实验八 纯滞后控制实验

系统实验报告

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自 控 093 班

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实验八 纯滞后控制实验 (Smulink 仿真实验)

1．实验目的与要求

（1） 掌握应用大林算法进行纯滞后系统D(z)的设计； （2） 掌握纯滞后系统消除振铃的方法。

2．实验设备

（1）硬件环境

微型计算机一台， Pentium4以上各类微机。 （2）软件平台

操作系统：Windows 2000以上； 仿真软件工具：MATLIB5.3以上。

3．实验原理

在一些工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过长度为 L的路程才能反映出来。这样，就造成水温的变化要滞后一段时间（L/v, v是蒸汽的速度）。对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。因此，对于这一类系统，采用一般的随动系统设计方法是不行的，而用PID控制往往效果也欠佳。

本实验采用达林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数(s)，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即

(s)ess1 ,NT

该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。控制原理如图1,其中：采样周期T=0.9秒，期望传递函数=0.5秒，被控对象 G(s)

3e1.8s2s1；输入信号为单位阶跃信号。

R ―D(z) 1ests G(s) 图8—1 纯滞后系统控制原理图

应用大林算法进行纯滞后系统设计D(z)控制器。

4．实验内容与步骤

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（1）按照纯滞后控制系统要求设计D(z)；

（2）按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型；

图8-2 带有振铃的大滞后控制系统结构模型

图8-3 消除振铃的大滞后控制系统结构模型

（3）做出系统的仿真波形图，标明参数，打印结果（包括系统的输出和控制器的输出）。

①带有振铃的大滞后控制系统

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图8-4 带有振铃的大滞后控制控制器输出波形

图8-5 带有振铃的大滞后控制系统输出波形

②消除振铃的大滞后控制系统

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图8-6 消除振铃的大滞后控制控制器输出波形

图8-7 消除振铃的大滞后控制系统输出波形

5. 思考与分析

（1）纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调？为什么？

答：所谓纯滞后控制系统，就是被控对象具有滞后特性，即时间常数很大，通俗地讲就是反应慢，比如炉温。所以用普通的控制环不但会有较大的超调，而且还容易振荡，所以热水器等都采用设阈值温度来开关加热器，显然它是一种放大系数很大的控制环，开关加热器实际就是产生了振荡，它没有采用自动控制理论里的无振荡控制环。因为这样简单而且控制效果也不错，若要减小超调通常用史密斯预估器，不过参数不好设，只有要求高的地方才用。

（2）纯滞后控制与PID控制有什么本质区别？

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答：纯滞后控制与PID控制的本质区别：纯滞后控制对给定的水位及温度对象设计相应的监控系统，可以对被控过程进行全面的监测及控制。主要内容有水位及温度对象的在线实验建模，并以HJ-2型高级过程控制实验装置中的水位对象及温度对象为被控对象，进行试验研究，试验结果表明，由于对象存在较大的纯滞后，采用单回路PID控制效果不佳。但常规单回路PID控制对一般对象控制效果较为理想，是生产过程中常用的一种控制方法。而PID控制的比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。。应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。

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