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过程控制系统中的温度控制中常常存在较大的滞后,当滞后时间和控制对象的时间常数较大时,传统的控制方案很难达到较好的控制效果,此时一般采用SMITH预估器方案或内模控制方案来克服系统滞后的影响。 设计要求(1):请依据上述数据,利用两点法或者切线法确定系统的一阶惯性控制模型,并要求对模型曲线与原有数据曲线进行合理逼近仿真。 设计要求(2):请依据模型,分别设计控制系统的控制算法与控制结构,并完成控制系统的控制方框图,最好采用多种控制方案进行仿真选择比较。 设计要求(3):请设计系统主要扰动量(主要是模型不准确的影响),并利用仿真分析控制系统稳定性。
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淮海工学院
课程设计报告书
课程名称: 控制系统课程设计
题 目 基于模型的滞后控制系统设计
系 (院): 电子工程学院
学 期:
专业班级: 自动化
121
姓 名:
学 号:
评语:
成绩:
签名:
日期:
1 引言
过程控制技术近年来发展迅速,特别是在计算机,网络通信和先进控制理
论的带动下,过程控制的检测,执行仪表及控制系统日益向智能化方向发展。
在化工、炼油、冶金等一些复杂工业过程中,广泛存在着较大的纯滞后。纯滞
后往往是由于物料或能量需要一个传输过程而形成的,这类时间滞后系统的控
制是世界公认的控制难题。由于纯滞后的存在,使得被控量不能及时地反映所
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。
传统的过程控制系统中,主要运用传统的 控制和 控制,对于被
控对象简单的系统,可以得到预期的效果,但是遇到大滞后的被控对象,其控
制效果难以达到预定的效果,对于滞后系统,其 在这种情况下,就需
要提出一种先进的 控制器,使其在大滞后环境下,也能得到预期的控制效
果。
一般认为,若纯滞后时间 与过程的时间常数 之比大于 时该过程是大
滞后工艺过程。当 与 之比增加时,过程中的相位滞后增加,使上述现象更
为突出,有时甚至会因为超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故;有时则可能
引起系统的不稳定,被调量超过安全限,从而危及设备与人身安全。因此大纯
滞后过程一直受到人们的关注,成为重要的研究课题之一。
2 控制系统
解决纯滞后影响的方法很多,最简单的则是利用常规 调节器适应性强、
调整方便的特点,经过仔细的参数整定,在控制要求不太苛刻的情况下,可以
满足生产过程的要求。如果在控制精度要求很高的场合,则需要采取其他控制
手段,例如 预估补偿控制、内模控制等。
2.1 PID 控制
在过去的几十年里, 控制,也就是比例积分微分控制在工业控制中得
到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天,在工业过程控制中 以
上的控制回路都具有 结构,而且许多高级控制都是以 控制为基础的。
在控制器中,设定值 与测量值 相比较,得到偏差 ,控制规律根
据偏差 的情况,给出控制作用 。
在线性连续系统中,控制规律通常由以下三种情况组成。
()比例控制:控制作用 与偏差 成比例关系。
()积分控制:控制作用 为偏差 对时间的积 分 成 比 例
关系。
()微分控制:控制作用 为偏差 对时间的导数( )成比例关系。
因此,控制作用 常用的表现形式为:
(2-1)
式中的 是控制器的比例增益, 和 都具有时间量纲 ,分别称为积
分时间和微分时间。
当控制作用只包含第一项时,称为比例()控制;只包含第二项时,称为
积分()控制;只包含第三项时,称为微分()控制;包含第一、二项时,
称为比例积分()控制;当包含第一、三项时,称为比例微分()控制;
包含第一、二、三项时,称为比例积分微分()控制。
因此, 控制器由比例单元()、积分单元()和微分单元()组成,
它的基本原理比较简单,基本的 控制规律可描述为:
其中 、 和 分别称为比例、积分、微分系数。
控制用途广泛,使用灵活,已有系列化控制产品,使用中只需设定三
个参数( 、 和 )即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,
可以取其中的一到两个单元,不过比例控制单元是必不可少的。
控制器具有以下优点:
()原理简单,使用方便。 参数 、 和 可以根据过程动态
特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化,如对负载变化引起的系统动态
