smith延時(shí)控制

1、aT952,吧機(jī)自1105班于佳鵬41140125于海軍41140126孔卩日41140127SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制定義:Smith預(yù)估控制是一種廣泛應(yīng)用的對(duì)純滯后對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂?方法，是在系統(tǒng)的反饋回路中引入補(bǔ)償裝置， 將控制通道傳遞函數(shù)中 的純滯后部分與其他部分分離。其主要原理是預(yù)先估計(jì)出被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，然后將預(yù)估器并 聯(lián)在被控過(guò)程上，使其對(duì)純滯后過(guò)程中特性進(jìn)行補(bǔ)償，力圖將被控延 遲時(shí)間的被控量提前送入調(diào)節(jié)器，因而調(diào)節(jié)器能提前動(dòng)作，這樣就 通過(guò)補(bǔ)償裝置消除了純滯后特性在閉環(huán)中的影響。從而可明顯地減小過(guò)程的超調(diào)量，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，有效地改善控制品質(zhì)，所以它是 一種比較理想的大滯后系

2、統(tǒng)控制方案。實(shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)為給PID控制器并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，該補(bǔ)償環(huán) 節(jié)稱為Smith預(yù)估器。特點(diǎn)：預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在給定信號(hào)下的動(dòng)態(tài)特性， 然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ) 償，力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器， 使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作， 從而減少超調(diào)量并加速調(diào)節(jié)過(guò)程。Smith預(yù)估的前提是要獲得很精確的數(shù)學(xué)模型才能起到很好的控 制作用。一般當(dāng)過(guò)程參數(shù)變化10%-15%寸，Smith預(yù)估補(bǔ)償就失去了 其良好的控制效果。如果預(yù)估模型準(zhǔn)確，該方法能后獲得較好的控制 效果，從而消除純滯后對(duì)系統(tǒng)的不利影響， 使系統(tǒng)品質(zhì)與被控過(guò)程無(wú) 純滯后時(shí)相同。應(yīng)用舉例： 史密斯預(yù)估控制策略在厚規(guī)格軋制中的應(yīng)用 厚度是板帶鋼最主

3、要的質(zhì)量指標(biāo)之一， 帶鋼縱向厚度不均是影響 產(chǎn)品質(zhì)量的一大障礙。 因此，熱連軋機(jī)的一項(xiàng)重要課題就是帶鋼厚度 的自動(dòng)控制( Automatic Gauge Control )，簡(jiǎn)稱 AGC。帶鋼熱連軋過(guò)程的一個(gè)顯著特點(diǎn)是“機(jī)械、電氣、液壓控制系統(tǒng) 和軋件間的緊密聯(lián)系，形成一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng) 2 ”。由于實(shí)際軋制 過(guò)程的復(fù)雜性、控制對(duì)象的非線性、時(shí)變性，單純的 AGC空制系統(tǒng)都 不能取得較好的控制效果。針對(duì)原有壓力AGC比例控制的不足，在實(shí) 際應(yīng)用中采用 PI 控制策略 1，并將純滯后系統(tǒng)的 Smith 預(yù)估控制算 法應(yīng)用到厚規(guī)格成品軋制中，大大改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。采用史密斯(Smith)預(yù)

4、估補(bǔ)償器與AGC的結(jié)合即Smith-AGC控 制系統(tǒng)。應(yīng)用此系統(tǒng)來(lái)解決帶鋼熱連軋中對(duì)板厚度規(guī)格的補(bǔ)償控制。 預(yù)先估計(jì)被控系統(tǒng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型， 然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過(guò)程上， 使其對(duì)過(guò)程中的純滯后特性進(jìn)行補(bǔ)償， 從而可以明顯地減小過(guò)程的超 調(diào)量，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間， 有效地改善控制品質(zhì)。添加 Simth 環(huán)節(jié)的 系統(tǒng)可以更好地控制厚規(guī)格軋制的出口厚度。SMITH預(yù)估控制器在大多數(shù)過(guò)程控制系統(tǒng)中， 不同程度地存在著時(shí)間滯后的工藝過(guò) 程。時(shí)間滯后是純滯后與容量滯后的總稱。 純滯后往往是由于物料能 量需要經(jīng)過(guò)一個(gè)傳輸過(guò)程而形成的，如皮帶運(yùn)輸，輥縫傳輸，成分測(cè)量過(guò)程等。通常，過(guò)程的純滯后時(shí)間.與其動(dòng)態(tài)常數(shù)

