时滞系统的模糊控制方案研究

2、时滞系统的传递函数
若我们用y(t)表示系统输出，r(t)表示系统输入， 表示滞后时间，则：
（1-1）
对上式两边Laplace变换可得：
（1-2）
因此，含有纯滞后环节的传递函数为：
（1-3）
在工业自动控制系统中，除被控对象外，经常还包括测量变送，传感器等此时被控对象动态特性经常近似为纯滞后的标准形式
江西理工大学
本科毕业设计（论文）
题目：时滞系统的模糊控制方案研究
学院：电气工程与自动化学院
专业：自动化
班级：083班
学号：38号
学生：曹正权
指导教师：任金霞职称：副教授
时滞系统的模糊控制方案研究
摘
时滞系统是一种工业生产中广泛存在的系统，由于它对控制量输出的纯滞后作用，使得控制量不能及时的反映到被控对象上，从而造成了控制系统在超调量、稳态误差及稳定性上显著的破坏。
本文旨在研究参数变化的模型用何种控制方法能够获得更好的控制效果，本章第二部分介绍了时滞系统特性、传统PID控制方法以及Smith控制。第三、四部分介绍模糊控制以及本文需要解决的问题，并给出全文的结构和内容安排。
1.2
1.2.1时滞系统
1、时滞系统
在许多生产过程中不同程度的存在纯滞后，如锅炉、化工。例如在给锅炉温度控制过程中，由于加热到锅炉温度达到指定温度需要一定时间，这段时间就称为纯滞后时间。又例如在化工生产过程中，由于物料传输时间二造成了滞后，此时滞后时间为物料传输距离与传输速度的比值。含有大纯滞后的系统称为大时滞系统，因此，大时滞系统广泛存在于现代工业的各个领域中。
（1-4）
式中K为系统稳态增益T为惯性时间常数
（1-5）
式中 、 为惯性时间常数
（1-6）
其中 为一阶惯性滞后系统， 为二阶惯性滞后系统， 为一阶积分滞后系统， 为二阶积分之后系统。 、 所描述的是稳定系统 、 描述的是不稳定系统。
定义系统滞后时间 与惯性时间常数T比值为，即
（1-7）
那么我们可以定义 为时滞系统的难控程度，一般 >0.5为大时滞系统。本文着重研究大时滞系统。
By adjusting the parameters, simulations ofthe control effect of the composite controlare compared toobtain the most satisfactory simple structure and control methods.
Keywords:pure lag; PID; fuzzy control; Smith predictor
目
摘要
ABSTRACT
第一章绪论1
1.1引言1
1.2时滞系统及传统控制方法1
1.2.1时滞系统1
1.2.2传统PID控制方法3
1.2.3 Smith控制及其发展.1模糊集合15
3.2.2隶属度函数17
3.2.3模糊关系19
3.2.3模糊推理20
3.3模糊控制基本理论21
3.3.1模糊化22
3.3.2模糊推理22
3.3.3知识库23
3.3.4反模糊化23
3.4两种模型24
3.4.1 Mamdani模型24
3.4.2 T-S模型25
3.5模糊控制设计步骤25
Conventional Smith-PID controlmethods perform well in pure lag system if proper control parameters are setunder thecondition of permanent system parameters and environment . While general Smith control is heavily dependent on an accurate model, if the system model is inaccurate, the dynamic performance of the entire system will be significantly affected, and even the stability would be damaged. Taking into account the shortcomings ofconventional control,in this paperfuzzy - PID control and fuzzy control-Smithare presented.Aseries of complexfuzzy control methodspecific tothepure lagsystemare studied in this paper. Simulations of conventional smith-PID control methods and complexfuzzyPID control methodsare given by taking advantage ofMATLAB.The results show thatcomposite controlsareable to adapt to the controlled object's parameters change, .accompanying withsignificant improvement than the conventional PID algorithm inrobustness andoperability.
