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案例頻道 （許昌學院 電氣信息工程學院，河南 許昌 4610姚 寧，王 武
姚寧（1980-）女，河南許昌人，講師，碩士，主要從事探測器，電子線路研究。
基金項目：河南省教育廳自然科學研究資助項目（2008A510014）
摘要：針對滯后控制系統的特點，結合控制系統的數學模型，分析了微分先行控制、中間微分控制、史密斯補償控制、增益自適應補償控制和改進史密斯控制等具體方案，并通過MATLAB環境進行了仿真研究，為進行滯后系統的可靠控制提供相關理論依據。
關鍵詞：滯后系統；數學模型；控制方式；仿真
Abstract: Aiming at the features of large lag system, this paper analyses differential ahead PID control, intermediate differential control and Smith control combining with mathematical models. The simulation under MATLAB is done, which proves that these control strategies can be applied into time delay system.
Key words: Time Delay System; Mathematical Models; Control Mode;Simulation
1 引言
在現代工業生產過程中，普遍存在著時滯，典型的時滯工藝過程有皮帶輸送過程、管道輸送過程及大多數熱力過程等。滯后產生的主要原因有：對系統變量的測量、系統中設備的物理性質或信號的傳遞等。這類控制過程的特點是：當控制作用產生后，在滯后時間范圍內，被控參數完全沒有響應，使得系統不能及時隨被控制量進行調整以克服系統所受的擾動[1]。所以這些對象的純滯后時間對控制系統的控制性能都極為不利，它使系統的穩定性降低，動態特性變壞。國內外學者對滯后系統進行了許多新的控制策略研究，肖軍等提出了滯后系統的前饋——反饋預估控制[2]。馬軍爽等提出模糊RBF神經網絡控制[3] 。文定都等針對純滯后系統提出神經網絡Dahlin控制[4]。
2 滯后系統控制策略
2.1 常規控制系統
在純滯后系統控制中，為了充分發揮PID的作用，改善滯后問題，主要采用常規PID的變形形式：微分先行控制和中間微分反饋控制。
微分先行控制和中間微分控制都是為了充分發揮微分作用提出的。微分的作用是導前，根據變化規律提前求出其變化率，相當于提取信息的變化趨勢，所以對滯后系統，充分利用微分作用可以提前預知變化情況，進行有效的“提前控制”。在微分先行控制方案中，微分環節的輸出信號包括了被控參數及其變化速度值。將它作為測量值輸入到比例積分調節器中，這樣使系統克服超調的作用加強，從而補償過程滯后，達到改善系統控制品質的目的。與微分先行控制方案的設想類似，采用中間微分反饋控制方案能加快系統的反應速度進而改善系統的控制質量。微分先行和中間微分反饋方法都能有效地克服超調現象，縮短調節時間而且不需特殊設備[5]。因此，這兩種控制形式都具有一定的實際應用價值。但是這兩種控制方式都仍有較大超調且響應速度很慢，不適于應用在控制精度要求很高的場合。
2.2 史密斯補償控制
為了從根本上采取措施消除或部分消除滯后對控制系統控制品質的影響，發展了補償控制方法。補償控制方案是有目的地對滯后進行補償，這種方法比微分先行和中間微分反饋方法更能起到提高純滯后系統控制質量的目的。補償控制是由史密斯最早提出來的，后來經過不斷的研究與改進提出了許多修正的補償控制方案。純滯后補償控制的基本思路是：在控制系統中某處采取措施(如增加環節或增加控制支路等)，使改變后系統的控制通道以及系統傳遞函數的分母不含有純滯后環節，從而改善控制系統的控制性能及穩定性等[6]。
純滯后補償的基本原理如圖1所示。圖中G(S)不含有滯后，GP(S)為增加的補償環節。
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圖1 純滯后補償的基本原理
令增加補償后的傳遞函數為：
（1）
則得：
（2）
即為消除滯后所采用的補償函數。
通過附加并聯環節GP(S)的補償處理X(S)和Y(S)之間傳遞函數不再表現為滯后特性。
史密斯提出的補償方案如圖2所示。
系統傳遞函數為：
（3）
可見，經補償后，傳遞函數特征方程中已消除時間滯后項，也就是消除了時滯對系統控制品質的影響[7]。
