大滯后補償控制

1、 純滯后的特點：控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間純滯后的特點：控制作用產(chǎn)生后，在滯后時間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒有響應(yīng)。范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒有響應(yīng)。 （P15 圖圖2-8）(1)皮帶傳輸過程皮帶傳輸過程 如：硫酸生產(chǎn)中沸騰焙燒爐的硫鐵礦進料如：硫酸生產(chǎn)中沸騰焙燒爐的硫鐵礦進料(圖圖427)(2)連續(xù)軋鋼過程連續(xù)軋鋼過程(圖圖428) 過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量產(chǎn)過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，其難控制程生較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，其難控制程度將隨著純滯后時間度將隨著純滯后時間占整個過程動態(tài)時間常數(shù)占整個過程動態(tài)時間常數(shù)T的的比例增加而增加。

2、比例增加而增加。一般認為一般認為/T0.3的過程為大滯的過程為大滯后過程。后過程。 危害：嚴重超調(diào)、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性等。危害：嚴重超調(diào)、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性等。(一一)微分先行控制方案微分先行控制方案(圖圖430) (二二)中間微分反饋控制方案中間微分反饋控制方案 (三三)與常規(guī)控制方案比較（圖與常規(guī)控制方案比較（圖432）中間微分反饋與微分先行控制方案雖比中間微分反饋與微分先行控制方案雖比PID方法的超方法的超調(diào)量要小，但仍存在較大的超調(diào)，響應(yīng)速度均很慢，調(diào)量要小，但仍存在較大的超調(diào)，響應(yīng)速度均很慢，不能滿足高控制精度的要求。不能滿足高控制精度的要求。Smith預估器預估器Wo(s)(1- e-s

3、)Smith預估器預估器-s-1sWo(s)Wc(s)W (s)1+WoY(s)=e=eX(s(s)Wc(s) 經(jīng)預估補償，系統(tǒng)特征方程中已消去經(jīng)預估補償，系統(tǒng)特征方程中已消去e-s一項，一項，即消除了純滯后對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至即消除了純滯后對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至于分子中的于分子中的e-s ，僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間，僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲一個軸上推遲一個。所以預估補償完全補償了純滯后。所以預估補償完全補償了純滯后對過程的不利影響，系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程與無純對過程的不利影響，系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程與無純滯后時完全相同。滯后時完全相同。 理論上理論上Smith預估補償控

4、制能克服大滯后的影預估補償控制能克服大滯后的影響，但由于響，但由于Smith預估器需要知道被控過程精確的預估器需要知道被控過程精確的數(shù)學模型，且數(shù)學模型，且對模型的誤差十分敏感對模型的誤差十分敏感，因而難于，因而難于在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。 改進方案改進方案-增益自適應(yīng)預估補償增益自適應(yīng)預估補償 （1997年，年，Giles和和Bartley） 系統(tǒng)仿真表明，增益自適應(yīng)預估補償?shù)南到y(tǒng)仿真表明，增益自適應(yīng)預估補償?shù)倪^程響應(yīng)一般都比單純的過程響應(yīng)一般都比單純的Smith預估補償要預估補償要好，尤其是對于模型不準確的情況。但是，好，尤其是對于模型不準確的情況。但是，當當模

5、型純滯后比過程純滯后大模型純滯后比過程純滯后大時，增益自適時，增益自適應(yīng)補償效果也不佳。應(yīng)補償效果也不佳。 當被控過程受到擾動而使被控參數(shù)偏離給當被控過程受到擾動而使被控參數(shù)偏離給定值時，就采樣一次被控參數(shù)與給定值的偏差，定值時，就采樣一次被控參數(shù)與給定值的偏差，發(fā)出一個控制信號，然后保持該控制信號不變，發(fā)出一個控制信號，然后保持該控制信號不變，保持的時間與純滯后時間大小相等或較大一些。保持的時間與純滯后時間大小相等或較大一些。 當經(jīng)過當經(jīng)過時間后，由于控制信號的改變，時間后，由于控制信號的改變，被控參數(shù)必然有所反應(yīng)，此時再按照被控參數(shù)被控參數(shù)必然有所反應(yīng)，此時再按照被控參數(shù)與給定值的偏差及其