4.2.2模糊—PID切换控制原理31
4.3 Smith预估-模糊控制32
4.3.1 Smith预估-模糊控制结构图及其组成32
4.3.2 Smith预估-模糊控制原理32
4.4 Smith预估-模糊PID切换控制33
4.4.1 Smith预估-模糊PID切换控制结构图及其组成33
4.4.2 Smith预估—模糊PID切换控制原理33
4.5复合控制仿真33
4.5.1三种控制方案的仿真图33
4.5.2模糊控制的连接35
4.5.3模型精确下的仿真对比35
4.5.4时间常数不精确的仿真36
4.5.5滞后常数 不精确仿真38
4.6小结40
第五章结论与展望41
5.1结论41
5.2不足与展望41
参考文献42
致谢45
第一章
1.1
在21世纪的今天，自动化技术已经成为举世瞩目的高新技术之一，生产过程的自动化极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动生活条件。随着科学技术的进步，现代工业生产中面临的的控制问题日益复杂，很多被控对象都具有非线性、大时滞、分布参数等特性。许多控制对象中存在纯滞后环节，如化工、航空航天、经济等等。时滞现象产生的原因有很多，如：能量信息的传输；串级时滞环节的累积；设备本身原因；传感器采样时间等。
1.4.1本文主要任务7
1.4.2全文结构安排7
第二章纯滞后系统的常规控制9
2.1引言9
2.2Smith预估控制9
2.2.1 Smith预估控制的控制性能9
2.2.2 Smith控制受参数影响大的原因10
2.2.3 PID与Smith控制仿真12
第三章模糊控制14
3.1引言14
3.2模糊控制数学基础15
在系统参数和环境不变的情况下，若设定合理的控制参数，常规Smith-PID控制方法在纯滞后控制系统中表现良好。然而常规Smith控制极其依赖精确模型，若系统模型不精确，整个系统的动态性能将被显著影响，甚至稳定性被破坏。考虑到常规控制的缺点，本文提出了模糊- PID控制和模糊-Smith控制。本文针对纯滞后控制系统研究了一系列复合模糊控制方法，以Matlab为工具分别对常规smith-PID控制和复合模糊控制进行了仿真研究。结果表明，复合模糊控制能适应被控对象的参数变化，在鲁棒性和易操作性等方面较常规PID算法有较显著的提高。
本文主要内容如下：
（1）通过对常规PID控制的研究，讨论了Smith控制方法，分析了在纯滞后系统控制中存在的一些常见问题。
（2）分析了模糊控制的作用机理，并在它与常规PID控制算法结合在一起的基础上加入了smith预估器，用由经验得到的模糊规则，满足纯滞后系统的稳定性以及Smith预估器对参数变化的敏感性。
针对大时滞过程，从1957年Smith首次提出预估控制方法以来，许多学者对这一课题进行了广泛而深入的研究，并且提出了许多可行的控制方法。根据所用数学模型或者基础的不同，这些方法大体上可以分为模型控制和智能控制两大类。其中基于模型控制的有PID控制、Smith控制、达林控制等。智能控制有模糊控制、神经网络、预测控制等。
Themechanismof fuzzy controlis analyzedand onthebasisof ittogether with the conventional PID control the smith predictoris token into accountwith the fuzzy rules from experience, to meet thelagstability of the system as well asthesensitivityofthe Smith predictorto parameter changes.
3.5.1精确量的模糊化25
3.5.2模糊控制算法设计26
3.6 MATLAB中模糊控制器的设计26
3.6.1模糊控制器结构27
3.6.2隶属度函数划分确定27
3.6.3模糊控制器规则确定28
第四章复合的模糊控制31
4.1引言31
4.2模糊—PID切换控制31
4.2.1模糊—PID切换控制结构图及其组成31
The main contents are as follows.
With thestudyof the conventional PID control,the Smith control methodis discussed, some common problems that exist in the purelagsystem controlare analyzed.