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1、12011-4-264.4 纯滞后控制技术在工业过程(如热工、化工)控制中，由于物料或能量的 传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。对象的这种纯 滞后性质常引起系统产生超调或者振荡。纯滞后：由于物料或能量的传输延迟引起的滞后现象；容量滞后：由于惯性引起的滞后。比如发酵过程，不是 纯滞后。22011-4-264.4 纯滞后控制技术无延时有延时32011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制1.史密斯(Smith)预估控制（1）施密斯预估控制原理原理分析：对于一个单回路系统42011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制若没有纯滞后，G(s)=GP(s)s PesGsG=
2、)()(若有纯滞后，为纯滞后时间则，闭环传递函数的结构是s Ps P esGsDesGsDs +=)()(1)()()(52011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制 施密斯预估控制原理是：与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器，其传递函数为，为纯滞后时间。)1)(s PesG62011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制由施密斯预估器和调节器D(s)组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为)1)()(1)()( s PesGsDsDsD+=经补偿后的系统闭环传递函数为sPP s Ps PesGsDsGsDesGsDe
3、sGsDs +=+=)()(1)()()()(1)()()(72011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间，控制系统的过渡过程及其它性能指标都 与对象特性为Gp(s)时完全相同。sese82011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制（2）具有纯滞后补偿的数字控制器分析一种具有纯滞后补偿的数字控制器，该数字控制器 由两部分组成： 一部分是数字PID控制器(由D(s)离散化得到)；一部分是施密斯预估器。92011-4
4、-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制施密斯预估器的输出可按下图的顺序计算。u(k)是PID数字控器的输出，y(k)是施密斯预估器的输出。从图中 可知，必须先计算传递函数Gp(s)的输出m(k)后，才能计算预估器的输 出： y(k)=m(k)-m(k-N)。施密斯预估器)(sG102011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制 施密斯预估器? 滞后环节使信号延迟。在内存中专门设定N个单元存放信号m(k)的历史数据，存贮单元个数N由下式决定。N=/T；(纯滞后时间；T采样周期) ? 数据依次递推。每采样一次，把m(k)记入0单元，同时把0单元原来存放数据移到1单元，1单元原来
5、存放数据移到2单元，依此类推。从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的m(k-N)信号。112011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制许多工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的 串联来表示： sffsPcesTKesGsG +=1)()(Kf被控对象的放大系数； Tf被控对象的时间常数； 纯滞后时间。预估器的传递函数为)1 (1sffesTK+=)1)()(sPesGsG=122011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制纯滞后补偿控制算法步骤(假设对象为一阶关系纯滞后)：132011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制纯滞后补偿控制算法步骤(假
6、设对象为一阶关系纯滞后)：计算反馈回路的偏差e1(k): e1(k)=r(k)-y(k) 计算纯滞后补偿器的输出y(k)()()取整数TNeKbeaazbzzesTKseZzUzYsGZzGffTTfTTNsffTs = = += ,1,11111)()()()(11142011-4-264.4.1 史密斯(Smith)预估控制计算偏差e2(k)：e2(k)=e1(k)-y(k)计算控制器的输出u(k) 2() 1(2)()() 1()() 1()() 1()(222222+=+=kekekeKkeKkekeKkukukukuDIP( )(1)(1)(1)y kay kb u ku kN=+由
7、上式求差分方程为392011-4-264.5 串级控制技术串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种 控制技术。当PID控制应用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。但是，当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时， 如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。 串级控制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几 个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因 素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高了系统 动态响应的快速性。402011-4-264.5 串级控制技术何谓“串级”?在DDC系统中，有多个调节器（控制器）串接，前一级的控制输出就是后一级的输
