大纯滞后过程特性Smith预估控制

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9 纯滞后过程控制

9 纯滞后过程控制

Smith预估补偿原理
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Smith预估补偿原理
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Smith预估补偿器
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与 D( s)
并接一个补偿环节,用来补偿对象中的纯滞后部分,其 传递函数为

Smith纯滞后补偿PID资料讲解

Smith纯滞后补偿PID资料讲解

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 (4)3、数字Smith预估控制 (5)4、继电法整定PID参数 (5)5、继电法整定PID参数的计算 (7)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 (11)1、系统控制效果 (11)2、系统参数变化的控制结果 (11)五、体会 (15)六、参考文献 (15)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 与回流量L 之间的传递函数为:s e s s s s L s Y 12)15.17)(13.28()19.0(4.3)()(-⋅+++= 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。

Smith预估补偿器的算法研究与实现

Smith预估补偿器的算法研究与实现

目录1.引言 (3)1.1 概述 (3)1.2 毕业设计(论文)的主要内容 (3)2.Smith预估器的理论知识 (4)2.1 Smith预估器的模拟补偿控制原理 (4)2.2 数字Smith预估系统 (5)3.数字PID控制器 (7)3.1 序言 (7)3.2 模拟PID控制器 (7)3.3 数字PID控制器 (7)3.4 PID控制参数的整定 (10)3.4.1 绪论 (10)3.4.2 采样周期T的选取。

(10)3.4.3 PID控制参数的整定方法 (10)4.数字Smith 预估器 (12)4.1 介绍数字PID控制算法的几种发展 (12)4.1.1 积分分离的PID算式 (12)4.1.2带有死区的PID控制算式 (12)4.1.3微分先行的PID控制算式 (13)4.1.4 时间最优PID控制 (13)4.2 数字Smith预估器的计算机实现 (14)4.3 数字Smith预估控制算式的推导 (15)5.软、硬件设计及调试.................................................................................. 错误!未定义书签。

5.1 硬件设计部分.................................................................................. 错误!未定义书签。

5.1.1设计接线图.........................................................................错误!未定义书签。

5.1.2 控制参数的计算....................................................................错误!未定义书签。

5.2 软件设计部分..................................................................................错误!未定义书签。

Smith预估器在轧制过程监控AGC的应用_讲稿_

Smith预估器在轧制过程监控AGC的应用_讲稿_

Smith预估器在轧制过程监控AGC的应用摘要针对板带轧制过程监控AGC系统,给出的系统的传递函数结构框图。

提出了带钢样本长度跟踪的概念,解决了传统算法中滞后时间随轧制速度变化这一问题。

将Smith预估控制方法用于监控AGC系统,给出了调节器分别为比例和积分形式下的控制率。

控制算法表明,无论是比例还是积分控制器,只要系统的放大倍数选择合适,控制器的第一步就可以将误差完全消除。

通过对这两种控制算法的动态和稳态特性进行分析比较,积分控制算法具有更大的灵活性和更高的静态精度。

与传统控制方法相比,本文提出的算法即有非常快的响应速度,又具有较高的静态控制精度。

1 引言在轧钢过程中,好多控制对象存在着严重的滞后时间。

这种纯滞后往往是由于物料或能量的传输过程引起的,或者是由于过程测量传感器的客观布置引起的。

从控制理论可知,对象纯滞后时间τ的存在对控制系统是极为不利的。

它使控制系统的稳定性降低,特别是衡量纯滞后对系统影响程度的特性参数τ/T≥0.5的对象(这里T为对象的时间常数),若采用常规PID控制是很难获得良好控制质量的。

关于大滞后控制系统方面,虽然国内作过不少研究工作,但在工程实践上有效的方法还不多。

在美国、日本、德国和我国使用较多的一种方法是纯滞后补偿。

这种方法不但采用专用补偿装置用于模拟控制,而且较普遍地采用计算机程序来实现,用于离散控制系统,如日本山武-Honeywell公司的TDCS-3000系统中就把这种纯滞后补偿控制作为通用的标准控制规律,并以专用程序来实现。

