第8章-史密斯预估控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,8,章史密斯预估控制,第,8,章史密斯预估控制,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章 史密斯预估控制,在工业生产过程中，被控对象除了具有容积滞后外，往往不同程度地存在着纯滞后。,例如：,在热交换器中，被控变量为被加热物料的出口温度，而操作变量为载热介质的流量，当改变载热介质流量后，对物料出口温度的影响必然要滞后一段时间，即介质经管道所需的时间。,此外，如反应器、管道混合、皮带传输以及用分析仪表测量流体的成分等过程都存在着较大的纯滞后。,在这些过程中，由于纯滞后的存在，使得被控变量不能及时反映系统所受的扰动，即使测量信号到达控制器，执行机构接受调节信号后立即动作，也需要一段纯滞后以后，才会影响被控变量，使之受到控制。,因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以，具有纯滞后的过程被公认为是较难控制的过程，其难度将随着纯滞后时间占整个过程动态时间份额的增加而增加。,一般说来，在过程的动态特性中，大多既包含纯滞后时间,，又包含惯性时间常数,T,，,通常用,T,比值来衡量过程纯滞后的严重程度。,若,T0.3,，则称之为大滞后过程。,当,纯滞后时间,与过程的时间常数,T,之比增大，滞后现象更为突出，有时甚至会引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危及设备与人身安全。,因此大纯滞后过程一直受到人们的关注，成为重要的研究课题之一。,解决纯滞后影响的方法很多，最简单的则是利用常规,PID,调节器适应性强、调整方便的特点，经过仔细的参数整定，在控制要求不太苛刻的情况下，可以满足生产过程的要求。,图,8-l,为常规反馈控制方案，其中“广义对象”包括除控制器外的所有环节，通常由执行机构、被控对象、传感变送单元等部分组成。对象特性均用,K,p,G,p,(s)e,-,s,表示，其中,K,p,表示对象的静态增益，,G,p,(s),表示除去纯滞后环节和静态增益后剩下的动态特性。对于,K,p,=2,，,T,p,=4min,，,=4min,的一阶加纯滞后对象，若采用常规,PID,进行反馈控制，其最佳,PID,整定参数为：,K,c,=0.6,，,T,i,=8min,，,T,d,=0min;,对应的设定值跟踪响应如图,8-2,所示。,由此可见，由于纯滞后环节的存在，使被调量存在较大的超调，且响应速度很慢，如果在控制精度要求很高的场合，则需要采取其他控制手段，例如补偿控制、采样控制等。,8.1,史密斯补偿概述,在纯滞后系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿，它是按照过程的特性设想出一种模型加入到原来的反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性。这种补偿反馈也因其构成模型的方法不同而形成不同的方案。,史密斯,(Smith,，,1958),预估补偿器是最早提出的纯滞后补偿方案之一。其基本思想是将纯滞后环节移至控制回路外。,设,G,0,(s) e,-,s,为过程控制通道特性，其中,G,0,(s),为过程不包含纯滞后部分的传递函数；,G,f,(s),为过程扰动通道传递函数（不考虑纯滞后）；,G,c,(s),为控制器的传递函数，则单回路系统闭环传递函数为：,对干扰量的闭环传递函数为,在上两式的特征方程中，由于引入了,e,-,s,项，使闭环系统的品质大大恶化。,若能将,G,0,(s),与,e,-,s,分开并以,G,0,(s),为过程控制通道的传递函数，以,G,0,(s),的输出信号作为反馈信号，则可大大改善控制品质。,但是实际工业过程中,G,0,(s),与,e,-,s,是不可分割的，所以,Smith,提出如图,8-4,所示采用等效补偿的方法来实现。,8.2,史密斯预估控制的特点：,预先估计出过程在干扰作用下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被时延了,时间的被控量超前反映到控制器的输入端，使控制器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程。其控制系统方块图如图,8-4,所示。,图中：,G,0,(s),是被控过程除去纯滞后环节,e,-,s,后的传递函数。,G,m,(s),是史密斯预估器的传递函数。,假如无此预估器，则由控制器,输出,u(s),到被控量,Y(s),之间的传递函数为,:,上式表明，受到调节作用之后的被控量要经过滞后时间,之后才能返回到控制器。