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／T<0.3，称为一般滞后过程；若／T>0.3，则称之为大滞后过程。当纯滞后时间τ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KpGp(s)e-τs表示，其中Kp表示对象的静态增益，Gp(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Kp=2，Tp=4min，τ=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：Kc=0.6，Ti=8min，Td=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G0(s)e-s为过程控制通道特性，其中G0(s)为过程不包含纯滞后部分的传递函数；Gf(s)为过程扰动通道传递函数（不考虑纯滞后）；Gc(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G0(s)与e-s分开并以G0(s)为过程控制通道的传递函数，以G0(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G0(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：G0(s)是被控过程除去纯滞后环节e-s后的传递函数。Gm(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。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Y1(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Y1(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Gm(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。求和点前移很显然，此时在系统的特征方程中，已不包含e-τs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-τs说明被调量y(t)的响应还比设定值迟延τ时间。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,Tp=4，当调节器参数Kc＝20，TI=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0.3