过程控制大时滞过程控制系统

1、过程控制大时滞过程控制系统第1页1. 时间滞后特征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. 时滞存在，使得被控量不能及时地反应系统所承受扰动。含有时滞过程 难以控制，难控程度伴随时滞 增加而增加。普通认为时滞 与过程时间 常数 之比 大于0.3时，称该过程为大时滞过程。 增加，过程中 相位滞后也随之增加。 3. 常规微分先行控制方案和中间反馈方案对处理惯性时滞有一定效果，但对 纯时滞过程无能为力。 4. Smith预估赔偿方案在模型准确情况下，有比很好预估与赔偿效果。增益自适应Smith预估赔偿方案能够适应模型不准确情况，含有较高应用价值。 5.

2、采样控制方案采取“调一下，等一下”方式，对纯时滞过程有比很好控制效果，不过，调整时间比较长，不能满足对系统动态性能要求高场所。本章内容关键点过程控制大时滞过程控制系统第2页 时滞现象在工业生产过程中是普遍存在。时滞可分为两类，一类称为纯时滞，如带式运输机物料传输、管道输送、管道混合、分析仪表检测流体成份等过程； 另一类为惯性时滞，又称为容积时滞。该类时滞主要起源于多个容积存在，容积 数量可能有几个甚至几十个，如分布参数系统能够了解为含有没有穷多个微分容积。 所以，容积越大或数量越多，其滞后时间就越长。因为时滞存在，使得被控量不能及时反应系统所承受扰动，即使测量信号抵达调整器，执行机构接收控制信

3、号后马上动作，也需要经过时滞 以后，才能涉及到被控量，使其受到控制。所以，这么过程必定会产生比较显著超调量和比较长调整时间。所以含有时滞过程被公认为比较难以控制过程。其难控程度伴随时滞 占整个过程动态份额增加而增加。普通认为时滞 与过程时间常数 之比 大于0.3时，则认为该过程是含有大时滞过程。当 增加时，过程中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；有时则可能引发系统不稳定，被调量超出安全极限而危及设备及人身安全。所以，大时滞过程控制问题一直是倍受人们关注主要研究课题。6.1 大时滞过程概述过程控制大时滞过程控制系统第3页几个经典大时滞工业过程实例： 如

4、图6-1所表示，钢板冷轧过程是一个经典含有纯时滞工业过程。经过五次辊压，将80mils（密耳， ）轧成厚度为9mil（约0.2285mm）薄板。一台X光测厚仪检测第一轧辊轧出厚度，作为调整器反馈信号，调整器控制第一对轧辊压力。从轧辊到X光测厚仪检测点大约6ft（约1828.8mm）。依据轧制速度改变，折合纯时滞时间改变范围为0.55 s。在最终一个轧辊后，X光测厚仪检测钢板最终厚度作为第二个调整器反馈信号，控制最终一个轧辊压力。从最终一个轧辊到测厚点距离也是6ft，对应纯滞后时间为0.050.5 s。图6-1 钢板冷轧过程示意图6.1 大时滞过程概述过程控制大时滞过程控制系统第4页 图6-2

5、粘性液体混合过程示意图 另一个含有纯时滞过程是图6-2所表示粘性液体混合过程。将两种含有不一样粘度油料混合在一起，在出口处产生所需粘稠度油料。出口处粘稠度自动检测，调整器调整输送泵速度校正粘稠度与设定值偏差。在泵和出口之间存在着过量纯时滞。6.1 大时滞过程概述过程控制大时滞过程控制系统第5页 啤酒发酵过程示意图如图6-3所表示。在酵母繁殖生物化学反应过程中，会释放大量热量。为了实现罐内温度时间程序控制、以确保啤酒质量，通常采取冷媒对罐体进行冷却，使罐内温度按照工艺要求曲线改变。因为罐体比较高，普通将发酵罐分成上、中、下三段进行冷却。三只调整阀分别控制上、中、下三套缠绕在罐壁之外盘管状热交换器