5、T的比值./T_0.3時(shí)， 就被認(rèn)為是具有較大純滯后的工藝過(guò)程了。在這種情況下，若采用常用的單回路的PID控制，盡管調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行了特殊的整定，仍然很難獲得良好的控制質(zhì)量。有時(shí)嚴(yán)重的超調(diào)，甚至使被控參數(shù)超過(guò)安全 限度而引起停機(jī)事故，有時(shí)則因造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定而危及設(shè)備和人身 的安全。冶金工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程大多是含純滯后，對(duì)于時(shí)滯過(guò)程，由于滯后的 影響，使得被調(diào)量不能及時(shí)控制信號(hào)的動(dòng)作，控制信號(hào)的作用只有在 延遲T以后才能反映到被調(diào)量；另一方面，當(dāng)對(duì)象受到干擾而引起被 調(diào)量改變時(shí)，控制作用不能立即對(duì)干擾產(chǎn)生抑制作用。 這樣,含有純滯 后環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)必然存在較大的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。因此純滯后對(duì)

6、象也成為很難控制的問(wèn)題。由于純滯后過(guò)程是一類復(fù)雜的 過(guò)程,所以它的控制問(wèn)題一直是困擾著自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的 一大難題。因此，對(duì)滯后工業(yè)過(guò)程方法和機(jī)理的研究一直受到專家學(xué) 者普遍的重視。1958年，美國(guó)人Smith提出了著名的Smith預(yù)估器來(lái) 控制含有純滯后環(huán)節(jié)的對(duì)象，從理論上解決了純滯后系統(tǒng)的控制問(wèn)題 但是Smith預(yù)估器需要知道被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)模型的 誤差十分敏感，因而難于在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代,有史密斯（Smith）和雷斯威克（Reswick）先后 提出了以補(bǔ)償原理構(gòu)成的系統(tǒng)方案。不過(guò)這種補(bǔ)償原理與前饋補(bǔ)償是 不同的，它是按照過(guò)程的特性，設(shè)想出一種模型

7、加到反饋系統(tǒng)中，以補(bǔ)償過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。換言之，就是從補(bǔ)償后的等效對(duì)象模型中消除 其純滯后特性。因而控制質(zhì)量可以得到很大的提高。Reswick提出的補(bǔ)償控制方案，甚至當(dāng)過(guò)程特性參數(shù)./T=1.2時(shí)，其控制效果仍能令 人滿意，但其基本原理與Smith預(yù)估控制補(bǔ)償原理相似。本課題只討 論Smith預(yù)估補(bǔ)償原理及其在工業(yè)應(yīng)用中的方案。Smith預(yù)估補(bǔ)償原理1958年由Smith率先提出了大滯后系統(tǒng)的預(yù)估補(bǔ)償方案，其主要原理是預(yù)先估計(jì)出被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被 控過(guò)程上，使其對(duì)純滯后過(guò)程中特性進(jìn)行補(bǔ)償，力圖將被控延遲時(shí)間 的被控量提前送入調(diào)節(jié)器，因而調(diào)節(jié)器能提前動(dòng)作，這樣就通過(guò)補(bǔ)償裝置消

8、除了純滯后特性在閉環(huán)中的影響。 從而可明顯地減小過(guò)程的 超調(diào)量，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，有效地改善控制品質(zhì)，所以它是一種比 較理想的大滯后系統(tǒng)控制方案。圖1 Smith預(yù)估補(bǔ)償原理圖圖中W(s) PID調(diào)節(jié)器；W°(s)e-0S 廣義被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，W(s) 為不包括純滯后時(shí)間.0的對(duì)象模型；W(s) Smith預(yù)估補(bǔ)償器。在未進(jìn)行Smith預(yù)估補(bǔ)償情況下，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為C(s)Wc(s)Wo(s)e0S，(八麗 _ 1 WC(s)W0(s)°s故其閉環(huán)特征方程為1 WC(s)W°(s)e-os =0由于在系統(tǒng)那個(gè)特征方程式中出現(xiàn)了純時(shí)間滯后項(xiàng)e-os,這就在系

9、統(tǒng)中引入了易造成不穩(wěn)定的相角滯后，因此增加了系統(tǒng)控制難度。引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器的目的，是使調(diào)節(jié)器gs)所控制的等效對(duì)象中能消除純滯后部分，即圖1中應(yīng)滿足如下關(guān)系W(s) e-os+W(s)=Wo(s)由此可得Smith預(yù)估補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型為Wo(s)= Wo(s)(1- 尹)于是，圖1所示之Smith補(bǔ)償系統(tǒng)方框圖可由圖2表示。圖2Smith補(bǔ)償系統(tǒng)一般型框圖圖2經(jīng)方框圖通過(guò)等效變換，可轉(zhuǎn)換為如圖 3所示的方框圖。 r由圖3顯然可得等效Smith預(yù)估補(bǔ)償器系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為C(s) Wc(s)Wo(s)eos "八 R(s) 1 WC(s)Wo(s)故閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式為1+W(s)Wo(s)=0這就是Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)幕舅悸罚磸南到y(tǒng)特征方程式中消除 純滯后因