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1  引言

    時滯系統在化工、煉油、冶金、玻璃一些復雜的工業過程當中，廣泛地存在著大時滯現象。由于時滯的存在,使得被控量不能及時地反映系統所承受的擾動,從而產生明顯的超調,使得控制系統的穩定性變差,調節時間延長,對系統的設計和控制增加了很大的困難。而時變時滯的特性則使得問題更加復雜,因而對此類問題的研究具有重要的理論和實際意義。Smith預估控制是工業生產中最廣泛應用的控制方案，本文提出了一種觀測補償器控制方案及其改進，并對它的應用范圍進行了研究。

2  Smith 預估控制方案

    對具有大時滯的系統，Smith預估控制是常被采用的控制方法。大部分時滯工業過程都很復雜，但考慮到時滯項影響比其余各項大得多，故實際中時滯過程常用一階慣性環節來近似描述：

    （1）式中，KP，T1，L 分別代表過程的開環增益，時間常數和時滯。Smith預估控制器的缺點之一是需要整定的參數較多，而Smith預估控制系統把PI控制器與Smith預估器有機地結合起來，從而減少了控制器參數，并使控制參數易于整定。控制器的數學表達式如式（2），系統結構圖如圖1：

圖1   Smith 預估控制方案

3 觀測補償器控制方案

    Smith預估控制雖然可以改善大滯后系統的控制品質，但它過分依賴被控對象的精確模型，對模型誤差和純滯后時間變化較敏感。對于實際對象復雜的動態過程和環境擾動，很難建立精確的數學模型，因而這種方法受到限制。因此提出一種觀測補償器控制方案，觀測補償器控制方案如圖2所示。

圖 2  觀測補償器控制方案

    圖2中，GP表示具有時滯的對象，Gm表示觀測補償器，GC與GK分別為主、副調節器，GR的引入目的在于增強系統穩定性。系統特征方程為：

    1+[GC Gm（GR+GKGP）]/[1+ GK Gm]=0

    當Gk的模很小時，1+ GK Gm≈1，GKGP≈0，故特征方程式可近似為：

    1+GC Gm GR =0

    于是，系統穩定性僅與主調節器GC、觀測補償器Gm及GR有關，而與時滯對象無關，從而克服了時滯對象給系統帶來的不良影響。
     
    但是上述的近似前提是要求副調節器Gk的模很小，這實際上限制了副調節器的控制能力。Gk的模太小，會使整個系統的控制質量受到影響。為克服這一不足，對圖2的方案稍加改進，如圖3。

 圖 3  改進后的觀測補償器控制方案

    此時，系統特征方程為：
1+ GK Gm + GC Gm GR（1+GA）+ GC GP（GK Gm -GA）=0

    當GK Gm與GA的參數適當匹配時，使GK Gm -GA≈0，則特征方程式可近似為：
1+ GK Gm + GC Gm GR（1+GA）=0

    即系統穩定性與對象GP無關，由此避免了對象時滯帶來的不良影響，改進后的方案并不對副調節器GK模的取值大小提出要求，故可根據具體對象適當選取GK以提高系統控制質量，從而克服改進前的控制系統在這方面的缺陷。

4  仿真研究

    4. 1  仿真結構圖

    仿真時，令控制方案的控制對象都為：Go（s）=1e-20s/（15s+1）（10s+1），仿真結構圖如圖4、圖5：

圖4    Smith預估控制方案的仿真結構圖


圖5     改進后的觀測補償器控制方案的仿真結構圖

    4. 2  仿真結果

    記Smith預估控制方案為方案一，改進后的觀測補償器控制方案為方案二，得到兩組最優參數下的仿真曲線。如圖6，圖7：

圖6 方案一和方案二最優參數下的階躍響應曲線



圖7 方案一和方案二的最優參數下的抗干擾曲線

  仿真結果表明，當加入一給定信號且無干擾時，Smith預估控制系統的動態性能指標都比較好，只是超調量略比觀測補償器控制系統高，圖5這組曲線充分體現了Smith在給定精確數學模型下的優越性。但是當我們加以擾動信號時，Smith預估控制系統的抗干擾性就遠遠不如觀測補償器控制系統，圖6這組曲線充分反映出了觀測補償器控制系統具有更好的魯棒性和控制品質。

4  結束語

    傳統的Smith預估控制系統中的控制器是一個PID控制器，由于PID控制是基于被控對象精確模型而設計的，因此對于缺乏精確模型或參數時變的純滯后過程控制難以得到滿意的性能。而觀測補償器控制系統卻具有很好的抗干擾性和控制品質。在工業生產過程中，對于對象的復雜性和無法預料的外來干擾，觀測補償器控制系統能有效地克服。在隨動系統中，觀測補償器能起到良好的控制效果。
    
    本文作者創新點：考慮到Smith預估過分依賴數學模型的缺陷，提出了觀測補償器控制方案，并將兩者進行仿真研究。仿真結果表明，觀測補償器控制方案使系統響應速度快，超調小且穩態精度較高，對于大時滯系統有著良好的控制品質。此控制系統適合應用于隨動系統中。
 
參考文獻：

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[2] 朱學峰. 國外大純滯后控制的一些發展[J]. 煉油化工自動化，1985年第5期

[3] 仇芒仙. 面向對象的程序設計方法[J].　微計算機信息，1996,1:  40-44