过程控制大时滞过程控制系统.pptx

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。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。几个典型的大时滞工业过程实例：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。1.微分先行控制方案微分先行控制方案的闭环传递函数如下：而图6-5所示的PID控制方案的闭环传递函数分别为2.中间反馈控制方案3.常规控制方案比较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。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纯时滞时完全相同。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。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。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