《过程控制系统》-时间滞后控制系统

《过程控制系统》第七章 时间滞后控制系统Time-delay control system2016年4月东北大学《过程控制系统》第七章 时间滞后控制系统7.1 7.2 7.3概述 改进型常规控制方案 大滞后预估补偿方案 采样控制 三种方案比较7.47.5第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.1 概述滞后时间对控制质量的影响： 当纯滞后存在于扰动通道时，仅使系统的输出对扰动的反应延迟了一 个纯滞后时间； 当容量滞后存在于扰动通道时，容量滞后时间越大，系统抗干扰能力 越强。

当控制通道存在纯滞后时，调节器的控制作用将要滞后一个纯滞后时 间，从而使超调量增加，被控参数的最大偏差增大，引起系统的动态指 标下降，并且纯滞后时间的增大，也不利于闭环系统的稳定性； 控制通道的容量滞后同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降， 但是容量滞后的影响比纯滞后的影响和缓。

若引入微分作用，对于克服 容量滞后对控制质量的影响有显著的效果。

过程纯滞后对控制质量的影响，取决于 τT的大小。

通常，当 τ T > 0.5 时，应作为大纯滞后过程，这时常规控制往往不能满足控制需求。

第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.2 改进型常规控制方案7.2.1微分先行控制方案 中间反馈控制方案7.2.2第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.2.1 微分先行控制方案(differential forward control)微分先行控制系统， 其随动特性和抗干扰特性 分别为： Y ′( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) = R ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) Y ′( s ) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) 常规PID控制系统，其随动特 性和抗干扰特性分别为： Y ( s) Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) = R( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) Y (s) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s )R ERE-Wc1 ( s ) 1 K c (1 + ) Ti sWc 2 ( s ) 1 + Td sFWo ( s ) Wo′ ( s )e −τs Y常规PID控制方案Wc1 ( s) 1 K c (1 + ) Ti s F Wo ( s ) Wo′ ( s )e −τs Wc 2 ( s) 1 + Td s Y′-微分先行控制方案常规PID控制系统和微分先行控制系统 具有相同的特征方程，可见，两系统过渡 过程的动态稳定性相同.第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.2.1 微分先行控制方案(differential forward control)微分先行控制系统，其随动特性和抗干扰特性分别为： Y ′( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) = R ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) Y ′( s ) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s )常规PID控制系统，其随动特性和抗干扰特性分别为： Y ( s) Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) = R( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s ) Y (s) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + Wc1 ( s )Wc 2 ( s )Wo ( s )Y ( s ) = Wc 2 ( s )Y ′( s ) = Y ′( s ) + Td sY ′( s )∆y (t ) = ∆y′(t ) + Td 对上式进行拉氏反变换，有： d [∆y ′(t )] dt微分先行控制系统的随动特性优于常规PID控制系统。

微分先行控制系 统和常规PID控制系统的抗干扰性能是相同的。

结论：设定值变化频繁的大滞后过程，微分先行控制方案可以改善过程的控制品质。

第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》Wc1 ( s) 1 K c (1 + ) Ti s F Wo ( s ) Wo′ ( s )e −τs Y ′′7.2.2 中间反馈控制方案(Intermediate feedback control)系统的控制作用是偏差的PI作 用和被控量变化速度所起的校正作 用之和。

中间反馈控制方案的随动特性 和抗干扰特性表示为： Y ′′( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) = R( s ) 1 + W0 ( s )[Wc1 ( s ) + Wc 2 ( s )] Y ′′( s ) Wo ( s ) = F ( s ) 1 + W0 ( s )[Wc1 ( s ) + Wc 2 ( s )] 对于大滞后过程，当设定值频繁变 化时，中间反馈控制系统和微分先行控 制系统一样，可以改善控制系统的控制 品质，尤其在减小超调量方面效果更 佳。

