过程控制及自动化仪表课件第六章高性能过程控制

1、 第第6 6章章 常用高性能过程控制系统常用高性能过程控制系统1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；3）了解前馈控制的原理及使用场合；4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈反馈复合控制的特点及工业应用；5）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞后过程控制的设计方案。6.1.2 6.1.2 串级控制系统的控制效果串级控制系统的控制效果1 1、能迅速克服二次干扰、能迅速克服二次干扰 202*02220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs111212ccvYsXsKKKYsFs 控制能力和抗干扰

2、能力综合定义为：控制能力和抗干扰能力综合定义为： 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs G s Gs GsX sGs Gs G s Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs G sF sG s Gs G s Gs G s Gs sGsGsGsFsYsXsYvcc21211111( )cG sK22( )CCGsK( )VVGsK 1112cvYsXsK KYsFs sGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020102211 控制能力和抗干扰能力综合为：控制能力和

3、抗干扰能力综合为： sGsGsFsYsXsYvc2111( )CCG sK( )VVG sK12CCCK KK2 2、能改善控制通道的动态特性，提高工作频率、能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1 1）等效时间常数减小，响应速度加快）等效时间常数减小，响应速度加快 22020220222022( )( )( )1cvcvcvmYsGs Gs GsGsGs G s GsXsGs Gs Gs Gs0202022222( )1 ,( ),( ),( )ccvvmmGsKTsGsKGsKGsK2020202220202202220202020222021( )111111cvcvmcvcvmcvm

4、KK KTsGsKK KKTsKK KKK KKKTTssKK KK0202TT 10201110cmGs Gs Gs Gs 0101011111/1 ,ccmmGsKT sGsKGsK10201102011/110cmK K K KT sT s20102120110102010210ccmTTK KK KssT TT T01020010221020110010221cmTTTTKKKKTT220020ss单串02010201TTTT02010201020102010201020111TTTTTTTTTTTT单串若两种方案的阻尼系数相同，则有：020102012 2 0211TTTT 单对同一

5、过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：02100201220211TTTT 串3 3、能适应负荷和操作条件的剧烈变化、能适应负荷和操作条件的剧烈变化副回路的等效放大系数为：副回路的等效放大系数为：2020220221cvcvmKK KKKK K K2022021cvmK k K KK几乎不变2 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力； 3 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。串级控制系

6、统的主要特点有：串级控制系统的主要特点有：1 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；6.1.3 6.1.3 串级控制系统的适用范围串级控制系统的适用范围 1 1、适用于容量滞后较大的过程：、适用于容量滞后较大的过程：2 2、适用于纯滞后较大的过程、适用于纯滞后较大的过程3 3、适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：、适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：工艺要求：汽包液位控制，工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈三冲量液三冲量液位串级控制。位串级控制。4 4、适用于参数互相关

7、联的过程、适用于参数互相关联的过程5 5、适用于非线性过程、适用于非线性过程特点：特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整调节器的整定参数。级控制，则可自动调整调节器的整定参数。a a）：燃料油压力为主要干扰；）：燃料油压力为主要干扰；b b）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰1. 1. 副回路的设计与副参数的选择副回路的设计与副参数的选择（1 1）副参数

8、要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。尽可能短。（2 2） 副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也 不能越多越好。不能越多越好。2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单（3 3）主、副过程的时间常数要适当匹配主、副过程的时间常数要适当匹配. .当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有假设假设 20221cvmK K K K为常量为常量频率的比值大于频率的比值大于3

9、 3，时间常数的比值在，时间常数的比值在3 31010范围内选择范围内选择（4 4）应综合考虑控制质量和经济性要求应综合考虑控制质量和经济性要求a)a) 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b)b) 冷剂蒸冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。而定。 2 2、主、副调节器调节规律的选择、主、副调节器调节规律的选择主调主调：定值控制；：定值控制；副调副调：随动控制。：随动控制。 主被控参数要主被控参数要无静差无静差PI,PIDPI,PID调节；调节；副被控参数允许副被控参

10、数允许有静差有静差P P, ,不引入不引入PIPI；为保稳定，；为保稳定，P P选大时，选大时，可引入积分；可引入积分；不引入微分不引入微分。3 3、主、副调节器正、反作用方式的选择、主、副调节器正、反作用方式的选择副调节器：副调节器：（调节器（调节器“”）（执行器）（执行器“”）（过程）（过程“”）=“ - ”=“ - ”主调节器：主调节器：（调节器（调节器“”）（主过程）（主过程“”）（副过程）（副过程“”）=“ - ”=“ - ”6.1.5 6.1.5 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路尽量加大副调节器的增益，提高副回路的

