《过程控制系统》-时间滞后控制系统

2016年4月《过程控制系统》东北大学第七章时间滞后控制系统Time-delaycontrolsystem第七章时间滞后控制系统概述7.1改进型常规控制方案7.2大滞后预估补偿方案7.3采样控制7.4三种方案比较7.5《过程控制系统》7.1概述《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统滞后时间对控制质量的影响：
当纯滞后存在于扰动通道时，仅使系统的输出对扰动的反应延迟了一个纯滞后时间；
当容量滞后存在于扰动通道时，容量滞后时间越大，系统抗干扰能力越强。
当控制通道存在纯滞后时，调节器的控制作用将要滞后一个纯滞后时间，从而使超调量增加，被控参数的最大偏差增大，引起系统的动态指标下降，并且纯滞后时间的增大，也不利于闭环系统的稳定性；
控制通道的容量滞后同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降，但是容量滞后的影响比纯滞后的影响和缓。若引入微分作用，对于克服容量滞后对控制质量的影响有显著的效果。过程纯滞后对控制质量的影响，取决于的大小。Tτ通常，当时，应作为大纯滞后过程，这时常规控制往往不能满足控制需求。5.0Tτ7.2改进型常规控制方案微分先行控制方案7.2.1中间反馈控制方案7.2.2《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统7.2.1微分先行控制方案(differentialforwardcontrol)《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统)(1sWc)(sWoREsTd+1soesWτ−′)()11(sTKic+)(2sWcFY-常规PID控制方案)(1sWc)(sWoREsTd+1soesWτ−′)()11(sTKic+)(2sWcFY′-微分先行控制方案微分先行控制系统，其随动特性和抗干扰特性分别为：)()()(1)()()()(211sWsWsWsWsWsRsYoccoc+=′)()()(1)()()(21sWsWsWsWsFsYocco+=′常规PID控制系统，其随动特性和抗干扰特性分别为：)()()(1)()()()()(2121sWsWsWsWsWsWsRsYoccocc+=)()()(1)()()(21sWsWsWsWsFsYocco+=
常规PID控制系统和微分先行控制系统具有相同的特征方程，可见，两系统过渡过程的动态稳定性相同.《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统微分先行控制系统，其随动特性和抗干扰特性分别为：)()()(1)()()()(211sWsWsWsWsWsRsYoccoc+=′)()()(1)()()(21sWsWsWsWsFsYocco+=′常规PID控制系统，其随动特性和抗干扰特性分别为：)()()(1)()()()()(2121sWsWsWsWsWsWsRsYoccocc+=)()()(1)()()(21sWsWsWsWsFsYocco+=
微分先行控制系统的随动特性优于常规PID控制系统。微分先行控制系统和常规PID控制系统的抗干扰性能是相同的。)()()()()(2sYsTsYsYsWsYdc′+′=′=dttydTtytyd)]([)()(′∆+′∆=∆对上式进行拉氏反变换，有：结论：设定值变化频繁的大滞后过程，微分先行控制方案可以改善过程的控制品质。7.2.1微分先行控制方案(differentialforwardcontrol)7.2.2中间反馈控制方案(Intermediatefeedbackcontrol)《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统)(1sWc)(sWoREsTd+1soesWτ−′)()11(sTKic+)(2sWcFY′′--中间反馈控制方案)(1sWc)(sWoRE])(11[11sTKsTicd+++soesWτ−′)()11(sTKic+)()(112sWsWcc+FY′′-系统的控制作用是偏差的PI作用和被控量变化速度所起的校正作用之和。中间反馈控制方案的随动特性和抗干扰特性表示为：)]()()[(1)()()()(2101sWsWsWsWsWsRsYccoc++=′′)]()()[(1)()()(210sWsWsWsWsFsYcco++=′′对于大滞后过程，当设定值频繁变化时，中间反馈控制系统和微分先行控制系统一样，可以改善控制系统的控制品质，尤其在减小超调量方面效果更佳。在抗扰动性能方面，两者的控制品质和常规PID控制差别不大。7.3大滞后预估补偿方案Smith预估补偿的基本原理7.3.1Smith预估补偿控制应注意的几个问题7.3.2《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统Largetime-delaypredictivecompensationcontrol第七章时间滞后控制系统7.3.1Smith预估补偿的基本原理《过程控制系统》Smith预估补偿方案：按照被控过程的特性，设想出一种模型并联在对象的两端，以补偿过程的动态特性，使补偿后的等效对象中消除纯滞后特性，从而改善控制系统的控制质量。REY-)(sWcsoesWτ−)()(sWsSmith预估补偿原理框图使PID控制器控制的等效对象中消除纯滞后部分，即：)()()(sWsWesWosso=+−τSmith预估补偿器)1)(()(sosesWsWτ−−=则，Smith预估补偿器为++第七章时间滞后控制系统7.3.1Smith预估补偿的基本原理《过程控制系统》)1)(()(sosesWsWτ−−=Smith预估补偿器为REY-soesWτ−)()(sWoseτ−-)(sWc后移至对象后+++第七章时间滞后控制系统7.3.1Smith预估补偿的基本原理《过程控制系统》)1)(()(sosesWsWτ−−=Smith预估补偿器为前移至滞后环节前第七章时间滞后控制系统7.3.1Smith预估补偿的基本原理《过程控制系统》Smith预估补偿系统等效方框图0)()(10=+−scesWsWτ0)()(10=+sWsWcSmith预估补偿前，闭环系统特征方程为：经过Smith预估补偿后，闭环系统特征方程为：具有纯滞后的系统，经Smith预估补偿后，消去了系统特征方程中纯滞后因素，因而可以消除过程纯滞后特性对系统性能的不利影响。Y′第七章时间滞后控制系统7.3.2Smith预估补偿控制应注意的几个问题《过程控制系统》1.在前述等效方框图中，不能理解为测量信号从环节后取出，因为在实际过程中，该信号是不可测的。它只是纯滞后补偿控制作用的一种等效图，并不表示实际物理过程。)(sWo2．Smith预估补偿控制中，预估是在过程模型已知的情况下进行的，所以，实现Smith预估补偿的基础是过程动态模型已知。3．对于大多数被控过程，过程模型只是真实过程的近似表示。因此，利用过程模型来建立Smith预估补偿控制器时，存在一定的误差。4．当工作点发生改变，对象特性发生变化时，Smith预估补偿效果要受到一定的影响。7.4采样控制(Samplingcontrol)《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统采样控制的基本思想是“调一下，等一等”；)(sWc)(sWhsoesWτ−)(YFRE-采样控制器采样控制系统方框图)(tett)(tuot∆ht∆采样控制器的动态特性ot∆是控制作用的导通时间。ht∆是控制作用的保持时间。采样控制是按偏差进行周期性断续控制的一种控制方式。7.5三种方案比较《过程控制系统》第七章时间滞后控制系统改进型常规控制方案实施比较简单，调整方便，当设定值频繁变化时，该方法能够明显改善控制系统的控制品质。适用于设定值频繁变化，控制质量要求不太高的场合。Smith预估补偿方案针对大滞后过程是一种十分理想的控制方案，但该方案必须以能够精确描述被控过程的动态特性为基础。当模型不能准确描述，或者模型参数随着运行工况不同不断变化时，Smith预估补偿方案往往得不到预期的补偿效果，这使得单纯的Smith预估补偿方案在工业中的应用受到了一定的限制。采样控制方案是一种断续的控制方式，它无需精确掌握被控过程的动态特性，就能克服过程中的纯滞后对控制质量的不利影响。应该注意的是，控制作用的保持时间应略大于过程的滞后时间。