第九讲：大时延系统设计ProcessControlSystem主讲老师：廉迎战副教授重点内容大时延控制系统=大时延对象+反馈控制系统内容：系统分析控制方案系统整定系统投运一、概述大延时系统：人们关注焦点，成为重要的研究课题：工业生产过程中，某些过程特性具有较大的纯时延，其特点是当控制作用产生后，在时间τ范围内，被控参数完全没有响应。若过程控制通道或测量变送环节存在延时，将会降低系统的稳定性，并且，纯时延会导致被控参数的偏差值增加，系统动态控制精度和静态控制质量下降。对于具有有时延过程的控制是非常困难的，采用反馈控制和前馈控制等方案是无法克服的。大时延对象：当对象纯延迟时间τo与其时间常数To之比大于0.3，则该系统为具有大延时对象；当纯延迟与时间常数之比增加，延时现象更加突出，系统越不稳定。控制策略：微分先行Smith预估二、常规控制方案1．微分先行控制方案在大延时过程中，控制器若采用PI或PID控制规律时，系统的品质均会下降，纯时延愈大，其问题愈突出。PID控制系统中采用微分先行控制方案与普通的PID控制系统相比，其控制品质有较大提高，对于减小超调量更显著。特点：微分先行PID控制系统中，微分环节的输出信号包括了被控参数及其变化速度值，将它作为反馈量与给定值比较的偏差作为PI控制器的输入信号，这样系统具有更强克服超调的作用。二、常规控制方案1．微分先行控制方案Kc(1+1/(TIs))Wo(s)e-tsTD(S+1)++-+y(s)x(s)f(s)图8-34PID系统框图Kc(1+1/(TIs))Wo(s)e-tsTD(S+1)++-+y(s)x(s)f(s)图8-35微分先行控制方案二、常规控制方案1．微分先行控制方案A、微分先行控制在给定值作用下：B、PID控制系统在给定值作用下：注意：微分先行控制方案和PID控制方案的特性方程完全相同。少一下零点Z＝－1/TD，所以微分先行控制方案比PID控制方案的超调量要小一些，提高了控制质量。sDIcIsIcesTsTKssWTesTKsXsY)1)(1()()1()()(10sDcsDcesTsTKssWTesTsTKsXsY)1)(1()()1)(1()()(11011二、常规控制方案2．中间微分控制方案特点：系统中的微分作用是独立的；在动态时起作用，而在静态时或在被控参数变化速度恒定时就失去作用。Kc(1+1/(TIs))Wo(s)e-tsTDS++-+y(s)x(s)f(s)+图8-36中间反馈控制方案二、常规控制方案2．中间微分控制方案设：对象：控制器：PI调节器PI常规控制：中间微分环节：scscesTKKsTsTesTKKsXsY)1()1()1()()(100110scsDscesTKKseTKsTsTesTKKsXsY)1()1()1()()(1000110二、常规控制方案2．中间微分控制方案设：将上式展开：求得两种控制方案的特征根为中间微分控制方案：S1，2=－0.199±j0.058S3=－0.643S4=－0.207PI控制系统：S1，2=－0.161±j0.253S3=－0.755S4=－0.15讨论：中间微分控制方案的一对主要极点（复根）离jω轴较远，其衰减较快；而PI控制方案的一对主要极点（复根）离jω轴较近，其衰减较慢。两方案零点相同。中间微分控制方案的衰减比较大，过渡过程时间较短，这种控制方案对克服纯时延的效果较好。2)21(1ses三、SMITH预测估计设对象的特性为W0(s)，其中W0(s)为对象不包含时延环节的传递函数；扰动通道的特性为Wf(s)；控制器的特性为Wc(s)，单回路系统闭环传递函数为：特征方程中引入项，使闭环系统的品质大大恶化。scscesWsWesWsWsXsY)()(1)()()()(00se三、SMITH预测估计等效方案：W0(s)（1－e-τs）为预估补偿装置的传递函数。seWc(S)Wo(s)e-ts++-+y(s)x(s)f(s)Wf(s)Wo(s)e-ts++Wc(S)Wo(s)e-ts+-y(s)x(s)Wo(s)(1-e-ts)(a)原理图-+++++Y1(S)Y2(S)(b)SMITH预估补偿Wc(S)Wo(s)+-y(s)x(s)e-tsY1(S)(c)等效图图8-38Smith预估补偿控制原理结构框图三、SMITH预测估计给定值为扰动时的闭环传递函数为：对于扰动信号的传递函数为：讨论：预估补偿完全补偿了时延对系统的不利影响，系统控制品质与被控过程无延时完全相同。Smith预估补偿控制方法的缺点是模型的误差会随时间累...
