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1、1过程控制系统过程控制系统第六章第六章 大时滞过程控制系统大时滞过程控制系统作者：鲁照权作者：鲁照权 方敏方敏 机械工业出版社机械工业出版社CHINA MACHINE PRESSCHINA MACHINE PRESS2过程控制系统过程控制系统v 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。v 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/v 3
2、. 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。v 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。v 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。本章内容要点本章内容要点3过程控制系统过程控制系统 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
3、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
4、 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 大时滞过程概述大时滞过程概述4过程控制系统过程控制系统几个典型的大时滞工业过程实例：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
5、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0.55 s。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0.050.5 s。图6-1 钢板冷轧过程示意图61mil=25.410m6.1 大时滞过程概述大时滞过程概述5过程控制系统过程控制系统 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
6、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 大时滞过程概述大时滞过程概述6过程控制系统过程控制系统 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
7、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 大时滞过程概述大时滞过程概述7过程控制系统过程控制系统图6-3 啤酒发酵过程示意图6.1 大时滞过程概述大时滞过程概述8过程控制系统过程控制系统 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
8、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 大时滞过程概述大时滞过程概述9过程控制系统过程控制系统 1. 1. 微分先行控制方案微分先行控制方案 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
9、。 图6-5 PID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 常规控制方案常规控制方案10过程控制系统过程控制系统图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
10、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 常规控制方案常规控制方案11过程控制系统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 常规控制方案常规控制方案12过程控制系统过程控制系统而图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（
11、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 常规控制方案常规控制方案13过程控制系统过程控制系统 2. 2. 中间反馈控制方案中间反馈控制方案 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
12、。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。图6-7 中间微分反馈控制方案6.2 常规控制方案常规控制方案14过程控制系统过程控制系统 3. 3. 常规控制方案比较常规控制方案比较 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。图6-8 PID、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 常规控制方案常规控制方案15过程控制系统过程控制系统 美国加利福尼亚大学的O.J.M.Smith教授解决
13、了图6-1中钢板冷轧过程的控制问题，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”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