2大滞后补偿原理为了便于说明问题,我们先假设一个如图1所示的单回路控制系统。

图中G c(s)表示调节器的传递函数,G p(s)e-τ s表示对象的传递函数,其中G p(s)为对象不包含纯滞后部分的传递函数,e-τ s为对象纯滞后部分的传递函数。

图1 常规的反馈控制系统图1的闭环传递函数为:s p c sp c S e s G s G e s G s G s G ττ−−+=)()(1)()()( (1)系统传递函数分母中包含有纯滞后环节e -τ s ,使系统的稳定性降低,如果τ足够大的话,系统是不稳定的。

Smith预估器控制设计

Smith预估器控制设计

《计算机控制》课程设计报告题目: Smith预估器控制设计姓名:《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字:系(教研室)主任签字:2012年7月5 日Smith 预估器控制设计一、实验目的通过混合仿真实验,学习并掌握用于具有纯滞后系统的纯滞后补偿(Smith预估器控制)的设计及其实现。

二、实验内容被控对象为-512()2se G s s =+, 1.0s T =画出系统框图,设计Smith 数字预估器。

三、控制系统仿真 1.方案设计已知纯滞后负反馈控制系统,其中图1.其中D(s)为调节器传递函数,-512()2se G s s =+为对象传递函数,其中-5()sO G s e 包含纯滞后特性,纯滞后时间常数5τ=。

系统的特征方程为:5121()()1()02se D s G s D s s -+=+=+由于闭环特征方程中含有-5s e 项,产生纯滞后现象,/5/150.5m T τ==≥,采用常规的PID 控制会使系统稳定性变差,甚至产生振荡。

为了改善系统特性,引入Smith 预估器,使得闭环系统的特征方程中不含有-5s e 项。

Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统:图 2.上图所示ZOH 为零阶保持器,传递函数为:se s G Tsh --1)(=,并且有:lT =τ(l为大于1的整数,T 为采样周期)。

由已知可知, 1.0T s =,则551l Tτ===。

2.负反馈调节器D(z)的确定D(z)为负反馈调节器,通常使用PID 控制规律。

使用扩充响应曲线法对数字PID 控制器进行参数整定。

扩充响应曲线法是在模拟PID 控制器响应曲线法的基础上推广应用到数字PID 控制器参数整定的方法。

扩充响应曲线法是用于具有纯滞后的一阶对象,由前面分析和已知: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =,因此依据课本128页表4.2扩充响应曲线法整定PID 参数表选择数字PID 参数计算公式,由于1=0.25Tτ=,则选择控制度为1.20,控制规律为PI 控制,因此选定PI 参数为:0.78()pmK T τ=3.60iT τ=所以有:0.156p K = 18i T = 则控制器的传递函数为:i 110.1560.00867()(1)0.156(1)T 18p s D s K s s s+=+=+=⋅ 将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到:1-1-1--1-10.7-717.0)-1(1|)()(1-z z z T T K s D z D i p Tz s =⋅+===】【 3.Smith 补偿器)z D (τ的确定Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统的框图:图 3.sT Ks G m O ⋅+=1)( lT ≈τ spes G s G τ-)()(=s m Tsso h e s T s e K e s G s G s G ττ---)1()-1()()()(+==)-1)(()(-s p e s G s D ττ=)-11--11)(-1)(z -K(1 ])1(1[)-1)(z -K(1 )]-1()1()-1([)]([)(1--1--1--1---z ezz s T s Z z e s T s e K Z s D Z z D mT T lm ls m Ts =+=+==τττ令mT -T ea =,)-1(-mT T eK b =则有1--1--1)-1()(az z bz z D l =τSmith 预估器(纯滞后补偿器)的框图:图 4.)-1()()(-1l z z C z C =)()()az -(1)()z -(1c(k)1-11-1-l k u bz k c k c ==最后解得)1-()1-()()-(-)()(1111k ac k bu k c l k c k c k c +==由上一步所得的数据: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =,12K =解得如下数据:1---110.368mT T a ee e ====1--1(1-)12(1-)7.584mT T b K e e ==⨯=则-1-5-17.584(1-)()1-0.368z z D z zτ=1111()()-(-5)()7.584(-1)0.368(-1)c k c k c k c k u k c k ==+由此可得到:11()7.584(-1)0.368(-1)-(-5)c k u k c k c k =+由此可见,Smith 补偿器的差分方程有1(-5)c k 项,即存在滞后5拍的信号,因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。

