纯滞后对象的控制算法.ppt

第六章 （4） 纯滞后对象的控制算法在工业生产的控制中，有许多控制对象含有较大的纯滞后特性被控对象的纯滞后时间τ使系统的稳定性降低，动态性能变坏，如容易引起超调和持续的振荡对象的纯滞后特性给控制器的设计带来困难l大林(Dahlin)算法l纯滞后补偿控制——史密斯(Smith)预估器16.8 大林(Dahlin)算法适用范围：被控对象具有大的纯滞后特性对于具有较大纯滞后特性的控制对象，如果要求系统无超调量或超调量很小，并且允许有较长的调节时间，则大林算法的控制效果往往比PID等控制算法具有更好的效果2一般具有纯滞后特性的被控对象可以用带纯滞后的一阶或二阶 系统来描述1) 被控对象的描述l 被控对象如果可以用带有纯滞后环节e-τs的一阶来近似，则其传递函数为：l 如果可以用带滞后的二阶惯性环节来近似描述，即其中：K——放大系数；τ——纯滞后时间T1,T2 ——惯性时间常数3（2）大林算法介绍不论是对一阶惯性对象还是对二阶惯性对象，大林算法 的设计目标都是：使闭环传递函数Φ(s)相当于一个纯滞后环节 和一个惯性环节的串联 其中：① 闭环系统的纯滞后环节的滞后时间τ与被控对象的纯滞后时 间完全相同；② 惯性时间常数为 Tτ 按要求选择。

这样就能保证使系统不产生超调，同时保证其稳定性4① 采样周期选择(3) 大林算法的离散化描述② 对象的离散化l 一阶对象的离散化带零阶保持器对一阶对象进行离散化，得到广义对象的脉冲传递函数为5l 二阶对象的离散化带零阶保持器对二阶对象进行离散化，得到具有纯滞后特性的 二阶对象的脉冲传递函数为式中系数6③ 闭环传递函数的离散化前面已介绍过，大林算法的目的，是使闭环传函成为一个具有 纯滞后特性的一阶环惯性环节同样带零阶保持器用采样周期T对它进行离散化，其脉冲传 递函数7如果对象脉冲传递函数为G(z)，其闭环脉冲传递函数是我 们按性能要求构造的，就是前面得到的Φ(z)这样我们就可 以求出控制器D(z)我们需要求出D(z)，完成控制器的设计（4） 数字控制器设计D(z )G(z)E(z)U(z )Y(z )R(z ) -+将前面的Φ(z)带入8所以，只要知道了被控对象，就可以由上式确定控制器，使 闭环系统满足我们的要求 将我们要求的闭环脉冲传函Φ(z)带入9① 被控对象为带纯滞后的一阶惯性系统带入D(z)中，得到对象的脉冲传递函数• 其中对于特定的对象，T1是确定不变的常数，Tτ是选定的常 数,T是采样周期也是选定的常数，因此• 是一个常数系数，可以预先计算出,在控制程序中直接使用. 10② 被控对象为带纯滞后的二阶惯性系统 对象的z传递函数为将G(z)带入D(z)可以得到11（5）大林算法的主要步骤① 选取期望的闭环传递函数 Φ(z) ———由公式（4.93）。

主要确定闭环惯性时间 常数Tτ, 滞后时间τ就是对象的滞后时间② 根据被控装置的传递函数计算广义脉冲传递函数G(z) ———1阶对象由公式（4.95）——— 2阶对象由公式（4.97）③ 计算数字控制器脉冲传递函数D(Z)———1阶对象由公式（4.96）——— 2阶对象由公式（4.98）有了D(z)，就可以得到u(k)表达式——就可以编写控制程序12〖例〗已知被控装置的传递函数为• 试采用大林算法，确定数字控制器• 解：采样周期为滞后时间τ即 T=1s，(T=τ/N N=1),l 选取期望闭环传递函数为• 离散化后的脉冲传递函数13根据被控对象的脉冲传递函数、所选择的闭环脉冲传递函数， 利用公式（4.94）求D(z)被控装置广义脉冲传递函数将G(z)带入得到14可以求出y(kT)u(kT)该系统在单位阶跃输入输入时系统的输出y(kT) ,控制器的输 出 u(kT) 的点所描绘出曲线151617u(kT) 以二倍采样周期大幅度摆动y(kT) 由于系统自身的惯性，不会这样大幅度摆动这种现象——叫做振铃现象，简称振铃 这种现象对系统不利18（6） 振铃现象及其消除所谓振铃(Ringing)现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。

