第七章 时间滞后控制系统
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① 微分先行控制系统的基本结构
R
E
-
W c1 ( s ) 1 K c (1 ) Ti s
F
Wo (s) W o ( s ) e s Y
Wc2 (s) 1 Td s
微分先行控制方案
R
E
-
W c1 ( s ) 1 K c (1 ) Ti s
Wc2 ( s) 1 Td s
F
Wo (s) W o ( s ) e s Y
第七章时间滞后控制系统
课程要点：
（1）时间滞后对控制质量的影响 （2）改进型常规控制方案 （3）Smith预估补偿方案 （4）采样控制方案
7.1 概述
① 在工业过程中常会遇到具有时间滞后的被控过程，这里所指的时间滞后是纯滞后和容量 滞后的统称。 a.纯滞后：通常由物料或能量的传输距离造成，例如皮带运输过程等；此时，由于 控制通道存在纯滞后，使得控制器的校正作用被延迟一个纯滞后时间，从而造成系 统的动态指标下降，闭环系统的稳定性下降。 b.容量滞后：通常由被控过程包含的物料或能量存储的容积而引起的，例如换热器 等。此时，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。另外，若引入微分作用，对于克服容量滞后对控制质量的影响 有一定效果。
②
③
7.2 改进型常规控制方案
7.2.3 三种控制方案仿真比较
若广义对象的传递函数为：
Wo ( s)
2 e 4s 4s 1
当设定值作10％阶跃变化时，采用常规PID控制、微分先行控制以及中间反 馈控制三种方案分别进行控制，数字仿真结果如表7-1和图7-2所示.
控制方案 常规PID 微分先行 中间反馈
微分先行控制系统的随动和抗干扰特性：
Y (s) Wc1 (s)Wo (s) R(s) 1 Wc1 (s)Wc 2 (s)Wo (s)
①
中间反馈控制系统和微分先行控制系统，无论是随动特性还是抗干扰特性， 其传递函数的分子均相同，只是分母略有不同，但适当调整调节器Wc1(s)和 Wc2(s)参数后，两者获得相近的特性。 对于设定值频繁变化时滞过程，中间反馈控制系统可以改善控制系统控制品 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。
② ③
④
⑤
7.4 采样控制方案
7.4.1 概述
①
常规PID控制方案难于控制大滞后过程，这主要是因为控制器的控制作用 不能及时的在被控量上反应出来，以至造成控制过头，引起过程超调严 重、甚至发生振荡。
②
采样控制的基本思想是 “ 调一下，等一等 ” ，即当控制器输出一段时间 后，就不再变化，而是保持此值至T时间或稍长，使得控制作用的效果可 以在被控量变化中反应出来，然后再根据偏差的大小决定下一次的控制 动作。
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ② 采样控制器的动态特性
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ③ 采样控制器的工作过程 当被控参数出现偏差e(t)，并且处在控制作用导通时间t0时， 控制器才接受这个偏差信息e(t)，产生校正作用； 当t>t0时，采样开关断开，控制作用进入保持时间，这时偏差 信号被切除，积分作用停止，保持器的输出维持在采样开关断 开时调节器的输出值上； 当t>t0+th时，采样开关再次闭合，控制作用导通，控制器再 次根据偏差信号产生相应的控制作用。 如此周而复始，直到偏差完全消除。
常规PID控制方案
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
② 微分先行控制的本质及特点：
微分先行方案本质上仍属PID控制系统。 微分先行方案的特点：控制器采用PI 控制规律；而将比例 微分作用移到反馈回路上去，将被控量和被控量的变化速 度同时反馈到控制器。
与常规PID控制作用相比，此时的PI控制器除了作用于被控 量的偏差之外，还要对被控量的变化速度进行PI运算，显 然，这将强化微分作用，减小滞后过程的超调量。
7.3.2 Smith预估补偿方案
① Smith预估补偿原理图
R E
-
Wc ( s )
Wo ( s)e s
Y
Ws ( s )
Smith预估补偿器 Smith预估补偿原理框图
②
Smith预估补偿的基本思想：首先估计出被控过程的动态特
s 性 w0 ( s )e ，构造预估补偿器 ws ( s ) ；通过补偿消除纯滞后特性
从仿真结果可以看出，微分先行和中间反馈控制都能有效地克服超调现象，缩 短调节时间，而且这两种控制方案无需特殊设备，因此有一定的价值。
