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非线性调节技术在大滞后系统中的应用 （山东大学控制科学与工程学院，山东济南 250061 ） 张凌云，肖维荣 摘要：针对大滞后被控对象介绍了一种非线性PID 控制器，并采用贝加莱PCC 控制器将该 控制方法用于温度控制。 关键词：非线性PID；非线性函数；大滞后；温度控制 Abstract: This paper introduces a kind of nonlinear PID controller for large lag object, and use this method in temperature control on the base of BRPCC 。 Key words: Nonlinear PID；Nonlinear function； Large lag ；Temperature control 文献标识码：B 文章编号：1003－0492(2005)04 －0065－03 中图分类号：TP214 1. 引言 在轻工、化工等很多行业的过程控制中，被控对象大都带有滞后特性，热量、物料和信 号等的转移或转换需经过一定的时间，这便造成了许多过程存在大的滞后时间。无论控制作 用如何，在滞后时间阶段，控制作用对过程变量的影响是不可测的。更为重要的是，时间滞 后导致了过程变量输出不能迅速地响应控制信号，这等于在这段时间内反馈作用失效，而反 馈是自动控制所必须得到的信息。 PID 控制方法是目前应用最广泛的控制策略之一，但若用PID 来控制具有显著时间滞 后的过程，则控制器输出在滞后时间内由于得不到合适的反馈信号保持增长，从而导致系统 响应超调大甚至使系统失控。通常PID 控制为了维持自动状态必须明显调低PID 参数，这 就必然造成控制性能的降低。一般而言，PID 控制器能控制τ-T 比（滞后时间/ 时间常数） 小于1 的过程，对于大τ-T 比的系统，则必须调低PID 参数，所以难免控制迟缓，品质变 差。史密斯预估器是处理具有大滞后过程的一种非常有用的控制方法，然而构造史密斯预估 器通常需要精确的过程模型，否则，其性能不能令人满意。 2. 从PID 到非线性PID 众所周知，PID 控制算法因其结构简单、鲁棒性好、可靠性高，在实践中容易被理解 和实现，可以以此为基础发展许多高级控制策略，所以仍然广泛应用于工业过程控制中。 PID 调节器是一种理想的过程调节器，根据现代控制理论的观点，PID 具有本质的鲁 棒性、优化控制特征和智能化。其控制原理是：利用负反馈获得系统输出与期望目标的误差 信号e，作为PID 控制器的输入，误差信号的比例、积分、微分的线性组合，作为PID 控制 器的输出，即控制量u，用公式表示为： 其中KP 是比例增益，KI 是积分增益，KD 是微分增益。 可见，PID 控制器输出的控制量u 只是误差信号的比例、积分、微分三部分分别乘以 各自的增益参数以后的简单相加，而各增益参数都是通过适当整定方法得出的常数，由此便 体现出了PID 控制律控制的局限性。因为控制系统的性能指标通常要根据工业生产过程对 控制的要求来制定，这种要求可概括为稳定性、准确性和快速性，所以PID 控制在实际应 用中的局限性就是：其输出是误差信号的比例、积分、微分的线性组合，但线性组合并非最 佳选择，理论分析和大量实践表明，“线性组合”常引起快速性和超调量之间的矛盾，即不能 同时满足既快速达到理想值同时又尽量减小超调量这两个性能要求。另外，这种简单的结构 也决定其不可能对环境或控制对象模型参数的变化具有自适应能力。 可见传统线性PID 控制器在控制品质上的局限性，主要来自以下几个方面： (1) 算法结构的简单性决定了PID 控制比较适用于SISO 最小相位系统，在处理大滞 后、开环不稳定过程等难控对象时，难以取得较好的控制效果，保证较好的动态性能。 (2) 结构的简单性同时决定了PID 控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性 从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。 (3) 出于同样原因，决定了常规PID 控制器无法同时满足快速跟踪设定值和抑制扰动的 不同性能要求。 由于以上原因，单纯的线性PID 控制并不是大滞后系统的最佳控制策略，而且误差的 比例、积分、微分三部分的线性组合始终无法克服快速性和超调量之间的矛盾，故本文在此