过程控制--第九讲：大延时系统设计(lyz1)

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1、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8/26/20212过程控制与仪表一、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

2、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8/26/20213过程控制与仪表二、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

3、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。8/26/20214过程控制与仪表二、常规控制方案1．微分先行控制方案8/26/20215过程控制与仪表二、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。8/26/20216过程控制与仪表二、常规控制方案2．中间微分控制方案特

4、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。8/26/20217过程控制与仪表二、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：8/26/20218过程控制与仪表二、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

5、）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。8/26/20219过程控制与仪表三、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。8/26/202110过程控制与仪表三、SMITH预测估计等效方案：W0(s)（1－e-τs）为预估补偿装

6、置的传递函数。8/26/202111过程控制与仪表三、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积起来，也就是对过程特性变化的灵敏度很高。为此可采用增益自适应预估补偿控制。8/26/202112过程控制与仪表四、采样控制实现控制原理：当被控过程受扰动而使被控参数偏离给定值时，采样被控参数与给定值，保持其值不变，保持的时间与纯时延大小相等或稍大一些。当经过τ时间后，再按照被控

7、参数与给定值的偏差及其变化方向与速度值来进一步加以校正，校正后又保持其值不变。再等待一个纯时延τ，这样重复上述动作规律，一步一步地校正被控参数的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态。8/26/202113过程控制与仪表五、控制举例设贮液罐液位控制系统的广义过程传递函数为式中：K0＝2，T0＝2min，τ＝4min8/26/202114过程控制与仪表八、前馈控制举例SMITH预测估计8/26/202115过程控制与仪表讨论设计方案？系统设计思路？整定步骤？8/26/202116过程控制与仪表