1、過程控制工程及仿真基于MATLAB/Simulink電子工業出版社 出版 2009.4作者：郭陽寬 王正林聯系郵箱： 本章內容與 目錄9.1 純滯后系統概述9.2 純滯后系統的設計9.3 綜合仿真實例 本章小結 本章描述了純滯后系統的基本概念，介紹了純滯后控制系統的基本特點、純滯后控制系統的設計以及純滯后控制系統控制器參數整定等基礎知識，并通過仿真實例加深對以上內容的理解。 通過本章，希望讀者對純滯后控制系統有較為全面的認識，并通過仿真深化對純滯后控制系統的理解。9.1 純滯后系統概述在工業生產中，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、液體物料通常經過管道傳送，固體

2、物料往往通過傳送帶傳送。當利用改變物料的流量等調節生產過程時，經過輸送環節的傳送時間（滯后）后，物料的變化情況才能到達生產設備進而實現工藝參數的改變。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，經常將被加熱物料的輸出溫度作為被控制量，而把載熱介質（如過熱蒸汽）的流量作為控制量，載熱介質流量改變后，經過一定時間才表現為輸出物料溫度的變化。系統的這種表現可用含有純滯后的傳遞特性描述。這類控制過程的特點是：當控制作用產生后，在滯后時間范圍內，被控參數完全沒有響應，使得系統不能及時隨被控制量進行調整以克服系統所受的擾動。因此，這樣的過程必然會產生較明顯的超調量和需要較長的調節時間。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時間參數的比例增加而增加。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增大，在實際的生產過程中甚至會因為嚴重超調而出現聚爆、結焦等事故。此外，大滯后會降低整個控制系統的穩定性。因此大滯后過程的控制一直備受關注。 9.1 純滯后系統概述【例9-1】鋼帶壓制過程中的鋼帶厚度控制 可見，如果調節時間按時間常數的3倍計算，則調節時間約為25.15375.45秒。也就是說，在擾動產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生厚度不均勻的時刻。 控制信號的給出與相應產生偏差的動作不合拍，這樣很容易產生控制過程中鋼帶厚度變化超調甚至產生不穩定失控。 在過程控制中，被控對象具有滯后特性是普遍現象，一般在滯后不顯著時，為了簡化控制系統而忽略滯后的影響。當滯后特性顯著以至影響系統控制品質時，則應對滯后特性進行有針對性的控制。 純滯后系統與一般系統區別的主要特征是被控對象時滯與其瞬態過程時間常數值比較大，采用通常的控制策略時，不能實現系統的精度控制，甚至會造成系統不穩定。通常認為當被控對象時滯與其瞬態過程時間常數之比大于0.3時，被控系統為純滯后系統。(具體內容請參閱教材)9.2.

5、1 常規控制系統9.2.2 史密斯補償控制9.2 純滯后系統的設計9.2.1 常規控制系統 在純滯后系統控制中，為了充分發揮PID的作用，改善滯后問題，主要采用常規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揮微分作用提出的。微分的作用是導前，根據變化規律提前求出其變化率，相當于提取信息的變化趨勢，所以對滯后系統，充分利用微分作用，可以提前預知變化情況，進行有效的“提前控制”。 9.2 純滯后系統的設計(具體內容請參閱教材)9.2 純滯后系統的設計2中間微分反饋控制與微分先行控制方案的設想類似，采用中間微分反饋控制方案，加快系統的反應速度進而改善系統的

6、控制質量。中間微分反饋控制方框圖如圖9.6 所示。 由圖9.6可見，系統的微分只是對系統輸出起作用，并作為控制量的一部分，這樣的方式能在被控參數變化時，及時根據其變化的速度大小起附加校正作用。微分校正作用與PI調節器的輸出信號無關，僅在動態時起作用，而在靜態時或在被控參數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現象，縮短調節時間，而且不需特殊設備。因此，這兩種控制形式都具有一定的實際應用價值。但是這兩種控制方式都仍有較大超調且響應速度很慢，不適于應用在控制精度要求很高的場合。 9.2 純滯后系統的設計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、統中某處采取措施（如增加環節，或增加控制支路等），使改變后系統的控制通道以及系統傳遞函數的分母不含有純滯后環節，從而改善控制系統的控制性能及穩定性等。 1純滯后補償的基本原理通過圖9.7所示附加并聯環節的補償處理，在和之間傳遞函數不再表現為滯后特性。9.2 純滯后系統的設計9.2.2 史密斯補償控制2史密斯滯后補償控制可見，經補償后，傳遞函數特征方程中已消除時間滯后項，也就是消除了時滯對系統控制品質的影響。下面用實例說明史密斯控制方案的應用。9.2 純滯后系統的設計9.2.2 史密斯補償控制【例9-4】史密斯預估器在純滯后礦倉料位控制中的應用在鋼鐵行業的燒結廠中，混合料倉料位參數的準確控制是平