6、變化方向與速度值來進一與給定值的偏差及其變化方向與速度值來進一步加以校正，校正后又保持其量不變，再等待步加以校正，校正后又保持其量不變，再等待一個純滯后時間一個純滯后時間。重復上述動作規(guī)律，一步一。重復上述動作規(guī)律，一步一步地校正被控參數(shù)的偏差值，使系統(tǒng)趨向一個步地校正被控參數(shù)的偏差值，使系統(tǒng)趨向一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。新的穩(wěn)定狀態(tài)。 這種這種“調(diào)一下，等一等調(diào)一下，等一等”方法的核心思想是避免方法的核心思想是避免調(diào)節(jié)器進行過操作，而寧愿讓控制作用弱一些，慢調(diào)節(jié)器進行過操作，而寧愿讓控制作用弱一些，慢一些。一些。 以上動作規(guī)律若用調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)，就是每隔以上動作規(guī)律若用調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)，就是每隔時刻時刻動

7、作一次的采樣調(diào)節(jié)器。動作一次的采樣調(diào)節(jié)器。 由于保持器的作用，在兩次采樣間隔期間，執(zhí)由于保持器的作用，在兩次采樣間隔期間，執(zhí)行器的位置保持不變。行器的位置保持不變。1. 加熱爐溫度加熱爐溫度預估補償控預估補償控制制 6 臺 帶臺 帶斷偶報警裝斷偶報警裝置置的溫度變的溫度變送器、送器、高值高值選擇器選擇器HS、加 法 器 、加 法 器 、PID調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)器、電氣轉(zhuǎn)換電氣轉(zhuǎn)換器。器。 采用高值選擇器的目的：提高控制系統(tǒng)的工采用高值選擇器的目的：提高控制系統(tǒng)的工作可靠性。作可靠性。 加熱爐是一個大滯后和大慣性的對象。為了加熱爐是一個大滯后和大慣性的對象。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，測溫元件選用小慣性熱

8、電提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，測溫元件選用小慣性熱電偶。偶。 通過試驗測得加熱爐的數(shù)學模型為通過試驗測得加熱爐的數(shù)學模型為 溫度傳感器與變送器的數(shù)學模型為溫度傳感器與變送器的數(shù)學模型為 因此，廣義被控對象的數(shù)學模型為因此，廣義被控對象的數(shù)學模型為123I + I + II=3-80s19.9eW (s)=120s+1m0.107W (s)=10s+1 由于由于10s+1e10s，故上式可演化為，故上式可演化為 由于由于/T=90/120=0.75，采用普通的采用普通的PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器(圖圖437)，無論怎樣整定，無論怎樣整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，過渡調(diào)節(jié)器的參數(shù)，過渡過程的超調(diào)量及過渡過程時間均仍很大

9、，可考慮過程的超調(diào)量及過渡過程時間均仍很大，可考慮采用采用smith預估補償方案。預估補償方案。-80so1m1.06eW (s)=W (s)W (s)=(120s+1)(10s+1)-90so1.06eW (s)=120s+1 加入加入Smith預估補償環(huán)節(jié)后，預估補償環(huán)節(jié)后，PID調(diào)節(jié)器控制的對調(diào)節(jié)器控制的對象包括原來的廣義對象和補償環(huán)節(jié)，從而等效被象包括原來的廣義對象和補償環(huán)節(jié)，從而等效被控對象的傳遞函數(shù)為控對象的傳遞函數(shù)為(1)-90s-90so1.06e1.061.06W (s)=e120s+ 1120s+ 1120s+ 1 可見等效被控對象中不再包含純滯后因可見等效被控對象中不再包

10、含純滯后因素，因此調(diào)節(jié)器的整定變得很容易且可得到素，因此調(diào)節(jié)器的整定變得很容易且可得到較高的控制品質(zhì)。較高的控制品質(zhì)。 但單純的但單純的Smith預估補償方案要求廣義預估補償方案要求廣義對象的模型要有較高的精度和相對穩(wěn)定性，對象的模型要有較高的精度和相對穩(wěn)定性，否則控制品質(zhì)又會明顯下降。而加熱爐由于否則控制品質(zhì)又會明顯下降。而加熱爐由于使用時間長短及每次處理工件的數(shù)量都不盡使用時間長短及每次處理工件的數(shù)量都不盡相同，其特性參數(shù)會發(fā)生變化。相同，其特性參數(shù)會發(fā)生變化。 為提高加熱爐的控制品質(zhì)，改用為提高加熱爐的控制品質(zhì)，改用圖圖439所示的具有增益自適應(yīng)補償?shù)亩帱c溫度平所示的具有增益自適應(yīng)補償?shù)?/p>

