第9章--纯滞后系统.pptVIP

* 第 9 章 纯 滞 后 系 统 过程控制系统仿真 《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，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25.15×3＝75.45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 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