课程设计2
1
6 年12 月2 3
课程设计任务书
题 目: 控制系统的滞后-超前校正设计 初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是 )
4)(1()(++=s s s K s G 试设计校正装置使得系统的静态速度误差系数1-10秒=v K ，相位裕度50=γ，幅值裕
度B d 10h ≥。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要
求）
1、 用MATLAB 作出满足初始条件的K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕
度。
2、 在系统前向通路中插入一校正网络，确定校正网络的传递函数，并用MATLAB 进行
验证。
3、 用MATLAB 分析未校正和已校正系统的根轨迹，单位阶跃响应和单位斜坡响应。
4、 课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB 程序和MATLAB 输出。
说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
目录
摘要................................................................................................................................. I
1 基于频率响应法校正设计概述 (1)
2 串联滞后-超前校正原理及步骤 (2)
2.1滞后超前校正原理 (2)
2.2滞后-超前校正的适用范围 (3)
2.3串联滞后-超前校正的设计步骤 (3)
3 串联滞后-超前校正的设计 (4)
3.1待校正系统相关参数计算及稳定性判别 (4)
3.1.1判断待校正系统稳定性 (4)
3.1.2绘制待校正系统的伯德图 (6)
3.1.3绘制待校正系统的根轨迹图 (8)
3.1.4绘制待校正系统的单位阶跃响应曲线 (8)
3.1.5绘制待校正系统的单位斜坡响应曲线 (9)
3.2滞后超前-网络相关参数的计算 (10)
3.3对已校正系统的验证及稳定性分析 (12)
3.3.1绘制已校正系统的伯德图 (12)
3.3.2判断已校正系统的稳定性 (14)
3.3.3绘制已校正系统的根轨迹图 (16)
3.3.4绘制已校正系统的单位阶跃响应曲线 (17)
3.3.5绘制已校正系统的单位斜坡响应曲线 (18)
3.3.6串联滞后-超前校正设计小结 (19)
4 心得体会 (20)
参考文献 (21)
摘要
本题是一个在频域中对线性定常系统进行校正的问题。所谓的校正，就是在系统中加入一些其参数可以改变的机构或装置，使系统的整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。目前工程实践中常用的三种校正方法为串联校正、反馈校正和复合校正。本篇论文主要采用串联滞后-超前校正的方法，对待校正系统进行校正使其满足给定的静态速度误差系数和相角裕量的要求，并结合所学知识对未校正系统和已校正系统进行对比，分析其稳定性及各项性能指标，在此基础上运用著名科学计算软件MATLAB的相关工具箱绘制出系统的波特图、根轨迹图、奈氏图、单位阶跃响应曲线，并利用SIMULINK对控制系统进行建模仿真，验证效果。
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。学会利用MATLAB进行建模仿真应当是大学生的一项基本技能。
关键字：频域串联滞后-超前校正MATLAB/SIMULINK 性能指标
控制系统的滞后-超前校正设计
1 基于频率响应法校正设计概述
所谓的校正，就是在系统中加入一些其参数可以改变的机构或装置，使系统的整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。如果性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用时域法校正；如果性能指标以系统的相角裕度、谐振峰值、闭环带宽、静态误差系数等频域特征量给出，如本题，一般采用频率法校正。
在频域内进行系统设计，是一种间接而又简单的设计方法，它虽然以伯德图的形式给出非严格意义上的系统动态性能，但却能方便的根据频域指标确定校正装置的参数，特别是对已校正系统的高频特性有要求时，采用频域校正法较其他方法更为方便。一般来说，开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频率特性的中频段表征了闭环系统的动态性能；高频段表征了闭环系统地复杂性和噪声抑制性能。因此，用频域校正法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置，使开环频率特性形状变成所期望的形状：低频段增益充分大，以保证稳态误差的要求；中频段对数幅频特性斜率一般为-20dB/dec，并占据充分宽的频带，以保证具备适当的相角裕度；高频段增益尽快减小，以削弱噪声影响，若系统原有部分高频段已经符合该种要求，则校正时可保持高频段形状不变，以简化校正装置形式。
常用的校正形式有串联超前校正、串联滞后校正、串联滞后-超前校正。每种方法都有不同的适用范围，应当根据实际要求恰当的选择，由于本题要求采用串联滞后-超前校正，下面将着重介绍这种方法。
