過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)

1、過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第1頁1. 時間滯后特征廣泛存在與工業(yè)生產(chǎn)過程中。時間滯后系統(tǒng)簡稱為時滯系統(tǒng)，有純時滯、慣性時滯兩大類。 2. 時滯存在，使得被控量不能及時地反應(yīng)系統(tǒng)所承受擾動。含有時滯過程 難以控制，難控程度伴隨時滯 增加而增加。普通認(rèn)為時滯 與過程時間 常數(shù) 之比 大于0.3時，稱該過程為大時滯過程。 增加，過程中 相位滯后也隨之增加。 3. 常規(guī)微分先行控制方案和中間反饋方案對處理慣性時滯有一定效果，但對 純時滯過程無能為力。 4. Smith預(yù)估賠償方案在模型準(zhǔn)確情況下，有比很好預(yù)估與賠償效果。增益自適應(yīng)Smith預(yù)估賠償方案能夠適應(yīng)模型不準(zhǔn)確情況，含有較高應(yīng)用價值。 5.

2、采樣控制方案采取“調(diào)一下，等一下”方式，對純時滯過程有比很好控制效果，不過，調(diào)整時間比較長，不能滿足對系統(tǒng)動態(tài)性能要求高場所。本章內(nèi)容關(guān)鍵點過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第2頁 時滯現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)過程中是普遍存在。時滯可分為兩類，一類稱為純時滯，如帶式運輸機物料傳輸、管道輸送、管道混合、分析儀表檢測流體成份等過程； 另一類為慣性時滯，又稱為容積時滯。該類時滯主要起源于多個容積存在，容積 數(shù)量可能有幾個甚至幾十個，如分布參數(shù)系統(tǒng)能夠了解為含有沒有窮多個微分容積。 所以，容積越大或數(shù)量越多，其滯后時間就越長。因為時滯存在，使得被控量不能及時反應(yīng)系統(tǒng)所承受擾動，即使測量信號抵達(dá)調(diào)整器，執(zhí)行機構(gòu)接收控制信

3、號后馬上動作，也需要經(jīng)過時滯 以后，才能涉及到被控量，使其受到控制。所以，這么過程必定會產(chǎn)生比較顯著超調(diào)量和比較長調(diào)整時間。所以含有時滯過程被公認(rèn)為比較難以控制過程。其難控程度伴隨時滯 占整個過程動態(tài)份額增加而增加。普通認(rèn)為時滯 與過程時間常數(shù) 之比 大于0.3時，則認(rèn)為該過程是含有大時滯過程。當(dāng) 增加時，過程中相位滯后也隨之增加，使以上現(xiàn)象更為突出。有時甚至?xí)驗槌{(diào)嚴(yán)重而出現(xiàn)停產(chǎn)事故；有時則可能引發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定，被調(diào)量超出安全極限而危及設(shè)備及人身安全。所以，大時滯過程控制問題一直是倍受人們關(guān)注主要研究課題。6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第3頁幾個經(jīng)典大時滯工業(yè)過程實例： 如

4、圖6-1所表示，鋼板冷軋過程是一個經(jīng)典含有純時滯工業(yè)過程。經(jīng)過五次輥壓，將80mils（密耳， ）軋成厚度為9mil（約0.2285mm）薄板。一臺X光測厚儀檢測第一軋輥軋出厚度，作為調(diào)整器反饋信號，調(diào)整器控制第一對軋輥壓力。從軋輥到X光測厚儀檢測點大約6ft（約1828.8mm）。依據(jù)軋制速度改變，折合純時滯時間改變范圍為0.55 s。在最終一個軋輥后，X光測厚儀檢測鋼板最終厚度作為第二個調(diào)整器反饋信號，控制最終一個軋輥壓力。從最終一個軋輥到測厚點距離也是6ft，對應(yīng)純滯后時間為0.050.5 s。圖6-1 鋼板冷軋過程示意圖6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第4頁 圖6-2