11、多點溫度平均值控制系統(tǒng)。均值控制系統(tǒng)。I 假設(shè)廣義對象的靜態(tài)增益從假設(shè)廣義對象的靜態(tài)增益從1.06變化到變化到1.80，在相同，在相同的的操作變量操作變量Im下，因下，因廣義對象的輸出廣義對象的輸出I增大，故增大，故除法除法器器1的輸出信號的輸出信號I也隨之增大，即也隨之增大，即可得乘法器的輸出信號為可得乘法器的輸出信號為-90s-90sAeImI1.80120s+1I =eI1.06I1.801.m120s+106 B1.801.061.06I = I I =Im=Im1.06120s+1120s+1此時此時PID調(diào)節(jié)器所控制的等效對象的模型為調(diào)節(jié)器所控制的等效對象的模型為oI (s)1.8

12、0W (s)=Im(s)120s+1 可見，在過程靜態(tài)增益變化時，仍可以得到完可見，在過程靜態(tài)增益變化時，仍可以得到完全補償。但此時調(diào)節(jié)器的參數(shù)也應(yīng)隨之作相應(yīng)的調(diào)全補償。但此時調(diào)節(jié)器的參數(shù)也應(yīng)隨之作相應(yīng)的調(diào)整，因為原調(diào)節(jié)器參數(shù)是針對當時廣義對象模型整，因為原調(diào)節(jié)器參數(shù)是針對當時廣義對象模型 而整定的，現(xiàn)在等效對象而整定的，現(xiàn)在等效對象 的靜態(tài)增益已的靜態(tài)增益已由由1.06變化到變化到1.80，故調(diào)節(jié)器也應(yīng)具有自動修改其，故調(diào)節(jié)器也應(yīng)具有自動修改其比例增益比例增益Kc的功能。的功能。 自適應(yīng)自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)器的運算關(guān)系為調(diào)節(jié)器的運算關(guān)系為oW (s)oW (s)ss*DTDIDTI - I1Im

13、(s)= Kc 1+TTI1+sK 當廣義對象的靜態(tài)增益從當廣義對象的靜態(tài)增益從1.06變化到變化到1.80時，時，除法器除法器1的輸出信號的輸出信號I=1.80/1.06，故故自適應(yīng)自適應(yīng)PID調(diào)調(diào)節(jié)器的比例增益也比原來的整定參數(shù)節(jié)器的比例增益也比原來的整定參數(shù)Kc減小減小1.80/1.06倍倍，因此這樣的方案能使控制系統(tǒng)經(jīng)常，因此這樣的方案能使控制系統(tǒng)經(jīng)常處于最佳工況。處于最佳工況。2高壓聚乙烯熔融值采樣控制高壓聚乙烯熔融值采樣控制 圖圖441所示為某高壓聚乙烯生產(chǎn)線，原料乙所示為某高壓聚乙烯生產(chǎn)線，原料乙烯和添加劑烯和添加劑(CTA)先經(jīng)過壓縮、然后經(jīng)混合、先經(jīng)過壓縮、然后經(jīng)混合、二次壓

14、縮、冷卻、反應(yīng)、高壓分離、低壓分高等工二次壓縮、冷卻、反應(yīng)、高壓分離、低壓分高等工藝過程，進入熱擠壓機，擠壓成型后切粒藝過程，進入熱擠壓機，擠壓成型后切粒(成品成品)。 熔融值是聚乙烯成品的主要質(zhì)量指標之一熔融值是聚乙烯成品的主要質(zhì)量指標之一(以以下簡稱下簡稱MI指標指標)，它主要通過調(diào)節(jié)原料入口處的添，它主要通過調(diào)節(jié)原料入口處的添加劑量來控制。加劑量來控制。 該系統(tǒng)的該系統(tǒng)的MI調(diào)節(jié)器及流量調(diào)節(jié)器均采用調(diào)節(jié)器及流量調(diào)節(jié)器均采用PI控控制規(guī)律。副被控過程制規(guī)律。副被控過程(流量過程流量過程)的特性用放大環(huán)節(jié)的特性用放大環(huán)節(jié)表示，主被控過程用一階加純滯后特性來描述，其表示，主被控過程用一階加純滯后特性來描述，其時間常數(shù)時間常數(shù)To=70ms，15min。 當采樣時間當采樣時間(即采樣開關(guān)信號的寬度即采樣開關(guān)信號的寬度)為為4min，采樣周期為采樣周期為25min，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)300，TI30min，系統(tǒng)運行的記錄曲線如圖，系統(tǒng)運行的記錄曲線