1、過程控制大時滯過程控制系統第1頁1. 時間滯后特征廣泛存在與工業生產過程中。時間滯后系統簡稱為時滯系統，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系統所承受擾動。含有時滯過程 難以控制，難控程度伴隨時滯 增加而增加。普通認為時滯 與過程時間 常數 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預估賠償方案在模型準確情況下，有比很好預估與賠償效果。增益自適應Smith預估賠償方案能夠適應模型不準確情況，含有較高應用價值。 5.

2、采樣控制方案采取“調一下，等一下”方式，對純時滯過程有比很好控制效果，不過，調整時間比較長，不能滿足對系統動態性能要求高場所。本章內容關鍵點過程控制大時滯過程控制系統第2頁 時滯現象在工業生產過程中是普遍存在。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 數量可能有幾個甚至幾十個，如分布參數系統能夠了解為含有沒有窮多個微分容積。 所以，容積越大或數量越多，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系統所承受擾動，即使測量信號抵達調整器，執行機構接收控制信

3、號后馬上動作，也需要經過時滯 以后，才能涉及到被控量，使其受到控制。所以，這么過程必定會產生比較顯著超調量和比較長調整時間。所以含有時滯過程被公認為比較難以控制過程。其難控程度伴隨時滯 占整個過程動態份額增加而增加。普通認為時滯 與過程時間常數 之比 大于0.3時，則認為該過程是含有大時滯過程。當 增加時，過程中相位滯后也隨之增加，使以上現象更為突出。有時甚至會因為超調嚴重而出現停產事故；有時則可能引發系統不穩定，被調量超出安全極限而危及設備及人身安全。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第3頁幾個經典大時滯工業過程實例： 如

4、圖6-1所表示，鋼板冷軋過程是一個經典含有純時滯工業過程。經過五次輥壓，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，作為調整器反饋信號，調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，在出口處產生所需粘稠度油料。出口處粘稠度自動檢測，調整器調整輸送泵速度校正粘稠度與設定值偏差。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第5頁 啤酒發酵過程示意圖如圖6-3所表示。在酵母繁殖生物化學反應過程中，會釋放大量熱量。為了實現罐內溫度時間程序控制、以確保啤酒質量，通常采取冷媒對罐體進行冷卻，使罐內溫度按照工藝要求曲線改變。因為罐體比較高，普通將發酵罐分成上、中、下三段進行冷卻。三只調整閥分別控制上、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）內冷媒流量，以控制其帶走熱量多少，從而到達控制罐內溫度目標。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，在生化放熱反應過程中，罐內啤酒會不停地進行著遲緩熱循環流動，但在熱傳遞過程中，罐內任何一點都存在著以該點半徑描述等溫柱面層。所以，啤酒發酵過程是一個分布參數過程，含有沒有窮多個微分容積。發酵罐越大，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第6頁圖6-3 啤酒發酵過程示意圖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。系統由帶夾套滅活罐、熱水箱

7、、熱水循環管、熱水循環泵及電加熱器等組成。滅活過程是保持罐內制品在某一恒定溫度下若干個小時，以確保制品內細菌均被殺死。滅活罐內安裝了攪拌器，使制品在滅活過程中得到充分而均勻攪拌。所以，滅活罐能夠認為是集中參數過程。熱水箱內即使有熱水自動循環及循環泵作用，但熱水箱內熱水溫度依然不均勻，故熱水箱是一個分布參數過程。考慮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雜工業過程。6.1 大時滯過程概述過程控制大時滯過程控制系統第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改變速度來校正被控參數偏差，它對克服超調現象起到很大作用。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。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控制方案，并將它們與PID控制作對比。6.2 常規控制方案過程控制大時滯過程控制系統第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及其改變速度信息，將它作為測量值輸入到百分比積分調整器中，使得系統克服超調作用加強了。 所以，實際上微分步驟不能真正起到對被控參數改變速度進行校正目標，克服動態超調作用是有限。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 常規控制方案過程控制大時滯過程控制系統第10頁微分先行控制方案閉環傳遞函數以下：1）給定值作用下（6-1） 2）在擾動作用下 （6-2） 6.2 常規控制方案過程控制大時滯過程控制系統第11頁而圖6-5所表示PID控制方案閉環傳遞函數分別為（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控制方案超調量要小一些，從而提升了控制質量。6.2 常規控制方案過程控制大時滯過程控制系統

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系統控制質量。中間反饋控制方案如圖6-7所表示，系統中微分作用是獨立，能在被控參數改變時及時依據其改變速度對控制信號進行附加校正 。微分校正只在動態時起作用，在靜態時或在被控參數改變速度恒定時，失去作用。圖6-7 中間微分反饋控制方案6.2 常規控制方案過程控制大時滯過程控制系統第13頁 3. 常規控制方案比較 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行控制仿真結果。從圖中可看出，中間微分反饋與微分先行控制方案雖比PID方法超調量要小，但仍存在較大超調，響應速度均很慢，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特征6.2 常規控制方案過程控制大時滯過程控制系統第14頁 美國加利福尼亞大學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，提出了過程輸出預估及時滯賠償方法。該方法以后被稱之為Smith預估賠償器。Smith預估賠償器特點是預

12、先預計過程在基本擾動下動態特征，后進行賠償，使被拖延了被調量超前反應到調整器，使調整器提前動作，從而能顯著地降低超調量并加速調整過程。史密斯（Smith）預估賠償方法是得到廣泛應用方案之一。為了解它工作原理，先從般反饋控制開始討論。6.3 預估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統第15頁 設 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； 過程擾動通道傳遞函數（不考慮純時滯）； 為調整器傳遞函數，則圖6-9所表示單回路系統閉環傳遞函數為（6-5） 對干擾量閉環傳遞函數為（6-6） 在式（6-5）和式（6-6）特征方程中，因為包含了 項，使閉環系統品質大大惡化。若能將 與 分開并以