5、粘性液體混合過程示意圖 另一個含有純時滯過程是圖6-2所表示粘性液體混合過程。將兩種含有不一樣粘度油料混合在一起，在出口處產(chǎn)生所需粘稠度油料。出口處粘稠度自動檢測，調(diào)整器調(diào)整輸送泵速度校正粘稠度與設(shè)定值偏差。在泵和出口之間存在著過量純時滯。6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第5頁 啤酒發(fā)酵過程示意圖如圖6-3所表示。在酵母繁殖生物化學(xué)反應(yīng)過程中，會釋放大量熱量。為了實現(xiàn)罐內(nèi)溫度時間程序控制、以確保啤酒質(zhì)量，通常采取冷媒對罐體進(jìn)行冷卻，使罐內(nèi)溫度按照工藝要求曲線改變。因為罐體比較高，普通將發(fā)酵罐分成上、中、下三段進(jìn)行冷卻。三只調(diào)整閥分別控制上、中、下三套纏繞在罐壁之外盤管狀熱交換器

6、（又稱為螺旋狀冷帶）內(nèi)冷媒流量，以控制其帶走熱量多少，從而到達(dá)控制罐內(nèi)溫度目標(biāo)。因為罐子半徑很大，罐壁與罐子中央溫差較大。罐壁溫度最低，罐中央溫度最高。即使，在生化放熱反應(yīng)過程中，罐內(nèi)啤酒會不停地進(jìn)行著遲緩熱循環(huán)流動，但在熱傳遞過程中，罐內(nèi)任何一點都存在著以該點半徑描述等溫柱面層。所以，啤酒發(fā)酵過程是一個分布參數(shù)過程，含有沒有窮多個微分容積。發(fā)酵罐越大，其慣性滯后時間越長。6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第6頁圖6-3 啤酒發(fā)酵過程示意圖6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第7頁 圖6-4 巴氏滅活過程示意圖 圖6-4是巴氏滅活過程示意圖。系統(tǒng)由帶夾套滅活罐、熱水箱

7、、熱水循環(huán)管、熱水循環(huán)泵及電加熱器等組成。滅活過程是保持罐內(nèi)制品在某一恒定溫度下若干個小時，以確保制品內(nèi)細(xì)菌均被殺死。滅活罐內(nèi)安裝了攪拌器，使制品在滅活過程中得到充分而均勻攪拌。所以，滅活罐能夠認(rèn)為是集中參數(shù)過程。熱水箱內(nèi)即使有熱水自動循環(huán)及循環(huán)泵作用，但熱水箱內(nèi)熱水溫度依然不均勻，故熱水箱是一個分布參數(shù)過程?？紤]到熱水箱和滅活罐熱慣性，以及管道純時滯，巴氏滅活過程是一個含有純時滯及慣性時滯高階復(fù)雜工業(yè)過程。6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第8頁 1. 微分先行控制方案 微分作用特點是能夠按被控參數(shù)改變速度來校正被控參數(shù)偏差，它對克服超調(diào)現(xiàn)象起到很大作用。不過，對于圖6-5所表

8、示PID控制方案，微分步驟輸入是對偏差作了百分比積分運算后值。 圖6-5 PID控制方案 對于大時滯過程控制若采取串級控制和前饋控制等方案是不適當(dāng)。必須采取特殊控制（賠償）方法。下面介紹兩種能夠在一定程度上處理慣性時滯常規(guī)控制方案，并將它們與PID控制作對比。6.2 常規(guī)控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第9頁圖6-6 微分先行控制方案 在圖6-6所表示微分先行控制方案中，微分步驟輸出信號包含了被控參數(shù)及其改變速度信息，將它作為測量值輸入到百分比積分調(diào)整器中，使得系統(tǒng)克服超調(diào)作用加強了。 所以，實際上微分步驟不能真正起到對被控參數(shù)改變速度進(jìn)行校正目標(biāo)，克服動態(tài)超調(diào)作用是有限。假如將微分步驟更換