6、（又称为螺旋状冷带）内冷媒流量，以控制其带走热量多少，从而到达控制罐内温度目标。因为罐子半径很大，罐壁与罐子中央温差较大。罐壁温度最低，罐中央温度最高。即使，在生化放热反应过程中，罐内啤酒会不停地进行着迟缓热循环流动，但在热传递过程中，罐内任何一点都存在着以该点半径描述等温柱面层。所以，啤酒发酵过程是一个分布参数过程，含有没有穷多个微分容积。发酵罐越大，其惯性滞后时间越长。6.1 大时滞过程概述过程控制大时滞过程控制系统第6页图6-3 啤酒发酵过程示意图6.1 大时滞过程概述过程控制大时滞过程控制系统第7页 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。系统由带夹套灭活罐、热水箱

7、、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制品在某一恒定温度下若干个小时，以确保制品内细菌均被杀死。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搅拌。所以，灭活罐能够认为是集中参数过程。热水箱内即使有热水自动循环及循环泵作用，但热水箱内热水温度依然不均匀，故热水箱是一个分布参数过程。考虑到热水箱和灭活罐热惯性，以及管道纯时滞，巴氏灭活过程是一个含有纯时滞及惯性时滞高阶复杂工业过程。6.1 大时滞过程概述过程控制大时滞过程控制系统第8页 1. 微分先行控制方案 微分作用特点是能够按被控参数改变速度来校正被控参数偏差，它对克服超调现象起到很大作用。不过，对于图6-5所表

8、示PID控制方案，微分步骤输入是对偏差作了百分比积分运算后值。 图6-5 PID控制方案 对于大时滞过程控制若采取串级控制和前馈控制等方案是不适当。必须采取特殊控制（赔偿）方法。下面介绍两种能够在一定程度上处理惯性时滞常规控制方案，并将它们与PID控制作对比。6.2 常规控制方案过程控制大时滞过程控制系统第9页图6-6 微分先行控制方案 在图6-6所表示微分先行控制方案中，微分步骤输出信号包含了被控参数及其改变速度信息，将它作为测量值输入到百分比积分调整器中，使得系统克服超调作用加强了。 所以，实际上微分步骤不能真正起到对被控参数改变速度进行校正目标，克服动态超调作用是有限。假如将微分步骤更换

9、一个位置，如图6-6所表示，则微分作用克服超调能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。6.2 常规控制方案过程控制大时滞过程控制系统第10页微分先行控制方案闭环传递函数以下：1）给定值作用下（6-1） 2）在扰动作用下 （6-2） 6.2 常规控制方案过程控制大时滞过程控制系统第11页而图6-5所表示PID控制方案闭环传递函数分别为（6-3）（6-4） 由以上4个式子可见，微分先行控制方案和PID控制方案特征方程完全相同。不过式（6-1）比式（6-3）少一个零点 ，所以微分先行控制方案比PID控制方案超调量要小一些，从而提升了控制质量。6.2 常规控制方案过程控制大时滞过程控制系统

10、第12页 2. 中间反馈控制方案 与微分先行控制方案相类似 ，可采取中间微分反馈控制方案改进系统控制质量。中间反馈控制方案如图6-7所表示，系统中微分作用是独立，能在被控参数改变时及时依据其改变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改变速度恒定时，失去作用。图6-7 中间微分反馈控制方案6.2 常规控制方案过程控制大时滞过程控制系统第13页 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方法超调量要小，但仍存在较大超调，响应速度均很慢，不能满足高控制

11、精度要求。图6-8 PID、中间微分反馈和微分先行方案对定值扰动响应特征6.2 常规控制方案过程控制大时滞过程控制系统第14页 美国加利福尼亚大学O.J.M.Smith教授处理了图6-1中钢板冷轧过程控制问题，于1957年、1959年先后在Chemical Engineering Progress及ISA Journal上发表了两篇题为“Closer Control of Loops with Dead Time”、“A Controller to Overcome Dead Time”文章，提出了过程输出预估及时滞赔偿方法。该方法以后被称之为Smith预估赔偿器。Smith预估赔偿器特点是预

