第9章 纯滞后系统

设 补偿 的
第 9 章 纯 滞 后 系 统
过 程 控 制 工 程 及 仿 真 － － 基 于 MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
4．增益自适应性补偿控制 该补偿控制是在史密斯补偿控制基础上增加了一个除法器、一个导前微分环节（其中）和 一个乘法器。利用这三个环节根据模型和过程输出信号之间的比值提供一个自动校正预估 器增益的信号。
例如，气体物料、液体物料通常经过管道传送，固体物料往往通过传送带传送。当利用改 变物料的流量等调节生产过程时，经过输送环节的传送时间（滞后）后，物料的变化情况才 能到达生产设备进而实现工艺参数的改变。这个输送过程的传送时间是一个纯滞后时间。 再如，在热交换过程中，经常将被加热物料的输出温度作为被控制量，而把载热介质（如 过热蒸汽）的流量作为控制量，载热介质流量改变后，经过一定时间才表现为输出物料温度 的变化。系统的这种表现可用含有纯滞后的传递特性描述。 当控制作用产生后，在滞后时间 ，被控参数 有 ， 系统不能 时 被控制量进 调 系统 的 。 ，这 的过程 产生 的 调量和 的调节时间。 ，含有纯延迟的过程被 为是 控制的过程， 控制程度 纯滞后时间 个过程 时间参数的 例 加而 加。 一 为，纯滞后时间 过程的时间常数 0.3时， 过程是 加时，过程的 滞后 加而 调 ，在实 的生产过程中 现 、 等 。 外， 滞后 个控制系统的 定性。 一 备 。 滞后过程。 为 调而出 滞后过程的控制
纯滞后系统与
为 ， 被控
系统
的
用 常的控制 时，不 时滞与 过程时间常数
时滞与 过程时间 系统的 度控制，甚至 系统不稳定。 0.3时，被控系统为纯滞后系统。
是被控
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9.2 纯滞后系统的设计 2．中间微分反馈控制
与微分先行控制方案的设想类似，采用中间微分反馈控制方案，加快系统的反应速度进而 改善系统的控制质量。中间微分反馈控制方框图如图9.6 所示。
系统 化的速度 用，而
用， 加
控制量的 分， 的方 用。微分 用与PI 控 化速度 间，而 控制方 。 设
用。
微分先行 中间微分反馈方 。 ， 控制 应速度 ， 应用
9.3 综合仿真实例
9.3.1 微分先行控制仿真 9.3.2 中间微分控制仿真 9.3.3 史密斯补偿控制仿真 9.3.4 增益自适应性补偿控制仿真 9.3.5 改进型史密斯补偿控制仿真 9.3.6参数摄动对系统影响仿真
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这 控制过程的特
是
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9.1 纯滞后系统概述 【例9-1】钢带压制过程中的钢带厚度控制
(具体内容请参阅教材)
可见，如果调节时间按时间常数的3倍计算，则调节时间约为25.15×3＝75.45秒。也 就是说，在扰动产生钢带厚度不均匀后75.45秒，才被检测装置检测出来用作钢带厚度的控制 信号。显然，这样的控制已完全错过了真正产生厚度不均匀的时刻。 控制信号的给出与相应产生偏差的动作不合拍，这样很容易产生控制过程中钢带厚 度变化超调甚至产生不稳定失控。 在过程控制中，被控 具 滞后 是 化控制系统 滞后的 。 滞后 显 至 的控制。 ， 在滞后不显 时，为了 系统控制 时，则应 滞后
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《过程控制工程及仿真－－基于 MATLAB/Simulink》 电子工业出版社 出版 2009.4
系
wa_2003@126.com
的 分的作用 滞后系统，充分
前， 用
9.2 纯滞后系统的设计
第 9 章
纯 滞 后 系 统
过
程
控ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
制
工
程
及
仿
真
－ MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink
－
基
于
(
)
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过 程 控 制 工 程 及 仿 真 － － 基 于 的 图9.6 控 ，系统的微分 化 ， ， 动 MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink
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过 程 控 制 工 程 及 仿 真 － － 基 于 制 9.11 纯滞后 MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
3% 动 的
史密斯 补偿控制 后 系统 的PID 控制
控
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9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制 3．完全抗干扰的史密斯滞后补偿控制
Y(s) =1 X ( s)
(
)
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9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