课程设计任务书 学生姓名： 张弛 专业班级： 电气1002班 指导教师： 刘志立 工作单位： 自动化学院 题 目: 用MATLAB 进行控制系统的滞后－超前校正设计 初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是 ) 2)(1()(++= s s s K s G 要求系统的静态速度误差系数110-≥S K v ， 45≥γ。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要 求） 1、 M ATLAB 作出满足初始条件的最小K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕量和相位裕量。 2、前向通路中插入一相位滞后－超前校正，确定校正网络的传递函数。 3、用MATLAB 画出未校正和已校正系统的根轨迹。 4、用Matlab 对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标。 5、课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB 程序和MATLAB 输出。说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排: 指导教师签名: 年 月 日 系主任（或责任教师）签名: 年 月 日
摘要 (3) 1基于频率响应法校正设计概述 (4) 2串联滞后-超前校正原理及步骤 (5) 2.1滞后超前校正原理 (5) 2.2滞后-超前校正的适用范围 (6) 2.3串联滞后-超前校正的设计步骤 (6) 3串联滞后-超前校正的设计 (7) 3.1待校正系统相关参数计算及稳定性判别 (7) 3.1.1判断待校正系统稳定性 (7) 3.1.2绘制待校正系统的伯德图 (8) 3.1.3绘制待校正系统的根轨迹图 (9) 3.1.4绘制待校正系统的单位阶跃响应曲线 (10) 3.1.5利用SIMULINK进行控制系统建模仿真 (11) 3.2滞后超前-网络相关参数的计算 (12) 3.3对已校正系统的验证及稳定性分析 (15) 3.3.1绘制已校正系统的伯德图 (15) 3.3.2判断已校正系统的稳定性 (16) 3.3.3绘制已校正系统的根轨迹图 (17) 3.3.4绘制已校正系统的单位阶跃响应曲线 (18) 3.3.5利用SIMULINK进行控制系统建模仿真 (19) 3.3.6串联滞后-超前校正设计小结 (20) 4心得体会 (21) 参考文献 (21) 附录 (22)
《过程控制系统》
第七章 时间滞后控制系统
Time-delay control system
2016年4月
东北大学
《过程控制系统》
第七章 时间滞后控制系统
7.1 7.2 7.3
概述 改进型常规控制方案 大滞后预估补偿方案 采样控制 三种方案比较
7.4
7.5
第七章时间滞后控制系统
《过程控制系统》
7.1 概述
滞后时间对控制质量的影响： 当纯滞后存在于扰动通道时，仅使系统的输出对扰动的反应延迟了一 个纯滞后时间； 当容量滞后存在于扰动通道时，容量滞后时间越大，系统抗干扰能力 越强。 当控制通道存在纯滞后时，调节器的控制作用将要滞后一个纯滞后时 间，从而使超调量增加，被控参数的最大偏差增大，引起系统的动态指 标下降，并且纯滞后时间的增大，也不利于闭环系统的稳定性； 控制通道的容量滞后同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降， 但是容量滞后的影响比纯滞后的影响和缓。若引入微分作用，对于克服 容量滞后对控制质量的影响有显著的效果。 过程纯滞后对控制质量的影响，取决于 τ
T
的大小。
通常，当 τ T > 0.5 时，应作为大纯滞后过程，这时常规控制往往不能满足控制需求。
第七章时间滞后控制系统
《过程控制系统》
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1
微分先行控制方案 中间反馈控制方案
7.2.2
第七章时间滞后控制系统
《过程控制系统》
7.2.1 微分先行控制方案(differential forward control)
微分先行控制系统， 其随动特性和抗干扰特性 分别为： Y ′( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) = R ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) Y ′( s ) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) 常规PID控制系统，其随动特 性和抗干扰特性分别为： Y ( s) Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) = R( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) Y (s) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s )
R E
R
E
-
Wc1 ( s ) 1 K c (1 + ) Ti s
Wc 2 ( s ) 1 + Td s
F
Wo ( s ) Wo′ ( s )e ?τs Y
常规PID控制方案
Wc1 ( s) 1 K c (1 + ) Ti s F Wo ( s ) Wo′ ( s )e ?τs Wc 2 ( s) 1 + Td s Y′
-
微分先行控制方案
常规PID控制系统和微分先行控制系统 具有相同的特征方程，可见，两系统过渡 过程的动态稳定性相同.
