時(shí)滯補(bǔ)償控制

1、補(bǔ)償控制補(bǔ)償控制學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容n什么是時(shí)滯？什么是時(shí)滯？n時(shí)滯對(duì)過(guò)程控制品質(zhì)的影響如何？時(shí)滯對(duì)過(guò)程控制品質(zhì)的影響如何？n怎樣克服？怎樣克服？1、什么是時(shí)滯？、什么是時(shí)滯？n生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)滯生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)滯1、什么是時(shí)滯？、什么是時(shí)滯？n生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)滯生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)滯過(guò)程對(duì)象中的時(shí)滯過(guò)程對(duì)象中的時(shí)滯(如長(zhǎng)距離的流體傳輸如長(zhǎng)距離的流體傳輸)測(cè)量變送裝置上的時(shí)滯測(cè)量變送裝置上的時(shí)滯(如需長(zhǎng)時(shí)間間隔的采樣和如需長(zhǎng)時(shí)間間隔的采樣和分析分析)信號(hào)傳輸上的時(shí)滯信號(hào)傳輸上的時(shí)滯(如執(zhí)行器可能需要一定時(shí)間產(chǎn)如執(zhí)行器可能需要一定時(shí)間產(chǎn)生執(zhí)行信號(hào)生執(zhí)行信號(hào))( sGp)(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY)

2、(sF( )mGs1、什么是時(shí)滯？、什么是時(shí)滯？n時(shí)滯的數(shù)學(xué)表示時(shí)滯的數(shù)學(xué)表示n大時(shí)滯的界定大時(shí)滯的界定過(guò)程對(duì)象過(guò)程對(duì)象)(tu)(ty)(sUes)(sY5 . 0/T1TsKes2、時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的影響、時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的影響n時(shí)滯對(duì)過(guò)程控制品質(zhì)的影響時(shí)滯對(duì)過(guò)程控制品質(zhì)的影響時(shí)滯出現(xiàn)在過(guò)程通道時(shí)滯出現(xiàn)在過(guò)程通道n系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中含延遲因子系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中含延遲因子n系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差時(shí)滯出現(xiàn)在干擾通道時(shí)滯出現(xiàn)在干擾通道n系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中不含延遲因子系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中不含延遲因子n僅系統(tǒng)輸出上有延遲僅系統(tǒng)輸出上有延遲spesG)()(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY時(shí)

3、滯出現(xiàn)在過(guò)程通道時(shí)滯出現(xiàn)在過(guò)程通道spcspcesGsGesGsGsRsY)()(1)()()()(spcFesGsGsGsFsY)()(1)()()()(sF0)()(1 spcesGsG系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為: 閉環(huán)特征根受到純滯后閉環(huán)特征根受到純滯后的影響的影響 )( sGp)(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY時(shí)滯出現(xiàn)在反饋通道時(shí)滯出現(xiàn)在反饋通道smpcpcesGsGsGsGsGsRsY)()()(1)()()()(smpcFesGsGsGsGsFsY)()()(1)()()()(sF0)()()(1 smpcesGsGsG系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為: 閉環(huán)

4、特征根受到純滯后閉環(huán)特征根受到純滯后的影響的影響 smesG)(一個(gè)時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)影響的例子一個(gè)時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)影響的例子n開(kāi)環(huán)傳函為：開(kāi)環(huán)傳函為：n若若=0.01=0.01n若若=0.1=0.1n若若=1=115 . 0sKesAR- -180180O O1 1=1=1=0.1=0.1K=1.522.317 160K=8.56K=80.01=0.01=0.01可見(jiàn)可見(jiàn), 隨時(shí)滯隨時(shí)滯的增加的增加: 1) 交界頻率降低交界頻率降低意味著進(jìn)入系統(tǒng)的即便是低頻周期擾動(dòng)意味著進(jìn)入系統(tǒng)的即便是低頻周期擾動(dòng),閉閉環(huán)響應(yīng)也將更為靈敏環(huán)響應(yīng)也將更為靈敏;2) 臨界增益降低臨界增益降低則為保證閉環(huán)響應(yīng)的穩(wěn)定則為

