時(shí)滯過程控制方法及應(yīng)用研究.pdf

1、在化工、煉油、冶金和造紙等一些復(fù)雜的工業(yè)過程中，廣泛地存在著時(shí)滯現(xiàn)象。由于時(shí)滯的存在，使得被控變量不能及時(shí)地反映系統(tǒng)的輸入變量的影響，從而使控制系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的超調(diào)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，這些因素都導(dǎo)致了時(shí)滯系統(tǒng)難于控制。另一方面，在過程控制中，除穩(wěn)定時(shí)滯過程外，還存在積分時(shí)滯對(duì)象和不穩(wěn)定時(shí)滯對(duì)象。它們?cè)絹碓匠蔀檫^程控制界深入研究的熱點(diǎn)。 DCS系統(tǒng)已經(jīng)成為過程控制中不可缺少的裝備，現(xiàn)在已經(jīng)大量運(yùn)用到過程控制領(lǐng)域。由

2、于PID具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易被理解和實(shí)現(xiàn)，又能夠通過不同的整定方法來控制穩(wěn)定時(shí)滯、積分時(shí)滯和不穩(wěn)定時(shí)滯對(duì)象，所以PID控制器幾乎是所有DCS控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制器。但是，采用PID控制器控制大時(shí)滯過程時(shí)，為了保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，就要調(diào)低PID控制器中的積分作用和增益，使得閉環(huán)響應(yīng)變慢，控制品質(zhì)下降。因此，對(duì)積分時(shí)滯對(duì)象、不穩(wěn)定時(shí)滯對(duì)象和逆響應(yīng)時(shí)滯對(duì)象等時(shí)滯對(duì)象的控制也越來越受到重視。 基于時(shí)滯補(bǔ)償思想的控制方法，例如Smith預(yù)估控制

3、和內(nèi)?？刂?，大大提高了時(shí)滯系統(tǒng)的控制質(zhì)量。但是，基本Smith預(yù)估控制只能控制穩(wěn)定時(shí)滯過程，對(duì)于積分時(shí)滯過程采用Smith預(yù)估控制器控制時(shí)，當(dāng)在階躍干擾作用下，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)余差。內(nèi)模控制主要用于控制穩(wěn)定時(shí)滯過程和積分時(shí)滯過程，而用于不穩(wěn)定時(shí)滯過程時(shí)就會(huì)遇到困難。這樣就出現(xiàn)了各種改進(jìn)Smith預(yù)估控制和改進(jìn)內(nèi)?？刂品椒āＲ虼?，針對(duì)穩(wěn)定時(shí)滯過程，積分時(shí)滯過程和不穩(wěn)定時(shí)滯過程來研究其控制結(jié)構(gòu)、控制器()計(jì)及整定方法具有重大的理論意義和實(shí)際意義

4、。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作有：1)在雙自由度內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)穩(wěn)定時(shí)滯過程，積分時(shí)滯過程和不穩(wěn)定時(shí)滯過程，提出了整套控制器設(shè)計(jì)和整定規(guī)則，給出了內(nèi)穩(wěn)定性判定條件。針對(duì)不穩(wěn)定時(shí)滯過程，提出了基于最小化諧振峰值的控制器參數(shù)整定方法。在分析了閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，給出了設(shè)定點(diǎn)控制器的參數(shù)整定原則。與其它控制和整定方法相比，控制系統(tǒng)性能得到了提高。 2)在Smith預(yù)估控制及其改進(jìn)型的基礎(chǔ)上，提出了雙環(huán)Smith預(yù)估控制

5、結(jié)構(gòu)(Double-loopSmithPredictor)。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)和整定方法，它能夠控制穩(wěn)定時(shí)滯過程，積分時(shí)滯過程和不穩(wěn)定時(shí)滯過程。它由三個(gè)PI或PD控制器組合而成，容易在DCS系統(tǒng)中組態(tài)產(chǎn)生。雙環(huán)Smith預(yù)估控制的內(nèi)環(huán)用于穩(wěn)定時(shí)滯積分過程或不穩(wěn)定時(shí)滯過程，并將過程轉(zhuǎn)化為一階時(shí)滯過程；外環(huán)的Smith預(yù)估器主要用于抑制負(fù)載干擾。雙環(huán)Smith預(yù)估控制的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物理概念明晰，對(duì)于一階、二階穩(wěn)定時(shí)滯過程，積分時(shí)滯過程和

6、不穩(wěn)定時(shí)滯過程，其閉環(huán)傳遞函數(shù)均可以設(shè)計(jì)為一階加純滯后動(dòng)態(tài)。針對(duì)不穩(wěn)定時(shí)滯過程，提出了一個(gè)綜合考慮相角裕度和閉環(huán)性能指標(biāo)函數(shù)，最大化該指標(biāo)函數(shù)，得到了優(yōu)化的控制器參數(shù)整定公式。 3)針對(duì)逆響應(yīng)時(shí)滯過程，提出了改進(jìn)干擾觀測(cè)器用于估計(jì)和消除負(fù)載干擾?；诟蓴_觀測(cè)器的控制結(jié)構(gòu)是一種雙自由度的控制結(jié)構(gòu)，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)和整定設(shè)定點(diǎn)控制器和干擾觀測(cè)器。針對(duì)階躍干擾和斜坡干擾，分別設(shè)計(jì)了干擾觀測(cè)器。在定量分析閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)域性能基礎(chǔ)上，給出了設(shè)定點(diǎn)

7、控制器的參數(shù)整定原則；在分析了閉環(huán)魯棒穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，給出了干擾觀測(cè)器的參數(shù)整定原則。 4)為了驗(yàn)證控制算法的有效性，本文將控制算法應(yīng)用到生物發(fā)酵罐的溫度和pH值控制中。針對(duì)積分時(shí)滯過程，提出了基于單脈沖響應(yīng)的模型辨識(shí)方法。在實(shí)際實(shí)施控制算法時(shí)，解決了控制器飽和問題，提出了利用控制器重置方法來消除由于處理飽和問題而產(chǎn)生的小余差問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，不論是控制線性的溫度過程還是非線性的pH值過程，都取得了令人振奮的結(jié)果。 5)