大纯滞后对象的免疫-Smith控制器研究

大纯滞后对象的免疫-Smith控制器研究

疫算法 中的抑制细胞相 当于比例积分微分控制器 的反馈环节, 该细胞 只与前面 时刻 的抗体 变化 即控制器 输 出有关, 而与 系统 当前 的测量值 无关 , 可以避免 由于系统的滞后对控 制造成 的影响。将免疫控制器和 S i mt h预估器 结合设 计一种新 型控制器 , 使该控制器 既能克服纯滞后对 系统性能的影响, 能降低单独采用 s t 又 mi h预估控制 时对系统模型准确性 的依赖。仿 真结果表 明, 免疫.mt Si h控制器 的性能在模型匹配和失配情况下均优于其它控制器。 关键词 大纯滞后 免疫算法 Si mt h算法 PD控制 I
统 的稳 定 , 一 个 具 有 极 强 鲁 棒 性 的 自适 应 系 统 , 是 能处理各 种 干 扰 和 不 确 定 性 。免 疫 响 应 和 过 程控 制存在很 大 的 相似 之 处 , 生 物体 看 成 被 控 对 象 , 把 把 抗原 的入 侵和 内部 细胞 的 突变 看 成各 类 干扰 , 把 免疫 系统看成 控制 器 , 这样 免 疫 响应 就类 似 于一 个
对 干扰 的控 制 过程 口 。 因此 本 文 将 人 工 免 疫 算 法 J
21作用 , 这样第 k 曰细 代
胞 的浓度 可 以这样 表示
1 8期
任伟建 , : 等 大纯滞后对象的免疫 一S i mt h控制器研究
B( )= ( k )一 ( ) k ( ) =K k k ( )
() 1 () 2
Vu k—d ) =K( . ( ) 1 0一ep 一 k ) x ( ( )/ ) () 8
( ) =K { A k—d ] ( ) k B( ) } k
() 3
式() O 8 中 t>0是 一 个 改 变 函数 形 状 的参 数 , / O 越 大, 曲线 越 平 滑 。但 对 所 有 的 △ “总 有 0 < ( T Xu

4.2.3 纯滞后控制--大林控制算法

4.2.3 纯滞后控制--大林控制算法

大林控制算法控制器D(z)的基本形式
1、数字控制器形式的推导 思路是:用近似方法得到系统的闭环脉冲传递函数,然后再由被控系 统的脉冲传递函数,反推系统控制器的脉冲传递函数。 由大林控制算法的设计目标,可知整个闭环系统的脉冲传递函数应 当是零阶保持器与理想的Φ(s)串联之后的z变换,即Φ(z)如下: T /T 1 e T s e s Y ( z) N 1 1 e ( z ) Z z T /T -1 R( z ) s T s 1 1 e z 于是系统数字控制器为:
(1 e T T )(1 eT T1 z 1 )(1 e T T2 z 1 ) D( z ) 于是相应的数字控制器形式为: N 1 K (C1 C2 z 1 ) 1 e T T z 1 (1 e T T ) z
大林控制算法控制器D(z)的基本形式
振铃现象及其消除
1 ( z ) 2.6356(1 0.7413z 1 ) 故大林控制器 D( z ) G ( z ) 1 ( z ) (1 0.733z 1 )(1 z 1 )(1 0.3935 z 1 )
0.3935 z 2 系统输出 Y ( z ) R( z )( z ) (1 0.6065 z 1 )(1 z 1 ) 0.3935 z 2 0.6322 z 3 0.7769 z 4 0.8647 z 5 ....
1 e T s e s (1 e 1/2 ) z (21) 0.393 z 3 ( z ) Z 1/2 1 1 s 2 s 1 1 e z 1 0.607 z
(1 e1 2 )(1 e1 4 z 1 ) 1.778(1 0.779 z 1 ) D( z ) 1 3 1 4 1 2 1 1 2 (21) 1 0.607 z 0.393 z (1 e ) 1 e z (1 e ) z