特性变化, 参数就可以重新进行调整与设定。
()适应性强。按 控制规律进行工作的控制器早已经商品化,即使
目前最新式的过程控制计算机,其基本控制功能也仍然是 控制。
应用范围广,虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过适当简化 ,
可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样就可以通过
控制了。
()鲁棒性强,即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
但是, 也有其固有的缺点。 在控制非线性、时变、耦合及参数和
结构不确定的复杂过程时,效果不是太好,最主要的是,如果 控制器不能
控制复杂过程,无论怎么调参数都没用。
控制规律是最普遍的控制规律, 控制器是最简单但许多时候仍是
最好的控制器。
(2-2)
(2-3)
广义对象
对象模型
2.2 史密斯补偿控制
史密斯(,)预估补偿器是最早提出的纯滞后补偿方案之一。
其特点是预先估计出过程在基本控制输入下的动态特性,然后由预估器进行补
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,从而减
小超调量和加速调节过程。
史密斯预估器的基本思想是将纯滞后环节移至控制回路外,一方面由于控
制回路不包括纯滞后环节,其控制频率可大幅提高,控制性能也将显著改善;
另一方面,由于新的控制回路的输出与实际对象的输出仅包括一个纯滞后环节,
稳态特性完全相同,动态特性相似。然而,广义对象作为一个整体,无法进行
动态特性的分解。为此,可用广义对象的数学模型来近似描述实际对象,而该
模型自然是动态特性可分解的,由此可得到如图 所示的原理实现图。
图 2-1 史密斯预估补偿器的实现原理图
为了讨论方便,先假设对象模型与实际对象的动态特性一致,则由图
可知
只要一个与被控对象除去纯滞后环节的传递函数 相同的环节和一个
纯滞后时间等于 的纯滞后环节就可以组成史密斯预估器,它将消除大纯滞后
对系统过渡过程的影响,使调节过程的品质与过程无纯滞后环节时的情况一样,
只是在时间坐标上向后推迟了时间 。
2.3 内模控制
内模控制在结构上与史密斯预估控制很相似,它有一个被称为内模的过程
模型,控制器设计可由过程模型直接求取。它与史密斯预估控制一样,能明显
改进对纯滞后过程的控制,又由于在设计上它考虑了对系统鲁棒性的要求,从
而大大提高了内模控制的实用价值。
G (S)
R ( s
U
( s
)
D(s
Y (
s
)
Y
(S
)
+
+
+
-
+
+
(2-4)
与常规反馈控制不同的是,内模控制器的被控对象为实际对象 与预估
模型 之差。当预估模型准确时,反馈信息直接反映了外部干扰的大小,而
内模控制器此时等效于前馈控制器,不仅如此内模控制器具有许多优秀性质。
图 2-2 内模反馈控制
由基本的内模控制结构图 ,可得到:
由式()、式(!)可得到内模控制的以下性质。
性质 (稳定性) 当 时,内模控制系统闭环稳定的充分条
件是控制器与过程本身均为稳定。由此可知,当模型精确时,内模控制系统的
闭环稳定性等价于开环稳定性,因而,与常规反馈控制相比,其稳定性分析非
常简单。
由性质 可知,内模控制不能直接应用于开环不稳定的被控过程。对于不
稳定的被控过程,可考虑先用常规反馈控制(如纯比例控制)使其成为稳定对
象,在应用内模控制;而对于开环稳定的被控过程,内模控制系统闭环稳定的
充分必要条件为控制器稳定。由于控制器完全由人工设计,因而,“控制器稳
定”这一要求很容易实现。
性质 (无余差性) 若被控过程 开环稳定,而且控制器的稳 态增益
与内部模型稳态增益 满足 ;则闭环控制系统对
设定值与外部扰动的阶跃变化均无调节余差。
(2-5)
( 2-
R
( s
)
U
(s
)
D
( s
)
+
+
+
-
Y(S)
Y (s)
D (s)
+
-
内模控制器
受控对象
内部模型
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资源评论
- 薛定谔的猫肚子饿了2022-06-24用户下载后在一定时间内未进行评价,系统默认好评。
- qq_514247002024-01-08感谢大佬分享的资源,对我启发很大,给了我新的灵感。
- 2301_767926742023-06-03总算找到了想要的资源,搞定遇到的大问题,赞赞赞!
Usurk
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