第六章大纯滞后和逆向响应过程的控制
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T
一般而言,控制的难易程度如下图所示
k / T 来衡量。是个无量纲 W 纯滞后的影响通常用 (s) 的值，它反映了纯滞后的相对影响。就是说 (1 Ts ) n
T
，在 值稍大一些也不要紧， T大的时候， n 尽管过渡过程慢一些，但很易稳定。反之， f( ) T小时，即使 值不大，影响却可能很大 在T ，系统很易剧烈振荡。一般当 / T ＞0.5时 n , 难控 T 的过程，作为具有大纯滞后过程，需作待殊 处理。
F(s) GF(s) Y(s) Gc(s) Gp(s)
结论：纯滞后使临界增益降低。为保证闭环响应的 稳定，必须降低控制器的增益，这将导致过程响应 p 的缓慢。 纯滞后的增加，不利于闭环系统的稳定性，使闭环
G (s) G0 (s)e
s
纯滞后出现在控制系统的位置
2。纯滞后出现在干扰通道
GF (s) G1 (s)e
在控制系统中，纯滞后可以出现在控制系统的不同位置。 • 主过程:可能涉及长距离的流体传输，或包含长时间的潜伏期； • 测量装置:可能需要较长的时间间隔才能完成采样和分析． • 执行器:可能需要一定的时间产生执行信号。
纯滞后出现在控制系统的位置
1。纯滞后出现在前向控制通道
Gc( s )G0 ( s )e s Y ( s) R( s ) 1 Gc( s )G0 ( s )e s GF ( s ) Y ( s) F ( s ) 1 Gc( s )G0 ( s )e s
3。使用实例
行控制的数字仿真。设对象参数KP＝2，Tp＝4， p ＝4。
例 对一阶时滞加纯迟后的对象进行单回路控制和加入史密斯预估器进
(1) 当PI参数为Kc＝20，Ti＝ 1时，系统在设定值扰动(r＝ 10)下的响应曲线如图所示。 实线是smith预估器后的响应 曲线，其超调量仅0．32，调 节时间缩短到8s，与单回路 PID控制曲线(虚线)相比，效 果十分显著。
控制器
对象
r
GC (s)
G0 (s)es
对控制器 Gc (s) 而言，对象为 G0 (s)e s （有纯滞后）。
第二节 Smith预估补偿控制
为了使等效对象不具有纯滞后，对等效对象进 行补偿，回路如下：
等效对象
r
GC (s)
G0 (s)es
Gk (s)
第二节 Smith预估补偿控制
u
G ( s) G0 (s)e
` e
s
(1 e
s
)G 0 (s) G 0 (s)(或G0 (s))
这样控制系统的品质就会严重恶化，而且纯延迟变化，对控制系统的品质的 影响尤其突出。
(3) 调节结果与过程无纯延迟一样，只是在时间上向后推迟了纯 延迟时间长度。
第二节 Smith预估补偿控制
第六章 大纯滞后和逆向响应过程的控制 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 引言 Smith预估补偿控制 自适应Smith预估器补偿控制 内部模型控制（IMC） 逆向特性过程的控制
第一节 引言
电厂温度和压力过程是大滞后过程（特别是直吹式机 组），大滞后是很难控制的。 原因： （i）为保证系统的稳定性，调节器只能动作的很缓慢， 快了会不稳定。 （ii）即使控制作用 u 改变了，由于被控对象是大滞后 的，因此，将被调量控回到设定值的时间很长，而扰动 可能很快，则系统一定有较大的动态偏差。 （iii）一般而言， 0.5 或n>6阶，是大滞后过程。
f s
1 Gc(s)G0 (s)e s 0
结论：系统闭环特征方程中不含有纯滞后项，闭环 特征根不受干扰纯滞后的影响。干扰纯滞后只出现 在闭环传递函数的分子项中，闭环系统的稳定性和 控制品质不会受到影响。
第二节 Smith预估补偿控制
1。预估器的形式 被控过程具有纯滞后的单回路控制系统：
系统在设定值扰动下的过渡过程(r＝10)
第二节 Smith预估补偿控制