目录 0.前言 (1) 1. 不完全微分PID算法设计 (2) 2.算法仿真研究 (3) 3.一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制程序 (4) 4.实验结果 (7) 5.结论及总结 (8) 参考文献 (8) 课设体会 (10)
一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制 沈阳航空航天大学北方科技学院 摘要：提出在PID算法中加入一阶惯性环节，通过不完全微分PID算法来改善干扰对系统的影响，用MATLAB仿真分析说明该算法在改善过程的动态性能方面具有良好的控制精度。在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的PID控制以及微分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。自动控制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题：如在本文中所研究的一阶纯滞后系统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。由控制理论可知，无滞后控制系统（简单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。因此如何解决生产中滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。论文在常规PID控制也就是比例-积分-微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制。并对这三种方案进行Simulink 仿真，检测其抗干扰性能。为便于分析，论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。 关键词：一阶纯滞后 ;不完全微分;仿真;PID 0.前言 在多数工业过程当中,控制对象普遍存在着纯时间滞后现象,如化工,热工过程等. 这种滞后时间的存在,会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间,滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性,在工业生产上产生事故.因此长期以来,纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制对象,人们也对它进行了大量的研究.在现代工业生产和理论研究中出现了多种控制方法,如PID控制、PID改进控制、Smith 预估算法控制以及模糊
学号09750201 （自动控制原理课程设计） 设计说明书 串联滞后校正装置的设计起止日期：2012 年 5 月28 日至2012 年 6 月1 日 学生姓名安从源 班级09电气2班 成绩 指导教师(签字) 控制与机械工程学院 2012年6 月1 日
天津城市建设学院 课程设计任务书 2011 —2012 学年第 2 学期 控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 系 09-2 班级 课程设计名称： 自动控制原理课程设计 设计题目： 串联滞后校正装置的设计 完成期限：自 2012 年 5 月 28 日至 2012 年 6 月 1 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 设单位反馈系统的开环传递函数为：) 2()(+= s s K s G 要求系统的速度误差系数为120-≥s K v ，相角裕度 45≥γ，试设计串联滞后校正装置。 基本要求： 1、对原系统进行分析，绘制原系统的单位阶跃响应曲线， 2、绘制原系统的Bode 图，确定原系统的幅值裕度和相角裕度。 3、绘制原系统的Nyquist 曲线。 4、绘制原系统的根轨迹。 5、设计校正装置，绘制校正装置的Bode 图。 6、绘制校正后系统的Bode 图、确定校正后系统的幅值裕度和相角裕度。 7、绘制校正后系统的单位阶跃响应曲线。 8、绘制校正后系统的Nyquist 曲线。 9、绘制校正后系统的根轨迹。 指导教师（签字）： 系主任（签字）： 批准日期：2012年5月25日
目录 一、绪论 (4) 二、原系统分析 (5) 2.1原系统的单位阶跃响应曲线 (5) 2.2 原系统的Bode图 (5) 2.3 原系统的Nyquist曲线 (5) 2.4 原系统的根轨迹 (5) 三、校正装置设计 (5) 3.1 校正装置参数的确定 (5) 四、校正后系统的分析 (6) 4.1校正后系统的单位阶跃响应曲线 (6) 4.2 校正后系统的Bode图 (6) 4.3 校正后系统的Nyquist曲线 (6) 4.4 校正后系统的根轨迹 (6) 五、总结 (7) 六、参考文献 (7) 七、附图 (8)
实验三 纯滞后控制实验 1. 实验目的与要求 (1) 掌握应用达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，P4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τ（v v L ,=τ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Φ(s)，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即 1 )(+=Φ-s e s s τθ，NT =θ 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τ=0.5秒，被控对象 1 23)(8.1+=-s e s G s ；输入信号为单位阶跃信号。
图1 纯滞后系统控制原理图 应用达林算法进行纯滞后系统设计) D控制器。 (z 4.实验内容与步骤 (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，观察输入输出波形，标明参数，打印结果； (3)尝试用M文件实现dalin算法控制。 5.实验结果 simulink框图（用simulink实现dalin算法）: Array 图2 纯滞后控制设计