12、先预计过程在基本扰动下动态特征，后进行赔偿，使被拖延了被调量超前反应到调整器，使调整器提前动作，从而能显著地降低超调量并加速调整过程。史密斯（Smith）预估赔偿方法是得到广泛应用方案之一。为了解它工作原理，先从般反馈控制开始讨论。6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第15页 设 为过程控制通道特征，其中 为过程不包含纯滞后部分传递函数； 过程扰动通道传递函数（不考虑纯时滞）； 为调整器传递函数，则图6-9所表示单回路系统闭环传递函数为（6-5） 对干扰量闭环传递函数为（6-6） 在式（6-5）和式（6-6）特征方程中，因为包含了 项，使闭环系统品质大大恶化。若能将 与 分开并以

13、 为过程控制通道传递函数，以 输出信号作为反馈信号，则可大大改进控制品质。不过实际工业过程中 与 是不可分割，所以Smith提出图6-10所表示采取等效赔偿方法来实现。6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第16页图6-9 单回路系统框图图6-10a) Smith预估赔偿控制系统结构原理图6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第17页图6-10b）Smith预估赔偿步骤图6-10c) Smith预估赔偿控制系统结构等效图6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第18页 图6-10a是Smith预估赔偿控制系统结构示意图。在图6-10b中， 为预估赔偿装置传递函

14、数。图6-10c为经预估赔偿后等效框图。可见，它相当于将 作为过程控制通道传递函数，并以 输出信号作为反馈信号。这么，反馈信号在时间上相当于提前了 ，所以称其为预估赔偿控制。此时输出对给定值闭环传递函数为（6-7） 而输出对干扰量闭环传递函数为 （6-8）6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第19页 由式（6-7）可见，预估赔偿后特征方程中已消去了 项，即消除了纯时滞对系统控制品质不利影响。至于分子中 仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个 ，所以预估赔偿完全赔偿了纯时滞对过程不利影响。系统品质与被控过程无纯时滞时完全相同。 理论上，Smith预估赔偿控制能克服大时滞影响。但

15、因为Smith预估器需要知道被控过程准确数学模型，且对模型误差十分敏感，因而难于在工业生产过程中广泛应用。对于怎样改进Smith预估器性能至今仍是研究课题之一。 对干扰量扰动抑制作用，由式（6-8）可知，其闭环传递函数由两项组成：第一项为干扰量对被控参数影响；第二项为用来赔偿扰动对被控参数影响控制作用。因为第二项有滞后 ，只有 时产生控制作用，当 时无控制作用，所以Smith预估赔偿控制对给定值跟随效果比对干扰量扰动抑制效果要好。 6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第20页 图6-11给出了一个增益自适应预估赔偿控制结构，它是Smith预估赔偿控制改进方案之一。与Smith预估

16、赔偿器结构相同，增益自适应预估赔偿结构仅是系统输出减去预估模型输出运算被系统输出除以模型输出运算所取代，而对预估器输出作修正加法运算改成了乘法运算。除法器输出还串有一个超前步骤，其超前时间常数即为过程纯时滞 ，用来使延时了输出比值有一个超前作用。这些运算结果使预估赔偿器增益可依据预估模型和系统输出比值有对应校正值。图6-11 增益自适应预估赔偿控制 研究表明，增益自适应赔偿过程响应普通都比Smith预估赔偿器要好，尤其在模型不准确情况下。不过，模型纯时滞不能比过程纯时滞大，不然增益自适应赔偿效果不佳。6.3 预估赔偿控制方案过程控制大时滞过程控制系统第21页 对于大时滞被控过程，为了提升系统控

17、制品质，除了采取上述控制方案外，还能够采取采样控制方案。其操作方法是：当被控过程受到扰动而使被控参数偏离给定值时，即采样一次被控参数与给定值偏差，发出一个调整信号，然后保持该调整信号不变，保持时间与纯时滞大小相等或较大一些。当经过 时间后，因为操作信号改变，被控参数必定有所反应，此时，再按照被控参数与给定值偏差及其改变方向与速度值来深入加以调整，调整后又保持其量不变，再等候一个纯时滞 。这么重复上述动作规律，一步一步地校正被控参数偏差值，使系统趋向一个新稳定状态。这种“调一下，等一等”方法关键思想是防止调整器过操作，而宁愿让控制作用弱一些，慢一些。 6.4 采样控制方案过程控制大时滞过程控制系