5、保證閉環(huán)響應(yīng)的穩(wěn)定,必須降低控制器必須降低控制器增益增益,導(dǎo)致過(guò)程響應(yīng)變慢導(dǎo)致過(guò)程響應(yīng)變慢.010203040506000.10.20.30.40.50.60.70.802413)(sesGsp時(shí)滯出現(xiàn)在干擾通道時(shí)滯出現(xiàn)在干擾通道)(sGp)(sGcsesGff)(+-+)(sR)(sY)()(1)()()()(sGsGsGsGsRsYpcpc)()(1)()()(sGsGesGsFsYpcsff0)()(1sGsGpc系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為: 因不含純滯后因不含純滯后, 閉環(huán)特征根不受閉環(huán)特征根不受時(shí)滯影響時(shí)滯影響,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)也不會(huì)受時(shí)滯的影響質(zhì)

6、也不會(huì)受時(shí)滯的影響. )(sF時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的影響時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的影響n由時(shí)滯在干擾通道和過(guò)程通道的不同影響可知由時(shí)滯在干擾通道和過(guò)程通道的不同影響可知, n控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)考慮減小處于閉環(huán)回路的純應(yīng)考慮減小處于閉環(huán)回路的純時(shí)滯時(shí)滯, n即除了和工藝配合外即除了和工藝配合外,選擇合適的被控量和操縱量選擇合適的被控量和操縱量, 減小對(duì)象的純時(shí)滯外減小對(duì)象的純時(shí)滯外,還可減小測(cè)量裝置和信號(hào)傳還可減小測(cè)量裝置和信號(hào)傳輸?shù)募儨筝數(shù)募儨?n也可采用時(shí)滯補(bǔ)償方法較小純滯后的不利影響也可采用時(shí)滯補(bǔ)償方法較小純滯后的不利影響.3.1 史密斯史密斯(Smith)預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制n克

7、服時(shí)滯的思路克服時(shí)滯的思路1.串聯(lián)串聯(lián)e +s2.引入反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使閉環(huán)特征方程中無(wú)時(shí)引入反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使閉環(huán)特征方程中無(wú)時(shí)滯項(xiàng)滯項(xiàng)spesG)()(sGc)(sGf+-+)(sR)(sY)(sF3.1 史密斯史密斯(Smith)預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制)(sF)()1 ()(sGesGpskspesG)()(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY)(sGk+spckcspcesGsGsGsGesGsGsRsY)()()()(1)()()()(0)()(1sGsGpc希望系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為希望系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為: )()(1)()(sGsGesGsGpcspc閉環(huán)傳函為沒(méi)有純滯后時(shí)系統(tǒng)的)(

8、)(1)()()( 1sGsGsGsGsGpcpcsesG)(1對(duì)對(duì)Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)慕忉岊A(yù)估補(bǔ)償?shù)慕忉宯未補(bǔ)償時(shí)未補(bǔ)償時(shí), 與給定與給定R作比較的是作比較的是UGpe-sn補(bǔ)償后，補(bǔ)償后，與給定與給定R作比較的是作比較的是UGpe-s+ UGp(1- e-s)=UGp即，作為測(cè)量信號(hào)反饋的是不含的輸出即，作為測(cè)量信號(hào)反饋的是不含的輸出UGp ，相，相當(dāng)于把反饋信號(hào)提前了當(dāng)于把反饋信號(hào)提前了時(shí)刻（預(yù)估），時(shí)刻（預(yù)估），故，控制是及時(shí)的，消除了純滯后的不良影響。故，控制是及時(shí)的，消除了純滯后的不良影響。spesG)()(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY)(sGk+)()()(1)()(1