基于MATLAB 的滞后-超前校正器的设计 摘要：对控制系统的校正设计方法进行了简单的介绍；介绍了基于MATLAB 的 滞后-超前校正器的设计过程，并用仿真实例验证了该方法比传统的方法节省了相当大的工作量，实现起来非常的方便。利用MATLAB 软件中的控制系统工具箱和Simulink 工具箱可以很方便的对控制系统进行建模、分析和设计。 关键词：MATLAB；滞后-超前校正器；设计 1 引言 MATLAB（Matrix Laboratory 即“矩阵实验室”）是集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境，其强大的科学计算与可视化功能，简单易用的开放式可扩展环境，使得MATLAB 成为控制领域内被广泛采用的控制系统计算与仿真软件。“自动控制原理”是工科类专业一门重要的课程，其所需数学基础宽而深、控制原理抽象、计算复杂且繁琐以及绘图困难等原因，使学生学习感觉枯燥并有畏难情绪。将MATLAB 软件应用到该门课程教学中，可以解决深奥繁琐的计算，简单、方便又精确的绘图，并可以用丰富多彩的图形来说明抽象的控制原理，可以提高学生的学习兴趣。早期的校正器设计利用试凑法，其计算量非常大，而且还要手工绘制系统的频率特性图，很难达到满意的结果。将MATLAB 软件应用到校正器设计中，则大大提高了设计的效率，并能很方便的达到满意的效果。本文介绍在MATLAB 环境下进行滞后-超前校正器的设计方法。 2 控制系统校正设计概述 在经典控制理论中，系统校正设计，就是在给定的性能指标下，对于给定的对象模型，确定一个能够完成系统满足的静态与动态性能指标要求的控制器（常称为校正器或补偿控制器），即确定校正器的结构与参数。控制系统经典校正设计方法有基于根轨迹校正设计法、基于频率特性的Bode 图校正设计法及PID 校正器设计法。按照校正器与给定被控对象的连接方式，控制系统校正可分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。串联校正控制器的频域设计方法中，使用的校正器有超前校正器、滞后校正器、滞后-超前校正器等。超前校正设计方法的特点是校正后系统的截止频率比校正前的大，系统的快速性能得到提高，这种校正设计方法对于要求稳定性好、超调量小以及动态过程响应快的系统被经常采用。滞后校正设计方法的特点是校正后系统的截止频率比校正前的小，系统的快速性能变差，但系统的稳定性能却得到提高，因此，在系统快速性要求不是很高，而稳定性与稳态精度要求很高的场合，滞后校正设计方法比较适合。滞后-超前校正设计是指既有滞后校正作用又有超前校正作用的校正器设计。它既具有了滞后校正高稳定性能、高精确度的好处，又具有超前校正响应快、超调小的优点，这种设计方法在要求较高的场合经常被采用。 3 滞后-超前校正器的设计 3.1 滞后-超前校正器
题目一阶纯滞后系统的控制方法研究
摘要 在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的PID控制以及微分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。自动控制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题：如在本文中所研究的一阶纯滞后系统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。由控制理论可知，无滞后控制系统（简单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。因此如何解决生产中滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。论文在常规PID控制也就是比例-积分-微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制。并对这三种方案进行Simulink仿真，检测其抗干扰性能。为便于分析，论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。 关键词：自动控制，仿真，PID，复杂控制
The control method research of the first-order delay system Abstract The automatic control technology use more and more in modern industrial production, and as the industrial and control technology development, the automatic control theory are developed and perfected, a lot of controlled methods appear such as PID control which is the most basic control and differential first control, intermediate differential control, Smith compensation control, fuzzy control, nerve network control. Automatic control technology had experienced a series of questions in industrial production: as the first-order delay system control in this article which is a more important issue in the control theory. Known by the control theory,a no lag control system (simple say is no delay) is more stable and more easily controlled than a delay system . So it is particularly important of how to solve the lagging problem in the current industrial production . The articles propose three control methods such as differential first control 、the middle of differential feedback control、smith compensation control base the conventional PID control in the other word is proportional - integral - derivative controller .And simulate this three programs by the simulink, testing its interference fearure. For convenient analyze the simulation result , the paper of the study derive from the simulation results by the graphical ,which we can easy understand and clear know the mean in the article. Key Words：automatic control; simulation; PID; complicated control