7.3 大滞后Smith预估百度文库偿方案
7.3.1 概述
当/T较大时，可称为具有大滞后的过程。当工艺要求要达到较高的控制 品质时，前述改进型常规控制方案往往不能满足要求。
②
用/T的比值衡量滞后的大小。例如，当/T较大时，常规控制往往不能满足控制需求， 而需要采取特殊的控制策略；当/T较小时，一般采用常规控制即可。
③ 时间滞后系统控制方法分类： a.改进型常规控制方法； b.预估补偿方法； c.采样控制方法。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
④ 微分先行控制系统的抗干扰特性：
Y ( s ) Wo ( s ) F ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的抗干扰特性：
Y (s) Wo ( s) F ( s ) 1 Wc1 ( s )Wc 2 ( s)Wo ( s)
③
采样控制的这种思想是宁愿让每次的控制作用弱一些，来避免控制器进 行不必要的过调动作。实际上，采样控制就是按偏差进行周期性断续控 制的一种控制方式。
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ① 采样控制系统基本组成
采样控制系统组成与常规PID控制系统的区别是增加了两个采样开关和 一个保持器，它们与控制器合在一起称为采样控制器。
①
在Smith预估补偿控制等效方框图中，不能理解为测量信号从W0(s) 环节后取出，因为在实际过程中，该信号是不可测的，实际可测信 号仅仅是过程输出。因此，这种等效图，并不表示实际物理过程。 Smith预估补偿控制预估控制量U(s)对过程输出Y(s)将产生的影响； 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。 对于大多数被控过程，过程模型只是真实过程的近似表示。利用过 程近似模型来建立Smith预估补偿控制器时，存在一定的误差。 由于纯滞后项为指数函数，所以纯滞后时间的误差对Smith补偿效果 的影响比较大。
e s
-
后移至对象后
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
前移至滞后环节前
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
Smith预估补偿系统等效方框图
s Smith预估补偿前，闭环系统特征方程为： 1 Wc ( s)W0 ( s )e 0
两个随动系统的分母相同，两系统过渡过程的动态稳定性是一样的； 常规PID控制系统比微分先行控制方案多了一个闭环零点，即
Y ( s) Wc 2 ( s)Y ( s) (1 Td s )Y ( s )
y (t ) y(t ) Td
d [ y(t )] dt
微分先行方案较常规PID方案少一个闭环零点，减少了输出瞬态变化对过程品质 的影响，故微分先行控制系统的随动特性优于常规PID控制系统。 结论：对于设定值变化频繁的时滞过程，微分先行控制方案可以改善过程的控制品质。
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。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.2 中间反馈控制方案 ① 中间反馈控制系统的基本结构：
R E W c1 (s ) 1 K c (1 ) Ti s F Wo (s ) Wo (s )e s Y
-
1 Td s
在中间反馈控制系 统中，微分作用和比 例积分作用是独立 的，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。
7.5 三类时间滞后控制方案的综合比较
（1）改进型常规控制方案
该方案的特点是实施比较简单，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。 该方法适用于设定值频繁变化，控制质量要求不太高的场合。
（2）Smith预估补偿方案
该方案针对大滞后过程是一种十分理想的控制方案； 但该方案以精确描述被控过程的动态特性为基础。 当模型不准确或模型参数随着运行工况变化时，该方案往往得不到预期 的补偿效果，因而单纯的Smith预估补偿方案在工业中的应用受到限制。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
③ 微分先行控制系统的随动特性：