(2) 但是史密斯预估器对系统受到的 负荷扰动无所助益。 假定调节器的整定参数不变，在干 扰D＝10的情况进行数字仿真，从 仿真结果响应曲线可知，当采用 smith预估器后，系统呈现发散振 荡。这是由于系统受到负荷扰动后， 调节器在d时间内没能得到预估器 的信息而提前动作，同时原系统在 系统在负荷扰动(D＝10）下的过渡过程 实线－smith预估控制曲线，虚线一单回路 定值扰动下整定的调节器比例增益 PID控制曲线 过大造成的。
第三节 自适应Smith预估器补偿控制
由于被控对象的特性会发生变化，使Smith预估 器的应用受到限制，目前在Smith预估器方面的研 究是让Smith预估器具有自适应功能，当对象的动 态特性变化后，Smith预估控制系统仍有好的控制 品质。 一、增益自适应补偿控制 二 、动态参数自适应补偿控制
r
GC (s)
G0 (s)es
(1e )G0(s)
s
第二节 Smith预估补偿控制
实际过程
r
GCΒιβλιοθήκη (s)G0 (s)es
e
s
(G0 ( s )
在控制系统中实现
Smith预估补偿控制器的示意图
第二节 Smith预估补偿控制
2。使用特点
Gc (s) 而言，对象为 G0 (s)，因此， Gc (s) 可以整定动作较 (1).对于 快，系统仍是稳定的。但 Gc (s) 整定的较快，意味着控制作用 动作较快。这是大滞后被控对象提高控制品质的关键 。 (2) Smith预估器在应用中的一个难点问题： 因为[1 e s ]G0 (s) 是在控制系统中实现，是模型。可以计算实 G0 (s)e s是不 现 ,一旦实现后是固定不变的。而过程和实际特性 断变化的。如果 G0 (s) G0 (s), ，则对 Gc (s) 而言，等效对象：
引入环节 Gk (s) ，对象纯滞后进行补偿，整个等效对象为：
Ge (s) G0 (s)e s Gk (s)
要使补偿后的等效对象具有好的特性，则取 ：
Ge (s) G0 (s)
代入上式得 ：
Gk (s) G0 (s)(1 e s )
第二节 Smith预估补偿控制
因此，Smith预估器的单回路系统为：
一般而言,控制的难易程度如下图所示
k / T 来衡量。是个无量纲 W 纯滞后的影响通常用 (s) 的值，它反映了纯滞后的相对影响。就是说 (1 Ts ) n
T
，在 值稍大一些也不要紧， T大的时候， n 尽管过渡过程慢一些，但很易稳定。反之， f( ) T小时，即使 值不大，影响却可能很大 在T ，系统很易剧烈振荡。一般当 / T ＞0.5时 n , 难控 T 的过程，作为具有大纯滞后过程，需作待殊 处理。
F(s) GF(s) Y(s) Gc(s) Gp(s)
结论：纯滞后使临界增益降低。为保证闭环响应的 稳定，必须降低控制器的增益，这将导致过程响应 p 的缓慢。 纯滞后的增加，不利于闭环系统的稳定性，使闭环
G (s) G0 (s)e
s
纯滞后出现在控制系统的位置
2。纯滞后出现在干扰通道
GF (s) G1 (s)e
在控制系统中，纯滞后可以出现在控制系统的不同位置。 • 主过程:可能涉及长距离的流体传输，或包含长时间的潜伏期； • 测量装置:可能需要较长的时间间隔才能完成采样和分析． • 执行器:可能需要一定的时间产生执行信号。
纯滞后出现在控制系统的位置
1。纯滞后出现在前向控制通道
Gc( s )G0 ( s )e s Y ( s) R( s ) 1 Gc( s )G0 ( s )e s GF ( s ) Y ( s) F ( s ) 1 Gc( s )G0 ( s )e s
3。使用实例
行控制的数字仿真。设对象参数KP＝2，Tp＝4， p ＝4。
例 对一阶时滞加纯迟后的对象进行单回路控制和加入史密斯预估器进
(1) 当PI参数为Kc＝20，Ti＝ 1时，系统在设定值扰动(r＝ 10)下的响应曲线如图所示。 实线是smith预估器后的响应 曲线，其超调量仅0．32，调 节时间缩短到8s，与单回路 PID控制曲线(虚线)相比，效 果十分显著。
控制器
对象
r
GC (s)