《计算机控制》课程设计报告 题目: 滞后-超前校正控制器设计 : 胡志峰 学号: 100230105 2013年7月12日
《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： 2013年 7 月 5 日
一、实验目的 完成滞后 - 超前校正控制器设计 二、实验要求 熟练掌握 MATLAB 设计仿真滞后-超前校正控制器、运用Protel 设计控制器硬件电路图，以及运用MCS-51单片机C 或汇编语言完成控制器软件程序编程。 三、设计任务 设单位反馈系统的开环传递函数为 )160 )(110()(0++= s s s K s G ，采用模拟设 计法设计滞后-超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标： (1) 当t r = 时，稳态误差不大于1/126； (2) 开环系统截止频率 20≥c ω rad/s ； (3) 相位裕度o 35≥γ 。 四、 实验具体步骤 4.1 相位滞后超前校正控制器的连续设计 校正方案主要有串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。确定校正装置的结构和参数的方法主要有两类：分析法和综合法。分析法是针对被校正系统的性能和给定的性能指标，首先选择合适的校正环节的结构，然后用校正方法确定校正环节的参数。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正这三种类型。 超前校正的作用在于提高系统的相对稳定性和响应的快速性,滞后校正的主要作用是在不影响系统暂态性能的前提下,提高低频段的增益，改善系统的稳态特性，而滞后超前校正环节则可以同时改善系统的暂态特性和稳态特性。这种校正的实质是综合利用了滞后和超前校正的各自特点，利用其超前部分改善暂态特性，而利用滞后部分改善稳态特性，两者各司其职，相辅相成。 (1)调整开环增益 K,使其满足稳态误差不大于1/126; 00 lim (s)126v s K s G K →===g
绪论 在现代科学的众多领域中，纯滞后对象的控制一直是人们研究的重要课题。 早期的研究主要是运用线性系统的经典方法对纯滞后系统进行分析设计。譬如运用Nyquist法分析纯滞后系统的稳定性问题，用Pade近似方法将纯滞后环节近似为线性系统进行根轨迹的分析综合等。但总的来说，当系统滞后时间较小时，只要我们设计时给予充分的考虑就可以了。这时实际的控制效果不会与设计要求相去甚远。对于滞后时间相对较大的系统，Smith提出了预估补偿的方法，通过补偿环节来消除或减弱闭环系统中纯滞后因素的影响。只要对象的模型较精确，Smith方法的效果是比较理想的。 上世纪80年代起，随着自动控制理论、实践的深入发展和广泛应用，最优控制、鲁棒控制、变结构控制、H 控制以及预测控制等现代控制理论也逐步地应用到纯滞后的系统中来，并取得了一定的成果。 近几年来，以模糊控制技术、神经网络、专家系统和遗传算法为主要内容的智能控制技术，得到了充分的发展和广泛的应用。尤其是它与传统的控制技术相结合，成功地解决了采用传统控制技术难以控制的控制对象(特别是对象模型难定的情况)，在工程应用中有着强大的生命力并得到了广泛的应用。 本文通过纯滞后工艺过程描述了纯滞后系统的特性，从这个特性可以知道被控对象大多数都有纯滞后特性。根据纯滞后控制系统的基本特点和纯滞后控制系统的设计以及纯滞后控制系统控制器参数整定等基础知识，并通过实例常规模糊控制器在纯滞后系统中的应用来理解和深化对纯滞后控制系统的理解。
1 纯滞后理论概述 1.1 纯滞后相关定义及其工艺过程 1.1.1 纯滞后相关定义 所谓纯滞后是一种时间上的延迟，这种延迟是从引起动态要素变化的时刻到输出开始变化的时刻的这一段时间。存在时间延迟的对象就称为具有纯滞后的对象，简称为纯滞后对象或滞后对象，实际被控对象大多数都有纯滞后特性。 被控对象时滞与其瞬态过程时间常数值比较大，采用通常的控制策略时，不能实现系统的精度控制，甚至会造成系统不稳定。通常认为当被控对象时滞与其瞬态过程时间常数之比大于0.3时，被控系统为纯滞后系统。滞后是过程控制系统中的重要特征，滞后可导致系统不稳定。有些系统滞后较小这时人们为了简化控制系统设计，忽略了滞后；但在滞后较大时，不能忽略，当被控对象的时滞与其瞬态过程时间常数之比大于0.3时，被控系统应按纯滞后系统设计。这类控制过程的特点是：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应，使得系统不能及时随被控制量进行调整以克服系统所受的扰动。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。所以，含有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控制程度随着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。 但总的来说，当系统滞后时间较小时，只要我们设计时给予充分的考虑就可以了。对于滞后时间相对较大的系统，Smith提出了预估补偿的方法，通过补偿环节来消除或减弱闭环系统中纯滞后因素的影响。 1.1.2 纯滞后工艺过程 在工业生产过程中，极大部分工艺过程的动态特性往往是既包含一部分纯滞后特性又包括一部分惯性特性，这种工艺过程就称为具有纯滞后的工艺过程。譬如对于大型档案馆的温湿度控制，就是存在纯滞后较大的实际对象。在长沙地区，夏天的空气相对湿度一般而言是比较大的，在档案馆进行适当的除湿操作是非常有必要的，而在进行除湿动作以后，档案馆内的相对湿度要相应得到降低则需要一段时间的延迟。当然，对档案馆内温度的控制也是如此。纯滞后环节的输入输出关系（如图1-1）所示:
