高等過程控制-第5章純滯后

第五章純滯后補償控制系統(tǒng)

第一節(jié)、對象特性對控制質(zhì)量的影響

第二節(jié)、補償純遲延的常規(guī)控制第三節(jié)、預(yù)估補償控制1第一節(jié)對象特性對控制質(zhì)量的影響控制作用被調(diào)量干擾作用熱工對象W0λ（s）W0μ（s）干擾通道控制通道

控制質(zhì)量是用衰減率或衰減比n、動態(tài)偏差ym（）、靜態(tài)偏差y（）或e（）、控制時間ts等

。描述對象特性的特征參數(shù)是放大系數(shù)K

、時間常數(shù)Tc（T）、遲延時間τ（n）。2WT(S)W*0(S)VTVm（擾動）控制器為比例控制規(guī)律其放大系數(shù)為KP

干擾通道和控制通道的放大系數(shù)為K

、K0

干擾通道和擾動通道的時間常數(shù)為T、T3一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響1．放大系數(shù)K對控制質(zhì)量的影響

∴在單位階躍擾動下,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值：

干擾通道的放大系數(shù)K越大,在擾動作用下系統(tǒng)的動態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)誤差(靜態(tài)偏差)越大。

4一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響2．時間常數(shù)T對控制質(zhì)量的影響

設(shè)K=1,且擾動通道為一階慣性環(huán)節(jié)

擾動通道的時間常數(shù)越大越好,這樣可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度提高，動態(tài)偏差減小。

n增加,使閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)偏差減小5一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響3．遲延時間對控制質(zhì)量的影響

當擾動通道存在遲延τ時,則相當于一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)了一個遲延環(huán)節(jié)

擾動通道遲延時間τ的存在僅使被調(diào)量在時間軸上平移了一個τ值即過渡過程增加了一個τ時間。并不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

6一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響7一、干擾通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響4．多個擾動對控制質(zhì)量的影響

擾動進入系統(tǒng)的位置離輸出(被調(diào)量)越遠,對系統(tǒng)控制質(zhì)量影響就越小。

8二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響（一）放大系數(shù)Ko對控制質(zhì)量的影響

控制通道的放大系數(shù)KP·Ko

是一種互補關(guān)系，如果KP保持不變，Ko增大時控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度下降，被調(diào)量的動、靜態(tài)偏差增大，控制系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長。9二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響

（1）n階慣性對象對控制質(zhì)量的影響討論時間常數(shù)T和階次n

控制通道的時間常數(shù)T如果增大,系統(tǒng)的反應(yīng)速度慢,工作頻率將下降,系統(tǒng)的過渡過程的時間將加長，減小控制通道的時間常數(shù)，能提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

慣性對象階次n越大對被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)的也越慢，使控制系統(tǒng)的動態(tài)偏差、控制過程的時間增大，穩(wěn)定性裕度減小。

10二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響

（1）n階慣性對象對控制質(zhì)量的影響11二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響

（2）有遲延對象對控制質(zhì)量的影響討論時間常數(shù)Tc和遲延時間為τ

當控制通道有遲延時,遲延時間對調(diào)節(jié)是不利的，控制質(zhì)量主要取決于遲延和時間常數(shù)的比值τ/Tc,比值越大則控制質(zhì)量越差。

時間常數(shù)越大,動態(tài)偏差、控制過程的時間減小，穩(wěn)定性裕度增大，時間常數(shù)Tc增大能提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。12二、控制通道的特征參數(shù)對控制質(zhì)量的影響（二）時間常數(shù)、遲延時間對控制質(zhì)量的影響

（2）有遲延對象對控制質(zhì)量的影響13第二節(jié)補償純遲延的常規(guī)控制一般/T<0.3,稱具有一般純滯后過程，常規(guī)控制即可；

/T>0.3,稱具有大純滯后過程(大遲延系統(tǒng))，常規(guī)控制難奏效。/T之比越大越不容易控制。（1）微分先行控制方案：微分作用串聯(lián)在反饋回路上減小超調(diào)量，改善動態(tài)性能14（2）中間反饋控制方案微分作用是獨立的，能在被控制量變化時及時根據(jù)其變化的速度大小起附加校正作用，微分校正作用與PI調(diào)節(jié)器的輸出信號無關(guān)，只在動態(tài)時起作用，而在靜態(tài)時或在被控制量變化速度恒定時就失去作用。15PID、微分先行和中間反饋三種控制方案的比較方案整定參數(shù)超調(diào)量調(diào)節(jié)時間PIDδ=3.2Ti＝7TD＝01.455min微分先行δ=3.2Ti＝7TD＝1.4T1＝11.2650min中間反饋δ=3.2Ti＝7TD＝0.4KD＝11.3154min可以看到，微分先行和中間反饋控制都能有效地克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時間，有一定使用價值。被控對象傳遞函數(shù)16第三節(jié)預(yù)估補償控制一、Smith預(yù)估補償?shù)脑鞸mith預(yù)估補償方案主體思想就是消去特征方程中的e－τs項

17Smith補償系統(tǒng)分析能消除大遲延對系統(tǒng)過渡過程的影響，使調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)與過程無遲延環(huán)節(jié)時的情況一樣，只是在時間坐標上向后推遲了一個時間τ。

18可以推導(dǎo)出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

可見隨動控制經(jīng)預(yù)估補償，其特征方程中已消去了e－τs項，即消除了純遲延對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。分子中的e－τs僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲一個τ，所以預(yù)補償完全補償了純遲延對過程的不利影響。19

對于定值控制，由上式可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成。第一項為擾動對被控參數(shù)的影響；第二項為用來補償擾動對被控參數(shù)影響的控制作用。由于第二項有遲延τ，只有t＞2τ時產(chǎn)生控制作用，當t≤2τ時無控制作用。所以Smith預(yù)估補償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動控制。

20二、Smith預(yù)估補償控制

1.抗干擾的Smith預(yù)估器在史密斯補償回路中增加一個反饋環(huán)節(jié)Wf(s)

若要完全不受干擾f(s)的影響，則只要上式中分子為零，即

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如果Wf(s)完全滿足條件，系統(tǒng)可完全跟蹤設(shè)定值，而且對干擾f(s)還可以無差地進行補償。只是Wf(s)完全實現(xiàn)不是很容易的，尤其在對象用高階微分方程來描述時更是如此。22問題：過程的數(shù)學(xué)模型與實際過程特性之間又有誤差，模型的誤差會隨時間累積起來。為了克服這一缺點，可采用增益自適應(yīng)補償方案。

2.增益自適應(yīng)補償方案23理想情況下，模型準確復(fù)現(xiàn)過程，A/B=1，與Smith方案相同。非理想情況下，模型與過程有誤差，A/B≠1，根據(jù)比值來提供一個自動校正預(yù)估器增益的信號D4

。結(jié)果表明（推導(dǎo)略）特征方程中不含純遲延24

3.觀測補償器控制方案

25閉環(huán)特征方程可得若WK（s）的模足夠小，閉環(huán)特征方程成為

表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與觀測器有關(guān)，而與時滯大小無關(guān)。