Y ( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) R ( s) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的随动特性：
Y (s) Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s ) R ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s )
R E Wc1 ( s) 1 K c (1 ) Ti s
Wc 2 ( s)
中间反馈控制方案
F
Wo ( s ) Wo ( s )e s Y
-
1
1
Wc2 (s) Wc1 ( s )
1 Td s K c [1 1 (Ti s )]
7.2 改进型常规控制方案
7.2.2 中间反馈控制方案 ① 中间反馈控制系统的随动特性及抗干扰特性
经过Smith预估补偿后，闭环系统特征方程为： 1 Wc ( s)W0 ( s) 0
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稳定性的不利影响。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.3 Smith预估补偿控制应注意的问题 ——实测信号及过程模型
整定参数
超调量 32% 15% 8%
过渡过程时间 26min 21min 18min
K c 0.5, Ti 10, Td 0.03
K c 0 . 5 , T i 10 , T d 1
K c 0.25, Ti 10, Td 0.3
7.2 改进型常规控制方案
7.2.3 三种控制方案仿真比较
Y ( s ) W c 1 ( s )W o ( s ) R ( s ) 1 W 0 ( s )[W c 1 ( s ) W c 2 ( s )]
Y ( s ) Wo ( s ) F ( s ) 1 W 0 ( s )[W c1 ( s ) W c 2 ( s )]
Y (s) Wo (s) F (s) 1 Wc1 (s)Wc2 (s)Wo (s)
s 在闭环中的影响 Wo ( s )e Ws ( s) Wo ( s)
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
s ③ Smith预估补偿器为 Ws (s ) Wo ( s)(1 e )
R
E
-
Wc ( s )
Wo ( s )e s
Y
Wo ( s )
（3）采样控制方案 该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。
结 束
1957年，史密斯（Smith）提出了以补偿原理为基础的大滞后预估补偿方 案，这种方案被称为Smith预估补偿方案。它是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。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
R
E
-
W c1 ( s ) 1 K c (1 ) Ti s
F
Wo (s) W o ( s ) e s Y
Wc2 (s) 1 Td s
微分先行控制方案
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W c1 ( s ) 1 K c (1 ) Ti s
Wc2 ( s) 1 Td s
F
Wo (s) W o ( s ) e s Y
第七章时间滞后控制系统
课程要点：
（1）时间滞后对控制质量的影响 （2）改进型常规控制方案 （3）Smith预估补偿方案 （4）采样控制方案
7.1 概述
① 在工业过程中常会遇到具有时间滞后的被控过程，这里所指的时间滞后是纯滞后和容量 滞后的统称。 a.纯滞后：通常由物料或能量的传输距离造成，例如皮带运输过程等；此时，由于 控制通道存在纯滞后，使得控制器的校正作用被延迟一个纯滞后时间，从而造成系 统的动态指标下降，闭环系统的稳定性下降。 b.容量滞后：通常由被控过程包含的物料或能量存储的容积而引起的，例如换热器 等。此时，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。另外，若引入微分作用，对于克服容量滞后对控制质量的影响 有一定效果。
②
③
7.2 改进型常规控制方案
7.2.3 三种控制方案仿真比较
若广义对象的传递函数为：
Wo ( s)
2 e 4s 4s 1
当设定值作10％阶跃变化时，采用常规PID控制、微分先行控制以及中间反 馈控制三种方案分别进行控制，数字仿真结果如表7-1和图7-2所示.