基于两级Smith预估的纯滞后系统串级模糊控制仿真设计报告

基于两级Smith预估的纯滞后系统串级模糊控制仿真设计报告

基于两级Smith预估的纯滞后系统串级模糊控制仿真Simulation of Cascade Fuzzy Control Method for Pure Lag System Based on Two LevelSmith Predictors摘要在工业过程中,纯滞后系统普遍存在。

针对副回路中含有纯滞后的串级控制系统,对典型的PID串级控制系统加以改进,提出基于主副回路Smith预估补偿的串级模糊控制方法,在主副回路分别加入Smith预估器,并利用模糊控制器为调节器。

仿真结果表明,该种控制方法相比传统的PID串级控制方法具有更优的动态特性和鲁棒性。

关键词:串级模糊控制系统;纯滞后;Smith预估器AbstractThe large time-delay systems widely exist in industry process.For the pure lag which exists in the inner loop of cascade control systems,the cascade fuzzy control method based on Smith predictors is proposed.Two different Smith predictors are added in the main and inner of the system separately and Fuzzy controller is used as the main controller.Simulation result shows that the proposed method is much better than the traditional PID cascade control method in dynamic performance and robustness.Keywords:Cascade fuzzy control system; Pure lag; Smith predictor目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)1 概述 (1)1.1 问题提出 (1)1.2 历史回顾 (2)1.3 论文贡献 (3)1.4 结构及内容 (3)2 纯滞后串级控制系统设计理论方法 (4)2.1 串级控制系统 (4)2.2 Smith 预估器 (6)2.3 纯滞后补偿控制系统 (9)2.4 自适应控制 (10)3 两级Smith预估补偿器的设计 (14)3.1 两级Smith预估补偿器的设计 (14)3.2模糊控制器的设计 (15)3.3 算法仿真研究 (19)4 纯滞后串级控制系统新型控制算法的设计 (23)4.1 新型控制算法的设计 (23)4.2 仿真分析 (26)5 结束语 (31)5.1论文贡献 (31)5.2今后的工作方向 (31)参考文献 (32)1 概述在工业生产过程中,滞后是广泛存在的。

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过程控制系统课程设计题目之十三 大纯滞后过程特性Smith预估控制 对于一个大纯滞后过程特性的对象:sPCesssG10)12)(3(1)(,试设计一个Smith预估控制系统,并用SIMULINK和MATLAB程序仿真实现。当系统设定值R(s)为1时,调整PI参数,使过渡过程尽可能满意。(假设检测变送环节的传递函数为1);比较在预估模型有偏差时,在相同的输入条件下,与预估模型无偏差情况的仿真结果;如果系统有扰动信号F(s)为单位阶跃信号或SINS信号时,比较系统的仿真结果;如有可能,再试设计一种改进的Smith预估器。 实验报告要求: 1、供系统仿真图; 2、按照题目要求,给出每个实验的仿真结果图; 3、根据以上仿真结果,分析)(sGPC有滞后与无滞后情况下,PI参数整定的特点。 I

大纯滞后过程特性Smith预估控制 摘 要: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。历经二十几年的发展和竞争,现已成为国 际公认的最优秀的科技应用软件。Matlab 最突出的特点就是简洁、它用直观的、符合人们思维习惯 的代码、代替 C 语言和 FORTRAN 语言的冗长代码。为此,Matlab 获得了对应用学科的极强适应力。 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, 具有一定的实用价值。 本文控制系统为研究主体, 提出一种 Smith 预估控制算法,通过设计自适应非线性反馈回路来自适应调节参数,从而满足对象参数大幅度变化的要求。 关键词:Matlab;纯滞后;Smith 预估控制器;Simulink