振铃现象中的振荡是衰减的由于被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种振荡对系统的输出影响较小但是振铃现象却会增加执行机构的磨损，在有交互作用的多参数控制系统中，振铃现象还有可能影响到系统的稳定性 振铃现象与最小拍系统的纹波是不一样的——纹波是指输出在 采样点上误差，而在采样点之间是有偏差的，输出有纹波19① 振铃现象的分析系统的输出Y(z)和数字控制器的输出U(z)间有下列关系由上面两式得到数字控制器的输出U(z)与输入函数的R(z)之间的 关系为系统的输出Y(z)和输入函数R(z)之间有下列关系D(z)G(z)R(z)E(z)U(z)Y(z)-+20令由上面两式得到数字控制器的输出U(z)与输入函数的R(z)之间的 关系为Φu(z) 是分析振铃的基础21对于单位阶跃输入函数对于阶跃输入，含有z=1的极点如果Φu(z)的极点在z平面的负实轴上，且与z=－1点相近，那么数字控制器D(z)的输出序列u(k)中将含有这两种幅值相近的瞬态项，而且瞬态项的符号在不同时刻是不同的当两瞬态项符号相同时，数字控制器的输出控制作用加强，符号相反时，控制作用减弱，从而造成数字控制器的输出序列大幅度波动分析Φu(z)在z平面负实轴上的极点分布情况，就可分析振铃现象的有关情况。

22l 带纯滞后的一阶惯性环节极点 它总是大于0——没有振铃现象23l 带纯滞后的二阶惯性环节，将公式（4.104）写成一般形式有两个极点 Z1不会产生振铃现象，但24因此，z2可能出现在Z平面负实轴的单位圆上，或非常靠近这一点——Z2会产生振铃现象25② 振铃幅度RA用振铃幅度RA来衡量振铃强烈的程度为描述振铃强烈的程度，应找出数字控制器输出量的最大值umax由于这一最大值与系统参数的关系难于用解析的式子描述出来，所以常用单位阶跃作用下数字控制器第0次输出量与第1次输出量的差值来衡量振铃现象强烈的程度振铃幅度定义：控制器在单位阶跃输入作用下，第0次输出幅度与第一次输出幅度的差 26对于前面讨论的带纯滞后的二阶惯性环节，将公式（4.104） 写成一般形式• RA为第0次输出与第一次输出之差27经整理，带入公式4.104的系数• 根据公式（4.98）和（4.99）• *28③ 振铃现象的消除有两种方法可用来消除振铃现象l 找出D(z)中引起振铃现象的因子(z=-1附近的极点)，然后令其中的z=1根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值例如：0.98这个极点： 用z=1带入29l 选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tτ，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象 ——实际上也是通过选择合适的T和Tτ ，调整D(z)的极点。

Z=1带入30④ 振铃现象示例已知被控装置的传递函数为用大林算法确定的数字控制器为被控装置广义脉冲传递函数31由于D(z)在z平面的左半平面有靠近z=-1的两个极点z=-0.6321，z=-0.7919对于单位阶跃输入数字控制器的输出将产生振铃现象32按消除振铃现象的第一种方法，令z=-0.6321和z=-0.7919两个极点项中的z=1这时，将消除振铃现象消除振铃现象后的y(kT)和u(kT)如下带入Z=1333435⑤ 具有纯滞后系统的数字控制器直接设计的步骤l 根据系统的性能，确定闭环系统的参数Tc，给出振铃幅度 RA的指标l 根据振铃幅度RA与采样周期T的关系，解出给定振铃幅度下 对应的采样周期T，如果T有多解，则选择较大的采样周期l 确定纯滞后时间τ与采样周期之比的最大整数Nl 求广义对象的脉冲传递函数G(z)及闭环系统的脉冲传递函数 Φ(z)l 求数字控制器的脉冲传递函数D(z)366.9 史密斯(Smith)预估控制设被控对象传递函数为史密斯预估器的原理：与D(s)并联一个补偿环节，用来补偿对象 中的纯滞后环节这个补偿环节叫做预估器它的传递函数：D(s )GP(s)e-τse(t)u(t )y(t)r(t)-+GP(s)是G(s)中不含纯滞后特性的部分37由预估器与D(s)组成总的补偿控制器（简称补偿器）增加补偿环节后的结构图经过补偿后的闭环传递函数D(s )GP(s)e-τse(t)u(t )y(t)r(t)-+GP(s)(1-e-τs)-+yr(t)38经过补偿后的闭环系统，因其滞后特性e-τs相当于已到了闭环回路之外，它相当于下面的系统• 它不影响系统的稳定性，只是将y1(t)后移了一段时间。

其 控制性能相当于无滞后系统D(s )GP(s)e(t)u(t )y(t)r(t)-+e-τsy1(t )39具有纯滞后补偿的数字控制器（1） 史密斯预估器采样周期的选择 T=τ/N（2）史密斯预估器的结构GP(s)e-τsu(k)m(k)yr(k)m(k- N)-+40D(S)还是用PID控制算法，主要差别是：常规PID控制算法，它的控制器D（Z）的输入信号是误差 信号e(k)带史密斯预估器时，D（Z）的输入信号为e(k)减去预估器 的输出信号yr(k)e2(k)=e(k)-yr(k)带预估器的PID控制，PID控制器的输入信号是e2(k)，而不是 e(k).41。