1、过程控制系统仿真电子工业出版社 出版 2009.3,本章内容与 目录,9.1 纯滞后系统概述9.2 纯滞后系统的设计9.3 综合仿真实例 本章小结,本章描述了纯滞后系统的基本概念，介绍了纯滞后控制系统的基本特点、纯滞后控制系统的设计以及纯滞后控制系统控制器参数整定等基础知识，并通过仿真实例加深对以上内容的理解。 通过本章，希望读者对纯滞后控制系统有较为全面的认识，并通过仿真深化对纯滞后控制系统的理解。,9.1 纯滞后系统概述,在工业生产中，被控对象除了容积延迟外，通常具有不同程度的纯延迟。例如，气体物料、液体物料通常经过管道传送，固体物料往往通过传送带传送。当利用改变物料的流量等调节生产过程时
2、，经过输送环节的传送时间（滞后）后，物料的变化情况才能到达生产设备进而实现工艺参数的改变。这个输送过程的传送时间是一个纯滞后时间。再如，在热交换过程中，经常将被加热物料的输出温度作为被控制量，而把载热介质（如过热蒸汽）的流量作为控制量，载热介质流量改变后，经过一定时间才表现为输出物料温度的变化。系统的这种表现可用含有纯滞后的传递特性描述。这类控制过程的特点是：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应，使得系统不能及时随被控制量进行调整以克服系统所受的扰动。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。所以，含有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控制程度随
3、着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。一般认为，纯滞后时间与过程的时间常数之比大于0.3时，该过程是大滞后过程。随此比值增加时，过程的相位滞后增加而使超调增大，在实际的生产过程中甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。因此大滞后过程的控制一直备受关注。,9.1 纯滞后系统概述,【例9-1】钢带压制过程中的钢带厚度控制,可见，如果调节时间按时间常数的3倍计算，则调节时间约为25.15375.45秒。也就是说，在扰动产生钢带厚度不均匀后75.45秒，才被检测装置检测出来用作钢带厚度的控制信号。显然，这样的控制已完全错过了真正产生厚度不均匀的时
4、刻。 控制信号的给出与相应产生偏差的动作不合拍，这样很容易产生控制过程中钢带厚度变化超调甚至产生不稳定失控。 在过程控制中，被控对象具有滞后特性是普遍现象，一般在滞后不显著时，为了简化控制系统而忽略滞后的影响。当滞后特性显著以至影响系统控制品质时，则应对滞后特性进行有针对性的控制。 纯滞后系统与一般系统区别的主要特征是被控对象时滞与其瞬态过程时间常数值比较大，采用通常的控制策略时，不能实现系统的精度控制，甚至会造成系统不稳定。通常认为当被控对象时滞与其瞬态过程时间常数之比大于0.3时，被控系统为纯滞后系统。,(具体内容请参阅教材),9.2.1 常规控制系统9.2.2 史密斯补偿控制,9.2 纯
5、滞后系统的设计,9.2.1 常规控制系统,在纯滞后系统控制中，为了充分发挥PID的作用，改善滞后问题，主要采用常规PID的变形形式：微分先行控制和中间微分控制。微分先行控制和中间微分控制都是为了充分发挥微分作用提出的。微分的作用是导前，根据变化规律提前求出其变化率，相当于提取信息的变化趋势，所以对滞后系统，充分利用微分作用，可以提前预知变化情况，进行有效的“提前控制”。,9.2 纯滞后系统的设计,(具体内容请参阅教材),9.2 纯滞后系统的设计,2中间微分反馈控制,与微分先行控制方案的设想类似，采用中间微分反馈控制方案，加快系统的反应速度进而改善系统的控制质量。中间微分反馈控制方框图如图9.6
6、 所示。,由图9.6可见，系统的微分只是对系统输出起作用，并作为控制量的一部分，这样的方式能在被控参数变化时，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，仅在动态时起作用，而在静态时或在被控参数变化速度恒定时就失去作用。,微分先行和中间微分反馈方法都能有效地克服超调现象，缩短调节时间，而且不需特殊设备。因此，这两种控制形式都具有一定的实际应用价值。但是这两种控制方式都仍有较大超调且响应速度很慢，不适于应用在控制精度要求很高的场合。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,纯滞后补偿控制的基本思路是：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控
