基于Matlab的时滞系统PID参数稳定域研究 精品资料.doc

I目录1绪论11.1时滞的产生11.2纯滞后的定义21.3纯滞后的特点31.4时滞系统控制常规方法31.5本文主要内容72滞后过程PID控制器参数整定方法82.1PID控制方法简介82.1.1比例作用92.1.2积分作用92.1.3微分作用102.2PID控制器性能设计方法112.2.1PID参数的稳定边界法整定（基于Simulink环境）112.2.2临界比例度法132.2.3图解稳定性准则的参数整定方法142.2.4PI控制器参数稳定域162.2.5相角裕度和幅值裕度172.2.6仿真算例182.2.7PID控制器参数稳定域图解法223一阶时滞系统的PID控制器Matlab/Simulink仿真283.1一阶开环不稳定时滞系统283.2一阶开环稳定时滞系统29结束语32参考文献33致谢35571绪论工业现场有很多时滞现象，具有时滞特性的控制对象是非常普遍的，例如造纸生产过程、精馏塔提馏级湍度控制过程、火箭发动机燃烧室中的燃烧过程等都是典型的时滞系统。由于时滞的存在使得被调量不能及时反映控制信号的动作，控制信号的作用只有在延迟:以后才能反映到被调量;另一方面，当对象受到干扰而引起被调量改变时，控制器产生的控制作用不能及时对干扰产生抑制作用。因此，含有时滞环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间。时滞对象也因此成为难控对象，而且时滞占整个动态过程的时间越长，难控的程度越大。因此时滞系统的控制一直受到许多学者的关注，成为重要的研究课题之一[1-3]。本章阐述了滞后系统产生的原因，给出了滞后的定义，以及把研究重点转移到对纯滞后系统上，并说明转移重点的原由，同时对纯滞后对象的特点进行简要分析，介绍了时滞系统的控制方法研究的现状以及国内外PID控制和研究现状，最后介绍本文的主要内容。1.1时滞的产生滞后是工业过程中的一种普遍现象，其特点是当控制量发生变化时，被控量并不立即改变，而要延迟一段时间才开始变化。包含时间滞后环节的系统就称为时滞系统。在时滞系统中，由于时间延迟的存在，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达控制器，调节机构接受控制信号后立即动作，也需要经过纯延迟时间以后，才波及被控量，使之受到控制。在工业过程中造成时滞的机理各不相同，可以认为主要由以下几种因素造成的：(1)由控制对象的结构造成的。在控制对象中，由于设备结构和工艺的要求，控制量和被控制量之间有一段距离。这样在被控量发生变化时，由于需要物料的传送、传热、传质等过程，因而要经过一段时间被控量才发生变化，这就产生了时滞。因为被控量是由检测装置测量的，故可以说时滞是由测量点的位置所引起的。(2)由在线分析仪表造成的。在某些过程控制系统中，为了有效的控制产品的质量，用在线质量分析仪表直接对产品质量进行分析。仪表每分析一次样品都需要一定的时间才能分析出结果，这段时间必然会增加系统的时滞。(3)由等效辩识模型造成的。前面两种情况中的时滞都是系统中确实存在时间延迟造成的。有些系统中并不存在严格意义下的时间延迟，而只是为了分析上的方便而做的近似，这种近似也是时滞产生的原因之一[4]。综合上述内容，我们可以把由因素(1)(2)造成的时滞现象归结为纯滞后现象，可以知道纯滞后产生的原因是被控对象的物理性质，以及实际系统变量的测量传递和处理等方面的因素，是一种比较不易忽视的输出对于输入时间的滞后现象。事实上，工业生产过程中的各种由时滞引起的误差都可归结为或者近似归结为纯滞后现象引起的，所以本文将重点转移到对纯滞后系统的研究上。1.2纯滞后的定义对于纯滞后环节，当输入一个信号后输出不立即有所反应，而是经过一定的时间后才会反应出来，而且输入和输出在数值上无不同，仅是在时间上有一定的滞后，称这段时间为纯滞后时间，常用表示。纯滞后环节的输入输出特性如图1-1所示。其中图(a)表示阶跃响应，图(b)为任一时间函数的响应。这种纯滞后的产生通常是由于物料传输时间造成的，此时，纯滞后可用=L/v(L为物料传输距离、v为物料传输速度)来计算。（a）（b）图1-1纯滞后环节的时间特性在流程工业过程中，生产过程的动态特性一般很复杂（非线性、时变、分布参数等），常常借用实验的方法来测取其动态特性。图1-2为常用的一种实验方法，通过获取生产过程的阶跃响应曲线，来求取纯滞后时间，此时的纯滞后时间我们称为等效纯滞后时间，这种方法在流程工业中普遍采用。图1-2实验法求取纯滞后时间1.3纯滞后的特点一般工业过程控制对象的数学模型可以近似表示为：(1-1)衡量过程具有纯时滞的大小通常采用过程纯滞后时间和过程惯性时间常数T之比/T。当/T<0.5时，称生产过程是具有一般的纯滞后过程。当/T>0.5时，称为具有大纯滞后的过程。当采用闭环控制回路时，一旦对象具有纯时滞性质，这类控制系统纯时滞时间会使