高等过程控制-第5章纯滞后

第五章纯滞后补偿控制系统

第一节、对象特性对控制质量的影响

第二节、补偿纯迟延的常规控制第三节、预估补偿控制1第一节对象特性对控制质量的影响控制作用被调量干扰作用热工对象W0λ（s）W0μ（s）干扰通道控制通道

控制质量是用衰减率或衰减比n、动态偏差ym（）、静态偏差y（）或e（）、控制时间ts等

。描述对象特性的特征参数是放大系数K

、时间常数Tc（T）、迟延时间τ（n）。2WT(S)W*0(S)VTVm（扰动）控制器为比例控制规律其放大系数为KP

干扰通道和控制通道的放大系数为K

、K0

干扰通道和扰动通道的时间常数为T、T3一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响1．放大系数K对控制质量的影响

∴在单位阶跃扰动下,系统稳态值：

干扰通道的放大系数K越大,在扰动作用下系统的动态偏差、稳态误差(静态偏差)越大。

4一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响2．时间常数T对控制质量的影响

设K=1,且扰动通道为一阶惯性环节

扰动通道的时间常数越大越好,这样可使系统的稳定性裕度提高，动态偏差减小。

n增加,使闭环系统的动态偏差减小5一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响3．迟延时间对控制质量的影响

当扰动通道存在迟延τ时,则相当于一阶惯性环节串联了一个迟延环节

扰动通道迟延时间τ的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个τ值即过渡过程增加了一个τ时间。并不影响系统的控制质量。

6一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响7一、干扰通道的特征参数对控制质量的影响4．多个扰动对控制质量的影响

扰动进入系统的位置离输出(被调量)越远,对系统控制质量影响就越小。

8二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（一）放大系数Ko对控制质量的影响

控制通道的放大系数KP·Ko

是一种互补关系，如果KP保持不变，Ko增大时控制系统的稳定性裕度下降，被调量的动、静态偏差增大，控制系统的过渡过程的时间将加长。9二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（1）n阶惯性对象对控制质量的影响讨论时间常数T和阶次n

控制通道的时间常数T如果增大,系统的反应速度慢,工作频率将下降,系统的过渡过程的时间将加长，减小控制通道的时间常数，能提高控制系统的控制质量。

惯性对象阶次n越大对被调量的影响越慢，调节的也越慢，使控制系统的动态偏差、控制过程的时间增大，稳定性裕度减小。

10二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（1）n阶惯性对象对控制质量的影响11二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（2）有迟延对象对控制质量的影响讨论时间常数Tc和迟延时间为τ

当控制通道有迟延时,迟延时间对调节是不利的，控制质量主要取决于迟延和时间常数的比值τ/Tc,比值越大则控制质量越差。

时间常数越大,动态偏差、控制过程的时间减小，稳定性裕度增大，时间常数Tc增大能提高系统的控制质量。12二、控制通道的特征参数对控制质量的影响（二）时间常数、迟延时间对控制质量的影响

（2）有迟延对象对控制质量的影响13第二节补偿纯迟延的常规控制一般/T<0.3,称具有一般纯滞后过程，常规控制即可；

/T>0.3,称具有大纯滞后过程(大迟延系统)，常规控制难奏效。/T之比越大越不容易控制。（1）微分先行控制方案：微分作用串联在反馈回路上减小超调量，改善动态性能14（2）中间反馈控制方案微分作用是独立的，能在被控制量变化时及时根据其变化的速度大小起附加校正作用，微分校正作用与PI调节器的输出信号无关，只在动态时起作用，而在静态时或在被控制量变化速度恒定时就失去作用。15PID、微分先行和中间反馈三种控制方案的比较方案整定参数超调量调节时间PIDδ=3.2Ti＝7TD＝01.455min微分先行δ=3.2Ti＝7TD＝1.4T1＝11.2650min中间反馈δ=3.2Ti＝7TD＝0.4KD＝11.3154min可以看到，微分先行和中间反馈控制都能有效地克服超调现象，缩短调节时间，有一定使用价值。被控对象传递函数16第三节预估补偿控制一、Smith预估补偿的原理Smith预估补偿方案主体思想就是消去特征方程中的e－τs项

17Smith补偿系统分析能消除大迟延对系统过渡过程的影响，使调节过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间τ。

18可以推导出系统的闭环传递函数为：

可见随动控制经预估补偿，其特征方程中已消去了e－τs项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。分子中的e－τs仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟一个τ，所以预补偿完全补偿了纯迟延对过程的不利影响。19

对于定值控制，由上式可知，闭环传递函数由两项组成。第一项为扰动对被控参数的影响；第二项为用来补偿扰动对被控参数影响的控制作用。由于第二项有迟延τ，只有t＞2τ时产生控制作用，当t≤2τ时无控制作用。所以Smith预估补偿控制应用于定值控制其效果不如随动控制。

20二、Smith预估补偿控制

1.抗干扰的Smith预估器在史密斯补偿回路中增加一个反馈环节Wf(s)

若要完全不受干扰f(s)的影响，则只要上式中分子为零，即

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如果Wf(s)完全满足条件，系统可完全跟踪设定值，而且对干扰f(s)还可以无差地进行补偿。只是Wf(s)完全实现不是很容易的，尤其在对象用高阶微分方程来描述时更是如此。22问题：过程的数学模型与实际过程特性之间又有误差，模型的误差会随时间累积起来。为了克服这一缺点，可采用增益自适应补偿方案。

2.增益自适应补偿方案23理想情况下，模型准确复现过程，A/B=1，与Smith方案相同。非理想情况下，模型与过程有误差，A/B≠1，根据比值来提供一个自动校正预估器增益的信号D4

。结果表明（推导略）特征方程中不含纯迟延24

3.观测补偿器控制方案

25闭环特征方程可得若WK（s）的模足够小，闭环特征方程成为

表明系统的稳定性只与观测器有关，而与时滞大小无关。