有延迟的过程控制

许多过程涉及死时间，也称为传输延迟或时间滞后。控制这样的过程是具有挑战性的，因为延迟会导致线性相移，限制控制带宽并影响闭环稳定性。

使用状态空间表示，您可以创建精确的开或闭环模型的控制系统的延迟，并分析他们的稳定性和性能没有近似。当组合模型时，状态空间(SS)对象自动跟踪“内部”延迟，请参阅“指定时间延迟”教程了解更多细节。

例如:带有死时间的PI控制循环

考虑标准设定点跟踪循环:

其中流程模型P有2.6秒的死时间和补偿C为PI控制器:

你可以指定这两个传递函数为

s =特遣部队(“年代”）;P = exp (-2.6 *) * (s + 3) / (s ^ 2 + 0.3 * s + 1);C = 0.06 * (1 + 1/s);

为了分析闭环响应，建立一个模型T闭环传输的ysp来y．因为在这个反馈循环中有一个延迟，你必须转换P和C状态空间，并使用状态空间表示进行分析:

T =反馈(P * C, 1)

T = = (x1, x2) x3 x1 -0.36 -1.24 -0.18 x2 0 0 x3 0 1 0 B = u1 x1 0.5 x2 0 x3 0 C = (x1, x2) x3 y1 0.12 0.48 0.36 D = u1 0(计算值与所有内部延迟设置为0)内部延迟(秒):2.6连续时间状态空间模型。

结果是一个内部延迟为2.6秒的三阶模型。在内部，状态空间对象T跟踪延迟是如何与剩余的动态相结合的。这个结构信息对用户是不可见的，并且上面的显示只在延迟设置为零时给出A,B,C,D值。

使用一步命令绘制闭环阶跃响应ysp来y：

步骤(T)

闭环振荡是由弱增益裕度引起的，从开环响应可以看出P C *：

保证金(P C *)

在闭环频率响应中也有一个共振:

波德(T)网格,标题(的闭环频率响应）

为了改进设计，你可以尝试在接近1 rad/s的范围内刻划出共振:

Notch = tf([1 0.2 1]，[1 8 1]);C = 0.05 * (1 + 1/s);Tnotch =反馈(P * C *, 1);步骤(Tnotch)、网格

时滞的Pade近似

许多控制设计算法不能直接处理时延。一个常见的解决方案是用Pade近似(全通滤波器)替换延迟。由于这种近似仅在低频时有效，因此比较真实和近似响应来选择正确的近似顺序并检查近似的有效性是很重要的。

使用PADE命令，计算带延迟的LTI模型的Pade近似。对于上面的PI控制例子，你可以比较精确的闭环响应T得到时滞的一阶Pade近似的响应:

T1 = pade (T, 1);步骤(T)“b”T1,“r”, 100)网格,传说(“准确”，“一阶Pade”）

近似误差相当大。为了得到更好的近似，尝试延迟的二阶Pade近似:

T2 = pade (T, 2);步骤(T)“b”, T2,“r”, 100)网格,传说(“准确”，“二阶Pade”）

除了Pade近似引入的非最小相位伪影外，现在的响应非常匹配。

敏感性分析

延迟很少被准确地知道，因此了解控制系统对延迟值的敏感程度通常是很重要的。使用LTI数组和InternalDelay属性可以很容易地进行这种灵敏度分析。

例如，为了分析上面的陷波PI控制的灵敏度，创建5个延迟值范围为2.0 - 3.0的模型:

τ= linspace(2、3、5);% 5延迟值Tsens = repsys(Tnotch，[1 1 5]);% 5个Tnotch拷贝为j = 1:5 Tsens (:,:, j)。InternalDelay= tau(j);%第j个延迟值->第j个模型结束

然后使用一步要创建一个信封图:

步骤(Tsens)网格,标题(“在2.0和3.0之间5个延迟值的闭环响应”）

从图中可以看出，延迟值的不确定性对闭环特性的影响很小。注意，虽然您可以更改内部延迟的值，但不能更改内部延迟的数量，因为这是模型结构的一部分。要消除一些内部延迟，请将它们的值设置为零或使用PADE以订单为零:

Tnotch0 = Tnotch;Tnotch0。InternalDelay = 0;波德(Tnotch“b”Tnotch0,“r”{1飞行,3})网格,传说(“延迟= 2.6”，没有延迟，“位置”，“西南”）

离散化

您可以使用汇集离散连续时滞系统。可用的方法包括零阶保持器(ZOH)、一阶保持器(FOH)和Tustin。对于有内部延迟的模型，ZOH离散化并不总是“精确的”，即连续的和离散的阶跃响应可能不匹配:

Td = c2d (T, 1);步骤(T)“b”道明,“r”)网格,传说(“连续”，“ZOH离散化”）

警告:由于内部延迟，离散化只是近似的。如果离散误差较大，则采用较快的采样速率。

为了纠正这种离散化间隙，减小采样周期，直到连续响应和离散响应紧密匹配:

Td = c2d (0.05 T);步骤(T)“b”道明,“r”)网格,传说(“连续”，“ZOH离散化”）

警告:由于内部延迟，离散化只是近似的。如果离散误差较大，则采用较快的采样速率。

注意，内部延迟在离散模型中仍然是内部的，并且不会使模型的顺序膨胀:

订单(Td)道明。InternalDelay

Ans = 3 Ans = 52

延迟系统的一些独特特性

对于那些只熟悉无延时LTI分析的人来说，延迟系统的时间和频率响应看起来很奇怪和可疑。时间响应可以表现为混沌的，波德图可以表现为增益振荡等。这些不是软件的怪癖，而是此类系统的真实特性。下面是这些现象的一些例证

获得涟漪:

G = exp (5 * s) / (s + 1);T =反馈(G, 5);bodemag (T)

获得振动:

* exp(- 1 *s);bodemag (G)

锯齿阶跃响应(注意初始步骤的“回声”):

exp(-s) * (0.8*s^2+s+2)/(s^2+s);T =反馈(G, 1);步骤(T)

混乱的反应:

(2) = 1/(s+1) + exp(-4*s);T =反馈(1 G);步骤(T)