在抗扰动性能方面，两者的控制品 质和常规PID控制差别不大。

R ERE-1 + Td sWc 2 ( s)中间反馈控制方案-Wc1 ( s ) 1 K c (1 + ) Ti sFWo ( s ) Wo′ ( s )e −τs Y ′′1+1+Wc 2 ( s ) Wc1 ( s )1 + Td s K c [1 + 1 (Ti s )]第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.3 大滞后预估补偿方案Large time-delay predictive compensation control7.3.1Smith预估补偿的基本原理 Smith预估补偿控制应注意的几个问题7.3.2第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.3.1 Smith预估补偿的基本原理Smith预估补偿方案：按照被控过程的特性，设想出一种模型并联在对象的两端，以 补偿过程的动态特性，使补偿后的等效对象中消除纯滞后特性，从而改善控制系统的控 制质量。

使PID控制器控制的等效对象中消除纯滞后部分，即：Wo ( s)e −τs + Ws ( s) = Wo ( s)−τs 则，Smith预估补偿器为 Ws ( s) = Wo ( s)(1 − e )REWc ( s )Wo ( s)e −τsYWs ( s )++Smith预估补偿器 Smith预估补偿原理框图第七章时间滞后控制系统《过程控制系统》7.3.1 Smith预估补偿的基本原理Smith预估补偿器为R EWs ( s) = Wo ( s)(1 − e −τs )Wc ( s ) Wo ( s )e −τs YWo ( s )+e −τs -+ +后移至对象后7.3.1 Smith预估补偿的基本原理)1)(()(s o s e s W s W τ−−=Smith 预估补偿器为7.3.1 Smith预估补偿的基本原理Smith预估补偿系统等效方框图0)()(10=+−s c e s W s W τ0)()(10=+s W s W c Smith预估补偿前，闭环系统特征方程为：经过Smith预估补偿后，闭环系统特征方程为：具有纯滞后的系统，经Smith预估补偿后，消去了系统特征方程中纯滞后因素，因而可以消除过程纯滞后特性对系统性能的不利影响。

Y ′7.3.2 Smith预估补偿控制应注意的几个问题1.在前述等效方框图中，不能理解为测量信号从环节后取出，因为在实际过程中，该信号是不可测的。

它只是纯滞后补偿控制作用的一种等效图，并不表示实际物理过程。

)(s W o 2．Smith预估补偿控制中，预估是在过程模型已知的情况下进行的，所以，实现Smith预估补偿的基础是过程动态模型已知。

3．对于大多数被控过程，过程模型只是真实过程的近似表示。

因此，利用过程模型来建立Smith预估补偿控制器时，存在一定的误差。

4．当工作点发生改变，对象特性发生变化时，Smith预估补偿效果要受到一定的影响。

7.4 采样控制(Sampling control )采样控制的基本思想是“调一下，等一等”；)(s W c )(s W h s o e s W τ−)(YFR E -采样控制器采样控制系统方框图)(t e tt )(t u ot ∆ht ∆采样控制器的动态特性o t ∆是控制作用的导通时间。

h t ∆是控制作用的保持时间。

采样控制是按偏差进行周期性断续控制的一种控制方式。

7.5 三种方案比较改进型常规控制方案实施比较简单，调整方便，当设定值频繁变化时，该方法能够明显改善控制系统的控制品质。

适用于设定值频繁变化，控制质量要求不太高的场合。

Smith预估补偿方案针对大滞后过程是一种十分理想的控制方案，但该方案必须以能够精确描述被控过程的动态特性为基础。

当模型不能准确描述，或者模型参数随着运行工况不同不断变化时，Smith预估补偿方案往往得不到预期的补偿效果，这使得单纯的Smith预估补偿方案在工业中的应用受到了一定的限制。

采样控制方案是一种断续的控制方式，它无需精确掌握被控过程的动态特性，就能克服过程中的纯滞后对控制质量的不利影响。

应该注意的是，控制作用的保持时间应略大于过程的滞后时间。