纯滞后控制技术.pptx
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1、史密斯史密斯(Smith)预估控制预估控制在实际生产过程中,大多数工业对象具有在实际生产过程中,大多数工业对象具有较大的纯滞后较大的纯滞后时间时间。对象的纯滞后时间。对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利。对控制系统的控制性能极为不利。当对象的纯滞后时间当对象的纯滞后时间与对象的时间常数与对象的时间常数Tc之比,之比,即即Tc0.5时时,采用常规的,采用常规的PID控制来克服大纯滞后是很难适应的,控制来克服大纯滞后是很难适应的,而且还会使控制过程严重超调,稳定性变差。而且还会使控制过程严重超调,稳定性变差。长期以来,人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究。但长期以来,人们对纯滞后对象的控制
2、作了大量的研究。但在工程实践上有效的方法还是不多。比较有代表性的方法有在工程实践上有效的方法还是不多。比较有代表性的方法有大林算法大林算法和和史密斯预估算法。史密斯预估算法。第1页/共29页图带纯滞后环节的控制系统图带纯滞后环节的控制系统史密斯预估控制原理史密斯预估控制原理D(s)表示调节器表示调节器(控制器控制器)的传递函数;的传递函数;Gp(s)e-s 表示被控对象的传递函数;表示被控对象的传递函数;Gp(s)为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数;为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数;e-s 为被控对象纯滞后部分的传递函数为被控对象纯滞后部分的传递函数。第2页/共29页 在闭环传递函数
3、的分母中包含有纯滞后环节,在闭环传递函数的分母中包含有纯滞后环节,使得系使得系统的闭环极点很难分析得到,而且容易造成超调和振荡。统的闭环极点很难分析得到,而且容易造成超调和振荡。如果如果足够大的话,系统将是不稳定的,这就是大纯滞后过足够大的话,系统将是不稳定的,这就是大纯滞后过程难以控制的本质。程难以控制的本质。则其闭环传递函数为则其闭环传递函数为:如何消除分母上的如何消除分母上的纯滞后环节纯滞后环节?第3页/共29页 史密斯预估控制原理是:与史密斯预估控制原理是:与 并接一补偿并接一补偿环节,用来补偿被控对象中的纯滞后部分。这个补环节,用来补偿被控对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器,
4、其传递函数为偿环节称为预估器,其传递函数为 如下图所示如下图所示第4页/共29页新的控制器闭环传递函数为新的控制器闭环传递函数为:则其总的闭环传递函数为则其总的闭环传递函数为:经补偿后,消除了纯滞后部分对控制系统的影响,因为经补偿后,消除了纯滞后部分对控制系统的影响,因为式中的式中的e s 在闭环控制回路之外在闭环控制回路之外,不影响系统的稳定性。,不影响系统的稳定性。拉氏变换的位移定理说明拉氏变换的位移定理说明,e s 仅将控制作用在时间坐标上仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间推移了一个时间,控制系统的过渡过程及其他性能指标都,控制系统的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为与对象特性为G
5、p(s)时完全相同。时完全相同。第5页/共29页史密斯预估控制系统等效框图史密斯预估控制系统等效框图带纯滞后补偿的控制系统就相当于带纯滞后补偿的控制系统就相当于:控制器为控制器为D(s),被控对象为被控对象为Gp(s)(1-es),反馈回路串反馈回路串上一个上一个 e s 的反馈控制系统,即检测信号通过超前环节的反馈控制系统,即检测信号通过超前环节e s 后进入控制器。后进入控制器。从形式上可把纯滞后补偿视为具有超前控制作用,而从形式上可把纯滞后补偿视为具有超前控制作用,而实质上是对被控参数的预估。因此称史密斯补偿器为实质上是对被控参数的预估。因此称史密斯补偿器为史密史密斯预估器斯预估器。第6
6、页/共29页图图4.24 具有纯滞后补偿的控制系统具有纯滞后补偿的控制系统 由上图可见,纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成:由上图可见,纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成:一部分是一部分是数字数字 PID 控制器控制器(由由D(s)离散化得到离散化得到);一部分是;一部分是史史密斯预估器密斯预估器。具有纯滞后补偿的数字控制器具有纯滞后补偿的数字控制器第7页/共29页 史密斯预估器的输出可按上图的顺序计算。图中,史密斯预估器的输出可按上图的顺序计算。图中,u(k)是是 PID 控制器的输出;控制器的输出;y(k)是史密斯预估器的输出。是史密斯预估器的输出。系统中滞后环节使信号延迟,在内存中专门设
7、定系统中滞后环节使信号延迟,在内存中专门设定 N 个单元个单元存放信号存放信号 m(k)的历史数据。存储单元的个数的历史数据。存储单元的个数N由下式决定。由下式决定。NT (-纯滞后时间,纯滞后时间,T-采样周期采样周期)每采样一次,把每采样一次,把 m(k)记入记入 0 单元,同时把单元,同时把 0 单元原来存放单元原来存放数据移到数据移到 1 单元,单元,1 单元原来存放数据移到单元原来存放数据移到2单元单元以此类以此类推。从推。从 N 单元输出的信号,就是滞后单元输出的信号,就是滞后N 个采样周期的个采样周期的 m(kN)信号。信号。史密斯预估器方框图史密斯预估器方框图1.史密斯预估器史
8、密斯预估器第8页/共29页许多工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的串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联来表示式中,式中,Kf 被控对象的放大系数;被控对象的放大系数;Tf 被控对象的时间常数;被控对象的时间常数;纯滞后时间。纯滞后时间。预估器的传递函数预估器的传递函数第9页/共29页(1)计算反馈回路的偏差计算反馈回路的偏差 e1(k)(2)计算纯滞后补偿器的输出计算纯滞后补偿器的输出2.纯滞后补偿控制算法步骤纯滞后补偿控制算法步骤第10页/共29页相应的差分方程为相应的差分方程为:其中其中:第11页/共29页(3)计算偏差计算偏差 e2(k)(4)计算控制器的输
9、出计算控制器的输出 u(k)当控制器采用当控制器采用 PID 控制算法时,则控制算法时,则其中其中第12页/共29页达林算法达林算法在工业过程在工业过程(如热工、化工如热工、化工)控制中,由于物料或能量的传输控制中,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。性质常引起系统产生超调或者振荡。在控制系统设计中,对这类纯滞后对象的控制,快速性是次在控制系统设计中,对这类纯滞后对象的控制,快速性是次要的,主要要求系统没有超调或很少的超调。要的,主要要求系统没有超调或很少的超调。达林(达林(
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