1、過程控制工程及仿真基于MATLAB/Simulink電子工業(yè)出版社 出版 2009.4作者：郭陽寬 王正林聯(lián)系郵箱： 本章內(nèi)容與 目錄9.1 純滯后系統(tǒng)概述9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.3 綜合仿真實例 本章小結(jié) 本章描述了純滯后系統(tǒng)的基本概念，介紹了純滯后控制系統(tǒng)的基本特點、純滯后控制系統(tǒng)的設(shè)計以及純滯后控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定等基礎(chǔ)知識，并通過仿真實例加深對以上內(nèi)容的理解。 通過本章，希望讀者對純滯后控制系統(tǒng)有較為全面的認識，并通過仿真深化對純滯后控制系統(tǒng)的理解。9.1 純滯后系統(tǒng)概述在工業(yè)生產(chǎn)中，被控對象除了容積延遲外，通常具有不同程度的純延遲。例如，氣體物料、液體物料通常經(jīng)過管道傳送，固體

2、物料往往通過傳送帶傳送。當(dāng)利用改變物料的流量等調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程時，經(jīng)過輸送環(huán)節(jié)的傳送時間（滯后）后，物料的變化情況才能到達生產(chǎn)設(shè)備進而實現(xiàn)工藝參數(shù)的改變。這個輸送過程的傳送時間是一個純滯后時間。再如，在熱交換過程中，經(jīng)常將被加熱物料的輸出溫度作為被控制量，而把載熱介質(zhì)（如過熱蒸汽）的流量作為控制量，載熱介質(zhì)流量改變后，經(jīng)過一定時間才表現(xiàn)為輸出物料溫度的變化。系統(tǒng)的這種表現(xiàn)可用含有純滯后的傳遞特性描述。這類控制過程的特點是：當(dāng)控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒有響應(yīng)，使得系統(tǒng)不能及時隨被控制量進行調(diào)整以克服系統(tǒng)所受的擾動。因此，這樣的過程必然會產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時間。所

3、以，含有純延遲的過程被公認為是較難控制的過程，其難控制程度隨著純滯后時間與整個過程動態(tài)時間參數(shù)的比例增加而增加。一般認為，純滯后時間與過程的時間常數(shù)之比大于0.3時，該過程是大滯后過程。隨此比值增加時，過程的相位滯后增加而使超調(diào)增大，在實際的生產(chǎn)過程中甚至?xí)驗閲乐爻{(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。此外，大滯后會降低整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此大滯后過程的控制一直備受關(guān)注。 9.1 純滯后系統(tǒng)概述【例9-1】鋼帶壓制過程中的鋼帶厚度控制 可見，如果調(diào)節(jié)時間按時間常數(shù)的3倍計算，則調(diào)節(jié)時間約為25.15375.45秒。也就是說，在擾動產(chǎn)生鋼帶厚度不均勻后75.45秒，才被檢測裝置檢測出來用作鋼帶厚度的控

4、制信號。顯然，這樣的控制已完全錯過了真正產(chǎn)生厚度不均勻的時刻。 控制信號的給出與相應(yīng)產(chǎn)生偏差的動作不合拍，這樣很容易產(chǎn)生控制過程中鋼帶厚度變化超調(diào)甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定失控。 在過程控制中，被控對象具有滯后特性是普遍現(xiàn)象，一般在滯后不顯著時，為了簡化控制系統(tǒng)而忽略滯后的影響。當(dāng)滯后特性顯著以至影響系統(tǒng)控制品質(zhì)時，則應(yīng)對滯后特性進行有針對性的控制。 純滯后系統(tǒng)與一般系統(tǒng)區(qū)別的主要特征是被控對象時滯與其瞬態(tài)過程時間常數(shù)值比較大，采用通常的控制策略時，不能實現(xiàn)系統(tǒng)的精度控制，甚至?xí)斐上到y(tǒng)不穩(wěn)定。通常認為當(dāng)被控對象時滯與其瞬態(tài)過程時間常數(shù)之比大于0.3時，被控系統(tǒng)為純滯后系統(tǒng)。(具體內(nèi)容請參閱教材)9.2.