11、频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响的频率错开，以减少相互影响1. 1. 逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1） 主开环、副闭环，整定副调的参数；记为主开环、副闭环，整定副调的参数；记为12( )CGs2) 2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为11( )CGs3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为11( )CGs12( )CGs否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为22()CGs反复进行，满意为止反复进行，满意为止 该方法

12、适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多需反复进行，费时较多2. 2. 两步整定法两步整定法1 1）主、副闭合，主调为比例）主、副闭合，主调为比例, ,比例度为百分之一百，先用比例度为百分之一百，先用4 41 1衰减曲线衰减曲线法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；法整定副调节器的参数，求得比例度和操作周期；2) 2) 等效副回路，整定主调参数，求得主回路在等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4 41 1衰减比下的比例衰减比下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求度

13、和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。3. 3. 一步整定法一步整定法思路：思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后一步完成主调节器的参数的整定。节器的参数的整定。理论依据：理论依据：主、副调节器的放大系数在主、副调节器的放大系数在条件下，主、副过程特性一定时，条件下，主、

14、副过程特性一定时，KC1KC2为一常数。为一常数。5 . 0021ccKK 参数序号副调节器 主调节器过渡过程时间 min ks=Kc1kc2= 常数副比例度 Kc2 Kc1主比例度 1 40% 2.5 75% 1.33 9 3.32 2 30% 3.33 100% 1 10 3.33 3 25% 4 125% 0.8 8 3.2主副调节器参数匹配关系实验数据 副参数放大系数 比例度 副参数放大系数 比例度 温度 5-1.72060% 流量2.5-1.254080% 压力 3-1.43070% 液位 5-1.2520-80%副调节器参数匹配数据13.5 m inT1 1）主、副调节器均置比例控

15、制，根据约束条件或经验确定）主、副调节器均置比例控制，根据约束条件或经验确定2cK 2) 2) 等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；等效副回路，按衰减曲线法整定主调节器参数；3 3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数，满意为止。；4. 4. 应用举例应用举例: : 硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，硝酸生产用氧化炉，主参数：炉温，PIPI调节；副参数：氨气流量，调节；副参数：氨气流量，P P调节；主、副动态联系小，两步整定法。调节；主、副动态联系小，两步整定法。121 0 0 %3 2 %s23 2 %s17

16、m insT150%s16 0 %1）2 2）副调置于）副调置于3232，得主调的，得主调的3 3）运用计算公式得：）运用计算公式得：21 5sTs某化工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来吸收热量，以保持裂解气出口稳定的稳定。为此，设置了一套裂解气出口温度与丙烯蒸发压力串级控制系统。对此系统采用一步整定法，具体步骤为： （1）副参数是压力，反应快，滞后小，取副比例度为40% （2）将副调节器的比例度放在40%的刻度上，TI=，TD=0。在串级运行状态下，按4:1衰减过程整定主调节器的参数得到 （3）按4:1衰减过程的经验公式，计算主调节器的整定参数130%s13minsT 110.

17、824%s110.10.3minDsTT110.30.9minISTT (4) 按照先P次I后D的顺序，设置主调节器的参数，使系统串级运行。6.2 6.2 前馈控制系统前馈控制系统6.2.1 前馈控制的基本概念又称干扰补偿控制：按干扰大小进行调节，克服干扰比反馈快；理论上，可实现理想控制。 0FBY sGsGs GsF s sGsGsGFB0 前馈控制的特点 （1）前馈控制是一种开环控制。 （2）前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制。它是将干扰的大小，通过前馈控制器和控制通道的作用及时有效的抑制干扰对被控参数的影响，而不是像反馈控制那样，要待被控参数产生偏差后再进行控制。 （3）前馈控制器的

18、调节规律与常规PID调节规律不同，即由过程特性决定的。所以，它是一个专用控制器。不同的过程特性，其调节规律是不同的。 （4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。如果干扰是不可测的，那就不能进行前馈控制；如果干扰是可测且可控的，则只要设计一个定值控制系统就行了，而无需采用前馈控制。6.2.2 前馈控制的特点及局限性 2、前馈控制的局限性 （1）在实际工业生产过程中，使被控参数变化的干扰是很多的，不可能根据每一个干扰设计和应用一套独立的前馈控制器。 （2）对不可测的干扰无法实现前馈控制。 （3）决定前馈控制器的调节规律的是过程的动态性GF(s)和G0(s)，而GF(s)和G0(s)的

