过程控制第六章大时滞过程控制系统

1过程控制系统第六章大时滞过程控制系统作者：鲁照权方敏机械工业出版社CHINAMACHINEPRESS2过程控制系统1.时间滞后特性广泛存在与工业生产过程中。时间滞后系统简称为时滞系统，有纯时滞、惯性时滞两大类。2.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。具有时滞的过程难以控制，难控程度随着时滞的增加而增加。一般认为时滞与过程的时间常数之比大于0.3时，称该过程为大时滞的过程。增加，过程中的相位滞后也随之增加。TT/T/3.常规的微分先行控制方案和中间反馈方案对解决惯性时滞有一定的效果，但对纯时滞过程无能为力。4.Smith预估补偿方案在模型准确的情况下，有比较好的预估与补偿效果。增益自适应Smith预估补偿方案能够适应模型不准确的情况，具有较高的应用价值。5.采样控制方案采用“调一下，等一下”的方式，对纯时滞过程有比较好的控制效果，但是，调节的时间比较长，不能满足对系统动态性能要求高的场合。本章内容要点3过程控制系统时滞现象在工业生产过程中是普遍存在的。时滞可分为两类，一类称为纯时滞，如带式运输机的物料传输、管道输送、管道混合、分析仪表检测流体的成分等过程；另一类为惯性时滞，又称为容积时滞。该类时滞主要来源于多个容积的存在，容积的数量可能有几个甚至几十个，如分布参数系统可以理解为具有无穷多个微分容积。因此，容积越大或数量越多，其滞后的时间就越长。由于时滞的存在，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，执行机构接受控制信号后立即动作，也需要经过时滞以后，才能波及到被控量，使其受到控制。因此，这样的过程必然会产生比较明显的超调量和比较长的调节时间。所以具有时滞的过程被公认为比较难以控制的过程。其难控程度随着时滞占整个过程动态份额的增加而增加。一般认为时滞与过程的时间常数之比大于0.3时，则认为该过程是具有大时滞的过程。当增加时，过程中的相位滞后也随之增加，使以上现象更为突出。有时甚至会因为超调严重而出现停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全极限而危及设备及人身安全。因此，大时滞过程的控制问题一直是倍受人们关注的重要研究课题。TT/T/6.1大时滞过程概述4过程控制系统几个典型的大时滞工业过程实例：如图6-1所示，钢板冷轧过程是一个典型的含有纯时滞的工业过程。通过五次辊压，将80mils（密耳，）轧成厚度为9mil（约0.2285mm）的薄板。一台X光测厚仪检测第一轧辊轧出的厚度，作为调节器的反馈信号，调节器控制第一对轧辊的压力。从轧辊到X光测厚仪检测点大约6ft（约1828.8mm）。根据轧制速度的变化，折合纯时滞时间的变化范围为0.5～5s。在最后一个轧辊后，X光测厚仪检测钢板最后的厚度作为第二个调节器的反馈信号，控制最后一个轧辊的压力。从最后一个轧辊到测厚点的距离也是6ft，对应的纯滞后时间为0.05―0.5s。(0.5～5s)(0.05～0.5s)6ftX射线测厚仪轧辊控制与张力控制6ft板厚80mils5000FTMIN1#轧辊控制板厚9mils图6-1钢板冷轧过程示意图61mil=25.410m6.1大时滞过程概述5过程控制系统油储罐A种粘度泵混合管道出口粘度检测与泵流量控制PUMPCONTROLS油储罐B种粘度泵图6-2粘性液体混合过程示意图另一个具有纯时滞的过程是图6-2所示的粘性液体混合过程。将两种具有不同粘度的油料混合在一起，在出口处产生所需粘稠度的油料。出口处的粘稠度自动检测，调节器调节输送泵的速度校正粘稠度与设定值的偏差。在泵和出口之间存在着过量的纯时滞。6.1大时滞过程概述6过程控制系统啤酒发酵过程示意图如图6-3所示。在酵母繁殖的生物化学反应过程中，会释放大量的热量。为了实现罐内温度的时间程序控制、以保证啤酒质量，通常采用冷媒对罐体进行冷却，使罐内温度按照工艺要求的曲线变化。