5、1 常規(guī)控制系統(tǒng)9.2.2 史密斯補償控制9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.1 常規(guī)控制系統(tǒng) 在純滯后系統(tǒng)控制中，為了充分發(fā)揮PID的作用，改善滯后問題，主要采用常規(guī)PID的變形形式：微分先行控制和中間微分控制。微分先行控制和中間微分控制都是為了充分發(fā)揮微分作用提出的。微分的作用是導(dǎo)前，根據(jù)變化規(guī)律提前求出其變化率，相當(dāng)于提取信息的變化趨勢，所以對滯后系統(tǒng)，充分利用微分作用，可以提前預(yù)知變化情況，進行有效的“提前控制”。 9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計(具體內(nèi)容請參閱教材)9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計2中間微分反饋控制與微分先行控制方案的設(shè)想類似，采用中間微分反饋控制方案，加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度進而改善系統(tǒng)的

6、控制質(zhì)量。中間微分反饋控制方框圖如圖9.6 所示。 由圖9.6可見，系統(tǒng)的微分只是對系統(tǒng)輸出起作用，并作為控制量的一部分，這樣的方式能在被控參數(shù)變化時，及時根據(jù)其變化的速度大小起附加校正作用。微分校正作用與PI調(diào)節(jié)器的輸出信號無關(guān)，僅在動態(tài)時起作用，而在靜態(tài)時或在被控參數(shù)變化速度恒定時就失去作用。 微分先行和中間微分反饋方法都能有效地克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時間，而且不需特殊設(shè)備。因此，這兩種控制形式都具有一定的實際應(yīng)用價值。但是這兩種控制方式都仍有較大超調(diào)且響應(yīng)速度很慢，不適于應(yīng)用在控制精度要求很高的場合。 9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制純滯后補償控制的基本思路是：在控制系

7、統(tǒng)中某處采取措施（如增加環(huán)節(jié)，或增加控制支路等），使改變后系統(tǒng)的控制通道以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母不含有純滯后環(huán)節(jié)，從而改善控制系統(tǒng)的控制性能及穩(wěn)定性等。 1純滯后補償?shù)幕驹硗ㄟ^圖9.7所示附加并聯(lián)環(huán)節(jié)的補償處理，在和之間傳遞函數(shù)不再表現(xiàn)為滯后特性。9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制2史密斯滯后補償控制可見，經(jīng)補償后，傳遞函數(shù)特征方程中已消除時間滯后項，也就是消除了時滯對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。下面用實例說明史密斯控制方案的應(yīng)用。9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制【例9-4】史密斯預(yù)估器在純滯后礦倉料位控制中的應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)的燒結(jié)廠中，混合料倉料位參數(shù)的準(zhǔn)確控制是平

8、衡和穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)的重要手段。礦倉料位系統(tǒng)的工藝流程如圖9.9 所示。(具體內(nèi)容請參閱教材)9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制 圖9.9中，礦倉源頭落料點在配料圓盤處，物料需經(jīng)1、2 、3 、4等4 條皮帶和2 個混合機才能到達礦倉，純滯后時間達11分鐘。 在燒結(jié)生產(chǎn)中，混合料倉的料位必須嚴格地控制在60%處，上下限波動為10%，即上下限分別為50%70%。 如果料位過高，則燒結(jié)機遇故障停機時，S-1皮帶機帶料停機，重新啟動很容易燒毀電機；如果料位過低，則容易造成燒結(jié)機斷料，點火器空燒燒結(jié)機，出現(xiàn)嚴重的設(shè)備隱患。混合料倉的容量只有80t，混合料的上料量約800t/ h，面對如此大