8、衡和穩定燒結生產的重要手段。礦倉料位系統的工藝流程如圖9.9 所示。(具體內容請參閱教材)9.2 純滯后系統的設計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。 在燒結生產中，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，則容易造成燒結機斷料，點火器空燒燒結機，出現嚴重的設備隱患?；旌狭蟼}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節能力很有限。 采用傳統的PID 控制未能很好地控制礦倉料位。采用圖9.10所示的Smith 預估控制系統成功地解決了這一問題。9.2 純滯后系統的設計9.2.2 史密斯補償控制圖9.11表明料位波動都在3 %以內。所以，采用了史密斯預估補償控制策略后，預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，該系統和常規的PID 控制相比具有控制品質高，魯棒性好和抗干擾能力強等優點。9.2 純滯后系統的設計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既可完全恒定跟蹤設定值，而與過程中所有參數無關。由于實際中很

10、難實現，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 純滯后系統的設計9.2.2 史密斯補償控制4增益自適應性補償控制該補償控制是在史密斯補償控制基礎上增加了一個除法器、一個導前微分環節（其中）和一個乘法器。利用這三個環節根據模型和過程輸出信號之間的比值提供一個自動校正預估器增益的信號。9.2 純滯后系統的設計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純滯后補償控制系統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。(具體內容請參閱教材)9.2 純滯后系統的設計9.2.2 史密斯補償控制9.2 純滯后系統

11、的設計9.2.2 史密斯補償控制9.2 純滯后系統的設計9.2.2 史密斯補償控制使用結果證明：（1）采用常規PID控制，由于對純滯后和參數時變控制能力不足，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，系統控制品質大幅度改善，但是，由于加熱爐對象描述模型的時變特征，導致實際上不能得到足夠精確的數學模型，使純滯后補償的控制品質受到嚴重影響；（3）采用純滯后自適應補償后，既克服了純滯后時間對控制系統的影響，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補償后，實現了很好的控制品質 9.2 純滯后系統的設計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定性優于原Smith方案，其對模型精度的要求明顯降低，有利于改善系統的控制性能。 無論在設定值擾動或負荷擾動下，史密斯預估器對模型精度十分敏感，而改進型方案確有相當好的適應能力，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9.3.6參數攝動對系統影響仿真 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。(具體內容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.3.4 增益自適應性補償控制仿真【例9-9】增益自適應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、應補償控制對某一化學反應過程進行仿真。其中，輸入為原料量，輸出為反應所生成的產品產量?！纠?-10】可變增益自適應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采用可變增益自適應純滯后補償進行仿真。(具體內容請參閱教材)(具體內容請參閱教材)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。某利用供料系統傳送帶供料，供料輸入為電動機轉速，輸出為供料量，由于上料環節等原因，系統工作過程干擾較大，采用改進型史密斯補償控制方法對該對象進行控制仿真。(具體內容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.

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

16、償控制系統魯棒性仿真分析綜合實例。（續例9-9）增益自適應補償控制系統魯棒性分析。在圖9.57中僅考慮有隨機干擾部分中延時時間常數變化10%，即延時時間4.55.5，分析系統魯棒性。(具體內容請參閱教材)(具體內容請參閱教材)(具體內容請參閱教材)(具體內容請參閱教材)9.3 綜合仿真實例9.3.6參數攝動對系統影響仿真【例9-16】改進史密斯補償控制系統魯棒性仿真分析綜合實例。（續例9-11）改進史密斯補償控制系統魯棒性分析。在圖9.71中僅考慮主控制器中延時時間常數變化10%，即延時時間4.55.5，分析系統魯棒性。(具體內容請參閱教材) 本章小結本章主要講述滯后控制系統的基本理論、設計方法以及仿真方法：（1）滯后控制系統的基本理論 滯后是過程控制系統中的重要特征，滯后可導致系統不穩定。有些系統滯后較小這時人們為了簡化控制系統設計，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。從經驗上講，當被控對象的時滯與其瞬態過程時間常數之比大于0.3時，被控系統