G0 (s)es
对控制器 Gc (s) 而言，对象为 G0 (s)e s （有纯滞后）。
第二节 Smith预估补偿控制
为了使等效对象不具有纯滞后，对等效对象进 行补偿，回路如下：
等效对象
r
GC (s)
G0 (s)es
Gk (s)
第二节 Smith预估补偿控制
u
G ( s) G0 (s)e
` e
s
(1 e
s
)G 0 (s) G 0 (s)(或G0 (s))
这样控制系统的品质就会严重恶化，而且纯延迟变化，对控制系统的品质的 影响尤其突出。
(3) 调节结果与过程无纯延迟一样，只是在时间上向后推迟了纯 延迟时间长度。
第二节 Smith预估补偿控制
第六章 大纯滞后和逆向响应过程的控制 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 引言 Smith预估补偿控制 自适应Smith预估器补偿控制 内部模型控制（IMC） 逆向特性过程的控制
第一节 引言
电厂温度和压力过程是大滞后过程（特别是直吹式机 组），大滞后是很难控制的。 原因： （i）为保证系统的稳定性，调节器只能动作的很缓慢， 快了会不稳定。 （ii）即使控制作用 u 改变了，由于被控对象是大滞后 的，因此，将被调量控回到设定值的时间很长，而扰动 可能很快，则系统一定有较大的动态偏差。 （iii）一般而言， 0.5 或n>6阶，是大滞后过程。
f s
1 Gc(s)G0 (s)e s 0
结论：系统闭环特征方程中不含有纯滞后项，闭环 特征根不受干扰纯滞后的影响。干扰纯滞后只出现 在闭环传递函数的分子项中，闭环系统的稳定性和 控制品质不会受到影响。
第二节 Smith预估补偿控制
1。预估器的形式 被控过程具有纯滞后的单回路控制系统：
系统在设定值扰动下的过渡过程(r＝10)
第二节 Smith预估补偿控制
(2) 但是史密斯预估器对系统受到的 负荷扰动无所助益。 假定调节器的整定参数不变，在干 扰D＝10的情况进行数字仿真，从 仿真结果响应曲线可知，当采用 smith预估器后，系统呈现发散振 荡。这是由于系统受到负荷扰动后， 调节器在d时间内没能得到预估器 的信息而提前动作，同时原系统在 系统在负荷扰动(D＝10）下的过渡过程 实线－smith预估控制曲线，虚线一单回路 定值扰动下整定的调节器比例增益 PID控制曲线 过大造成的。
第三节 自适应Smith预估器补偿控制
由于被控对象的特性会发生变化，使Smith预估 器的应用受到限制，目前在Smith预估器方面的研 究是让Smith预估器具有自适应功能，当对象的动 态特性变化后，Smith预估控制系统仍有好的控制 品质。 一、增益自适应补偿控制 二 、动态参数自适应补偿控制
r
GC (s)
G0 (s)es
(1e )G0(s)
s
第二节 Smith预估补偿控制
实际过程
r
GCΒιβλιοθήκη (s)G0 (s)es
e
s
(G0 ( s )
在控制系统中实现
Smith预估补偿控制器的示意图
第二节 Smith预估补偿控制
2。使用特点
Gc (s) 而言，对象为 G0 (s)，因此， Gc (s) 可以整定动作较 (1).对于 快，系统仍是稳定的。但 Gc (s) 整定的较快，意味着控制作用 动作较快。这是大滞后被控对象提高控制品质的关键 。 (2) Smith预估器在应用中的一个难点问题： 因为[1 e s ]G0 (s) 是在控制系统中实现，是模型。可以计算实 G0 (s)e s是不 现 ,一旦实现后是固定不变的。而过程和实际特性 断变化的。如果 G0 (s) G0 (s), ，则对 Gc (s) 而言，等效对象：
引入环节 Gk (s) ，对象纯滞后进行补偿，整个等效对象为：
Ge (s) G0 (s)e s Gk (s)
要使补偿后的等效对象具有好的特性，则取 ：
Ge (s) G0 (s)
代入上式得 ：
Gk (s) G0 (s)(1 e s )
第二节 Smith预估补偿控制
因此，Smith预估器的单回路系统为：