Pure time-delay system control algorithm of Smith

Abstract:Matlab is a software.of high performance of numerical calculation and visualization It get numerical analysis, calculation and signal analysis and graphic display together, constitute a convenient, interface, user friendly environment. After 20 years of development and competition, has become internationally recognized the best technology application software. The most prominent feature of Matlab is concise, it use the people's thinking and habits of the visual code, instead of C language and FORTRAN language lengthy code.So, Matlab acquire the subject of application for science. Matlab,has become acollege students’, masters’ or doctors’ basic skills which must be grasp of both at home and abroad ,. In the design research degree and industrial department, Matlab has become the research and solve specific engineering problems are a standard software. Matlab software widely used in digital signal analysis, system identification, timing analysis and modeling, neural network, dynamic simulation, etc in a wide range of applications. The best use of Matlab software technology, computer technology and signal analysis closely together, the signal analysis simulation, and achieved very good results since it has certain practical value. This control system as a main body of research, and put forward a kind of Smith prediction control algorithm, and adapt to adjust the parameter through the design adaptive nonlinear feedback loop, and meet the requirements of an object parameter changes greatly. Key words:Matlab; Pure time-delay; Smith estimated controller; Simulink

1纯滞后产生的主要原因 1.物料及能量在管道或者容器中传输及运送需要时间; 2.物质反应、能量的释放及能量交换需要一定过程和时间; 3.设备和设备之间的串联需要许多的中间环节; 4.测量装置的响应时间; 5.执行机构的动作时间; 在控制对象调节通道、测量装置及执行机构等环节存在纯滞后时,控制系统闭环特征方程中就存在纯滞后因子,而且存在纯滞后的环节较多时,系统滞后时间也将随之增加。因此明显降低了系统的稳定性,而且纯滞后时间越长,系统稳定性就越差。由于纯 滞后的存在,调节作用不及时,导致被调节系统的动态品质下降。纯滞后越大,则系统的动态品质越差。 2史密斯预估器原理

2.1密斯预估器补偿原理 在单回路控制系统中,控制器的传递函数为D(s),被控对象传递函数为Gp(s)e-ts,被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s),被控对象纯滞后部分的传递函数为e-ts。则系统的闭环传递函数为

(1) 由式(1)可以看出,系统特征方程中含有纯滞后环节,它会降低系统的稳定性。 史密斯补偿的原理是:与控制器D(s)并接一个补偿环节,用来补偿被控对象中的纯滞后部分,这个补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts),t为纯滞后时间,补偿后的系统如图1所示。

由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器,其传递函数为

(2) 根据图1可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为

(3) 由式(3)可以看出,经过补偿后,纯滞后环节在闭环回路外,这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。拉氏变换的位移定理说明e-s仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间,而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同。

图1 史密斯补偿后的控制系统 密斯预估器补偿原理 在单回路控制系统中,控制器的传递函数为D(s),被控对象传递函数为Gp(s)e-ts,被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s),被控对象纯滞后部分的传递函数为e-ts。则系统的闭环传递函数为

(1) 由式(1)可以看出,系统特征方程中含有纯滞后环节,它会降低系统的稳定性。 史密斯补偿的原理是:与控制器D(s)并接一个补偿环节,用来补偿被控对象中的纯滞后部分,这个补偿环节传递函数为Gp(s)(1-e-ts),t为纯滞后时间,补偿后的系统如图1所示。

由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器,其传递函数为 3

(2) 根据图1可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为 (3) 由式(3)可以看出,经过补偿后,纯滞后环节在闭环回路外,这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。拉氏变换的位移定理说明e-s仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间,而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同。 2.2史密斯预估器的计算机实现 由图1可以得到带有史密斯预估器的计算机控制系统结构框图,如图2所示。 图中,H0(s)为零阶保持器,带零阶保持器的广义对象脉冲传递函数为 G‘(z)为被控对象中不具有纯滞后部分的脉冲传递函数,N=/T,是被控对象纯滞后时间,T是系统采样周期。 图2 史密斯补偿计算机控制系统 D’(z)就是要在计算机中实现的史密斯补偿器,其传递函数为 (4) 对于控制器D(z),可以采用如下方法确定:不考虑系统纯滞后部分,先构造一个无时间滞后的闭环系统(见图3),根据闭环系统理想特性要求确定的闭环传递函数为Φ(z),则数字控制器D(z)为 (5)

图3 理想闭环系统 3纯滞后对控制效果的影响 3.1系统仿真图 ①在没有纯滞后时整定调节器PI参数

滞后时间为0,PI整定参数P=4.7,I=3.9,阶跃输入信号

②具有纯滞后环节对控制效果的影响

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