由于罐体比较高，一般将发酵罐分成上、中、下三段进行冷却。三只调节阀分别控制上、中、下三套缠绕在罐壁之外的盘管状热交换器（又称为螺旋状冷带）内冷媒的流量，以控制其带走热量的多少，从而达到控制罐内温度的目的。由于罐子的半径很大，罐壁与罐子中央的温差较大。罐壁温度最低，罐中央的温度最高。虽然，在生化放热反应过程中，罐内啤酒会不断地进行着缓慢的热循环流动，但在热传递的过程中，罐内任何一点都存在着以该点半径描述的等温柱面层。因此，啤酒发酵过程是一个分布参数过程，具有无穷多个微分容积。发酵罐越大，其惯性滞后的时间越长。6.1大时滞过程概述7过程控制系统上部温度检测中部温度检测下部温度检测上部温度调节阀中部温度调节阀下部温度调节阀冷煤回流发酵罐图6-3啤酒发酵过程示意图6.1大时滞过程概述8过程控制系统电加热器INOUT1热水循环管热水箱灭活罐夹套热水循环泵图6-4巴氏灭活过程示意图图6-4是巴氏灭活过程示意图。系统由带夹套的灭活罐、热水箱、热水循环管、热水循环泵及电加热器等组成。灭活过程是保持罐内的制品在某一恒定的温度下若干个小时，以保证制品内的细菌均被杀死。灭活罐内安装了搅拌器，使制品在灭活过程中得到充分而均匀的搅拌。因此，灭活罐可以认为是集中参数过程。热水箱内虽然有热水自动循环及循环泵的作用，但热水箱内热水的温度仍然不均匀，故热水箱是一个分布参数过程。考虑到热水箱和灭活罐的热惯性，以及管道的纯时滞，巴氏灭活过程是一个具有纯时滞及惯性时滞的高阶复杂工业过程。6.1大时滞过程概述9过程控制系统1.微分先行控制方案微分作用的特点是能够按被控参数的变化速度来校正被控参数的偏差，它对克服超调现象起到很大的作用。但是，对于图6-5所示的PID控制方案，微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值。()Xs+1(1)cIKTs1DTs()Fs++()Ys0()sWse图6-5PID控制方案对于大时滞过程的控制若采用串级控制和前馈控制等方案是不合适的。必须采用特殊的控制（补偿）方法。下面介绍两种能够在一定程度上解决惯性时滞的常规控制方案，并将它们与PID控制作对比。6.2常规控制方案10过程控制系统()Xs1(1)cIKTs1sTD()Fs()YssesW)(0()Zs图6-6微分先行控制方案在图6-6所示的微分先行控制方案中，微分环节的输出信号包括了被控参数及其变化速度的信息，将它作为测量值输入到比例积分调节器中，使得系统克服超调的作用加强了。因此，实际上微分环节不能真正起到对被控参数变化速度进行校正的目的，克服动态超调的作用是有限的。如果将微分环节更换一个位置，如图6-6所示，则微分作用克服超调的能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。6.2常规控制方案11过程控制系统微分先行控制方案的闭环传递函数如下：1）给定值作用下sDICIsICesTsTKssWTesTKsXsY)1)(1()()1()()(10（6-1）2）在扰动作用下sDICIsIesTsTKssWTseTsFsY)1)(1()()()(10（6-2）6.2常规控制方案12过程控制系统而图6-5所示的PID控制方案的闭环传递函数分别为sDICIsDICesTsTKssWTesTsTKsXsY)1)(1()()1)(1()()(10（6-3）sDICIsIesTsTKssWTseTsFsY)1)(1()()()(10（6-4）由以上4个式子可见，微分先行控制方案和PID控制方案的特征方程完全相同。但是式（6-1）比式（6-3）少一个零点，所以微分先行控制方案比PID控制方案的超调量要小一些，从而提高了控制质量。1/DzT6.2常规控制方案13过程控制系统2.中间反馈控制方案与微分先行控制方案相类似，可采用中间微分反馈控制方案改善系统的控制质量。中间反馈控制方案如图6-7所示，系统中微分作用是独立的，能在被控参数变化时及时根据其变化速度对控制信号进行附加校正。