计算机控制技术 ------滞后-超前校正控制器设计 系别：电气工程与自动化 专业：自动化 班级：B110411 学号：B11041104 姓名：程万里
目录 一、 滞后-超前校正设计目的和原理 (1) 1.1 滞后-超前校正设计目的......................................................... 1 1.2 滞后-超前校正设计原理......................................................... 1 二、滞后-超前校正的设计过程 (3) 2.1 校正前系统的参数 (3) 2.1.1 用MATLAB 绘制校正前系统的伯德图................................. 3 2.1.2 用MATLAB 求校正前系统的幅值裕量和相位裕量.................. 4 2.1.3 用MATLAB 绘制校正前系统的根轨迹................................. 5 2.1.4 对校正前系统进行仿真分析.............................................5 2.2 滞后-超前校正设计参数计算 (6) 2.2.1 选择校正后的截止频率c ω............................................. 6 2.2.2 确定校正参数β、2T 和1T (6) 2.3 滞后-超前校正后的验证 (7) 2.3.1 用MATLAB 求校正后系统的幅值裕量和相位裕量..................7 2.3.2 用MATLAB 绘制校正后系统的伯德图.................................8 2.3.3 用MATLAB 绘制校正后系统的根轨迹.................................9 2.3.4 用MATLAB 对校正前后的系统进行仿真分析 (10) 三、前馈控制 3.1 前馈控制原理..................................................................... 12 3.2控制对象的介绍及仿真......................................................... 12 四、 心得体会.............................................................................. 16 参考文献.......................................................................................17 附录 (18)
课题：串联超前滞后校正装置专业：电气工程及其自动化班级：一班 学号： 姓名： 指导教师： 设计日期：2013.12.6-2013.12.12成绩：
自动控制原理课程设计报告 一、设计目的 () （1）掌握控制系统设计与校正的步骤和方法。 （2）掌握对控制系统相角裕度、稳态误差、剪切频率、相角穿越频率以及增益裕度的求取方法。 （3）掌握利用Matlab对控制系统分析的技能。熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。 （4）提高控制系统设计和分析能力。 （5）所谓校正就是在系统不可变部分的基础上，加入适当的校正元部件，使系统满足给定的性能指标。校正方案主要有串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。确定校正装置的结构和参数的方法主要有两类，分析法和综合法。分析法是针对被校正系统的性能和给定的性能指标，首先选择合适的校正环节的结构，然后用校正方法确定校正环节的参数。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正这三种类型。超前校正通常可以改善控制系统的快速性和超调量，但增加了带宽，而滞后校正可以改善超调量及相对稳定度，但往往会因带宽减小而使快速性下降。滞后-超前校正兼用两者优点，并在结构设计时设法限制它们的缺点。 二、设计要求(姬松) 1．前期基础知识，主要包括MATLAB系统要素，MATLAB语言的变量与语句，MATLAB的矩阵和矩阵元素，数值输入与输出格式，MATLAB系统工作空间信息，以及MATLAB的在线帮助功能等。 2．控制系统模型，主要包括模型建立、模型变换、模型简化，Laplace变换等等。 3．控制系统的时域分析，主要包括系统的各种响应、性能指标的获取、零
doi：10．3969/j．issn．1671-1041．2011．03．003 基于补偿控制大滞后过程控制系统研究 孟苹苹，谢文滔 （西南石油大学，成都610500） 摘要：在工业过程控制中，传统PID控制方式用于较复杂被控对象时，在超调量与稳定性等方面都难以获得令人满意的结果。本论文以内模控制器作为研究对象，完成了内模控制器中低通滤波器的设计与Matlab仿真研究，得到了不同情形下的频率特性曲线，同时，通过与传统PID控制对比，对不同类型控制方式的特点进行了分析研究，得到了有意义的研究结论，对实际工业过程控制具有一定实用参考价值。 关键词：内模控制；大滞后过程；Matlab仿真；PID控制 中图分类号：TP273文献标志码：A Research on process control system of large time delay based on compensation control MENG Ping-ping，XIE Wen-tao （Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China） Abstract：In industrial process control，when PID control，a traditional control model was applied to some complicated controlled objects，usually control effect is not satisfied as good as expected．In this paper，by focusing study on internal model controller，design and Matlab simulation of the low-pass filter，a very important component in the internal model controller were completed．