7、制支路等），使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性等。,1纯滞后补偿的基本原理,通过图9.7所示附加并联环节,的补偿处理，在,和,之间传递函数不再表现为滞后特性。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,2史密斯滞后补偿控制,可见，经补偿后，传递函数特征方程中已消除时间滞后项，也就是消除了时滞对系统控制品质的影响。下面用实例说明史密斯控制方案的应用。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,【例9-4】史密斯预估器在纯滞后矿仓料位控制中的应用在钢铁行业的烧结厂中，混合料仓料位参数的准确控制是平衡和稳定烧结生产
8、的重要手段。矿仓料位系统的工艺流程如图9.9 所示。,(具体内容请参阅教材),9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,图9.9中，矿仓源头落料点在配料圆盘处，物料需经1、2 、3 、4等4 条皮带和2 个混合机才能到达矿仓，纯滞后时间达11分钟。 在烧结生产中，混合料仓的料位必须严格地控制在60%处，上下限波动为10%，即上下限分别为50%70%。 如果料位过高，则烧结机遇故障停机时，S-1皮带机带料停机，重新启动很容易烧毁电机；如果料位过低，则容易造成烧结机断料，点火器空烧烧结机，出现严重的设备隐患。混合料仓的容量只有80t，混合料的上料量约800t/ h，面对如此大的上料量，
9、纯滞后时间达11min，而自身容量非常小的混合料仓对料位的调节能力很有限。 采用传统的PID 控制未能很好地控制矿仓料位。采用图9.10所示的Smith 预估控制系统成功地解决了这一问题。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,图9.11表明料位波动都在3 %以内。所以，采用了史密斯预估补偿控制策略后，预估器能够有效地克服纯滞后和外因扰动而引起的料位波动，该系统和常规的PID 控制相比具有控制品质高，鲁棒性好和抗干扰能力强等优点。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,3完全抗干扰的史密斯滞后补偿控制,系统既可完全恒定跟踪设定值，而与过程中所有参数无关。由于实际
10、中很难实现，所以这种补偿方式，只有理论的意义而在实际中很少采用。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,4增益自适应性补偿控制,该补偿控制是在史密斯补偿控制基础上增加了一个除法器、一个导前微分环节（其中）和一个乘法器。利用这三个环节根据模型和过程输出信号之间的比值提供一个自动校正预估器增益的信号。,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,【例9-5】加热炉多点平均温度增益自适应纯滞后补偿控制系统钢厂轧钢车间在对工件进行轧制前需要将工件加热到一定温度。图9.16表示其中一个加热段的温度控制系统。,(具体内容请参阅教材),9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补
11、偿控制,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史密斯补偿控制,使用结果证明：（1）采用常规PID控制，由于对纯滞后和参数时变控制能力不足，很难达到理想的控制效果；（2）采用纯滞后补偿后，加热炉的纯滞后得到了补偿，系统控制品质大幅度改善，但是，由于加热炉对象描述模型的时变特征，导致实际上不能得到足够精确的数学模型，使纯滞后补偿的控制品质受到严重影响；（3）采用纯滞后自适应补偿后，既克服了纯滞后时间对控制系统的影响，又对模型的不精确进行了一定的修正。所以，采用带可变增益自适应补偿后，实现了很好的控制品质,9.2 纯滞后系统的设计,9.2.2 史
12、密斯补偿控制,5改进型史密斯补偿控制,理论分析证明改进型方案的稳定性优于原Smith方案，其对模型精度的要求明显降低，有利于改善系统的控制性能。 无论在设定值扰动或负荷扰动下，史密斯预估器对模型精度十分敏感，而改进型方案确有相当好的适应能力，是一种有希望的史密斯改进方案。,9.3.1 微分先行控制仿真 9.3.2 中间微分控制仿真9.3.3 史密斯补偿控制仿真9.3.4 增益自适应性补偿控制仿真9.3.5 改进型史密斯补偿控制仿真9.3.6参数摄动对系统影响仿真,9.3 综合仿真实例,9.3 综合仿真实例,9.3.1 微分先行控制仿真,【例9-6】微分先行控制综合仿真实例。采用微分先行控制方法