9、一個位置，如圖6-6所表示，則微分作用克服超調(diào)能力就大不相同了。這種控制方案稱為微分先行控制方案。6.2 常規(guī)控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第10頁微分先行控制方案閉環(huán)傳遞函數(shù)以下：1）給定值作用下（6-1） 2）在擾動作用下 （6-2） 6.2 常規(guī)控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第11頁而圖6-5所表示PID控制方案閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為（6-3）（6-4） 由以上4個式子可見，微分先行控制方案和PID控制方案特征方程完全相同。不過式（6-1）比式（6-3）少一個零點 ，所以微分先行控制方案比PID控制方案超調(diào)量要小一些，從而提升了控制質(zhì)量。6.2 常規(guī)控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)

10、第12頁 2. 中間反饋控制方案 與微分先行控制方案相類似 ，可采取中間微分反饋控制方案改進(jìn)系統(tǒng)控制質(zhì)量。中間反饋控制方案如圖6-7所表示，系統(tǒng)中微分作用是獨立，能在被控參數(shù)改變時及時依據(jù)其改變速度對控制信號進(jìn)行附加校正 。微分校正只在動態(tài)時起作用，在靜態(tài)時或在被控參數(shù)改變速度恒定時，失去作用。圖6-7 中間微分反饋控制方案6.2 常規(guī)控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第13頁 3. 常規(guī)控制方案比較 圖6-8給出了分別用PID、中間微分反饋和微分先行三種方法進(jìn)行控制仿真結(jié)果。從圖中可看出，中間微分反饋與微分先行控制方案雖比PID方法超調(diào)量要小，但仍存在較大超調(diào)，響應(yīng)速度均很慢，不能滿足高控制

11、精度要求。圖6-8 PID、中間微分反饋和微分先行方案對定值擾動響應(yīng)特征6.2 常規(guī)控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第14頁 美國加利福尼亞大學(xué)O.J.M.Smith教授處理了圖6-1中鋼板冷軋過程控制問題，于1957年、1959年先后在Chemical Engineering Progress及ISA Journal上發(fā)表了兩篇題為“Closer Control of Loops with Dead Time”、“A Controller to Overcome Dead Time”文章，提出了過程輸出預(yù)估及時滯賠償方法。該方法以后被稱之為Smith預(yù)估賠償器。Smith預(yù)估賠償器特點是預(yù)

12、先預(yù)計過程在基本擾動下動態(tài)特征，后進(jìn)行賠償，使被拖延了被調(diào)量超前反應(yīng)到調(diào)整器，使調(diào)整器提前動作，從而能顯著地降低超調(diào)量并加速調(diào)整過程。史密斯（Smith）預(yù)估賠償方法是得到廣泛應(yīng)用方案之一。為了解它工作原理，先從般反饋控制開始討論。6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第15頁 設(shè) 為過程控制通道特征，其中 為過程不包含純滯后部分傳遞函數(shù)； 過程擾動通道傳遞函數(shù)（不考慮純時滯）； 為調(diào)整器傳遞函數(shù)，則圖6-9所表示單回路系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為（6-5） 對干擾量閉環(huán)傳遞函數(shù)為（6-6） 在式（6-5）和式（6-6）特征方程中，因為包含了 項，使閉環(huán)系統(tǒng)品質(zhì)大大惡化。若能將 與 分開并以

13、 為過程控制通道傳遞函數(shù)，以 輸出信號作為反饋信號，則可大大改進(jìn)控制品質(zhì)。不過實際工業(yè)過程中 與 是不可分割，所以Smith提出圖6-10所表示采取等效賠償方法來實現(xiàn)。6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第16頁圖6-9 單回路系統(tǒng)框圖圖6-10a) Smith預(yù)估賠償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第17頁圖6-10b）Smith預(yù)估賠償步驟圖6-10c) Smith預(yù)估賠償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等效圖6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第18頁 圖6-10a是Smith預(yù)估賠償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在圖6-10b中， 為預(yù)估賠償裝置傳遞函

