1  引言

    时滞系统在化工、炼油、冶金、玻璃一些复杂的工业过程当中，广泛地存在着大时滞现象。由于时滞的存在,使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动,从而产生明显的超调,使得控制系统的稳定性变差,调节时间延长,对系统的设计和控制增加了很大的困难。而时变时滞的特性则使得问题更加复杂,因而对此类问题的研究具有重要的理论和实际意义。Smith预估控制是工业生产中最广泛应用的控制方案，本文提出了一种观测补偿器控制方案及其改进，并对它的应用范围进行了研究。

2  Smith 预估控制方案

    对具有大时滞的系统，Smith预估控制是常被采用的控制方法。大部分时滞工业过程都很复杂，但考虑到时滞项影响比其余各项大得多，故实际中时滞过程常用一阶惯性环节来近似描述：

    （1）式中，KP，T1，L 分别代表过程的开环增益，时间常数和时滞。Smith预估控制器的缺点之一是需要整定的参数较多，而Smith预估控制系统把PI控制器与Smith预估器有机地结合起来，从而减少了控制器参数，并使控制参数易于整定。控制器的数学表达式如式（2），系统结构图如图1：

图1   Smith 预估控制方案

3 观测补偿器控制方案

    Smith预估控制虽然可以改善大滞后系统的控制品质，但它过分依赖被控对象的精确模型，对模型误差和纯滞后时间变化较敏感。对于实际对象复杂的动态过程和环境扰动，很难建立精确的数学模型，因而这种方法受到限制。因此提出一种观测补偿器控制方案，观测补偿器控制方案如图2所示。

图 2  观测补偿器控制方案

    图2中，GP表示具有时滞的对象，Gm表示观测补偿器，GC与GK分别为主、副调节器，GR的引入目的在于增强系统稳定性。系统特征方程为：

    1+[GC Gm（GR+GKGP）]/[1+ GK Gm]=0

    当Gk的模很小时，1+ GK Gm≈1，GKGP≈0，故特征方程式可近似为：

    1+GC Gm GR =0

    于是，系统稳定性仅与主调节器GC、观测补偿器Gm及GR有关，而与时滞对象无关，从而克服了时滞对象给系统带来的不良影响。
     
    但是上述的近似前提是要求副调节器Gk的模很小，这实际上限制了副调节器的控制能力。Gk的模太小，会使整个系统的控制质量受到影响。为克服这一不足，对图2的方案稍加改进，如图3。

 图 3  改进后的观测补偿器控制方案

    此时，系统特征方程为：
1+ GK Gm + GC Gm GR（1+GA）+ GC GP（GK Gm -GA）=0

    当GK Gm与GA的参数适当匹配时，使GK Gm -GA≈0，则特征方程式可近似为：
1+ GK Gm + GC Gm GR（1+GA）=0

    即系统稳定性与对象GP无关，由此避免了对象时滞带来的不良影响，改进后的方案并不对副调节器GK模的取值大小提出要求，故可根据具体对象适当选取GK以提高系统控制质量，从而克服改进前的控制系统在这方面的缺陷。

4  仿真研究

    4. 1  仿真结构图

    仿真时，令控制方案的控制对象都为：Go（s）=1e-20s/（15s+1）（10s+1），仿真结构图如图4、图5：

图4    Smith预估控制方案的仿真结构图


图5     改进后的观测补偿器控制方案的仿真结构图

    4. 2  仿真结果

    记Smith预估控制方案为方案一，改进后的观测补偿器控制方案为方案二，得到两组最优参数下的仿真曲线。如图6，图7：

图6 方案一和方案二最优参数下的阶跃响应曲线



图7 方案一和方案二的最优参数下的抗干扰曲线

  仿真结果表明，当加入一给定信号且无干扰时，Smith预估控制系统的动态性能指标都比较好，只是超调量略比观测补偿器控制系统高，图5这组曲线充分体现了Smith在给定精确数学模型下的优越性。但是当我们加以扰动信号时，Smith预估控制系统的抗干扰性就远远不如观测补偿器控制系统，图6这组曲线充分反映出了观测补偿器控制系统具有更好的鲁棒性和控制品质。

4  结束语

    传统的Smith预估控制系统中的控制器是一个PID控制器，由于PID控制是基于被控对象精确模型而设计的，因此对于缺乏精确模型或参数时变的纯滞后过程控制难以得到满意的性能。而观测补偿器控制系统却具有很好的抗干扰性和控制品质。在工业生产过程中，对于对象的复杂性和无法预料的外来干扰，观测补偿器控制系统能有效地克服。在随动系统中，观测补偿器能起到良好的控制效果。
    
    本文作者创新点：考虑到Smith预估过分依赖数学模型的缺陷，提出了观测补偿器控制方案，并将两者进行仿真研究。仿真结果表明，观测补偿器控制方案使系统响应速度快，超调小且稳态精度较高，对于大时滞系统有着良好的控制品质。此控制系统适合应用于随动系统中。
 
参考文献：

[1] 何衍庆. 纯滞后对象的观测补偿器控制方案[J]. 华工化工学院学报，1986，12（2）

[2] 朱学峰. 国外大纯滞后控制的一些发展[J]. 炼油化工自动化，1985年第5期

[3] 仇芒仙. 面向对象的程序设计方法[J].　微计算机信息，1996,1:  40-44