计算机控制仿真课程设计

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1、自动化081计算机控制仿真杜昕目录摘要21选题背景22大时滞过程的各种控制方法32.1PID控制32.2　Smith预估控制及改进算法：43各控制方案的控制效果73.2.1“泛模型”概念113.2.2无模型自适应控制系统设计113.2.3无模型自适应控制仿真研究123.3.1双容水槽系统建模143.3.2内模控制的PID控制器的设计154结果分析185小结196设计体会19参考文献2121自动化081计算机控制仿真杜昕摘要从50年代末以来在时滞控制方面先后出现了基于模型的方法和无模型这两大类方法,基于模型的方法有Smith预估补偿控制、改进的Smith预估控制、多变

2、量的Smith预估控制、最优控制方法、自适应控制、有限谱配置法、动态矩阵预报控制,预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等。无模型方法有模糊Smith、自适应模糊、模糊PID、模糊自整定、神经网络预估法、专家控制等。其控制方法也已经由传统控制转到了智能控制,或者是两者的结合。1选题背景从实践中可以看出,大时滞现象在不同装置上的表现形式差异很大:有的装置表现为纯滞后很大但时间常数很小;这类装置控制困难的原因仅仅在于纯滞后大但时间常数小。有的装置具有大时滞的同时还有强干扰,而且强干扰不只是一种;有的装置各控制环节间存在着不同程度的耦合,等等。大时滞现象往往出现在大型复杂大时

3、滞系统的某些环节上,所以大时滞环节的控制问题,应看成是大型复杂系统单元控制环节的控制问题。显而易见,对于属于复杂系统的单元控制环节,绝不能分割开来孤立的进行处理,必须把每个环节放在系统之中,从各环节互相关联并且服从系统全局性的要求来考虑。大型复杂系统的单元控制环节有的本身就构成一个复杂系统,例如它可能是时变、大时滞经常有强干扰发生,并且与其它环节存在着强耦合等等。为达到克服大时滞的目的,必须考虑下述的问题:(1)系统的时滞与控制速度之间的关系;(2)怎样能快速克服大干扰所导致的大偏差;(3)怎样解决快速性与稳定性之间的矛盾,等等。实践表明,目前广泛应用的PID调节器

4、对复杂大时滞系统很难实现稳定控制。这是因为对于这类系统有一个指标,不妨称之为可控性判据,它被定义为：f=τT其中τ是系统的纯滞后时间,T是系统的时间常数。对于同一个大时滞系统而言,所用的控制方法不同,其可被稳定控制的程度也不同,这表现在所对应的f值的不同。对于PID而言,f<0.16时,系统可以实现稳定控制;0.16≤f<1时实现稳定控制就比较困难了。对于1

5、,但对于复杂环节其控制效果就不能令人满意了。而在工程实践中,经常遇到的是f>21自动化081计算机控制仿真杜昕1的大时滞系统,所以PID调节器对这类系统已经无能为力了。实践和理论分析都表明,对复杂大时滞系统(环节)控制所用的控制方法必须具有以下功能:(1)克服强干扰的能力:克服强干扰的能力是任何控制律都应该具备的能力(功能),但不同的控制律具有这项功能的程度是不同的;(2)克服大时滞的能力(功能):克服大时滞的能力是目前控制工程人员十分关心的,也是大型复杂系统的控制所必须解决的问题;(3)对强耦合环节稳定控制的能力:对强耦合环节稳定控制的能力,习惯的做法是从解耦入手

6、。(4)克服系统时变的能力:关于时变系统的控制,自然要考虑应用自适应方法,已有的结果往往只考虑参数自适应,而没有考虑结构的自适应性,而复杂时变系统的控制,只考虑参数自适应是不够的,必须考虑结构的自适应性;另一方面,系统的时变也可看成是一种干扰,只要控制方法有足够的抗干扰能力,那么时变的问题也可以解决了。(5)对非线性现象的控制能力:在客观世界中,非线性现象大量存在,而且性质十分复杂,所以对非线性系统的控制的研究是一项困难而意义重大的课题。2大时滞过程的各种控制方法2.1PID控制众所周知,PID控制是迄今为止应用最广泛的一种控制算法。可以毫不夸张地说,在工业过程控制

7、中采用PID控制占90%以上。其优点是原理简单、通用性强、鲁棒性好并且使用方便。应用PID控制的关键技术是PID参数的设置和整定,它应使控制系统达到满意的品质。常见的参数整定方法有:衰减曲线法、临界振荡法(Z-N法)等。然而PID在纯滞后系统中的应用是有一定限制的,对于滞后较大(即额定时滞τ/T>0.6)的系统,常规PID控制往往无能为力。有人证明在一定的条件下,PID控制器可以和Smith预估器等价,也可以和Dahlin控制器等价,而且PID控制的一些优点还吸引着许多研究者,探讨将它与其它方法相结合来改善时滞过程的控制效果。此外,合理地调整PID参数也可以达到