基本介紹
- 中文名：大時滯系統
- 外文名：large time-delay system
- 領域：自動化控制
- 釋義：時滯系統的難控程度大於等於0.5
- 控制方法：經典控制、現代控制、智慧型控制
- 智慧型控制優點：自學習、自適應、自組織
定義,純滯後產生的原因及特點,系統產生滯後的原因,純滯後系統的特點,大時滯系統控制方法,經典控制方法,現代控制方法,智慧型控制方法,
定義
在工業生產過程中，被控對象除了具有容積滯後外，往往不同程度地存在著純滯後。由於過程通道中存在的純滯後，使得被控量不能及時的反映系統所承受的擾動。若用 y (t)來表示輸出，而用 r (t)來表示輸入，
表示純滯後時間，則有：
對上式兩邊取拉氏變換可得：
其傳遞函式為：
此外，如反應器、管道混合、皮傳送、軋輥傳輸、多容量、多個設備串聯以及用分析儀表測量流體的成分等過程都存在著較大的純滯後。在這些過程中，由於純滯後的存在，使得被控變數不能及時反映系統所承受的擾動，即使測量信號達到調節器，調節機構接受調節信號後立即動作，也需要經過純滯後時間以後，才波及被控變數，使之受到控制。因此，這樣的過程必然會產生較明顯的超調量和較長的調節時間，甚至使得系統產生振盪等。
如果用
表示具有時滯系統的純滯後時間，T 表示系統的慣性時間常數，那么
可作為對時滯系統難控程度的度量指標，不妨稱之為時滯系統難控程度指標或簡稱時滯系統的難控程度。一般認為純滯後時間與系統的時間常數之比 θ >0.5，就認為該系統屬於大時滯系統。
純滯後時間和慣性時間常數都是動態系統固有的特性，它與系統所採用的控制策略無關。但注意到，如果不考慮其它因素的影響，動態系統的純滯後時間主要包含在控制作用中。所以在控制系統設計中，選擇控制方法要使得系統的純滯後時間儘可能的小。對於大時滯系統，常規的控制方法如 PID 已經顯得無能為力，因此對其需要採用更為先進的控制策略。
純滯後產生的原因及特點
在工業系統中，特別是大型、複雜的工業系統總是不可避免地存在滯後現象。對滯後系統進行控制不僅需要考慮當前的狀態及輸入，還要考慮系統的過去狀態。因此對純滯後系統的控制是比較複雜的。
系統產生滯後的原因
系統產生滯後的原因有很多，主要是以下2大因素：
（1）由控制對象的結構造成的。在這類因素中造成系統產生滯後的原因有以下幾個方面：
1) 物料及能量在管道或容器中的傳輸及運送占用一段時間。
2) 物料反應與能量交換需要一定的時間。在工業系統中，特別是化學工業中，當檢測器檢測到信號使控制器動作，控制器產生控制規律去控制被控對象，然而控制信號到達被控對象需要經過一段時間才會起作用。另外溫控設備中的電阻爐就要在通電一段時間後才會產生很大熱量。
3) 多種設備串聯在一起。當控制信號經過較多的設備時，它就會需要一定的時間才能到達系統中，這段時間就會使系統產生時滯。
4) 執行機構的動作時間。在工業系統中由於設備要不間斷地運行，設備的磨損率隨著運行時間的增長而大大增加，系統的靈敏度就會變低，執行時間就會相應的延長，從而使控制量不能及時地到達被控系統中。
（2）由線上分析儀表造成的。在某些過程控制系統中，為了有效地控制產品的質量，用線上質量分析儀表直接對產品質量進行分析，例如，工業控制中的水份分析儀表每分析一次樣品都需要一定的時間，這樣在控制量變化後，被控量要經過傳送帶的延遲時間外，還要經過一段儀器分析才能得出結果，因此分析儀表也會增加系統的時滯。
純滯後系統的特點
純滯後是指時間上的滯後，簡單的說是系統輸入一信號後，輸出不能立即發生反應。在工業控制系統中，被控對象一般為廣義對象，除了對象的工藝外，還包括測量變送器、調節閥等。對於純滯後系統，設廣義對象和控制器的傳遞函式分別為
、
，則控制系統的框圖如圖1所示。
圖1
圖1由於系統中出現了延遲環節
，所以系統的穩定性會降低。延遲時間
越長，系統就越不穩定。如果系統的滯後時間
較短，對整個系統的性能影響不大時，在控制系統分析與設計時可將其忽略，把它等價成無時滯的系統。如果滯後時間
較長，則不能將其忽略，應該在控制器的設計時充分考慮到它對整個系統的性能影響。
大時滯系統控制方法
大時滯系統的控制方法包括經典控制方法、現代控制方法、智慧型控制方法。
經典控制方法
經典控制理論產生於20世紀40-60年代，它以傳遞函式為數學工具，研究單輸入、單輸出的自動控制系統的分析與設計問題。主要的研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。經典控制理論能夠有效地用來分析和設計線性、定常單變數系統，在工業控制領域中是一種占統治地位的控制理論。經典控制方法有Smith控制和Dahlin(達林)控制。