14、數(shù)。圖6-10c為經(jīng)預(yù)估賠償后等效框圖?？梢?，它相當(dāng)于將 作為過程控制通道傳遞函數(shù)，并以 輸出信號作為反饋信號。這么，反饋信號在時間上相當(dāng)于提前了 ，所以稱其為預(yù)估賠償控制。此時輸出對給定值閉環(huán)傳遞函數(shù)為（6-7） 而輸出對干擾量閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （6-8）6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第19頁 由式（6-7）可見，預(yù)估賠償后特征方程中已消去了 項，即消除了純時滯對系統(tǒng)控制品質(zhì)不利影響。至于分子中 僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲了一個 ，所以預(yù)估賠償完全賠償了純時滯對過程不利影響。系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程無純時滯時完全相同。 理論上，Smith預(yù)估賠償控制能克服大時滯影響。但

15、因為Smith預(yù)估器需要知道被控過程準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，且對模型誤差十分敏感，因而難于在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。對于怎樣改進(jìn)Smith預(yù)估器性能至今仍是研究課題之一。 對干擾量擾動抑制作用，由式（6-8）可知，其閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成：第一項為干擾量對被控參數(shù)影響；第二項為用來賠償擾動對被控參數(shù)影響控制作用。因為第二項有滯后 ，只有 時產(chǎn)生控制作用，當(dāng) 時無控制作用，所以Smith預(yù)估賠償控制對給定值跟隨效果比對干擾量擾動抑制效果要好。 6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第20頁 圖6-11給出了一個增益自適應(yīng)預(yù)估賠償控制結(jié)構(gòu)，它是Smith預(yù)估賠償控制改進(jìn)方案之一。與Smith預(yù)估

16、賠償器結(jié)構(gòu)相同，增益自適應(yīng)預(yù)估賠償結(jié)構(gòu)僅是系統(tǒng)輸出減去預(yù)估模型輸出運算被系統(tǒng)輸出除以模型輸出運算所取代，而對預(yù)估器輸出作修正加法運算改成了乘法運算。除法器輸出還串有一個超前步驟，其超前時間常數(shù)即為過程純時滯 ，用來使延時了輸出比值有一個超前作用。這些運算結(jié)果使預(yù)估賠償器增益可依據(jù)預(yù)估模型和系統(tǒng)輸出比值有對應(yīng)校正值。圖6-11 增益自適應(yīng)預(yù)估賠償控制 研究表明，增益自適應(yīng)賠償過程響應(yīng)普通都比Smith預(yù)估賠償器要好，尤其在模型不準(zhǔn)確情況下。不過，模型純時滯不能比過程純時滯大，不然增益自適應(yīng)賠償效果不佳。6.3 預(yù)估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第21頁 對于大時滯被控過程，為了提升系統(tǒng)控

17、制品質(zhì)，除了采取上述控制方案外，還能夠采取采樣控制方案。其操作方法是：當(dāng)被控過程受到擾動而使被控參數(shù)偏離給定值時，即采樣一次被控參數(shù)與給定值偏差，發(fā)出一個調(diào)整信號，然后保持該調(diào)整信號不變，保持時間與純時滯大小相等或較大一些。當(dāng)經(jīng)過 時間后，因為操作信號改變，被控參數(shù)必定有所反應(yīng)，此時，再按照被控參數(shù)與給定值偏差及其改變方向與速度值來深入加以調(diào)整，調(diào)整后又保持其量不變，再等候一個純時滯 。這么重復(fù)上述動作規(guī)律，一步一步地校正被控參數(shù)偏差值，使系統(tǒng)趨向一個新穩(wěn)定狀態(tài)。這種“調(diào)一下，等一等”方法關(guān)鍵思想是防止調(diào)整器過操作，而寧愿讓控制作用弱一些，慢一些。 6.4 采樣控制方案過程控制大時滯過程控制系

