统。
具有大延迟工艺过程的自动控制是过程控制中最棘手的问题之一，很难控制。
当τ/T增大，控制过程中的相位滞后也增大，使得被控量不能及时反映系统所遇到或承受的扰动，即使检测信号到达调节器使之动作，也需要经延迟时间τ后，才会改变被控量使系统得到控制。
于是，系统控制过程必然会经过较长的调节时间并产生明显的超调。
带延迟特性过程控制的难度随着延迟时间τ的增大而加大，大延迟控制系统一直都是控制界特别关注的课题。
虽然科学工作者花了大量心血，但收效甚微。
本文仅对大延迟控制系统的一般PID控制与Smith预估器控制进行MATLAB仿真分析。
PID控制器在工业过程控制中有着非常广泛的应用。
在图1所示的单位反馈控制系统中，PID控制器产生控制信号：u(t)=KP e(t)+KIe(τ)dτ+KD,式中e(t)为误差信号，KP为比例增益，KI 为积分增益，KD为微分增益。
对该式进行拉普拉斯变换后得到PID控制器的传递函数为：Gc(s)==KP++KDS,参数KP ，KI ，KD对图1所示的闭环系统的作用见表1。
Smith预估器控制的基本思路是：预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了τ的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量与加速调节过程。
第九讲 管理中的控制职能(14章)
通过对系统的调节来纠正系统输出与标准值Z之间的 偏差，从而实现对系统的控制。
5
控制类型
2020/10/10
根据确定控制标准Z值的方法分类
根据时机、对象和目的的不同分类
6
2020/10/10
根据确定控制标准Z值的方法分类
Z 程序控制：控制标准Z是时间t的函数 f (t)
名医扁鹊的成名之路
事后控制不如事中控制，事中控制不如事前控制， 可惜大多数的事业经营者均未能体会到这一点， 等到错误的决策造成了重大的损失才寻求弥补， 有时是亡羊补牢，为时已晚。
26
2020/10/10
Thank You！
27
24
2020/10/10
名医扁鹊的成名之路
魏文王问名医扁鹊说：你们家兄弟三人，都精于医术， 到底哪一位最好呢？
扁鹊答说：长兄最好，中兄次之，我最差。 文王再问：那么为什么你最出名呢？ 扁鹊答说：
我长兄治病，是治病于病情发作之前。由于一般人不知道 他事先能铲除病因，所以他的名气无法传出去，只有我们 家的人才知道。
使纠偏方案双重优化 充分考虑原先计划实施的影响 注意消除人们对纠偏措施的疑虑
15
适时 控制
适度 控制
有效控制
有效 控制
2020/10/10
弹性 控制
客观 控制
16
适时控制
2020/10/10
纠正偏差的最理想方法是在偏差未产生以前；
预测偏差的产生，虽然在实践中有许多困难， 但在理论上是可行的，即可以通过建立企业经 营状况的预警系统来实现。
7
2020/10/10
根据时机、对象和目的的不同分类
前馈控制：在企业生产经营活动开始之前进行 的控制,其目的是防止问题的发生而不是当问 题出现时再补救；
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
再等待一个纯时延τ ，这样重复上述动作规律，一步一步 地校正被控参数的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态。
制2与02仪0/表10/27
五、控制举例
设贮液罐液位控制系统的广义过程传递 函数为
控制策略：
微分先行 Smith预估
制2与02仪0/表10/27
二、常规控制方案
1．微分先行控制方案 在大延时过程中，控制器若采用PI或
PID控制规律时，系统的品质均会下降 ，纯时延愈大，其问题愈突出。PID控 制系统中采用微分先行控制方案与普通 的PID控制系统相比，其控制品质有较 大提高，对于减小超调量更显著。