14、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 预估补偿控制方案预估补偿控制方案16过程控制系统过程控制系统 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( )sW s e)(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
15、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)(0sWse6.3 预估补偿控制方案预估补偿控制方案17过程控制系统过程控制系统图6-9 单回路系统框图图6-10a) Smith预估补偿控制系统结构原理图6.3 预估补偿控制方案预估补偿控制方案18过程控制系统过程控制系统图6-10b）Smith预估补偿环节图6-10c) Smith预估补偿控制系统结构等效图6.3 预估补偿控制方案预估补偿控制方案19
16、过程控制系统过程控制系统 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)(0sWscsccssccsscesWsWsWesWsWsWsWeesWsWsWsWeesWsWsXsY)()()(1)()()()()1 (1)()(1)()()1 (1)()()()(1000000（6-7） 而输出对干扰量的闭环
17、传递函数为 )()()(1)()()()(1)()()1 (1)()(1)()()(00000sWsWsWesWsWsWsWsWsWeesWsWsWsFsYfcscccsscf010( ) ( )1( )( ) 1( )1( ) ( )sscffcW s W s eWsWsW s eW s W s（6-8）6.3 预估补偿控制方案预估补偿控制方案20过程控制系统过程控制系统 由式（6-7）可见，预估补偿后的特征方程中已消去了 项，即消除了纯时滞对系统控制品质的不利影响。至于分子中的 仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个 ，所以预估补偿完全补偿了纯时滞对过程的不利影响。系统品质与被控过程无
18、纯时滞时完全相同。sese 理论上，Smith预估补偿控制能克服大时滞的影响。但由于Smith预估器需要知道被控过程精确的数学模型，且对模型的误差十分敏感，因而难于在工业生产过程中广泛应用。对于如何改进Smith预估器的性能至今仍是研究的课题之一。 对干扰量扰动的抑制作用，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的影响；第二项为用来补偿扰动对被控参数影响的控制作用。由于第二项有滞后 ，只有 时产生控制作用，当 时无控制作用，所以Smith预估补偿控制对给定值的跟随效果比对干扰量扰动的抑制效果要好。 tt6.3 预估补偿控制方案预估补偿控制方案21过程控制系统过程控
19、制系统 图6-11给出了一种增益自适应预估补偿控制结构，它是Smith预估补偿控制的改进方案之一。与Smith预估补偿器结构相似，增益自适应预估补偿结构仅是系统的输出减去预估模型输出的运算被系统的输出除以模型的输出运算所取代，而对预估器输出作修正的加法运算改成了乘法运算。除法器的输出还串有一个超前环节，其超前时间常数即为过程的纯时滞 ，用来使延时了的输出比值有一个超前作用。这些运算的结果使预估补偿器的增益可根据预估模型和系统输出的比值有相应的校正值。图6-11 增益自适应预估补偿控制 研究表明，增益自适应补偿的过程响应一般都比Smith预估补偿器要好，尤其在模型不准确的情况下。但是，模型纯时滞
20、不能比过程纯时滞大，否则增益自适应补偿效果不佳。6.3 预估补偿控制方案预估补偿控制方案22过程控制系统过程控制系统 对于大时滞的被控过程，为了提高系统的控制品质，除了采用上述控制方案外，还可以采用采样控制方案。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的偏差，发出一个调节信号，然后保持该调节信号不变，保持的时间与纯时滞大小相等或较大一些。当经过 时间后，由于操作信号的改变，被控参数必然有所反应，此时，再按照被控参数与给定值的偏差及其变化方向与速度值来进一步加以调节，调节后又保持其量不变，再等待一个纯时滞 。这样重复上述动作规律，一步一步地校正被控参数
21、的偏差值，使系统趋向一个新的稳定状态。这种“调一下，等一等”方法的核心思想是避免调节器过操作，而宁愿让控制作用弱一些，慢一些。 6.4 采样控制方案采样控制方案23过程控制系统过程控制系统 图6-12 所示为一个典型的采样控制系统框图。图中，数字控制（调节）器相当于前述过程控制系统中的调节器； 、 表示采样器，它们周期地同时接通或同时断开。当 、 接通时，数字调节器在上述闭合回路中工作，此时偏差 被采样,由采样器 送入数字调节器，经信号转换与运算，通过采样器 输出控制信号 ，再经保持器输出连续信号 去控制生产过程。由于保持器的作用，在两次采样间隔期间，使执行器的位置保持不变。1S2S1S2S)
22、(te1S2S)(*tu)(tu图6-12 采样控制系统6.4 采样控制方案采样控制方案24过程控制系统过程控制系统 钢厂轧钢车间在对钢坯轧制之前，先要将其加热到一定的温度。图6-13表示其中一个加热段的温度控制系统。系统中采用六台带断偶报警装置的温度变送器TT1-TT6、三台高值选择器HS、一台加法器 、一台PID调节器和一台电/气转换器I/P、一台燃料流量调节阀。采用高值选择器的目的是提高控制系统的可靠性，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的平均，即在加法器的三个输入通道中均设置分流系数 。从而得到3/1321313131IIII 加热炉是一个大时滞和大惯性的