1.06e −90 s 1.06 1.06 G (s) = + (1 − e −90 s ) = 120 s + 1 120 s + 1 120 s + 1
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
图9.9中，矿仓源头落料点在配料圆盘处，物料需经1、2 、3 、4等4 条皮带和2 个 混合机才能到达矿仓，纯滞后时间达11分钟。 在烧结生产中，混合料仓的料位必须严格地控制在60%处，上下限波动为±10%， 即上下限分别为50%～70%。 如果料位过高，则烧结机遇故障停机时，S-1皮带机带料停机，重新启动很容易烧 毁电机；如果料位过低，则容易造成烧结机断料，点火器空烧烧结机，出现严重的设备隐 。混合料仓的容 80t，混合料的上料 80t 800t/ h h， 如 的上料 ，纯滞后时 间达11min， 容 的混合料仓 料位的 能力很 限。 统的PID 控制 能很 地控制矿仓料位。 图9.10 的Smith 控制 系统成 地 。
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9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
【例9-5】加热炉多点平均温度增益自适应纯滞后补偿控制系统 钢厂轧钢车间在对工件进行轧制前需要将工件加热到一定温度。图9.16表示其中一 个加热段的温度控制系统。
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本章内容与 目录
本章描述了纯滞后系统的基本概念，介绍了纯滞后控制系统的基本特点、 纯滞后控制系统的设计以及纯滞后控制系统控制器参数整定等基础知识，并 通过仿真实例加深对以上内容的理解。 通过本章，希望读者对纯滞后控制系统有较为全面的认识，并通过仿 真深化对纯滞后控制系统的理解。
的 控制
应用 度
， 。 的
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通 9.7 加 环节
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
纯滞后补偿控制的基本思路是：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控 制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节， 从而改善控制系统的控制性能及稳定性等。
9.2 纯滞后系统的设计
9.2.1 常规控制系统 9.2.2 史密斯补偿控制
9.2.1 常规控制系统
在纯滞后系统控制中，为了充分发挥PID的作用，改善滞后问题，主要采用常规PID的变 PID PID 分 控制和中 分控制
分
变化规 分作用，
控制 中
前 前
分控制
变化 变化 ， ，
为了充分发挥 分作用 的变化 势， 的 前控制
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
【例9-4】史密斯预估器在纯滞后矿仓料位控制中的应用 在钢铁行业的烧结厂中，混合料仓料位参数的准确控制是平衡和稳定烧结生产的重要手 段。矿仓料位系统的工艺流程如图9.9 所示。
(
参
)
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9.3 综合仿真实例
9.3.1 微分先行控制仿真 【例9-6】微分先行控制综合仿真实例。采用微分先行控制方法对某恒温箱的恒温过程进 行控制。其中，输入量为燃油量，输出量为温度。
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
2．史密斯滞后补偿控制
Gc ( s )G p ( s ) −τs Y ( s) = e X ( s ) 1 + Gc ( s )G p ( s )
滞后 史密斯控制 的
滞
系统控制
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9.1 纯滞后系统概述 9.2 纯滞后系统的设计 9.3 综合仿真实例 本章小结
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9.1 纯滞后系统概述
在工业生产中，被控对象除了容积延迟外，通常具有不同程度的纯延迟。
9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
纯滞后 的纯滞后
控制 补偿 系统控制 的 纯滞后 控制系统的 补偿后
到
的控制 纯滞后补 的
补偿后
的控制
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9.2 纯滞后系统的设计 9.2.2 史密斯补偿控制
5．改进型史密斯补偿控制
的
Smith 史密斯 的史密斯改进 型
型
的 改进型
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1．纯滞后补偿的基本原理
MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink
G p ( s) = (1 − e−τs )G(s)
Gp ( s) 的补偿处理，在
X ( s)
Y ( s)
传递函数不
滞后 性。
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