Amplitude and frequency characteristic curve were drawn under different cases．By compared with PID in controlling characteristics，meaningful conclusions were conducted which might be applicably valuable to in-dustrial process control in practice． Key words：internal model control；great lag process；Matlab simulation；PID control 0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［1］。 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经过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系统所受的扰动，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PID控制，Smith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τ/T＞0.5，在这种情况下，就需要提出一种先进的PID控制器，使其在大滞后环境下，也能得到预期的控制效果。在本文中采用直流无刷电机作为被控对象［2］，通过仿真说明采用内模控制的电机系统控制精度高、响应快、稳定性和鲁棒性良好。 1内模控制技术［3-4］ 1．1内模控制技术简介 内模控制是在模型没有误差，而且可得到这个假设条件下的理想反馈控制。内模控制系统的典型框图如图1所示。 图1内模控制结构图 在实际工作中，模型与实际过程总会存在误差。针对上述情况，设计内模控制器时可首先将过程模型作因式分解如下： G ^ p （s）=G ^ p+ G ^ p－ （1） □研究报告□仪器仪表用户 8 EIC Vol．182011No．3欢迎光临本刊网站http：//www．eic．com．cn
实验三 基于Matlab 的纯滞后控制系统设计 一、实验目的 1) 学习使用simulink 进行Smith 预估补偿控制的设计方法。 2) 学习使用simulink 实现Dahlin 算法的设计方法。 二、实验原理 1. Smith 预估补偿控制的设计 已知被控对象传递函数： 302 3()2s +60s+1 s G s e -= (1) 应用Smith 预估补偿算法设计控制系统，并采用PID 控制。原理图参见课本P127图4-21和P128图4-22。 表1衰减曲线法整定控制器参数经验公式 2. Dahlin 算法的设计 已知被控对象传递函数： 102 ()100s+1 s G s e -= (2) 采样周期为2s ，选择期望闭环传递函数中的时间常数分别为T τ=5s ，10s ，20s ，设计Dahlin 控制器。原理图参见课本P129 4.3.2小节。 三、实验内容
1)按式(1)建立系统的Simulink模型，应用Smith预估补偿算法设计控制系统，消除滞后时 间的影响，并整定好PID参数。与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较，记录实验曲线。 据Smith预估补偿算法建立滞后系统的Simulink模型原理图： 图1 系统的Simulink模型仿真图 图2 控制系统整定好PID参数的曲线图 b）与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较 图3 同一PID控制器对无滞后的被控对象控制Simulink仿真图
图4 同一PID控制器对无滞后系统的仿真曲线图 2）与同一被控对象不带Smith预估补偿器的PID控制系统相比较，观察仿真结果，记录实验曲线。 不带Smith预估补偿器的PID控制系统Simulink仿真图如下 仿真图如下： 图5 不带 Smith预估补 偿器的PID 控制系统曲 线图 当加入离散 控制器和零 阶保持器时，
自动控制原理大作业 已知单位反馈控制系统如图所示，其中0()(1) K G s s s = +。
1、试用频率法设计串联超前校正网络()c G s ，满足：单位斜坡输入时，位置输出稳态误差1 9 ss e = ，开环截止频率 4.5/c rad s ω''=，相角裕度50γ''≥，请写出校正具体步骤： 解： 1．求开环增益K 传递函数为：0()(1) K G s s s = + 此系统为为Ⅰ型系统，且系统稳定，故由稳态误差91 1e ss == K 知：K=9 校正前系统传递函数为）（） （1s s 9 s o +=G （1）根据校正前系统Bode 图，确定校正前系统相角裕度和开环截止频率： 0w c =）（L 0w 9 lg 202c = s /rad 3w c = 43.18arctanw -90-180）w （180r c c o ==+=? （2）计算校正网络的参数a 和τ： 已知开环截止频率 4.5/c rad s ω''= 取s /rad 5.4w w c m =" =
c o lg 20lga 10-5 .4==）（L 06.5 0988 .006 .5*5.41 a *w 1m === τ 10988.01 s 5.01s 1s a s c ++= ++=s G ττ） （ （3）验算校正后的性能指标是否满足设计要求： ） 1s 0988.0）（1s （s ） 1s 5.0（9）s （）s （）s （c o +++= =G G G 6.549 7.23-47.77-04.6690）w *098 8.0（arctan -arctanw -90-）w *5.0（arctan 180）w （180r c c c c =+=" " "+="+=''? 满足设计要求。 2、用MATLAB 画出校正前系统、校正装置和校正后系统的Bode 图： -100 100 M a g n i t u d e (d B )10 10 10 10 10 10 -180 -135-90-45045P h a s e (d e g ) Bode Diagram Frequency (rad/sec) MATLAB 程序： G1=tf(9,[1,1,0]); G2=tf(9*[0.5,1],conv([1,1,0],[0.0988,1])); G3=tf([0.5 1],[0.0988 1]) bode(G1) hold bode(G2,'--')