19、精确值是很难得到的，即使能够得到，有时也很难实现。 为了获得满意的控制效果，合理的控制方案是把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈-反馈复合控制系统。这样，一方面利用前馈控制有效的减少干扰对被控参数的动态影响；另一方面，则利用反馈控制使被控参数稳定在给定值上，从而保证了系统较高的控制质量。 项目 反馈控制 前馈控制控制的依据被控参数的偏差干扰量的大小检测的信号被控参数干扰量控制作用发生的时间偏差出现后偏差出现前系统结构闭环控制开环控制控制质量有差控制无差控制控制器通用PID专用控制器经济性和可靠性一种系统可克服多种干扰每一种干扰都要有一个控制系统前馈与反馈的比较6.2.3 6.2.3 前馈控制

20、的形式前馈控制的形式1.1.静态补偿：静态补偿： 00(0)/(0)BFBGGGK0021()fpq Hq C TT0021fpq HTTq C2000fpdTHKdqq C220021fffpfdTq HTTKqdqCq2100()fpBKCTTKKH 该补偿器用比例调节器即可实现该补偿器用比例调节器即可实现其中：q0为加热蒸汽流量，H0为蒸汽汽化潜能，qf为冷物料的流量， cp为冷物料的比热，T1、T2分别为冷、热物料的温度。 由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差由于精确模型难以得到或难以实现，只有要求严格控制动态偏差时才采用。时才采用。 sGsGsGFB0/2. 2.

21、 动态补偿：动态补偿： 3. 3. 前馈反馈复合控制前馈反馈复合控制 sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYcBFcc000011 00sGsGsGBF )(/0sGsGsGFB 前馈反馈复合控制系统的特征方程为前馈反馈复合控制系统的特征方程为系统的稳定性与前馈控制器无关。干扰对输出的影响却只有开环前系统的稳定性与前馈控制器无关。干扰对输出的影响却只有开环前馈控制的馈控制的 010cGs Gs 01/1cGs Gs 设计步骤：设计步骤：1 1）独立设计反馈控制系统；独立设计反馈控制系统；2 2）再设计前馈补偿器再设计前馈补偿器 4. 4. 前馈串级控制系统前馈串级控制系统 1CGsT

22、CFCFC冷物料冷物料热物料热物料蒸汽蒸汽TGc1(s)G01(s)G02(s)Gc2(s)GB(s)Gf(s)+_冷物料冷物料qTq02201022022022011011022022( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )1( )( )( )( )cBfcCcccCcGs GsGsGsGsGs GsT sGs GsGs GsQ sGs GsGs GsGs GsGs Gs022022( )( )11( )( )ccGs GsGs Gs01011011( )( )( )( )0( )1( )( )1( )( )fBccGsGs

23、 GsT sQ sGs GsGs Gs01( )( )( )fBGsGsGs 主调节器干扰通道前馈控制器副过程副调节器主变送器副变送器主过程给定值 +-+-主参数副参数干扰222( )1sfKGseT s 22112()22111011221( )111( )( )111sfssBBsKeGsT sKT sT sGseKeKGsK T sT seT s 干扰通道的特性：干扰通道的特性：常用的前馈控制器模型有：常用的前馈控制器模型有：1211sBT sKeT s1211BT sKT sBK1 1、 型前馈控制器型前馈控制器BK用比值器或比例控制器等常规仪表就可实现用比值器或比例控制器等常规仪表就

24、可实现控制通道的特性：控制通道的特性：1101( )1sKG seTs 6.2.4 6.2.4 前馈控制作用的实施前馈控制作用的实施1211BTsKT s211T s 12112222(/) 11( )111111BBBBT TTTsKGsKKKKT sT sTT s 型前馈控制器型前馈控制器KBKK输入输出2、121TKT3 3、型前馈控制器型前馈控制器1211sBT sKeT s-+1211BTsKT s1 ( /2)1 ( /2)211 ( /2)1 ( /2)( /2)1sssesss112s+-输入输出1211sBTsKeT s型前馈控制器实施框图6.2.5 6.2.5 引入前馈的原