微分校正只在动态时起作用，在静态时或在被控参数变化速度恒定时，失去作用。()Xs1(1)CIKTssTD()Fs()YssesW)(0图6-7中间微分反馈控制方案6.2常规控制方案14过程控制系统3.常规控制方案比较图6-8给出了分别用PID、中间微分反馈和微分先行三种方法进行控制的仿真结果。从图中可看出，中间微分反馈与微分先行控制方案虽比PID方法的超调量要小，但仍存在较大的超调，响应速度均很慢，不能满足高控制精度的要求。PID微分先行中间微分反馈51010515152025()yt/mintyt图6-8PID、中间微分反馈和微分先行方案对定值扰动的响应特性6.2常规控制方案15过程控制系统美国加利福尼亚大学的O.J.M.Smith教授解决了图6-1中钢板冷轧过程的控制问题，于1957年、1959年先后在《ChemicalEngineeringProgress》及《ISAJournal》上发表了两篇题为“CloserControlofLoopswithDeadTime”、“AControllertoOvercomeDeadTime”的文章，提出了过程输出预估及时滞补偿的方法。该方法后来被称之为Smith预估补偿器。Smith预估补偿器的特点是预先估计过程在基本扰动下的动态特性，后进行补偿，使被迟延了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而能明显地减少超调量并加速调节过程。史密斯（Smith）预估补偿方法是得到广泛应用的方案之一。为理解它的工作原理，先从—般的反馈控制开始讨论。6.3预估补偿控制方案16过程控制系统设为过程控制通道特性，其中为过程不包含纯滞后部分的传递函数；过程扰动通道传递函数（不考虑纯时滞）；为调节器的传递函数，则图6-9所示的单回路系统闭环传递函数为0()sWse)(0sW)(sWf)(sWcscscesWsWesWsWsXsY)()(1)()()()(00（6-5）对干扰量的闭环传递函数为scfesWsWsWsFsY)()(1)()()(0（6-6）在式（6-5）和式（6-6）的特征方程中，由于包含了项，使闭环系统的品质大大恶化。若能将与分开并以为过程控制通道的传递函数，以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与是不可分割的，所以Smith提出图6-10所示采用等效补偿的方法来实现。se)(0sWse)(0sW)(0sW)(0sWse6.3预估补偿控制方案17过程控制系统)(sX)(sF)(sYsesW)(0)(sWf)(sWc图6-9单回路系统框图)(sX)(sF)(sYsesW)(0)(sWf)(sWc)(0sWse图6-10a)Smith预估补偿控制系统结构原理图6.3预估补偿控制方案18过程控制系统)(sX)(sU)(sYsesW)(0)(sWc)()1(0sWes)(1sY)(2sY)(sY图6-10b）Smith预估补偿环节)(sX)(sYse)(sWc)(0sW)(1sY图6-10c)Smith预估补偿控制系统结构等效图6.3预估补偿控制方案19过程控制系统图6-10a是Smith预估补偿控制系统结构示意图。在图6-10b中，为预估补偿装置的传递函数。图6-10c为经预估补偿后的等效框图。可见，它相当于将作为过程控制通道的传递函数，并以的输出信号作为反馈信号。这样，反馈信号在时间上相当于提前了，因此称其为预估补偿控制。此时输出对给定值的闭环传递函数为）（sesW-1)(0)(0sW)(0sWscsccssccsscesWsWsWesWsWsWsWeesWsWsWsWeesWsWsXsY)()()(1)()()()()1(1)()(1)()()1(1)()()()(1000000（6-7）而输出对干扰量的闭环传递函数为)()()(1)()()()(1)()()1(1)()(1)()()(0