9、)()()(sGesGsGsGsGsGsFsYKspcCKF干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)即，消除了純滯后對(duì)控制品質(zhì)的影響即，消除了純滯后對(duì)控制品質(zhì)的影響se spesG)()(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY)(sGk+)(sF)(1)()()(1)1)()(1)()()(1sFpcspcFesGsGsGsGesGsGsGsFsY)()1 ()(sGesGpsk的閉環(huán)傳函表示沒(méi)有純滯后時(shí)系統(tǒng)其中)()(1)()()( ,1sGsGsGsGsGpcpc隨動(dòng)控制和定值控制中的隨動(dòng)控制和定值控制中的Smith預(yù)估補(bǔ)償預(yù)估補(bǔ)

10、償n對(duì)于隨動(dòng)控制對(duì)于隨動(dòng)控制控制作用僅在時(shí)間上推遲了控制作用僅在時(shí)間上推遲了 ，故系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的形狀，故系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的形狀和品質(zhì)與無(wú)純滯后的完全相同；和品質(zhì)與無(wú)純滯后的完全相同；n對(duì)于定值控制對(duì)于定值控制控制作用比擾動(dòng)的影響滯后一個(gè)控制作用比擾動(dòng)的影響滯后一個(gè)時(shí)間，故控制效果不時(shí)間，故控制效果不如隨動(dòng)系統(tǒng)明顯，且與如隨動(dòng)系統(tǒng)明顯，且與Tf/Tp的比值大小有關(guān)的比值大小有關(guān)sesGsRsY)()()(1)(1)()()(1sFesGsGsFsY3.1 史密斯史密斯(Smith)預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制n史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制中存在的問(wèn)題史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制中存在的問(wèn)題預(yù)估模型與真實(shí)模型存在誤差時(shí)，控制

11、效果差預(yù)估模型與真實(shí)模型存在誤差時(shí)，控制效果差n滯后時(shí)間滯后時(shí)間 有誤差有誤差n模型增益模型增益 K 有誤差有誤差n模型時(shí)間常數(shù)模型時(shí)間常數(shù) T 有誤差有誤差spesG)()(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY)(sGk+)()1 ()(sGesGpsk史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制中存在的問(wèn)題史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制中存在的問(wèn)題n實(shí)際控制系統(tǒng)輸出實(shí)際控制系統(tǒng)輸出y y* *為為n可見(jiàn)可見(jiàn)估計(jì)模型與真實(shí)過(guò)程完全一致時(shí)，才能完全補(bǔ)償控制估計(jì)模型與真實(shí)過(guò)程完全一致時(shí)，才能完全補(bǔ)償控制模型誤差越大，補(bǔ)償效果越差模型誤差越大，補(bǔ)償效果越差因純滯后為指數(shù)函數(shù)，故純滯后的誤差比因純滯后為指數(shù)函數(shù)，故純滯后的誤差比 的誤

12、差影響更大的誤差影響更大某些過(guò)程，如物料流動(dòng)，其流動(dòng)的流量常數(shù)是不斷變化的，故在某些過(guò)程，如物料流動(dòng)，其流動(dòng)的流量常數(shù)是不斷變化的，故在某工作點(diǎn)下設(shè)計(jì)的某工作點(diǎn)下設(shè)計(jì)的SmithSmith補(bǔ)償控制器在新的補(bǔ)償控制器在新的下，補(bǔ)償效果會(huì)變差下，補(bǔ)償效果會(huì)變差)()()()()()()()1 ()()()()()1 ()()(*sEesGsGsGsGsUsGesUesGsUsGesYsYspppppssppsspesG)()(sGc)(sGF+-+)(sR)(sY)(sGk+)()1 ()(sGesGpskpG一個(gè)例子一個(gè)例子n( (有誤差下有誤差下SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償效果變差預(yù)估補(bǔ)償效果

13、變差) )PIsGessGcsp)(142)(4n簡(jiǎn)單反饋（純）滯后時(shí)簡(jiǎn)單反饋（純）滯后時(shí)n完全補(bǔ)償時(shí)完全補(bǔ)償時(shí)n 有誤差有誤差時(shí)（時(shí)（ =4.2）PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Kp=20Ti=1PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Kp=0.5Ti=0.074se)()1 ()(sGesGpskyyy單回路單回路PID 模型準(zhǔn)確時(shí)，模型準(zhǔn)確時(shí)，Smith預(yù)估法優(yōu)于單回路預(yù)估法優(yōu)于單回路PID控制控制s2 . 4預(yù)預(yù)估估環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)模型有誤差時(shí)，模型有誤差時(shí)，Smith預(yù)估法的控制品質(zhì)明顯下降預(yù)估法的控制品質(zhì)明顯下降3.2 自適應(yīng)自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制n增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制理想情況下理想情況下-等同于等同于