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圖2 史密斯補償控制系統方框圖
2.3 完全抗干擾史密斯補償控制
完全抗干擾的史密斯滯后補償控制系統是在史密斯控制方案的基礎上，增加一個反饋環節 ，從而實現系統的完全抗干擾（當然，系統特性辨識不精確也可看成一種擾動），如圖3所示。
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圖3 完全抗干擾史密斯補償控制
系統閉環傳遞函數為：
（4）
系統干擾傳遞函數為：
（5）
系統完全不受干擾的影響，由此得：
（6）
即：
（7）
2.4 增益自適應性補償控制
增益自適應性補償控制是在史密斯補償控制基礎上增加了一個除法器、一個導前微分環節和一個乘法器。利用這三個環節根據模型和過程輸出信號之間的比值來提供一個自動校正預估器增益的信號。實際過程控制對象的特性是隨時間變化的，此時，增益自適應控制系統便成為一個復雜的增益自適應調整控制過程，如圖4所示。
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圖4 可變增益自適應性補償控制
圖中的增益KP隨著估計模型和輸出的變化而變化，從而在一定程度上補償系統的特性時變。
改進型史密斯補償控制方案的最大特征是比其他方案多了一個調節器，結構圖從略，改進型史密斯補償控制其參數整定比較簡單。理論分析證明改進型方案的穩定性優于原方案，其對模型精度的要求明顯降低，有利于改善系統的控制性能。
3 滯后系統控制仿真
以某恒溫箱的恒溫過程控制為研究背景。其中，輸入量為燃油量，輸出量為溫度[8]。利用系統辨識方法，得系統數學模型：
（8）
分別采用串聯PID控制，微分先行控制和中間微分控制進行仿真，仿真波形如圖5所示，可見，采用微分先行控制和中間微分控制，階躍響應曲線平穩，超調量小。為了驗證在擾動作用下，系統的抗干擾能力，保持PID整定參數， ，不變，給系統增加幅值為0.1的隨機干擾信號，干擾信號下系統的輸出響應如圖6所示，可見，常規控制下系統的抗干擾能力很差。
圖5 基本控制方式下系統階躍響應曲線
圖5 基本控制方式下系統
擾動相應曲線
在估計器無差估計過程模型的理想情況下，采用增益自適應補償控制對某一化學反應過程進行仿真。其中，輸入為原料量，輸出為反應所生成的產品產量[9]。利用系統辨識方法，得系統數學模型：
（9）
采用增益自適應補償控制，系統在干擾信號的作用下，響應曲線如圖7所示，可見，增益自適應補償控制可以取得很好的抗干擾能力，并且響應速度快，超調量小。
圖7 增益自適應補償控制下響應曲線
3 結束語
論文結合控制系統的數學模型分析了滯后系統的控制策略，并通過仿真研究了各種控制策略的性能，論文在具體仿真過程中略去了系統辨識、控制方法選擇、控制參數整定等具體內容，只是結合論文所提出的控制策略進行了系統仿真和分析對比，給出了滯后系統控制的一些方法。通過其他智能控制策略進行滯后系統控制也是很好的方法，國內外研究學者也取得了相關成果，將在后續研究中進行開展。
其它作者：王武（1978-），男，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事控制理論與控制工程、智能控制方向的研究。
參考文獻：
[1] 曹立學，令朝霞，蔣軍. 大滯后多變量計算機控制系統的設計與研究[J].計算機工程與設計，2008，(9): 4885~4887.
[2] 肖軍，張桂香. 滯后系統的前饋——反饋預估控制[J]. 微計算機信息，2009，3: 10~12.
[3] 馬軍爽，郭耀華，王維. 模糊RBF神經網絡在純滯后系統中的應用[J].冶金設備，2008，(1): 1~6.
[5] 文定都. 針對純滯后系統神經網絡Dahlin控制的研究[J]. 自動化與儀表，2008，(12): 38-43.
[4] 俞金壽. 過程控制系統和應用[M] . 北京: 機械工業出版社，2003.
[6] 邵惠鶴. 工業過程高級控制[M]. 上海: 上海交通大學出版社，1997.
[7] 邵裕森，戴先中.過程控制工程[M]. 北京: 機械工業出版社，2000.
[8] 王正林. MATLAB/Simulink與控制系統仿真[M]. 電子工業出版社，2005.
[9] 劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真（第2版）[M]. 北京: 電子工業出版社，2004.
摘自《自動化博覽》2010年第四期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號