18、統(tǒng)第22頁 圖6-12 所表示為一個經(jīng)典采樣控制系統(tǒng)框圖。圖中，數(shù)字控制（調(diào)整）器相當(dāng)于前述過程控制系統(tǒng)中調(diào)整器； 、 表示采樣器，它們周期地同時接通或同時斷開。當(dāng) 、 接通時，數(shù)字調(diào)整器在上述閉合回路中工作，此時偏差 被采樣,由采樣器 送入數(shù)字調(diào)整器，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換與運算，經(jīng)過采樣器 輸出控制信號 ，再經(jīng)保持器輸出連續(xù)信號 去控制生產(chǎn)過程。因為保持器作用，在兩次采樣間隔期間，使執(zhí)行器位置保持不變。圖6-12 采樣控制系統(tǒng)6.4 采樣控制方案過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第23頁 鋼廠軋鋼車間在對鋼坯軋制之前，先要將其加熱到一定溫度。圖6-13表示其中一個加熱段溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中采取六臺帶斷偶報警裝

19、置溫度變送器TT1-TT6、三臺高值選擇器HS、一臺加法器 、一臺PID調(diào)整器和一臺電/氣轉(zhuǎn)換器I/P、一臺燃料流量調(diào)整閥。采取高值選擇器目標(biāo)是提升控制系統(tǒng)可靠性，當(dāng)每對熱電偶中有一個斷偶時，系統(tǒng)仍能正常運行。加法器實現(xiàn)三個信號平均，即在加法器三個輸入通道中均設(shè)置分流系數(shù) 。從而得到 加熱爐是一個大時滯和大慣性對象。為了提升系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)，測溫元件選取小慣性熱電偶。加熱爐燃料經(jīng)過噴嘴進(jìn)入爐膛，風(fēng)量按照一定空燃比自動跟隨燃料量改變，以到達(dá)經(jīng)濟(jì)燃燒。故選進(jìn)入爐內(nèi)燃料量為控制變量。 6.5 大時滯控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第24頁經(jīng)過試驗測得加熱爐數(shù)學(xué)模型為溫度傳感器與變送器數(shù)學(xué)模

20、型為所以，廣義被控對象數(shù)學(xué)模型為 因為 ，故上式可簡化為（6-9） 6.5 大時滯控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第25頁 因為本例中廣義對象純時滯與其時間常數(shù)比值較大，即 ，若采取圖6-13中普通PID調(diào)整器，不論怎樣整定PID調(diào)整器參數(shù)，過渡過程超調(diào)量及過渡過程時間均很大。圖6-13 軋鋼車間鋼坯加熱爐多點平均溫度反饋控制系統(tǒng)6.5 大時滯控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第26頁 加入Smith預(yù)估賠償步驟后，PID調(diào)整器控制對象包含原來廣義對象和賠償步驟，從而等效被控過程傳遞函數(shù)為 （6-10) 所以，對該大時滯系統(tǒng)，考慮采取如圖6-14所表示Smith預(yù)估賠

21、償方案。圖6-14 加熱爐溫度Smith預(yù)估賠償控制系統(tǒng)6.5 大時滯控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第27頁 可見等效被控對象 中，不再包含純時滯原因。所以，不但調(diào)整器整定變得很輕易，而且可得到較高控制品質(zhì)。但單純Smith預(yù)估賠償方案，要求廣義對象模型要有較高精度和相對穩(wěn)定性，不然控制品質(zhì)又會顯著下降。而加熱爐因為使用時間長短及每次處理工件數(shù)量不盡相同，其特征參數(shù)會發(fā)生改變。為提升加熱爐控制品質(zhì)，改用圖6-15所表示含有增益自適應(yīng)賠償溫度控制系統(tǒng)。這是一個經(jīng)典，能夠適應(yīng)過程靜態(tài)增益改變大時滯賠償控制系統(tǒng)。圖6-15 含有增益自適應(yīng)時滯賠償加熱爐溫度控制系統(tǒng)6.5 大時滯控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第28頁圖6-16是圖6-15等效框圖，用以分析系統(tǒng)工作過程。圖6-16 圖6-15等效框圖6.5 大時滯控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用舉例過程控制大時滯過程控制系統(tǒng)第29頁 假設(shè)廣義被控過程靜態(tài)增益從1.06改變到1.80，在相同操作變量 下溫度會升高，即溫度測量值 增大，故除法器1輸出信號 也隨之增大，即由此得乘法器輸出信號為此時PID調(diào)整器所控制等效被控過程模型為 （6-11）6.5 大時滯控制系統(tǒng)工