第7章-大滞后控制系统

7.3 大滞后过程控制系统
如图是采用简单控制方案的大滞后过程控制系统
框图。其中Go(s)e －τoS为控制通道的广义传递函数， 特意将纯滞后环节e －τoS单独写出，并且变送器的传
递函数简化为1。该系统X(s)与Y(s)之间的闭环传递函
数为：
Y(s) X(s)
=
Gc (s)Go (s)e−τos 1+Gc (s)Go (s)e−τos
但是，Smith预估补偿器并没有消除纯滞后τ0对
干扰F(s)抑制过程的影响。因为
Y(s) F(s)
=
Gf
(s){1 −
Gc (s)Go (s) 1+Gc (s)Go (s)
e −τ os }
式中，干扰F(s)与被控参数Y(s)之间的传递函数 由两部分组成：第一项是干扰对被控参数的扰动作 用；第二项是控制系统抑制干扰影响的控制作用。
F(s)
Gf(s) U(s)
X(s)
+_
Gc(s)
Go(s)e-τoS
Y(s)
7.3 大滞后过程控制系统
若能将G0(s)e –τoS中的e –τoS补偿掉，则实现无滞 后控制。Smith提出了一种大滞后系统预估补偿控制 方法，图7.17是Smith预估补偿控制系统框图，Gb(s) 是Smith预估补偿器的传递函数。
Y(s) F(s)
=
Gf
(s){1 −
Gc (s)Go (s) 1+Gc (s)Go (s)
e −τ os }
F(s)
X(s)
+_
Gf(s)
U(s)
+
Gc(s)
Go(s)e-τoS +
Go(s)
+
e-τoS _
+
Y(s) Y’(s)
7.3 大滞后过程控制系统
和设定值通道一样，干扰通道的传递函数特征方 程中也不包含e –τoS项，即预估补偿消除了纯滞后对系 统闭环稳定性的影响。
=
Go
(s)e−τos
+
Gb
(s)
=
Go
(s)
得： Gb (s) = Go (s)(1− e−τos )
F(s) Gf(s)
X(s)
+_
U(s)
Gc(s)
Go(s)e-τoS +
Gb(s)
+
Y(s)
+ +
Y’(s)
7.3 大滞后过程控制系统
根据Smith预估器的传递函数Gb(s)表达式，就可 得到图7.18的Smith预估补偿控制系统实施框图。
F(s)
X(s)
+_
Gf(s)
U(s)
+
Gc(s)
Go(s)e-τoS +
Go(s)
e-τoS _
+
+
Y(s) Y’(s)
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7.3 大滞后过程控制系统
对比基本的单回路控制系统， Smith预估补偿控 制系统的特征方程中已不包含e –τoS项，即预估补偿消 除了控制通道纯滞后对系统闭环稳定性的影响。
Y(s) = Gc (s)Go (s) e−τos X(s) 1+Gc (s)Go (s)
F(s)
X(s)
+_
Gf(s)
U(s)
Gc(s)
Go(s)e-τoS +
Gb(s)
+
Y(s)
+ +
Y’(s)
7.3 大滞后过程控制系统
采用预估补偿器后，控制量U(s)与反馈信号Y’(s)
之间的传递函数是两个并联通道G0(s) e –τoS与Gb(s)之 和，并且应当等于G0(s)：
Y′(s) U(s)
Gb (s) = Go (s)(1− e−τos )
F(s)
X(s)
+_
Gf(s)
U(s)
+
Gc(s)
Go(s)e-τoS +
Go(s)
e-τoS _
+
+
Y(s) Y’(s)
7.3 大滞后过程控制系统
可得到设定值X(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为
Y(s) = Gc (s)Go (s) e−τos X(s) 1+Gc (s)Go (s)
7.3 大滞后过程控制系统
Y(s) F(s)
=
Gf
(s){1 −
Gc (s)Go (s) 1+Gc (s)Go (s)
e −τ os }
由于上式第二项含有e -τoS项，表明系统对干扰
的控制作用比干扰作用纯滞后τ0时段，这仍然影响
控制效果。
因此，Smith预估补偿系统对设定值扰动的控制 效果很好；对负荷扰动的控制效果有所改善。
x(t)
S1
S2
u(t)
采样控制器
保持器
执行器
过程
y(t)
+_
e*(t)
u*(t)
变送器
采样控制是以牺牲速度来获取稳定的控制效果，如果在采 样间隔内出现干扰，必须要等到下一次采样后才能作出反应。
其它解7决.3 方大案滞后：过程控制系统 微分先行控制方案
D
R（s）
特点：
kc
(1
+
1 Tis
)
k pgp (s)e−τ ds
7.3 大滞后过程控制系统
大滞后过程的Simth预估补偿控制 Simth预估补偿控制是按照对象特性，设计一个 模型加入到反馈控制系统，提早估计出对象在扰动作 用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动 作，从而降低超调量，并加速调节过程。 为理解Smith预估控制的工作原理，先分析采用 简单控制方案时，大滞后过程的特性。
但是，Smith预估补偿系统对补偿模型的误差十 分敏感，补偿效果取决于补偿器模型的精度。
Gb(s)= G0(s)(1 - e -τoS)
7.3 大滞后过程控制系统 总结：
（1） 在给定值扰动下，与单回路控制相比， Smith预 估补偿控制对控制效果的改进非常明显。
（2） Smith预估补偿控制对负荷扰动的克服效果差。
预估补偿控制
Y(s) X(s)
=
Gc (s)Go (s)e−τos 1+Gc (s)Go (s)e−τos
单回路控制
至于分子中的e –τoS 项只是将被控参数y(t)的响应
在时间上推迟了τ0时段。说明预估补偿后，设定值
通道的控制品质和过程无滞后时完全相同。
7.3 大滞后过程控制系统
干扰F(s)与Y(s)之间的闭环传递函数为
7.3 大滞后过程控制系统
典型的大滞后过程的采样控制系统框图如图所
示。图中，采样控制器每隔采样周期T动作一次。S1、 S2表示采样器，它们同时接通或同时断开。
S1、S2，接通时，采样控制器闭环工作；S1、 S2断开时，采样控制器停止工作，输出为零，但是
上一时刻的控制值u*(t)通过保持器持续输出。
（3）Smith预估补偿控制的适应性较差，对模型的精 度有很高的要求。
τ1s +1 τ 2s +1
Y（s）
将微分作用移到反馈回路，加强微分作用，减少动态 偏差
中间反7馈.3 控大制滞后方过案程控制系统
D
R（s）
kc
(1
+
1 Tis
)
k pgp (s)e−τ ds
Y（s）
k DTDs TDs +1
特点： 适当配置零极点来改善控制品质
两种控制对迟延有一定的克服作用，但效果还不够 理想。表现为超调较大，相应速度较慢。
7.3 大滞后过程控制系统
7.3 大滞后过程控制系统
大滞后过程的采样控制
所谓采样控制，是一种定周期的断续PID控制方 式，即控制器按周期T进行采样控制。在两次采样之 间，保持该控制信号不变，直到下一个采样控制信号
信号到来。保持的时间T与必须大于纯滞后时间τ0。
这样重复动作，一步一步地校正被控参数的偏差值， 直至系统达到稳定状态。 这种“调一调，等一等”的方案的核心思想就是放慢控 制速度，减少控制器的过度调节。