13、对某恒温箱的恒温过程进行控制。其中，输入量为燃油量，输出量为温度。,(具体内容请参阅教材),9.3 综合仿真实例,9.3.2 中间微分控制仿真,【例9-7】中间微分控制综合仿真实例。采用中间微分控制方法对例9-6的恒温箱的恒温过程进行控制。其中，输入量为燃油量，输出量为温度。,(具体内容请参阅教材),9.3 综合仿真实例,9.3.3 史密斯补偿控制仿真,【例9-8】史密斯补偿控制综合仿真实例。采用史密斯补偿控制方法对例9-6的恒温箱的恒温过程进行控制。其中，输入为燃油量输出为温度。,(具体内容请参阅教材),9.3 综合仿真实例,9.3.4 增益自适应性补偿控制仿真,【例9-9】增益自适应性补偿
14、控制仿真综合实例。估计器无差估计过程模型的理想情况下，采用增益自适应补偿控制对某一化学反应过程进行仿真。其中，输入为原料量，输出为反应所生成的产品产量。,【例9-10】可变增益自适应纯滞后补偿仿真综合实例。估计器无差估计过程模型的理想情况下，对例9-5所示的加热炉多点平均温度系统采用可变增益自适应纯滞后补偿进行仿真。,(具体内容请参阅教材),(具体内容请参阅教材),9.3.5 改进型史密斯补偿控制仿真,9.3 综合仿真实例,【例9-11】改进型史密斯补偿控制仿真综合实例。某利用供料系统传送带供料，供料输入为电动机转速，输出为供料量，由于上料环节等原因，系统工作过程干扰较大，采用改进型史密斯补偿
15、控制方法对该对象进行控制仿真。,(具体内容请参阅教材),9.3 综合仿真实例,9.3.6参数摄动对系统影响仿真,【例9-12】微分先行控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-6）微分先行控制系统鲁棒性分析。在图9.35中仅考虑有随机干扰部分中延时时间常数变化10%，分析系统鲁棒性。,【例9-13】中间微分控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-7）中间微分控制系统鲁棒性分析。在图9.43中仅考虑有随机干扰部分中延时时间常数变化10%，分析系统鲁棒性。,【例9-14】史密斯补偿控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-8）史密斯补偿控制系统鲁棒性分析。在图9.49中仅考虑有随机干扰部分中延时
16、时间常数变化10%，即延时时间4.55.5，分析系统鲁棒性。,【例9-15】增益自适应补偿控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-9）增益自适应补偿控制系统鲁棒性分析。在图9.57中仅考虑有随机干扰部分中延时时间常数变化10%，即延时时间4.55.5，分析系统鲁棒性。,(具体内容请参阅教材),(具体内容请参阅教材),(具体内容请参阅教材),(具体内容请参阅教材),9.3 综合仿真实例,9.3.6参数摄动对系统影响仿真,【例9-16】改进史密斯补偿控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-11）改进史密斯补偿控制系统鲁棒性分析。在图9.71中仅考虑主控制器中延时时间常数变化10%，即延时时间4
17、.55.5，分析系统鲁棒性。,(具体内容请参阅教材),本章小结,本章主要讲述滞后控制系统的基本理论、设计方法以及仿真方法：（1）滞后控制系统的基本理论 滞后是过程控制系统中的重要特征，滞后可导致系统不稳定。有些系统滞后较小这时人们为了简化控制系统设计，忽略了滞后；但在滞后较大时，不能忽略，本书用实例进行了说明。从经验上讲，当被控对象的时滞与其瞬态过程时间常数之比大于0.3时，被控系统应按纯滞后系统设计。（2）滞后控制系统的设计本部分系统讲述了滞后控制系统的各种设计方法。首先讲述了常规控制系统，包括微分先行控制系统和中间微分反馈控制系统的实现滞后补偿的原理及设计方法，并对这两种方法进行了对比。其次讲述了史密斯补偿控制系统，主要有纯滞后补偿的基本原理、史密斯补偿控制系统、完全抗干扰史密斯补偿控制系统、增益自适应补偿控制系统、改进型史密斯补偿控制系统的原理与设计方法，并对各种方法通过分析及实例进行了对比。（3）滞后控制系统的仿真对各种滞后控制系统进行了详尽仿真分析和对比，并对参数摄动进行了仿真分析。,
