《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 system
2016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
7.4
7.5

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 τ
T
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 E
R
E
-
Wc1 ( s ) 1 K c (1 + ) Ti s
Wc 2 ( s ) 1 + Td s
F
Wo ( 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
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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 E
R
E
-
1 + Td s
Wc 2 ( s)
中间反馈控制方案
-
Wc1 ( s ) 1 K c (1 + ) Ti s
F
Wo ( s ) Wo′ ( s )e −τs Y ′′
1+
1+
Wc 2 ( s ) Wc1 ( s )
1 + Td s K c [1 + 1 (Ti s )]