9、的上料量，純滯后時間達11min，而自身容量非常小的混合料倉對料位的調(diào)節(jié)能力很有限。 采用傳統(tǒng)的PID 控制未能很好地控制礦倉料位。采用圖9.10所示的Smith 預(yù)估控制系統(tǒng)成功地解決了這一問題。9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制圖9.11表明料位波動都在3 %以內(nèi)。所以，采用了史密斯預(yù)估補償控制策略后，預(yù)估器能夠有效地克服純滯后和外因擾動而引起的料位波動，該系統(tǒng)和常規(guī)的PID 控制相比具有控制品質(zhì)高，魯棒性好和抗干擾能力強等優(yōu)點。9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制3完全抗干擾的史密斯滯后補償控制系統(tǒng)既可完全恒定跟蹤設(shè)定值，而與過程中所有參數(shù)無關(guān)。由于實際中很

10、難實現(xiàn)，所以這種補償方式，只有理論的意義而在實際中很少采用。9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制4增益自適應(yīng)性補償控制該補償控制是在史密斯補償控制基礎(chǔ)上增加了一個除法器、一個導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（其中）和一個乘法器。利用這三個環(huán)節(jié)根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值提供一個自動校正預(yù)估器增益的信號。9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制【例9-5】加熱爐多點平均溫度增益自適應(yīng)純滯后補償控制系統(tǒng)鋼廠軋鋼車間在對工件進行軋制前需要將工件加熱到一定溫度。圖9.16表示其中一個加熱段的溫度控制系統(tǒng)。(具體內(nèi)容請參閱教材)9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制9.2 純滯后系統(tǒng)

11、的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制使用結(jié)果證明：（1）采用常規(guī)PID控制，由于對純滯后和參數(shù)時變控制能力不足，很難達到理想的控制效果；（2）采用純滯后補償后，加熱爐的純滯后得到了補償，系統(tǒng)控制品質(zhì)大幅度改善，但是，由于加熱爐對象描述模型的時變特征，導(dǎo)致實際上不能得到足夠精確的數(shù)學(xué)模型，使純滯后補償?shù)目刂破焚|(zhì)受到嚴重影響；（3）采用純滯后自適應(yīng)補償后，既克服了純滯后時間對控制系統(tǒng)的影響，又對模型的不精確進行了一定的修正。所以，采用帶可變增益自適應(yīng)補償后，實現(xiàn)了很好的控制品質(zhì) 9.2 純滯后系統(tǒng)的設(shè)計9.2.2 史密斯補償控制5改進型史密斯補償控制

12、理論分析證明改進型方案的穩(wěn)定性優(yōu)于原Smith方案，其對模型精度的要求明顯降低，有利于改善系統(tǒng)的控制性能。 無論在設(shè)定值擾動或負荷擾動下，史密斯預(yù)估器對模型精度十分敏感，而改進型方案確有相當(dāng)好的適應(yīng)能力，是一種有希望的史密斯改進方案。9.3.1 微分先行控制仿真 9.3.2 中間微分控制仿真9.3.3 史密斯補償控制仿真9.3.4 增益自適應(yīng)性補償控制仿真9.3.5 改進型史密斯補償控制仿真9.3.6參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真 9.3 綜合仿真實例9.3 綜合仿真實例9.3.1 微分先行控制仿真【例9-6】微分先行控制綜合仿真實例。采用微分先行控制方法對某恒溫箱的恒溫過程進行控制。其中，輸入量為燃

13、油量，輸出量為溫度。 (具體內(nèi)容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.3.2 中間微分控制仿真【例9-7】中間微分控制綜合仿真實例。采用中間微分控制方法對例9-6的恒溫箱的恒溫過程進行控制。其中，輸入量為燃油量，輸出量為溫度。 (具體內(nèi)容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.3.3 史密斯補償控制仿真【例9-8】史密斯補償控制綜合仿真實例。采用史密斯補償控制方法對例9-6的恒溫箱的恒溫過程進行控制。其中，輸入為燃油量輸出為溫度。(具體內(nèi)容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.3.4 增益自適應(yīng)性補償控制仿真【例9-9】增益自適應(yīng)性補償控制仿真綜合實例。估計器無差估計過程模型的理想情況下，采用增益自適

