过程控制第九讲大延时系统设计(lyz1)

s K ( T s 1 )( T s 1 ) e Y ( s ) c 1 D 1 s X ( s ) T sW ( s ) K ( T s 1 )( T s 1 ) e 1 0 c 1 D

注意：

微分先行控制方案和PID控制方案的特性方程完全相同。 少一下零点Z＝－1/TD，所以微分先行控制方案比PID控制 方案的超调量要小一些，提高了控制质量。
+
Wo(s)
e -t s
(a)原 理 图
x(s) +
+ + Y2 ( S ) Y1 ( S )
y(s)
Wc ( S ) W o ( s ) e-ts
W o ( s ) ( 1 -e - t s )
( b ) S M I T H预 估 补 偿
第九讲：大时延系统设计 Process Control System
主讲老师：廉迎战 副教授
重点内容

大时延控制系统=大时延对象+反馈控制系统 内容：

系统分析 控制方案 系统整定 系统投运
2019/2/13
过程控制与仪表
2
一、概述

大延时系统：


人们关注焦点，成为重要的研究课题：工业生产过程中，某些过 程特性具有较大的纯时延，其特点是当控制作用产生后，在时间τ 范围内，被控参数完全没有响应。 若过程控制通道或测量变送环节存在延时，将会降低系统的稳定 性，并且，纯时延会导致被控参数的偏差值增加，系统动态控制 精度和静态控制质量下降。对于具有有时延过程的控制是非常困 难的，采用反馈控制和前馈控制等方案是无法克服的。
5
二、常规控制方案


1．微分先行控制方案
A、微分先行控制在给定值作用下：
s K ( T s 1 ) e Y ( s ) c I 1 s X ( s ) T sW ( s ) K ( T s 1 )( T s 1 ) e I 0 c I D

B、PID控制系统在给定值作用下：
T ( S + 1 ) D
y ( s )
+ W ts o ( s )e
图 8 3 4P I D 系 统 框 图
f(s) x(s)
+ K c ( 1 + 1 / (T ) ) Is + W o ( s )
y(s)
e
-ts
+
T + 1 ) D(S
2019/2/13
图 8 -3 5微 分 先 行 控 制 方 案 过程控制与仪表
过程控制与仪表 9

讨论：

2019/2/13
三、SMITH预测估计


设对象的特性为W0(s)，其中W0(s)为对象不包含时 延环节的传递函数；扰动通道的特性为Wf(s)；控制 器的特性为Wc (s)， 单回路系统闭环传递函数为：
s W ( s ) W ( s ) e Y ( s ) 0 c s X ( s ) 1 W ( s ) W ( s ) e c 0
2019/2/13
特征方程中引入项e ，使闭环系统的品质大大恶化。
s
过程控制与仪表
10
三、SMITH预测估计



等效方案： W0(s)（1－e-τs） 为预估补 偿装置的 传递函数。
f(s) x(s) +
Wc ( S )
W f( s ) +y(s) + + + + +
W o ( s ) e-ts

2．中间微分控制方案 设： e
s
1 (1


将上式展开： 求得两种控制方案的特征根为 中间微分控制方案：

2
s) 2



PI控制系统：

S1，2=－0.199 ± j 0.058 S3=－0.643 S4=－0.207 S1，2=－0.161 ± j 0.253 S3=－0.755 S4=－0.15 中间微分控制方案的一对主要极点（复根）离jω轴较远，其衰减较快； 而PI控制方案的一对主要极点（复根）离jω轴较近，其衰减较慢。 两方案零点相同。中间微分控制方案的衰减比较大，过渡过程时间较 短，这种控制方案对克服纯时延的效果较好。
特点：微分先行PID控制系统中，微分环节的输出信 号包括了被控参数及其变化速度值，将它作为反馈量 与给定值比较的偏差作为PI控制器的输入信号，这样 系统具有更强克服超调的作用。
过程控制与仪表 4

2019/2/13
二、常规控制方案

1．微分先行控制方案
f ( s ) x ( s )
+ + K c ( 1 + 1 / ( T s ) ) I


大时延对象：当对象纯延迟时间τ o与其时间常数To之比 大于0.3，则该系统为具有大延时对象；当纯延迟与时间常 数之比增加，延时现象更加突出，系统越不稳定。 控制策略：

微分先行 Smith预估
过程控制与仪表 3
2019/2/13
二、常规控制方案

来自百度文库
1．微分先行控制方案 在大延时过程中，控制器若采用PI或 PID控制规律时，系统的品质均会下降， 纯时延愈大，其问题愈突出。PID控制 系统中采用微分先行控制方案与普通的 PID控制系统相比，其控制品质有较大 提高，对于减小超调量更显著。

中间微分环节：
s K K ( T s 1 ) e Y ( s ) c 0 1 s s X ( s )T s ( 1 T s K T se ) K K ( T s 1 ) e 1 0 0 D c 0 1
2019/2/13
过程控制与仪表
8
二、常规控制方案
过程控制与仪表 6
2019/2/13
二、常规控制方案


2．中间微分控制方案 特点：

系统中的微分作用是独立的； 在动态时起作用，而在静态时或在被控参数变化 速度恒定时就失去作用。
f(s) x(s)
++ +
y(s)
W o ( s )
+
K c ( 1 + 1 / (T ) ) Is
e
-ts
T DS
图 8 -3 6中 间 反 馈 控 制 方 案
2019/2/13
过程控制与仪表
7
二、常规控制方案


2．中间微分控制方案 设：


对象： 控制器：PI调节器 PI常规控制：
s K K ( T s 1 ) e Y ( s ) c 0 1 s X ( s ) T s ( 1 T s ) K K ( T s 1 ) e 1 0 c 0 1