23、对象。为了提高系统的动态品质，测温元件选用小惯性热电偶。加热炉的燃料通过喷嘴进入炉膛，风量按照一定的空燃比自动跟随燃料量的变化，以达到经济燃烧。故选进入炉内的燃料量为控制变量。 6.5 大时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例25过程控制系统过程控制系统通过试验测得加热炉的数学模型为8019.9( )1201seW ss温度传感器与变送器的数学模型为110107. 0)(ssWm因此，广义被控对象的数学模型为 ) 110)(1120(06. 1)()()(8010ssesWsWsWsm由于 ，故上式可简化为ses10110112006. 1)(900sesWs（6-9） 6.5 大
24、时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例26过程控制系统过程控制系统 由于本例中广义对象的纯时滞与其时间常数的比值较大，即 ，若采用图6-13中的普通PID调节器，无论怎样整定PID调节器的参数，过渡过程的超调量及过渡过程时间均很大。75. 0120/90/T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大时滞控制系统工业应用举例27过程控制系统过程控制系统 加入Smith预估补偿环节后，PID调节器控制的对象包括原来的广义对象和补偿环节，从而等效被控过程的传递函数为112006. 1-1112006. 1112006. 1)(90900se
25、ssesWss）（ （6-10) 因此，对该大时滞系统，考虑采用如图6-14所示的Smith预估补偿方案。图6-14 加热炉温度Smith预估补偿控制系统6.5 大时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例28过程控制系统过程控制系统 可见等效被控对象 中，不再包含纯时滞因素。因此，不但调节器的整定变得很容易，而且可得到较高的控制品质。但单纯的Smith预估补偿方案，要求广义对象的模型要有较高的精度和相对稳定性，否则控制品质又会明显下降。而加热炉由于使用时间长短及每次处理工件的数量不尽相同，其特性参数会发生变化。为提高加热炉的控制品质，改用图6-15所示的具有增益自适应补偿的温度控制系
26、统。这是一种典型的，能够适应过程静态增益变化的大时滞补偿控制系统。)(0sW图6-15 具有增益自适应时滞补偿的加热炉温度控制系统6.5 大时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例29过程控制系统过程控制系统图6-16是图6-15的等效框图，用以分析系统的工作过程。图6-16 图6-15的等效框图6.5 大时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例30过程控制系统过程控制系统 假设广义被控过程的静态增益从1.06变化到1.80，在相同的操作变量 下温度会升高，即温度测量值 增大，故除法器1的输出信号 也随之增大，即mIII06. 180. 1112006. 1112080.
27、19090seIseIIIIsmsmA由此得乘法器的输出信号为mmBIssIIII112080. 1112006. 106. 180. 1此时PID调节器所控制的等效被控过程的模型为 112080. 1)()()(0ssIsIsWm （6-11）6.5 大时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例31过程控制系统过程控制系统 自适应PID调节器的运算关系为IIIsKTsTsTKsITDDDICm*111)(（6-12） 当广义对象的静态增益从1.06变化为1.80时，除法器1的输出信号 ，故自适应PID调节器的比例增益也比原来的整定参数 减小 倍。因此，这样的方案能使控制系统经常处于最
28、佳工况。1.80 / 1.06IcK1.80 / 1.06 可见，在过程静态增益变化时，仍可以得到完全补偿。但此时调节器的参数也应随之作相应的调整，因为，原调节器参数是针对当时广义被控过程模型 而整定的，现在等效被控过程 的静态增益已由1.06变化1.80，故调节器也应具有自动修改其比例增益 的功能。图6-15中的虚线及图6-16中的除法器2的作用就是为完成自动修改PID调节器的比例增益 而设置的。)(0sW)(0sWcKcK6.5 大时滞控制系统工业应用举例大时滞控制系统工业应用举例32过程控制系统过程控制系统6-1 生产过程中的时滞是怎么引起的？6-2 为什么大时滞过程是一种难控制的过程？
29、它对系统的控制品质影响如何？6-3 试举一生产过程实例，简述当其扰动通道及控制通道存在纯时滞时，它们带给 被控参数的不利影响如何？6-4 微分先行控制方案与常规PID控制方案有何异同？6-5 中间反馈控制方案的基本思路是什么？6-6 什么是Smith补偿器，为什么又称它为预估器？6-7 被控过程的数学模型为02.5606( )3.251ssW s ees试设计Smith预估补偿器，并用系统框图表示此预估补偿器如何实现。 6-8 如果Smith补偿器中采用了不准确的过程数学模型，将会对系统产生什么影响？ 有什么方法可以减轻或克服这种模型精度的影响？ 6-9 为什么说增益自适应补偿方案对被控过程模型中的变化不敏感？它是如何做到 增益自适应补偿的？ 6-10 采样控制方案与常规控制系统的主要区别是什么？在大时滞控制过程中采样周 期如何选择？思考题与习题思考题与习题