14、Smith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制真實(shí)對(duì)象增益變化真實(shí)對(duì)象增益變化K 時(shí)時(shí)-反饋量增大反饋量增大K spesG)()(sGc+-)(sR)(sY( )pGsABA/BseABABsTd1dT增益自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)例子增益自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)例子n預(yù)估模型完全精確時(shí)預(yù)估模型完全精確時(shí)n模型增益大于仿真對(duì)象模型增益模型增益大于仿真對(duì)象模型增益n模型增益小于仿真對(duì)象模型增益模型增益小于仿真對(duì)象模型增益n模型純滯后時(shí)間大于仿真對(duì)象的純滯后時(shí)間模型純滯后時(shí)間大于仿真對(duì)象的純滯后時(shí)間n模型純滯后時(shí)間小于仿真對(duì)象的純滯后時(shí)間模型純滯后時(shí)間小于仿真對(duì)象的純滯后時(shí)間n模型時(shí)間常數(shù)大于仿真對(duì)象時(shí)間常數(shù)模型時(shí)間常數(shù)大于仿

15、真對(duì)象時(shí)間常數(shù)n模型時(shí)間常數(shù)小于仿真對(duì)象時(shí)間常數(shù)模型時(shí)間常數(shù)小于仿真對(duì)象時(shí)間常數(shù)n結(jié)果結(jié)果在外擾下，增益自適應(yīng)方案比在外擾下，增益自適應(yīng)方案比Smith方案的誤差積分指標(biāo)；方案的誤差積分指標(biāo)；但在設(shè)定值變化下，二者差不多；但在設(shè)定值變化下，二者差不多；只有模型增益變化時(shí)，增益自適應(yīng)方案比只有模型增益變化時(shí)，增益自適應(yīng)方案比Smith方案積分誤差指方案積分誤差指標(biāo)低很多。標(biāo)低很多。) 1)(1()(21sTsTeKesGspsp3.2 自適應(yīng)自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制n完全抗干擾的完全抗干擾的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制spesG)()(sGc+-)(sR)(sY)(sGf)

16、(sGp)(sGpse1-+)(1sD)(2sD)(sU內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂苙內(nèi)?？刂苾?nèi)?？刂?Internal Model Control,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱IMC)是一種基于是一種基于過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略。以其簡(jiǎn)過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略。以其簡(jiǎn)單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可測(cè)干擾等單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可測(cè)干擾等優(yōu)點(diǎn)，為控制理論界和工程界所重視。優(yōu)點(diǎn)，為控制理論界和工程界所重視。n內(nèi)模控制具有以下優(yōu)點(diǎn)內(nèi)?？刂凭哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):(1)無(wú)需精確的對(duì)象模型無(wú)需精確的對(duì)象模型; (2)在引入濾波器后，系統(tǒng)有可在引入濾波器后，系統(tǒng)有可能獲得較好的魯棒性能獲得較好的魯棒性; (3)控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方便?？刂破鲄?shù)調(diào)節(jié)方便。)()()(1)()()()(sGsGsKsKsGsRsY內(nèi)模控制與內(nèi)?？刂婆cSmith預(yù)估補(bǔ)償控制的聯(lián)系預(yù)估補(bǔ)償控制的聯(lián)系nSmith預(yù)估補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)化表示為一種內(nèi)模預(yù)估補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)化表示為一種內(nèi)模結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n內(nèi)?？刂浦袃?nèi)?？刂浦挟?dāng)估計(jì)模型精確時(shí)，反饋量當(dāng)估計(jì)模型精確時(shí)，反饋量=擾動(dòng)量，反饋相擾動(dòng)量，