25、则及应用实例引入前馈的原则及应用实例 1 1、引入前馈的原则、引入前馈的原则 1 1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克服、控制要求高时；难以克服、控制要求高时； 2 2）控制通道时间常数大于干扰通道时间常数，反馈控制不及时，控制通道时间常数大于干扰通道时间常数，反馈控制不及时，控制质量差；控制质量差； 3 3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；大时； 4 4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。2 2、复合控制

26、系统应用实例、复合控制系统应用实例（1 1）蒸发过程的浓度控制）蒸发过程的浓度控制5073溶液沸点与水沸点之温差（被控量）溶液沸点与水沸点之温差（被控量）进料溶液进料溶液浓度、温度、浓度、温度、流量流量，加热蒸汽压力、，加热蒸汽压力、流量流量 方案方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的复合控制为控制参数的复合控制方案方案：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液：蒸汽流量为前馈信号、温差为反馈信号、进料溶液为控制参数的复合控制为控制参数的复合控制（2 2）锅炉汽包水位控制）锅炉汽包水位控制 水位过高，易使蒸汽带液，不仅会

27、影响蒸汽的质量和水量，而水位过高，易使蒸汽带液，不仅会影响蒸汽的质量和水量，而且还会导致汽轮机叶片的损坏；水位过低，轻则影响汽、水平衡，且还会导致汽轮机叶片的损坏；水位过低，轻则影响汽、水平衡，重则锅炉烧干爆炸。重则锅炉烧干爆炸。影响因素：影响因素：蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）蒸汽用量（不可控）、给水流量（选为控制参数）问题：问题：“虚假水位虚假水位”影响控制效果。影响控制效果。解决方案：解决方案：蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副参数，水位为主参数数前馈反馈串级控制前馈反馈串级控制1211BT sKT s6.2.6 前馈控制系统的

28、参数整定前馈控制系统的参数整定 前馈控制器的参数取决于对象的特性，并在建模时已经确定了，似乎可直接投入运行而无需再整定。但是，由于特性的测试精度、测试工况与在线运行工况的差异，以及前馈装置的制作精度等因素的影响，使得控制效果不会那么理想。因此，必须对前馈模型进行在线整定。这里以最常用的前馈模型为例，讨论静态参数kB和动态参数T1、T2的整定方法。一、 kB的整定 1、开环整定法 开环整定是在系统作单纯的静态前馈运行下施加干扰，kB值由小逐步增大，直到被控量回到设定值，此时对应的kB值便视为最佳整定值。在进行整定时应力求工况稳定，以减小其它干扰量对被控量的影响。否则，kB的整定值有较大的误差。

29、2、闭环整定法 由于开环整定过程中，被控量失去控制，容易影响生产甚至发生事故，因此在实际生产过程中应用较少，而采用闭环整定。设待整定的系统方框图如图所示，可以让系统处于前馈反馈运行状态整定kB值，也可让系统处于反馈运行状态整定kB值。PIDKBGf(s)Go(s)F(s)R(s)Y(s)KB闭环整定法系统方框图 第一种：前馈反馈运行状态整定kB 闭合开关K使系统处于前馈反馈运行状态。在反馈控制已整定好的基础上，施加相同的干扰作用，由小到大逐步改变kf值，直到获得满意的补偿过程。如果kB值小，将造成欠补偿；如果kB值大，将造成过补偿。K+-+第二种：反馈运行状态整定kB 打开图中开关K使系统处于

30、反馈运行状态。待系统运行稳定后，记下干扰量变送器的输出电流Ifo和反馈控制器的输出稳定值Ico 。然后对干扰施加一增量f，待反馈控制系统在f作用下直到被控量回到设定值时，重新记下干扰量变送器的输出电流If及反馈控制器的输出Ic，则前馈控制器的静态放大系数kB为ccoBffoIIKII 上式的物理意义是：当干扰量为f时，由反馈控制器产生的校正作用改变了（Ic-Ico),才能使被控量回到设定值。如果用前馈控制器来校正，那么kB也必须满足这一关系式。需要指出：使用这种方法整定kB时，反馈控制器应具有积分作用。否则，在干扰作用无法消除被控量的静差。同时，要求工况尽可能稳定，以消除其它干扰的影响。二、T