14、應(yīng)補償控制對某一化學(xué)反應(yīng)過程進行仿真。其中，輸入為原料量，輸出為反應(yīng)所生成的產(chǎn)品產(chǎn)量。【例9-10】可變增益自適應(yīng)純滯后補償仿真綜合實例。估計器無差估計過程模型的理想情況下，對例9-5所示的加熱爐多點平均溫度系統(tǒng)采用可變增益自適應(yīng)純滯后補償進行仿真。(具體內(nèi)容請參閱教材)(具體內(nèi)容請參閱教材)9.3.5 改進型史密斯補償控制仿真 9.3 綜合仿真實例【例9-11】改進型史密斯補償控制仿真綜合實例。某利用供料系統(tǒng)傳送帶供料，供料輸入為電動機轉(zhuǎn)速，輸出為供料量，由于上料環(huán)節(jié)等原因，系統(tǒng)工作過程干擾較大，采用改進型史密斯補償控制方法對該對象進行控制仿真。(具體內(nèi)容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.

15、3.6參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真【例9-12】微分先行控制系統(tǒng)魯棒性仿真分析綜合實例。（續(xù)例9-6）微分先行控制系統(tǒng)魯棒性分析。在圖9.35中僅考慮有隨機干擾部分中延時時間常數(shù)變化10%，分析系統(tǒng)魯棒性。 【例9-13】中間微分控制系統(tǒng)魯棒性仿真分析綜合實例。（續(xù)例9-7）中間微分控制系統(tǒng)魯棒性分析。在圖9.43中僅考慮有隨機干擾部分中延時時間常數(shù)變化10%，分析系統(tǒng)魯棒性。【例9-14】史密斯補償控制系統(tǒng)魯棒性仿真分析綜合實例。（續(xù)例9-8）史密斯補償控制系統(tǒng)魯棒性分析。在圖9.49中僅考慮有隨機干擾部分中延時時間常數(shù)變化10%，即延時時間4.55.5，分析系統(tǒng)魯棒性。【例9-15】增益自適應(yīng)補

16、償控制系統(tǒng)魯棒性仿真分析綜合實例。（續(xù)例9-9）增益自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)魯棒性分析。在圖9.57中僅考慮有隨機干擾部分中延時時間常數(shù)變化10%，即延時時間4.55.5，分析系統(tǒng)魯棒性。(具體內(nèi)容請參閱教材)(具體內(nèi)容請參閱教材)(具體內(nèi)容請參閱教材)(具體內(nèi)容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.3.6參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真【例9-16】改進史密斯補償控制系統(tǒng)魯棒性仿真分析綜合實例。（續(xù)例9-11）改進史密斯補償控制系統(tǒng)魯棒性分析。在圖9.71中僅考慮主控制器中延時時間常數(shù)變化10%，即延時時間4.55.5，分析系統(tǒng)魯棒性。(具體內(nèi)容請參閱教材) 本章小結(jié)本章主要講述滯后控制系統(tǒng)的基本理論、設(shè)計方法以及仿真方法：（1）滯后控制系統(tǒng)的基本理論 滯后是過程控制系統(tǒng)中的重要特征，滯后可導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。有些系統(tǒng)滯后較小這時人們?yōu)榱撕喕刂葡到y(tǒng)設(shè)計，忽略了滯后；但在滯后較大時，不能忽略，本書用實例進行了說明。從經(jīng)驗上講，當(dāng)被控對象的時滯與其瞬態(tài)過程時間常數(shù)之比大于0.3時，被控系統(tǒng)