史密斯预估控制

8.1 史密斯预估控制
在工业生产过程中，被控对象除了具有容积滞后外，往往不同 程度地存在着纯滞后。 特点： 当控制作用产生后，在时延时间范围内，被控参数完全没有响应。 例如： 在热交换器中，被控变量为被加热物料的出口温度，而操作变 量为载热介质的流量，当改变载热介质流量后，对物料出口温度的 影响必然要滞后一段时间，即介质经管道所需的时间。 此外，如反应器、管道混合、皮带传输以及用分析仪表测量流
图8-1
带运输机
第8章基于模型的控制方法
一般说来，在过程的动态特性中，大多既包含纯滞后时间， 又包含惯性时间常数T，通常用／T比值来衡量过程纯滞后的严 重程度。 若／T<0.3，称为一般滞后过程； 若／T>0.3，则称之为大滞后过程。当纯滞后时间τ与过程 的时间常数T之比增大，滞后现象更为突出，有时甚至会引起系 统的不稳定，被调量超过安全限，从而危及设备与人身安全。 因此大纯滞后过程一直受到人们的关注，成为重要的研究课
第8章基于模型的控制方法 2. 史密斯补偿概述
在纯滞后系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿，它是按照 过程的特性设想出一种模型加入到原来的反馈控制系统中，以补偿
过程的动态特性。这种补偿反馈也因其构成模型的方法不同而形成
体的成分等过程都存在着较大的纯滞后。
第8章基于模型的控制方法
在这些过程中，由于纯滞后的存在，使得被控变量不
能及时反映系统所受的扰动，即使测量信号到达控制器， 执行机构接受调节信号后立即动作，也需要一段纯滞后以 后，才会影响被控变量，使之受到控制。 因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较
长的调节时间。所以，具有纯滞后的过程被公认为是较难
控制的过程，其难度将随着纯滞后时间占整个过程动态时 间份额的增加而增加。
第8章基于模型的控制方法
典型的工艺过程实例——带传输过程
在工业生产过程中，一些块状或粉状的物料，例如硫酸生产 中沸腾焙烧炉的硫铁矿进料、热电厂燃煤锅炉的煤粉进料等，需 用图8－1所示的带运输机进行输送。 当档板的开度变动引起下料量改变时，需经过带传输机传送 时间（纯滞后） 后，物料才到达工艺设备，引起其工艺参数发 生变化。所以有人把纯滞后又称为传输滞后。
2 Go( s) e 4 s 4s 1
1 G c ( s ) 0.6(1 ) 8s
第8章基于模型的控制方法
由此可见，由于纯滞后环节的存在，使被调量存在较
大的超调，且响应速度很慢，如果在控制精度要求很高的 场合，则需要采取其他控制手段，例如补偿控制、采样控
制等。下面介绍一种常规的大滞后控制方案并将它与PID控
第8章基于模型的控制方法
第8章 基于模型的控制方法
自动化131-3、机电131
第8章基于模型的控制方法
复习：
e(t )dt T e(i)(7 17)
t 0 s i 0
k
1.常用的数字滤波方法： (7 18) dt Ts （1）程序判断滤波 （2）中位值滤波 （3）递推平均滤波 （4）加权递推平均滤波 （5）一阶滞后数字滤波 2.数字PID控制算式 • 位置算式 1 t de(t )
3.数字PID改进算式 (1)不完全微分的PID算式(2)微分先行PID算式(3)积分分离PID算式 (4)带有不灵敏区的PID算式 4.DCS控制系统的基本结构包括操作站、控制站和通信网络系统三大部分。 5.DCS系统还包括四个接口部分： 过程接口、人机接口、工程接口、其他系统接口
第8章基于模型的控制方法
题之一。
解决纯滞后影响的方法很多，最简单的则是利用常规PID调 节器适应性强、调整方便的特点，经过仔细的参数整定，在控制
要求不太苛刻的情况下，可以满足生产过程的要求。
第8章基于模型的控制方法
图8-l为常规反馈控制方案，其中“广义对象”包括除控制器
外的所有环节，通常由执行机构、被控对象、传感变送单元等部 分组成。对象特性均用KpGp(s)e-τs表示，其中Kp表示对象的静态 增益，Gp(s)表示除去纯滞后环节和静态增益后剩下的动态特性。 对于Kp=2，Tp=4min，τ=4min的一阶加纯滞后对象，若采用常规 PID进行反馈控制，其最佳PID整定参数为：Kc=0.6，Ti=8min， Td=0min;对应的设定值跟踪响应如图8-2所示。
F(s) X(s) + 1 K C (1 ） TI s
TDs 1
+
+
Go(s)e
-τs
Y(s)
图8-1 常规反馈控制方案
第8章基于模型的控制方法
在图8-3所示的微分先行控制方案中，微分环节的输出信号 包括了被控参数及其变化速度值，将它作为测量值输入到比例积 分调节器中，这样使系统克服超调的作用加强了。
de(t )
e(k ) e(k 1)
u (t ) K c [e(t )
• 增量算式
e(t )dt T T
i 0
d
dt
] u0 (7 16)
u (k ) u (k ) u (k - 1) Kc [e(k ) e(k - 1)] Ts T e(k ) d e(k ) 2e(k - 1) e(k 2)] Ti Ts
制作对比。
第8章基于模型的控制方法
1、微分先行控制方案
微分作用的特点： 能够按被控参数变化速度的大小来校正被控参数的偏差，它对克 服超调现象能起很大作用。 但是对于图8-1所示的PID控制方案，微分环节的输入是对偏差作 了比例积分运算后的值。因此，实际上微分环节不能真正起到对被控 参数变化速度进行校正的目的，克服动态超调的作用是有限的。 如果将微分环节更换一个位置（见图8-3所示），则微分作用克服 超调的能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。
F(s) X(s) + K C (1 1 ） TI s
y(t) PID
+
+
Go(s)e-τs
Y(s)
15
微分先行
10
TDs 1
5
5
10
Leabharlann Baidu
15
20
25
t（min）
图8-3 微分先行控制方案
PID、 微分先行控制方案对定值扰动的响应特性
从比较图可以看出，微分先行控制方案虽比PID方法的超调量要小， 但仍存在较大的超调，响应速度均很慢，不能满足控制精度的要求。