,图,8-4,史密斯预估控制系统框图,Y,1,(s),若系统采用预估补偿器，则调节量,u(s),与反馈到调节器的信号,Y,1,(s),之间的传递函数是两个并联通道之和，即,为使调节器采集的信号,Y,1,(s),与调节量,u(s),不存在纯滞后时间,，则要求上式为,从上式便可得到预估补偿器,G,m,(s),的传递函数为,一般称上式表示的预估器为,史密斯预估器,。其实施框图如图,8-5,所示。,求和点前移,在实际应用中，史密斯预估器并不是接在被控对象上，而是反向并接在控制器上，则纯滞后补偿控制系统如上图所示。,图,8-5,史密斯预估控制实施框图,很显然，此时在系统的特征方程中，已不包含,e,-,s,项。这就是说，这个系统已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响。当然闭环传递函数分子上的,e,-,s,说明被调量,y(t),的响应还比设定值迟延,时间。,系统在给定作用下的闭环传递函数：,史密斯预估控制：,【,例,8-1】,对一阶惯性加纯滞后的过程进行单回路控制和加入史密斯预估器进行控制。设过程参数,kp=2,=4,T,p,=4,，当调节器参数,Kc,20,，,T,I,=1min,时，系统在设定值扰动,(,设,x=10.1(t),下的响应曲线如图,8-6,所示。其中,:,黑线,是经过史密斯预估器补偿后的响应曲线，其超调量仅为,0.32,，调节时间缩短到,8s,，与单回路,PID,控制,(,图中,红线,所示,),相比，效果十分显著。,图,8-6,系统在设定值扰动下的过渡过程,遗憾的是，史密斯预估器对于克服外部扰动的效果不明显。针对例,8-1,的系统，假定调节器的整定参数,Kc,10,，,T,I,=1min,时，,在干扰,F=10,的情况下进行数字仿真，其仿真结果如图,8-7,所示，其中实线是史密斯预估控制系统的响应曲线，虚线是常规,PID,系统的响应曲线。,从史密斯补偿原理来看，其预估控制系统的闭环性能与预估模型的精度或者运行条件的变化密切相关。为了分析模型精度对控制系统的影响，分别对,PID,控制系统和带有史密斯预估器的控制系统进行数字仿真。假设系统中对象的传递函数为,可以求得史密斯预估器为,图,8-8,给出了对象特性变化时，史密斯预估控制系统在设定值阶跃扰动下的响应曲线。图中虚线为设定值阶跃变化曲线；实线为预估器模型准确时的响应曲线；点线为同时改变对象参数,(K,p,从,1,增加到,1.2,，,T,p,从,10,改变为,8,，,p,从,20,减小到,10),时的响应曲线。,可以看到改变对象参数时，系统出现了不稳定的发散振荡。总之，从这些仿真结果可以发现：史密斯预估补偿控制方案对过程动态模型的精度要求很高，因而，限制了其实际应用范围。,常规,PID,控制系统在同样条件下的响应曲线如图,8-9,所示，尽管调节过程相当缓慢，却具有很强的鲁棒性，即当对象特性发生较大的变化时，控制系统仍具有相当强的稳定性。,Smith,预估器 的仿真结果（对象特性与模型一致时）,基本,PID,控制器：,K,c,= 0.2,T,i,= 4 min ,T,d,= 1 min,PID + Smith:,K,c,= 2,T,i,= 4 min ,T,d,= 1 min,Smith,预估器的仿真结果（对象特性与模型不一致时）,基本,PID,控制器：,K,c,= 0.2,T,i,= 4 min ,T,d,= 1 min,PID + Smith:,K,c,= 2,T,i,= 4 min ,T,d,= 1 min,基本,Smith,预估器,#2,8.3,史密斯预估器的几种改进方案,由于史密斯预估器对模型的误差十分敏感，因而难于在工业中广泛应用。对于如何改善史密斯预估器的性能至今仍是研究的课题之一。下面介绍一种有效的改进方案。,由,Hang,等人提出的改进型史密斯预估器,(Hang,，,1980),其等效的方框图如图,8-10,所示。从图中可以看到，它与史密斯补偿器方案的区别在于主反馈回路，其反馈通道传递函数不是,1,而是,G,f,(s),。可以证明，为使控制系统在设定值扰动下无余差，要求满足,G,f,(0)=1,。通常，可选择,G,f,(s),为以下一阶滤波环节,对上述改进型方案进行数字仿真，假设对象的传递函数和模型的传递函数为,即模型的纯滞后小于对象的纯滞后。,分别用原史密斯预估器和改进型方案进行控制，仿真结果如图,8-11,所示，其中设定值在,t=0,时刻从,0,上升至,10,，而在,t=50min,时刻外部扰动从,0,上升至,10,。,图中：,实线为改进型预估控制系统的响应曲线；,点线为原史密斯预估控制系统的响应曲线。,可见无论在设定值扰动或在负荷扰动下，史密斯预估器对模型精度十分敏感，而改进型方案却有相当好的适应能力，是一种很有效的史密斯改进方案。,