大时滞过程控制系统及Simulink仿真优化方案

在化工、冶金、石油等工业生产过程中，广泛存在较大的纯时间滞后（时延）。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的，例如从阀门动作到压力传感器的变化。

反馈控制系统是以当前观测到的被控对象的输出为依据的，与给定值比较产生偏差，控制器根据偏差提供一个合适的控制信号给执行机构，因此测量对象实际输出就可以使控制作用及时、大小适度。然而，过程控制通道或测量变送元件上的纯滞后将影响系统动态性能，使得系统在输入作用下被控对象不能立即产生效果，从而使控制调节不及时，过渡过程时间加长，系统的超调量增大，导致过渡过程的剧烈振荡，严重地破坏了系统的稳定性。过程扰动通道中的纯滞后对闭环系统的动态性能没有影响，仅使系统的输出对扰动的反应延迟一个纯滞后时间。例如，被控对象控制通道传递函数为

扰动通道的传递函数为

采用常规PID控制器参数整定方法，取K_P＝0.55、T_I＝380s，如果系统无滞后，系统稳定幅值为50％，干扰信号系统的输出响应如图7-35a所示，有时滞时系统的输出响应如图7-35b所示。输入信号作用后，因存在滞后，系统被控量没有及时响应，使得系统不能及时随被控量进行调整以克服系统的干扰作用。因此，过程控制系统必然产生较大的超调量和较长的调节时间，大滞后系统会降低整个控制系统的稳定性。(www.xing528.com)

图7-35 系统的单位阶跃响应

纯滞后与容量滞后是不同的，容量滞后往往是由于对象中包含多个容积所引起的。

从广义角度来说，所有的工业过程控制对象都具有纯滞后性。衡量过程纯滞后的大小，通常采用过程纯滞后时间τ和过程惯性时间常数T之比τ/T。当τ/T＞0.5时系统为具有大纯滞后的过程。当纯滞后较大时，则常规控制系统常常较难奏效。目前克服大纯滞后的常用控制方法有：改进的常规控制方案、预估补偿方案和采样控制方案等。