而PI控制方案的一对主要极点（复根）离jω轴较近，其衰减较慢。 两方案零点相同。中间微分控制方案的衰减比较大，过渡过程时间较
短，这种控制方案对克服纯时延的效果较好。
制2与02仪0/表10/27
三、SMITH预测估计
设对象的特性为W0(s)，其中W0(s)为对象不包含时 延环节的传递函数；扰动通道的特性为Wf(s)；控制 器的特性为Wc (s)，
特点：微分先行PID控制系统中，微分环节的输出信 号包括了被控参数及其变化速度值，将它作为反馈量 与给定值比较的偏差作为PI控制器的输入信号，这样 系统具有更强克服超调的作用。
制2与02仪0/表10/27
二、常规控制方案
1．微分先行控制方案
制2与02仪0/表10/27
二、常规控制方案
1．微分先行控制方案
过程控制第九讲：大延时系 统设计
制2与02仪0/表10/27
重点内容
大时延控制系统=大时延对象+反馈控制系统
内容：
系统分析 控制方案 系统整定 系统投运
制2与02仪0/表10/27
一、概述
大延时系统：
人们关注焦点，成为重要的研究课题：工业生产过程中，某些过 程特性具有较大的纯时延，其特点是当控制作用产生后，在时间τ 范围内，被控参数完全没有响应。
单回路系统闭环传递函数为：
特征方程中引入项 ，使闭环系统的品质大大恶化。
制2与02仪0/表10/27
三、SMITH预测估计
等效方案：
W0(s)（1－e-τs）
为预估补 偿装置的 传递函数。Biblioteka 制2与02仪0/表10/27
三、SMITH预测估计
给定值为扰动时的闭环传递函数为 ：
对于扰动信号的传递函数为：
A、微分先行控制在给定值作用下：
B、PID控制系统在给定值作用下：
注意：
微分先行控制方案和PID控制方案的特性方程完全相同。
少一下零点Z＝－1/TD，所以微分先行控制方案比PID控制
方案的超调量要小一些，提高了控制质量。
制2与02仪0/表10/27
二、常规控制方案
2．中间微分控制方案 特点：
系统中的微分作用是独立的； 在动态时起作用，而在静态时或在被控参数变化
速度恒定时就失去作用。
制2与02仪0/表10/27
二、常规控制方案
2．中间微分控制方案 设：
对象： 控制器：PI调节器 PI常规控制：
中间微分环节：
制2与02仪0/表10/27
二、常规控制方案
2．中间微分控制方案 设：
讨论：
预估补偿完全补偿了时延对系统的不利影响，系统控制品质 与被控过程无延时完全相同。
Smith预估补偿控制方法的缺点是模型的误差会随时间累积 起来，也就是对过程特性变化的灵敏度很高。为此可采用增 益自适应预估补偿控制。
制2与02仪0/表10/27
四、采样控制实现
控制原理：
当被控过程受扰动而使被控参数偏离给定值时，采样被控参 数与给定值，保持其值不变，保持的时间与纯时延大小相等 或稍大一些。
若过程控制通道或测量变送环节存在延时，将会降低系统的稳定 性，并且，纯时延会导致被控参数的偏差值增加，系统动态控制 精度和静态控制质量下降。对于具有有时延过程的控制是非常困 难的，采用反馈控制和前馈控制等方案是无法克服的。
大时延对象：当对象纯延迟时间τo与其时间常数To之比 大于0.3，则该系统为具有大延时对象；当纯延迟与时间常 数之比增加，延时现象更加突出，系统越不稳定。
式中：K0＝2，T0＝2min，τ＝4min
制2与02仪0/表10/27
八、前馈控制举例
SMITH预测估计
将上式展开： 求得两种控制方案的特征根为 中间微分控制方案：
S1，2=－0.199 ± j 0.058 S3=－0.643 S4=－0.207
PI控制系统：
S1，2=－0.161 ± j 0.253 S3=－0.755 S4=－0.15
讨论：
中间微分控制方案的一对主要极点（复根）离jω轴较远，其衰减较快 ；