控制方案 常规PID 微分先行 中间反馈
微分先行控制系统的随动和抗干扰特性：
Y (s) Wc1 (s)Wo (s) R(s) 1 Wc1 (s)Wc 2 (s)Wo (s)
①
中间反馈控制系统和微分先行控制系统，无论是随动特性还是抗干扰特性， 其传递函数的分子均相同，只是分母略有不同，但适当调整调节器Wc1(s)和 Wc2(s)参数后，两者获得相近的特性。 对于设定值频繁变化时滞过程，中间反馈控制系统可以改善控制系统控制品 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。
② ③
④
⑤
7.4 采样控制方案
7.4.1 概述
①
常规PID控制方案难于控制大滞后过程，这主要是因为控制器的控制作用 不能及时的在被控量上反应出来，以至造成控制过头，引起过程超调严 重、甚至发生振荡。
②
采样控制的基本思想是 “ 调一下，等一等 ” ，即当控制器输出一段时间 后，就不再变化，而是保持此值至T时间或稍长，使得控制作用的效果可 以在被控量变化中反应出来，然后再根据偏差的大小决定下一次的控制 动作。
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ② 采样控制器的动态特性
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ③ 采样控制器的工作过程 当被控参数出现偏差e(t)，并且处在控制作用导通时间t0时， 控制器才接受这个偏差信息e(t)，产生校正作用； 当t>t0时，采样开关断开，控制作用进入保持时间，这时偏差 信号被切除，积分作用停止，保持器的输出维持在采样开关断 开时调节器的输出值上； 当t>t0+th时，采样开关再次闭合，控制作用导通，控制器再 次根据偏差信号产生相应的控制作用。 如此周而复始，直到偏差完全消除。
常规PID控制方案
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
② 微分先行控制的本质及特点：
微分先行方案本质上仍属PID控制系统。 微分先行方案的特点：控制器采用PI 控制规律；而将比例 微分作用移到反馈回路上去，将被控量和被控量的变化速 度同时反馈到控制器。
与常规PID控制作用相比，此时的PI控制器除了作用于被控 量的偏差之外，还要对被控量的变化速度进行PI运算，显 然，这将强化微分作用，减小滞后过程的超调量。
7.3.2 Smith预估补偿方案
① Smith预估补偿原理图
R E
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Wc ( s )
Wo ( s)e s
Y
Ws ( s )
Smith预估补偿器 Smith预估补偿原理框图
②
Smith预估补偿的基本思想：首先估计出被控过程的动态特
s 性 w0 ( s )e ，构造预估补偿器 ws ( s ) ；通过补偿消除纯滞后特性
从仿真结果可以看出，微分先行和中间反馈控制都能有效地克服超调现象，缩 短调节时间，而且这两种控制方案无需特殊设备，因此有一定的价值。
7.3 大滞后Smith预估百度文库偿方案
7.3.1 概述
当/T较大时，可称为具有大滞后的过程。当工艺要求要达到较高的控制 品质时，前述改进型常规控制方案往往不能满足要求。
②
用/T的比值衡量滞后的大小。例如，当/T较大时，常规控制往往不能满足控制需求， 而需要采取特殊的控制策略；当/T较小时，一般采用常规控制即可。
③ 时间滞后系统控制方法分类： a.改进型常规控制方法； b.预估补偿方法； c.采样控制方法。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
④ 微分先行控制系统的抗干扰特性：
Y ( s ) Wo ( s ) F ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的抗干扰特性：
Y (s) Wo ( s) F ( s ) 1 Wc1 ( s )Wc 2 ( s)Wo ( s)
③
采样控制的这种思想是宁愿让每次的控制作用弱一些，来避免控制器进 行不必要的过调动作。实际上，采样控制就是按偏差进行周期性断续控 制的一种控制方式。
7.4 采样控制方案
7.4.2 采样控制方案 ① 采样控制系统基本组成
采样控制系统组成与常规PID控制系统的区别是增加了两个采样开关和 一个保持器，它们与控制器合在一起称为采样控制器。
①
在Smith预估补偿控制等效方框图中，不能理解为测量信号从W0(s) 环节后取出，因为在实际过程中，该信号是不可测的，实际可测信 号仅仅是过程输出。因此，这种等效图，并不表示实际物理过程。 Smith预估补偿控制预估控制量U(s)对过程输出Y(s)将产生的影响； 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。 对于大多数被控过程，过程模型只是真实过程的近似表示。利用过 程近似模型来建立Smith预估补偿控制器时，存在一定的误差。 由于纯滞后项为指数函数，所以纯滞后时间的误差对Smith补偿效果 的影响比较大。
e s
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后移至对象后
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
前移至滞后环节前
