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1、第九讲：大时延系统设计Process Control System,主讲老师：廉迎战 副教授,10.12.2022,过程控制与仪表,2,重点内容,大时延控制系统=大时延对象+反馈控制系统内容：系统分析控制方案系统整定系统投运,10.12.2022,过程控制与仪表,3,一、概述,大延时系统：人们关注焦点，成为重要的研究课题：工业生产过程中，某些过程特性具有较大的纯时延，其特点是当控制作用产生后，在时间范围内，被控参数完全没有响应。若过程控制通道或测量变送环节存在延时，将会降低系统的稳定性，并且，纯时延会导致被控参数的偏差值增加，系统动态控制精度和静态控制质量下降。对于具有有时延过程的控制是非常困
2、难的，采用反馈控制和前馈控制等方案是无法克服的。大时延对象：当对象纯延迟时间o与其时间常数To之比大于0.3，则该系统为具有大延时对象；当纯延迟与时间常数之比增加，延时现象更加突出，系统越不稳定。控制策略：微分先行Smith预估,10.12.2022,过程控制与仪表,4,二、常规控制方案,1微分先行控制方案在大延时过程中，控制器若采用PI或PID控制规律时，系统的品质均会下降，纯时延愈大，其问题愈突出。PID控制系统中采用微分先行控制方案与普通的PID控制系统相比，其控制品质有较大提高，对于减小超调量更显著。特点：微分先行PID控制系统中，微分环节的输出信号包括了被控参数及其变化速度值，将它作
3、为反馈量与给定值比较的偏差作为PI控制器的输入信号，这样系统具有更强克服超调的作用。,10.12.2022,过程控制与仪表,5,二、常规控制方案,1微分先行控制方案,10.12.2022,过程控制与仪表,6,二、常规控制方案,1微分先行控制方案A、微分先行控制在给定值作用下：B、PID控制系统在给定值作用下： 注意：微分先行控制方案和PID控制方案的特性方程完全相同。少一下零点Z1/TD，所以微分先行控制方案比PID控制方案的超调量要小一些，提高了控制质量。,10.12.2022,过程控制与仪表,7,二、常规控制方案,2中间微分控制方案特点：系统中的微分作用是独立的；在动态时起作用，而在静态时
4、或在被控参数变化速度恒定时就失去作用。,10.12.2022,过程控制与仪表,8,二、常规控制方案,2中间微分控制方案设：对象：控制器：PI调节器 PI常规控制：中间微分环节：,10.12.2022,过程控制与仪表,9,二、常规控制方案,2中间微分控制方案设：将上式展开：求得两种控制方案的特征根为中间微分控制方案：S1，2=0.199 j 0.058S3=0.643S4=0.207PI控制系统：S1，2=0.161 j 0.253S3=0.755S4=0.15讨论：中间微分控制方案的一对主要极点（复根）离j轴较远，其衰减较快；而PI控制方案的一对主要极点（复根）离j轴较近，其衰减较慢。两方案零
5、点相同。中间微分控制方案的衰减比较大，过渡过程时间较短，这种控制方案对克服纯时延的效果较好。,10.12.2022,过程控制与仪表,10,三、SMITH预测估计,设对象的特性为W0(s)，其中W0(s)为对象不包含时延环节的传递函数；扰动通道的特性为Wf(s)；控制器的特性为Wc (s)，单回路系统闭环传递函数为：特征方程中引入项 ，使闭环系统的品质大大恶化。,10.12.2022,过程控制与仪表,11,三、SMITH预测估计,等效方案：W0(s)（1e-s）为预估补偿装置的传递函数。,10.12.2022,过程控制与仪表,12,三、SMITH预测估计,给定值为扰动时的闭环传递函数为 ： 对于
6、扰动信号的传递函数为：讨论：预估补偿完全补偿了时延对系统的不利影响，系统控制品质与被控过程无延时完全相同。 Smith预估补偿控制方法的缺点是模型的误差会随时间累积起来，也就是对过程特性变化的灵敏度很高。为此可采用增益自适应预估补偿控制。,10.12.2022,过程控制与仪表,13,四、采样控制实现,控制原理：当被控过程受扰动而使被控参数偏离给定值时，采样被控参数与给定值，保持其值不变，保持的时间与纯时延大小相等或稍大一些。当经过时间后，再按照被控参数与给定值的偏差及其变化方向与速度值来进一步加以校正，校正后又保持其值不变。再等待一个纯时延 ，这样重复上述动作规律，一步一步地校正被控参数的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态。,10.12.2022,过程控制与仪表,14,五、控制举例,设贮液罐液位控制系统的广义过程传递函数为式中：K02，T02min，4min,10.12.2022,过程控制与仪表,15,八、前馈控制举例,SMITH预测估计,10.12.2022,过程控制与仪表,16,讨论,设计方案？系统设计思路？整定步骤？,