18、统第22页 图6-12 所表示为一个经典采样控制系统框图。图中，数字控制（调整）器相当于前述过程控制系统中调整器； 、 表示采样器，它们周期地同时接通或同时断开。当 、 接通时，数字调整器在上述闭合回路中工作，此时偏差 被采样,由采样器 送入数字调整器，经信号转换与运算，经过采样器 输出控制信号 ，再经保持器输出连续信号 去控制生产过程。因为保持器作用，在两次采样间隔期间，使执行器位置保持不变。图6-12 采样控制系统6.4 采样控制方案过程控制大时滞过程控制系统第23页 钢厂轧钢车间在对钢坯轧制之前，先要将其加热到一定温度。图6-13表示其中一个加热段温度控制系统。系统中采取六台带断偶报警装

19、置温度变送器TT1-TT6、三台高值选择器HS、一台加法器 、一台PID调整器和一台电/气转换器I/P、一台燃料流量调整阀。采取高值选择器目标是提升控制系统可靠性，当每对热电偶中有一个断偶时，系统仍能正常运行。加法器实现三个信号平均，即在加法器三个输入通道中均设置分流系数 。从而得到 加热炉是一个大时滞和大惯性对象。为了提升系统动态品质，测温元件选取小惯性热电偶。加热炉燃料经过喷嘴进入炉膛，风量按照一定空燃比自动跟随燃料量改变，以到达经济燃烧。故选进入炉内燃料量为控制变量。 6.5 大时滞控制系统工业应用举例过程控制大时滞过程控制系统第24页经过试验测得加热炉数学模型为温度传感器与变送器数学模

20、型为所以，广义被控对象数学模型为 因为 ，故上式可简化为（6-9） 6.5 大时滞控制系统工业应用举例过程控制大时滞过程控制系统第25页 因为本例中广义对象纯时滞与其时间常数比值较大，即 ，若采取图6-13中普通PID调整器，不论怎样整定PID调整器参数，过渡过程超调量及过渡过程时间均很大。图6-13 轧钢车间钢坯加热炉多点平均温度反馈控制系统6.5 大时滞控制系统工业应用举例过程控制大时滞过程控制系统第26页 加入Smith预估赔偿步骤后，PID调整器控制对象包含原来广义对象和赔偿步骤，从而等效被控过程传递函数为 （6-10) 所以，对该大时滞系统，考虑采取如图6-14所表示Smith预估赔

21、偿方案。图6-14 加热炉温度Smith预估赔偿控制系统6.5 大时滞控制系统工业应用举例过程控制大时滞过程控制系统第27页 可见等效被控对象 中，不再包含纯时滞原因。所以，不但调整器整定变得很轻易，而且可得到较高控制品质。但单纯Smith预估赔偿方案，要求广义对象模型要有较高精度和相对稳定性，不然控制品质又会显著下降。而加热炉因为使用时间长短及每次处理工件数量不尽相同，其特征参数会发生改变。为提升加热炉控制品质，改用图6-15所表示含有增益自适应赔偿温度控制系统。这是一个经典，能够适应过程静态增益改变大时滞赔偿控制系统。图6-15 含有增益自适应时滞赔偿加热炉温度控制系统6.5 大时滞控制系统工业应用举例过程控制大时滞过程控制系统第28页图6-16是图6-15等效框图，用以分析系统工作过程。图6-16 图6-15等效框图6.5 大时滞控制系统工业应用举例过程控制大时滞过程控制系统第29页 假设广义被控过程静态增益从1.06改变到1.80，在相同操作变量 下温度会升高，即温度测量值 增大，故除法器1输出信号 也随之增大，即由此得乘法器输出信号为此时PID调整器所控制等效被控过程模型为 （6-11）6.5 大时滞控制系统工