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
Smith预估补偿系统等效方框图
s Smith预估补偿前，闭环系统特征方程为： 1 Wc ( s)W0 ( s )e 0
两个随动系统的分母相同，两系统过渡过程的动态稳定性是一样的； 常规PID控制系统比微分先行控制方案多了一个闭环零点，即
Y ( s) Wc 2 ( s)Y ( s) (1 Td s )Y ( s )
y (t ) y(t ) Td
d [ y(t )] dt
微分先行方案较常规PID方案少一个闭环零点，减少了输出瞬态变化对过程品质 的影响，故微分先行控制系统的随动特性优于常规PID控制系统。 结论：对于设定值变化频繁的时滞过程，微分先行控制方案可以改善过程的控制品质。
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。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.2 中间反馈控制方案 ① 中间反馈控制系统的基本结构：
R E W c1 (s ) 1 K c (1 ) Ti s F Wo (s ) Wo (s )e s Y
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1 Td s
在中间反馈控制系 统中，微分作用和比 例积分作用是独立 的，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。
7.5 三类时间滞后控制方案的综合比较
（1）改进型常规控制方案
该方案的特点是实施比较简单，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。 该方法适用于设定值频繁变化，控制质量要求不太高的场合。
（2）Smith预估补偿方案
该方案针对大滞后过程是一种十分理想的控制方案； 但该方案以精确描述被控过程的动态特性为基础。 当模型不准确或模型参数随着运行工况变化时，该方案往往得不到预期 的补偿效果，因而单纯的Smith预估补偿方案在工业中的应用受到限制。
7.2 改进型常规控制方案
7.2.1 微分先行控制方案
③ 微分先行控制系统的随动特性：
Y ( s ) Wc1 ( s )Wo ( s ) R ( s) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s)
常规PID控制系统的随动特性：
Y (s) Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s ) R ( s ) 1 Wc1 ( s)Wc 2 ( s )Wo ( s )
R E Wc1 ( s) 1 K c (1 ) Ti s
Wc 2 ( s)
中间反馈控制方案
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Wc2 (s) Wc1 ( s )
1 Td s K c [1 1 (Ti s )]
7.2 改进型常规控制方案
7.2.2 中间反馈控制方案 ① 中间反馈控制系统的随动特性及抗干扰特性
经过Smith预估补偿后，闭环系统特征方程为： 1 Wc ( s)W0 ( s) 0
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稳定性的不利影响。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.3 Smith预估补偿控制应注意的问题 ——实测信号及过程模型
整定参数
超调量 32% 15% 8%
过渡过程时间 26min 21min 18min
K c 0.5, Ti 10, Td 0.03
K c 0 . 5 , T i 10 , T d 1
K c 0.25, Ti 10, Td 0.3
7.2 改进型常规控制方案
7.2.3 三种控制方案仿真比较
Y ( s ) W c 1 ( s )W o ( s ) R ( s ) 1 W 0 ( s )[W c 1 ( s ) W c 2 ( s )]
Y ( s ) Wo ( s ) F ( s ) 1 W 0 ( s )[W c1 ( s ) W c 2 ( s )]
Y (s) Wo (s) F (s) 1 Wc1 (s)Wc2 (s)Wo (s)
s 在闭环中的影响 Wo ( s )e Ws ( s) Wo ( s)
7.3 大滞后Smith预估补偿方案
7.3.2 Smith预估补偿方案
s ③ Smith预估补偿器为 Ws (s ) Wo ( s)(1 e )
R
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Wc ( s )
Wo ( s )e s
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Wo ( s )
（3）采样控制方案 该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。
结 束
1957年，史密斯（Smith）提出了以补偿原理为基础的大滞后预估补偿方 案，这种方案被称为Smith预估补偿方案。它是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。
7.3 大滞后Smith预估补偿方案