（1）Smith控制算法是最早專門套用於時滯系統控制的方法。它是由瑞典科學家Smith提出的。Smith控制的基本思路是預先估計出過程在基本擾動下的動態特性，然後由預估器進行補償控制，力圖使被延遲了
的被控量提前反映到控制器中，並使之動作，以此來減小超調量和加快調節過程。Smith控制在理論上能實現類似無滯後的控制效果，但在實際套用卻不盡人意。主要是Smith算法過度依賴於被控對象的數學模型，它在模型估計準確的情況下能實現較好的控制作用，而在模型估計有偏差的情況下控制品質就會變差。然而在現代複雜的工業控制中，被控對象的數學模型是很難精確的估計出來，此外Smith算法對外部擾動，參數變化也很敏感，因此Smith控制很難推廣到實際套用中。
（2）達林算法是美國IBM公司的工程師達林(Dahlin)在1968年提出的一種不同於常規PID控制規律的新型算法。該算法的最大特點是將期望的閉環回響設計成一階慣性加純延遲，然後反過來得到滿足這種閉環回響的控制器。達林控制器的結構簡單，控制系統的魯棒性好，能夠達到最優Smith預估器的控制效果。雖然Dahlin控制器具有很多優點，但實際套用中效果較差，一個重要的原因是該控制器會產生振鈴現象。Dahlin控制器能有效地套用於大時滯系統的控制。
現代控制方法
現代控制方法產生於20世紀60-70年代，它以線性代數和微分方程為主要的數學工具，以狀態空間為基礎，形成了以系統辨識、最優控制、最優估計、自適應控制為代表的理論體系。現代控制理論不僅研究系統的輸入、輸出特性，而且還研究系統的內部特性。它適合研究多輸入、多輸出的非線性或時變的複雜系統。對大時滯系統的控制方法有預測控制和自適應控制。
（1）預測控制是20世紀70年代後期提出的一類新型計算機控制算法。它是一種基於模型預測的啟發式控制算法，利用當前值和過去值去預估過程的未來值，以滾動確定當前的最優輸入策略。由於時滯控制系統解決問題的關鍵是對系統輸出的預測，而預測控制可以根據過去和現在的輸出來預測未來的輸出，可以說預測控制有著天生克服滯後的優點，因此預測控制非常適用於時滯系統。預測控制算法中比較典型的算法有動態矩陣控制、廣義預測控制、模型算法控制等。
（2）自適應控制通過修正控制參數以適應對象和擾動的動態特性的變化。自適應控制也是一種基於數學模型的控制方法，只是控制時所依據的關於模型的擾動的先驗知識比較小，需要在系統的運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐步完善。具體的說，自適應控制依據對象的輸入輸出數據，不斷的辨識模型參數，可以看出自適應控制在本質上是通過對系統某些重要參數的估計，以補償的方法來克服干擾和不確定性。由於自適應控制能對系統參數具有良好的適應能力，因而在時滯系統中有著一定的套用範圍。但它依賴被控對象的數學模型，所以在對大時滯系統控制時並非單獨出現，而是與其它方法相結合的方式出現。
智慧型控制方法
智慧型控制是一門新興的交叉前沿學科，它是套用人工智慧的理論與技術和運籌學的最佳化方法並將其同控制理論方法與技術相結合,在未知環境下，仿效人的智慧型,實現對系統的控制。智慧型控制是一類無需人的干預就能夠獨立地驅動智慧型機器實現其目標的自動控制，它可以很好地解決包括經典控制和現代控制理論在內的傳統控制難以解決的複雜的控制問題。相比傳統控制，智慧型控制具有以下幾個優點：
（1）自學習能力：即智慧型控制系統能對一個未知環境提供的信息進行識別、記憶、學習，並利用積累的經驗進一步改善自身性能的能力。它不需幾要依靠對象的數學模型，而是根據系統的控制效果不斷地學習，以達到自動調整控制參數的目的，實現最佳的控制效果。
（2）自適應能力：控制系統具有適應被控對象動力學特性變化、環境變化和運行條件變化的能力。這種智慧型行為實質上是一種從輸入到輸出之間的映射關係，它不依賴模型，如果對象的參數發生了變化，那么控制器的參數也會自動地調整以適應系統的變化。
（3）自組織能力：即智慧型控制系統對複雜任務和分散的感測信息有自組織和協調的能力，可以在任務要求的範圍內自行決策，主動採取行動。當出現多目標衝突時，在一定限制下，控制器可在一定範圍內自行解決，使系統能滿足多目標、高標準的要求。對於時滯系統的控制，智慧型控制主要包括專家控制、模糊控制、神經網路控制三個部分。