8、入设定值即。 这种DDC系统称为“串级”控制系统。?例如，双环直流可逆调速系统中的速度调节器和电流调 节器。炉温控制系统中温度调节器和煤气流量调节器。 均采用串级控制的结构。亦称“双环系统”或“多环系统”。)()(12kukr= =412011-4-264.5 串级控制技术1. 串级控制的结构和原理以加热炉炉温控制系统为例温度调节器温度测量温度调节器温度测量空气入口温度空气入口温度y1(t)煤气调节阀 温度给定值煤气调节阀 温度给定值r1(t)加 热 炉加 热 炉 进料出料进料出料422011-4-26当煤气管道中的压力恒定时当煤气管道中的压力恒定时，管道阀门对应一定的煤 气流量，上述控制关系
9、较为简单，控制时只需根据，管道阀门对应一定的煤 气流量，上述控制关系较为简单，控制时只需根据e(t)=r1(t)y1(t)，然后用，然后用PID进行控制即可。但当煤气同时向其它炉子供应时，进行控制即可。但当煤气同时向其它炉子供应时，管道中的压力可能波动管道中的压力可能波动，因此对于同样的阀位，因此对于同样的阀位，煤气的流量随压力波动而变 化煤气的流量随压力波动而变 化，从而对炉温造成扰动。，从而对炉温造成扰动。而压力的波动到炉温的变化要 经过管道的传输、炉膛的燃烧等一系列环节，这些环节具 有惯性和纯滞后，从而使炉温的偏差加大，调节时间加长。而压力的波动到炉温的变化要 经过管道的传输、炉膛的燃烧
10、等一系列环节，这些环节具 有惯性和纯滞后，从而使炉温的偏差加大，调节时间加长。 单回路负反馈控制难以获得理想的控制效果。单回路负反馈控制难以获得理想的控制效果。4.5 串级控制技术432011-4-26?采用煤气流量（或压力）和出口温度相结合的串级控制结 构来解决。温度调节器温度调节器温度测量温度测量空气入口煤气调节阀温度给定值空气入口煤气调节阀温度给定值r1(t)流量测量流量测量流量调节器流量调节器流量流量y2(t)加 热 炉加 热 炉 进料 出料温度进料 出料温度y1(t)4.5 串级控制技术442011-4-264.5 串级控制技术炉温控制系统452011-4-264.5 串级控制技术炉
11、温和煤气流量的串级控制结构图控制目的控制目的：使炉温保持恒定。：使炉温保持恒定。单回路控制单回路控制：只对炉温的偏差进行控制。：只对炉温的偏差进行控制。串级控制串级控制：对煤气流量和炉温的偏差均进行控制。：对煤气流量和炉温的偏差均进行控制。462011-4-264.5 串级控制技术采用串级控制具有优点采用串级控制具有优点等效副对象的时间常数小于原时间常数，因此串级系 统的等效副对象的时间常数小于原时间常数，因此串级系 统的响应速度快响应速度快；等效副对象的放大系数小于原放大系数，因此允许主 回路放大系数适当增大，等效副对象的放大系数小于原放大系数，因此允许主 回路放大系数适当增大，提高了系统的
12、静态精度及抗 干扰能力提高了系统的静态精度及抗 干扰能力；副回路有副回路有较强的抑制扰动的能力较强的抑制扰动的能力；系统对系统对负荷变化的适应能力更强负荷变化的适应能力更强。472011-4-26串级控制系统的应用范围(1) 抑制控制系统的扰动利用副回路动作速度快、抑制扰动能力强的特点。注意要将扰动包含在副回路中。(2) 用来克服对象的纯滞后对象的纯滞后较大时，若用单回路控制，则过渡时间长，超调量大，参数恢复缓慢，控制质量较差。采用串级控制可克服纯滞后的影响，改善系统的控制性能。4.5 串级控制技术482011-4-26(3) 用来减少对象非线性的影响采用串级控制，把非线性对象包含在副回路中，
13、由于副回路是随动系统，能适应操作条件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定值，使系统具有良好的控制性能。注意：设计此类系统应尽可能把主对象和副对象的时间常数拉开，以减少副回路参数波动对主回路的影响，从而取得良好的控制效果。4.5 串级控制技术492011-4-26与单回路控制系统的选择原则一致与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及 安全等控制要求的参数作为主变量。，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及 安全等控制要求的参数作为主变量。?主变量的选择主变量的选择?副变量的选择（副变量的选择（1）在）在保证副回路时间常数
14、较小的前提下保证副回路时间常数较小的前提下，使其，使其纳入主要的和更多的干扰纳入主要的和更多的干扰。串级控制系统的设计4.5 串级控制技术502011-4-26（2）应使主、副对象的时间常数匹配）应使主、副对象的时间常数匹配副回路工作频率副回路工作频率12)103(dd = =为确保串联系统为确保串联系统不产生共振不产生共振，一般取，一般取主回路工作频率主回路工作频率（3）应考虑工艺上的）应考虑工艺上的合理性合理性、可能性可能性和和经济性经济性4.5 串级控制技术512011-4-264.5 串级控制技术2. 数字串级控制算法计算原则：不管串级控制有多少级，计算的顺序总 是从最外面的回路向内进
15、行。522011-4-264.5 串级控制技术计算步骤：(1).计算主回路的偏差e1(k)：e1(k)=r1(k)-y1(k) (2).计算主回路控制器D1(z)的输出u1(k)u1(k)=u1(k-1)+u(k) u(k)=KP1e1(k)-e1(k-1)+KI1e1(k)+KD1e1(k)-2e1(k-1)+e1(k-2)(3).计算副回路的偏差e2(k)：e2(k)=u1(k)-y2(k)(4).计算副回路控制器D2(z)的输出u2(k) 532011-4-26说明说明(1)主、副回路采样周期一般不同，称为异步采样。主、副回路采样周期一般不同，称为异步采样。在许多串级控制系统中，在许多串级控制系统中，主、副回路对象特性相 差悬殊主、副回路对象特性相 差悬殊，如流量和温度串级控制系统中，流量对象的 响应速度比较快，温度对象的响应速度较慢。在这种 串级系统中，如流量和温度串级控制系统中，流量对象的 响应速度比较快，温度对象的响应速度较慢。在这种 串级系统中，若主、副回路的采样周期选择得相同若主、副回路的采样周期选择得相同， 则：， 则：4.5 串级控制技术542011-4-26?若按快速的流量对象特性选择采样周期，计算机采样频繁，计算工作量大，因而降低了计算机的使用效率；?若按慢速的温度对象特性选择采样周期，则会降低副回路的控制性能，削弱副回路抑制扰动的能力，起不到应有的作