31、1、T2的整定 前馈控制器动态参数的整定较静态参数的整定要复杂得多，至今还没有总结出完整的工程方法，仍停留在经验或定性分析阶段。这里仅作原则性的介绍。 动态参数决定了动态补偿的程度，当T1T2时，前馈控制器在动态补偿过程中起超前作用；当T1T2时，起滞后作用；当T1=T2时不起作用。因此，常将T1称为超前时间， T2称为滞后时间，根据校正作用在时间上是超前或滞后，可以决定 T1、T2的数值。初次试验时，可取T1/T2=2(超前）或T1/T2=0.5（滞后）的数值进行，施加干扰，观察补偿过程。首先调整T1或T2使补偿过程曲线达到上、下偏差面积相等。然后再调整T1与T2的比值，直到获得比较平坦的补

32、偿曲线为止。 6.3 6.3 大滞后过程控制系统大滞后过程控制系统6.3.1 6.3.1 大滞后过程概述大滞后过程概述 纯滞后：纯滞后：介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、多容器串联介质传输、化学反应、管道混合、皮带传送、多容器串联 成分测量等。成分测量等。纯滞后的程度：纯滞后的程度：3 . 0/ T3 . 0/ T称为一般纯滞后；称为一般纯滞后；称为大纯滞后。称为大纯滞后。大纯滞后难于控制大纯滞后难于控制：物理意义：物理意义：1 1）测量纯滞后使调节作用不及时；测量纯滞后使调节作用不及时； 2 2）控制介质传输滞后使调节动作不及时；控制介质传输滞后使调节动作不及时；理论分析：开环频率特性

33、相角滞后理论分析：开环频率特性相角滞后稳定裕度稳定裕度 解决方案：微分先行、中间反馈、解决方案：微分先行、中间反馈、斯密斯预估、内模控制斯密斯预估、内模控制等等6.3.2 6.3.2 史密斯预估控制史密斯预估控制1.1.史密斯预估控制：史密斯预估控制：预先估计动态模型预先估计动态模型预估器使滞后了的被控量提预估器使滞后了的被控量提 前反馈前反馈调节器提前动作调节器提前动作减少超调、加速调节过程。减少超调、加速调节过程。 001scscY sGs Gs eX sGs Gs e 00ssYsGs eGsGsUs 01ssGsGse单回路控制单回路控制 0sY sGs eU s史密斯预估控制史密斯预

34、估控制 scScscScscScscesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsGsGesGsGsXsY00001111 sGsGesGsGcsc001 01ssGsGse 001scscY sGs Gs eX sGs Gs e实线为史密斯预估控制结果，虚线为单回路控制结果实线为史密斯预估控制结果，虚线为单回路控制结果2.2.仿真实例仿真实例史密斯预估控制史密斯预估控制 00( )( )1sccGs Gs eY sX sGs Gs单回路控制单回路控制 史密斯预估控制系统与单回路控制系统相比已消除了纯滞史密斯预估控制系统与单回路控制系统相比已消除了纯滞后对系统稳定性的影响。后对系统稳定性的影

35、响。6.3.3 6.3.3 改进型史密斯预估控制改进型史密斯预估控制1.1.增益自适应预估控制增益自适应预估控制131032201csUsGsXsYsYsDsDsDsGsUsDssDsDsABAYsUsGse1s产生超前作用，使调节器提前动作，以减小超调和加快产生超前作用，使调节器提前动作，以减小超调和加快调节过程。调节过程。 当预估器模型与过程特性存在差异时，通过当预估器模型与过程特性存在差异时，通过( )( )ss00GG2( )1D s 00( )( )1sccGs Gs eY sX sGs Gs 由图得出：当预估器模型准确地复现过程特性时，过由图得出：当预估器模型准确地复现过程特性时，

36、过程的纯时延已经有效地排除在控制回路之外，只要模型准程的纯时延已经有效地排除在控制回路之外，只要模型准确的复现过程特性，便可获得比较理想的控制效果。确的复现过程特性，便可获得比较理想的控制效果。2.2.动态参数自适应预估控制动态参数自适应预估控制 当模型准确时，主反馈信号为零，其效果同史密斯预估当模型准确时，主反馈信号为零，其效果同史密斯预估控制；当有差异时，主反馈的动态变化经惯性滤波后反馈，控制；当有差异时，主反馈的动态变化经惯性滤波后反馈，以增强适应性。以增强适应性。2020( )( )( )1( )( )CFCGs G sGsGs G s)1)(11 (1)1)(11 ()()(1)()