13、 為過程控制通道傳遞函數，以 輸出信號作為反饋信號，則可大大改進控制品質。不過實際工業過程中 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。6.3 預估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統第16頁圖6-9 單回路系統框圖圖6-10a) Smith預估賠償控制系統結構原理圖6.3 預估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統第17頁圖6-10b）Smith預估賠償步驟圖6-10c) Smith預估賠償控制系統結構等效圖6.3 預估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統第18頁 圖6-10a是Smith預估賠償控制系統結構示意圖。在圖6-10b中， 為預估賠償裝置傳遞函

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

15、因為Smith預估器需要知道被控過程準確數學模型，且對模型誤差十分敏感，因而難于在工業生產過程中廣泛應用。對于怎樣改進Smith預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，其閉環傳遞函數由兩項組成：第一項為干擾量對被控參數影響；第二項為用來賠償擾動對被控參數影響控制作用。因為第二項有滯后 ，只有 時產生控制作用，當 時無控制作用，所以Smith預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 預估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統第20頁 圖6-11給出了一個增益自適應預估賠償控制結構，它是Smith預估賠償控制改進方案之一。與Smith預估

16、賠償器結構相同，增益自適應預估賠償結構僅是系統輸出減去預估模型輸出運算被系統輸出除以模型輸出運算所取代，而對預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。這些運算結果使預估賠償器增益可依據預估模型和系統輸出比值有對應校正值。圖6-11 增益自適應預估賠償控制 研究表明，增益自適應賠償過程響應普通都比Smith預估賠償器要好，尤其在模型不準確情況下。不過，模型純時滯不能比過程純時滯大，不然增益自適應賠償效果不佳。6.3 預估賠償控制方案過程控制大時滯過程控制系統第21頁 對于大時滯被控過程，為了提升系統控

17、制品質，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：當被控過程受到擾動而使被控參數偏離給定值時，即采樣一次被控參數與給定值偏差，發出一個調整信號，然后保持該調整信號不變，保持時間與純時滯大小相等或較大一些。當經過 時間后，因為操作信號改變，被控參數必定有所反應，此時，再按照被控參數與給定值偏差及其改變方向與速度值來深入加以調整，調整后又保持其量不變，再等候一個純時滯 。這么重復上述動作規律，一步一步地校正被控參數偏差值，使系統趨向一個新穩定狀態。這種“調一下，等一等”方法關鍵思想是防止調整器過操作，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、統第22頁 圖6-12 所表示為一個經典采樣控制系統框圖。圖中，數字控制（調整）器相當于前述過程控制系統中調整器； 、 表示采樣器，它們周期地同時接通或同時斷開。當 、 接通時，數字調整器在上述閉合回路中工作，此時偏差 被采樣,由采樣器 送入數字調整器，經信號轉換與運算，經過采樣器 輸出控制信號 ，再經保持器輸出連續信號 去控制生產過程。因為保持器作用，在兩次采樣間隔期間，使執行器位置保持不變。圖6-12 采樣控制系統6.4 采樣控制方案過程控制大時滯過程控制系統第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。系統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調整器和一臺電/氣轉換器I/P、一臺燃料流量調整閥。采取高值選擇器目標是提升控制系統可靠性，當每對熱電偶中有一個斷偶時，系統仍能正常運行。加法器實現三個信號平均，即在加法器三個輸入通道中均設置分流系數 。從而得到 加熱爐是一個大時滯和大慣性對象。為了提升系統動態品質，測溫元件選取小慣性熱電偶。加熱爐燃料經過噴嘴進入爐膛，風量按照一定空燃比自動跟隨燃料量改變，以到達經濟燃燒。故選進入爐內燃料量為控制變量。 6.5 大時滯控制系統工業應用舉例過程控制大時滯過程控制系統第24頁經過試驗測得加熱爐數學模型為溫度傳感器與變送器數學模

20、型為所以，廣義被控對象數學模型為 因為 ，故上式可簡化為（6-9） 6.5 大時滯控制系統工業應用舉例過程控制大時滯過程控制系統第25頁 因為本例中廣義對象純時滯與其時間常數比值較大，即 ，若采取圖6-13中普通PID調整器，不論怎樣整定PID調整器參數，過渡過程超調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6.5 大時滯控制系統工業應用舉例過程控制大時滯過程控制系統第26頁 加入Smith預估賠償步驟后，PID調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為 （6-10) 所以，對該大時滯系統，考慮采取如圖6-14所表示Smith預估賠

21、償方案。圖6-14 加熱爐溫度Smith預估賠償控制系統6.5 大時滯控制系統工業應用舉例過程控制大時滯過程控制系統第27頁 可見等效被控對象 中，不再包含純時滯原因。所以，不但調整器整定變得很輕易，而且可得到較高控制品質。但單純Smith預估賠償方案，要求廣義對象模型要有較高精度和相對穩定性，不然控制品質又會顯著下降。而加熱爐因為使用時間長短及每次處理工件數量不盡相同，其特征參數會發生改變。為提升加熱爐控制品質，改用圖6-15所表示含有增益自適應賠償溫度控制系統。這是一個經典，能夠適應過程靜態增益改變大時滯賠償控制系統。圖6-15 含有增益自適應時滯賠償加熱爐溫度控制系統6.5 大時滯控制系統工業應用舉例過程控制大時滯過程控制系統第28頁圖6-16是圖6-15等效框圖，用以分析系統工作過程。圖6-16 圖6-15等效框圖6.5 大時滯控制系統工業應用舉例過程控制大時滯過程控制系統第29頁 假設廣義被控過程靜態增益從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 大時滯控制系統工