目录 摘要 (1) 引言 (2) 1 滞后-超前校正设计目的和原理 (2) 1.1滞后-超前校正设计目的 (2) 1.2滞后-超前校正设计原理 (2) 2 滞后-超前校正的设计过程 (4) 2.1校正前系统的参数 (4) 2.1.1 用MATLAB绘制校正前系统的伯德图 (4) 2.1.2 用MATLAB求校正前系统的幅值裕量和相位裕量 (5) 2.1.3 用MATLAB绘制校正前系统的根轨迹 (6) 2.1.4 对校正前系统进行仿真分析 (7) 2.2滞后-超前校正设计参数计算 (8) ω (8) 2.2.1 选择校正后的截止频率 c 2.2.2确定校正参数β、2T和1T (8) 2.3滞后-超前校正后的验证 (9) 2.3.1 用MATLAB求校正后系统的幅值裕量和相位裕量 (9) 2.3.2 用MATLAB绘制校正后系统的伯德图 (10) 2.3.3 用MATLAB绘制校正后系统的根轨迹 (11) 2.3.4 用MATLAB对校正前后的系统进行仿真分析 (12) 结束语 (14) 参考文献 (15)
用MATLAB进行控制系统的滞后－超前校正设计 摘要 自动控制技术的应用日益广泛，除了在国防、空间科技等尖端领域里成为不可或缺的重要技术之外，在机电工程、冶金、化工、轻工、交通管理、环境保护、农业等领域中，自动控制技术的作用也日显突出。自动控制技术的运用大大提高了劳动生产率和产品质量，同时，也改善了劳动条件，在改善人类的居住环境和提高生活质量方面也发挥了非常重要的作用。今天的社会生活中，自动化装置已经无所不在，为人类文明进步做出了重要的贡献。自动控制系统的课程设计是检验我们学过知识扎实程度的好机会，也让我们的知识体系更加系统，更加完善。在不断学习新知识的基础上得到了动手能力的训练，启发创新思维及独立解决实际问题的能力，提高设计、装配、调试能力。 关键词：滞后超前校正伯德图 MATLAB 校正参数
实验三 基于Matlab 的纯滞后控制系统设计 一、实验目的 1) 学习使用simulink 进行Smith 预估补偿控制的设计方法。 2) 学习使用simulink 实现Dahlin 算法的设计方法。 二、实验原理 1. Smith 预估补偿控制的设计 已知被控对象传递函数： 302 3()2s +60s+1 s G s e -= (1) 应用Smith 预估补偿算法设计控制系统，并采用PID 控制。原理图参见课本P127图4-21和P128图4-22。 表1衰减曲线法整定控制器参数经验公式 2. Dahlin 算法的设计 已知被控对象传递函数： 102 ()100s+1 s G s e -= (2) 采样周期为2s ，选择期望闭环传递函数中的时间常数分别为T τ=5s ，10s ，20s ，设计Dahlin 控制器。原理图参见课本P129 4.3.2小节。 三、实验内容
1)按式(1)建立系统的Simulink模型，应用Smith预估补偿算法设计控制系统，消除滞后时 间的影响，并整定好PID参数。与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较，记录实验曲线。 据Smith预估补偿算法建立滞后系统的Simulink模型原理图： 图1 系统的Simulink模型仿真图 图2 控制系统整定好PID参数的曲线图 b）与同一PID控制器对无滞后的被控对象控制结果相比较 图3 同一PID控制器对无滞后的被控对象控制Simulink仿真图
图4 同一PID控制器对无滞后系统的仿真曲线图 2）与同一被控对象不带Smith预估补偿器的PID控制系统相比较，观察仿真结果，记录实验曲线。 不带Smith预估补偿器的PID控制系统Simulink仿真图如下 仿真图如下： 图5 不带 Smith预估补 偿器的PID 控制系统曲 线图 当加入离散 控制器和零 阶保持器时， 观察和比较 实验图。
东南大学自动化学院 实验报告 课程名称：计算机控制技术基础 第四次实验 实验名称：具有纯滞后系统的大林控制 院（系）：自动化学院专业：自动化 姓名：郭劲廷学号：08011331 实验室：常州楼419 实验组别： 同组人员：实验时间：2014 年 4 月28 日评定成绩：审阅教师：
实验五 具有纯滞后系统的大林控制 一、实验目的 1．了解大林控制算法的基本原理； 2．掌握用于具有纯滞后对象的大林控制算法及其在控制系统中的应用。 二、实验设备 1．THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台 2．PCI-1711数据采集卡一块 3．PC 机1台(安装软件“VC++”及“THJK_Server ”) 三、实验原理 在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间τ对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间 τ与对象的惯性时间常数T1之比，即τ/T1≥0.5时，采用常规的比例积分微分（PID ）控制， 很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿(Smith 预估)控制。 本实验以大林算法为依据进行研究，大林算法的被控对象是带纯滞后的一阶或二阶惯性环节。即 1 )(1+= -s T Ke s G s τ 或 ) 1)(1()(21++=-s T s T Ke s G s τ 本实验被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节。 式中：τ为纯滞后时间，为方便起见假设为采样周期T 的整数倍 NT =τ 大林算法的主要设计目标是系统在单位阶跃输入作用下，整个闭环系统的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。即 1 )(0+= -s T e s H s τ （5-1） 要求整个闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。 与H(s)相对应的闭环系统脉冲传递函数为 01()[]1 sT NTs e e H z Z s T s ---=?+ 101(1)[] (1)N z z Z s T s --=-+ 0 1 1 11(1)(1) (1)(1) T T N T T e z z z z e z - -------=---00 (1) 1 (1)1T T N T T e z e z - -+- --= - （5-2）