37、()(002200220202sTKsTKsTKsTKsGsGsGsGsGcCcCCCF111102002002sTsKKTKKsTKKFCCC 设计思路：设两个调节器均为设计思路：设两个调节器均为PIPI调节器，调节器调节器，调节器1 1按模型完全准确按模型完全准确时设计；调节器时设计；调节器2 2按具体情况设计，设对象的非滞后部分为一阶惯性按具体情况设计，设对象的非滞后部分为一阶惯性环节，且调节器环节，且调节器2 2的积分时间常数与惯性时间常数相等，则有的积分时间常数与惯性时间常数相等，则有惯性滤波器的设计惯性滤波器的设计 GF(s)为一阶惯性滤波器，对其只需在线调整参数为一阶惯性滤波器，

38、对其只需在线调整参数KC2即即可根据需要可得到可根据需要可得到TF，以此来适应动态参数变化所造成的不，以此来适应动态参数变化所造成的不利影响。利影响。6.3.4 6.3.4 内模控制内模控制 内模控制内模控制结构与史密斯相似，它不仅能明显改善大滞后结构与史密斯相似，它不仅能明显改善大滞后过程的控制品质，且设计简单、调节性能好、鲁棒性强。过程的控制品质，且设计简单、调节性能好、鲁棒性强。1.1.内模控制系统的结构内模控制系统的结构 000000( )( )( )1( )1( )( )1( )( )ccccY sX sF sGs G sGs G sGs G sG sGs G sG s2.2.理想内

39、模控制器理想内模控制器假设模型没有误差，则有假设模型没有误差，则有 00( )( )1( )( )ccY sGs G s X sGs G sF s当当X(s)=0, F(s)0时：时： 01( )( )cY sGs G sF s假设模型假设模型“可倒可倒”且物理可实现且物理可实现令令 01/( )cGsG s则有则有 Y(s)=0;同样，当同样，当X(s)0，F(s)=0时：时： 0001( )( )( )( )( )( )cGsYsGs Gs X sGs X sX s 0( )cGsG s11( )pTsD s 注意注意：该控制器是基于零、极点相消的原理设计的，当模型为不：该控制器是基于零、

40、极点相消的原理设计的，当模型为不稳定（在稳定（在S S右半平面存在极点）时，该设计方法不能采用。右半平面存在极点）时，该设计方法不能采用。 T T为希望的闭环时间常数，为希望的闭环时间常数，p p为正整数；选择为正整数；选择p,p,可使控制器既稳定可使控制器既稳定又可物理实现。又可物理实现。D(s)是静态增益为是静态增益为1的低通滤波器，其典型结构为的低通滤波器，其典型结构为 0( )cD sGGs令令包含所有纯滞后和在包含所有纯滞后和在S S右半平面存在零点的环节，且静态增益为右半平面存在零点的环节，且静态增益为1 1。0G000()GsGG 问题：模型存在误差且不问题：模型存在误差且不“可

41、倒可倒”（如纯滞后或非最小相位环节）（如纯滞后或非最小相位环节） 分解内部模型分解内部模型: : 3. 3.实际内模控制器实际内模控制器 设模型不存在误差，则有：设模型不存在误差，则有： 00( ) ( ) ( )1( )( )( )Y sGs D s X sD s GsF s设定值变化时的闭环传函为设定值变化时的闭环传函为00( )( )( )( )( )1(1)PY sXsGs D sGsTs 该式表明：该式表明：滤波器与闭环性能关系密切，其中时间常数的选择滤波器与闭环性能关系密切，其中时间常数的选择是关键；时常越小，滞后越小，但对模型误差越敏感；需要在动态是关键；时常越小，滞后越小，但对模型误差越敏感；需要在动态性能和鲁棒性之间折中选择。性能和鲁棒性之间折中选择。 小结：小结：内模控制比史密斯预估控制更具一般性，它不仅可以解内模控制比史密斯预估控制更具一般性，它不仅可以解决大滞后过程的控制，而且还可通过调整滤波器的参数以增强系统决大滞后过程的控制，而且还可通过调整滤波器的参数以增强系统的鲁棒性；由于它同样依赖于模型，应用同样受限。的鲁棒性；由于它同样依赖于模型，应用同样受限。 00( )( )1( )( )ccY sGs G s X sGs G sF s000( )G sG G 0( )cD sGGs