第7章-大滞后控制系统

7.3大滞后过程控制系统大滞后过程的采样控制所谓采样控制，是一种定周期的断续PID控制方式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号信号到来。保持的时间T与必须大于纯滞后时间τ0。这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值，直至系统达到稳定状态。这种“调一调，等一等”的方案的核心思想就是放慢控制速度，减少控制器的过度调节。7.3大滞后过程控制系统7.3大滞后过程控制系统典型的大滞后过程的采样控制系统框图如图所示。图中，采样控制器每隔采样周期T动作一次。S1、S2表示采样器，它们同时接通或同时断开。S1、S2，接通时，采样控制器闭环工作；S1、S2断开时，采样控制器停止工作，输出为零，但是上一时刻的控制值u*(t)通过保持器持续输出。采样控制器y(t)过程x(t)保持器执行器_e*(t)u*(t)u(t)S1S2+变送器采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果在采样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应。7.3大滞后过程控制系统其它解决方案：微分先行控制方案)sT11(kic+Dsppde)s(gkτ−1s1s21++ττR（s）Y（s）特点：将微分作用移到反馈回路，加强微分作用，减少动态偏差7.3大滞后过程控制系统两种控制对迟延有一定的克服作用，但效果还不够理想。表现为超调较大，相应速度较慢。中间反馈控制方案适当配置零极点来改善控制品质)sT11(kic+sppde)s(gkτ−1sTsTkDDD+R（s）Y（s）D特点：7.3大滞后过程控制系统大滞后过程的Simth预估补偿控制Simth预估补偿控制是按照对象特性，设计一个模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降低超调量，并加速调节过程。为理解Smith预估控制的工作原理，先分析采用简单控制方案时，大滞后过程的特性。7.3大滞后过程控制系统Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)如图是采用简单控制方案的大滞后过程控制系统框图。其中Go(s)e－τoS为控制通道的广义传递函数，特意将纯滞后环节e－τoS单独写出，并且变送器的传递函数简化为1。该系统X(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为：ooscoscoG(s)G()eY(s)X(s)1+G(s)G()essττ−−=7.3大滞后过程控制系统若能将G0(s)e–τoS中的e–τoS补偿掉，则实现无滞后控制。Smith提出了一种大滞后系统预估补偿控制方法，图7.17是Smith预估补偿控制系统框图，Gb(s)是Smith预估补偿器的传递函数。Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Gb(s)++++Y’(s)7.3大滞后过程控制系统采用预估补偿器后，控制量U(s)与反馈信号Y’(s)之间的传递函数是两个并联通道G0(s)e–τoS与Gb(s)之和，并且应当等于G0(s)：Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Gb(s)++++Y’(s)osoboY(s)G()eG(s)G()U(s)ssτ−′=+=osboG(s)G()(1e)sτ−=−得：7.3大滞后过程控制系统osboG(s)G()(1e)sτ−=−Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_根据Smith预估器的传递函数Gb(s)表达式，就可得到图7.18的Smith预估补偿控制系统实施框图。7.3大滞后过程控制系统Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_可得到设定值X(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为oscocoG(s)G()Y(s)eX(s)1+G(s)G()ssτ−=7.3大滞后过程控制系统对比基本的单回路控制系统，Smith预估补偿控制系统的特征方程中已不包含e–τoS项，即预估补偿消除了控制通道纯滞后对系统闭环稳定性的影响。oscocoG(s)G()Y(s)eX(s)1+G(s)G()ssτ−=ooscoscoG(s)G()eY(s)X(s)1+G(s)G()essττ−−=单回路控制预估补偿控制至于分子中的e–τoS项只是将被控参数y(t)的响应在时间上推迟了τ0时段。说明预估补偿后，设定值通道的控制品质和过程无滞后时完全相同。7.3大滞后过程控制系统干扰F(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为oscofcoG(s)G()Y(s)G(s){1e}F(s)1+G(s)G()ssτ−=−Y(s)Gf(s)X(s)Gc(s)Go(s)e-τoS_U(s)+F(s)Go(s)++++Y’(s)e-τoS_7.3大滞后过程控制系统oscofcoG(s)G()Y(s)G(s){1e}F(s)1+G(s)G()ssτ−=−式中，干扰F(s)与被控参数Y(s)之间的传递函数由两部分组成：第一项是干扰对被控参数的扰动作用；第二项是控制系统抑制干扰影响的控制作用。和设定值通道一样，干扰通道的传递函数特征方程中也不包含e–τoS项，即预估补偿消除了纯滞后对系统闭环稳定性的影响。但是，Smith预估补偿器并没有消除纯滞后τ0对干扰F(s)抑制过程的影响。因为7.3大滞后过程控制系统由于上式第二项含有e-τoS项，表明系统对干扰的控制作用比干扰作用纯滞后τ0时段，这仍然影响控制效果。因此，Smith预估补偿系统对设定值扰动的控制效果很好；对负荷扰动的控制效果有所改善。但是，Smith预估补偿系统对补偿模型的误差十分敏感，补偿效果取决于补偿器模型的精度。Gb(s)=G0(s)(1-e-τoS)oscofcoG(s)G()Y(s)G(s){1e}F(s)1+G(s)G()ssτ−=−7.3大滞后过程控制系统（1）在给定值扰动下，与单回路控制相比，Smith预估补偿控制对控制效果的改进非常明显。（2）Smith预估补偿控制对负荷扰动的克服效果差。（3）Smith预估补偿控制的适应性较差，对模型的精度有很高的要求。总结：