時滯過程控制方法及應用研究.pdf

1、在化工、煉油、冶金和造紙等一些復雜的工業(yè)過程中，廣泛地存在著時滯現(xiàn)象。由于時滯的存在，使得被控變量不能及時地反映系統(tǒng)的輸入變量的影響，從而使控制系統(tǒng)產生明顯的超調，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，調節(jié)時間加長，這些因素都導致了時滯系統(tǒng)難于控制。另一方面，在過程控制中，除穩(wěn)定時滯過程外，還存在積分時滯對象和不穩(wěn)定時滯對象。它們越來越成為過程控制界深入研究的熱點。 DCS系統(tǒng)已經成為過程控制中不可缺少的裝備，現(xiàn)在已經大量運用到過程控制領域。由

2、于PID具有結構簡單，容易被理解和實現(xiàn)，又能夠通過不同的整定方法來控制穩(wěn)定時滯、積分時滯和不穩(wěn)定時滯對象，所以PID控制器幾乎是所有DCS控制系統(tǒng)的標準控制器。但是，采用PID控制器控制大時滯過程時，為了保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，就要調低PID控制器中的積分作用和增益，使得閉環(huán)響應變慢，控制品質下降。因此，對積分時滯對象、不穩(wěn)定時滯對象和逆響應時滯對象等時滯對象的控制也越來越受到重視。 基于時滯補償思想的控制方法，例如Smith預估控制

3、和內?？刂?，大大提高了時滯系統(tǒng)的控制質量。但是，基本Smith預估控制只能控制穩(wěn)定時滯過程，對于積分時滯過程采用Smith預估控制器控制時，當在階躍干擾作用下，系統(tǒng)就會出現(xiàn)余差。內?？刂浦饕糜诳刂品€(wěn)定時滯過程和積分時滯過程，而用于不穩(wěn)定時滯過程時就會遇到困難。這樣就出現(xiàn)了各種改進Smith預估控制和改進內?？刂品椒?。因此，針對穩(wěn)定時滯過程，積分時滯過程和不穩(wěn)定時滯過程來研究其控制結構、控制器()計及整定方法具有重大的理論意義和實際意義

4、。 本文的主要創(chuàng)新工作有：1)在雙自由度內模控制結構的基礎上，針對穩(wěn)定時滯過程，積分時滯過程和不穩(wěn)定時滯過程，提出了整套控制器設計和整定規(guī)則，給出了內穩(wěn)定性判定條件。針對不穩(wěn)定時滯過程，提出了基于最小化諧振峰值的控制器參數整定方法。在分析了閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性基礎上，給出了設定點控制器的參數整定原則。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預估控制及其改進型的基礎上，提出了雙環(huán)Smith預估控制

5、結構(Double-loopSmithPredictor)。根據不同的設計和整定方法，它能夠控制穩(wěn)定時滯過程，積分時滯過程和不穩(wěn)定時滯過程。它由三個PI或PD控制器組合而成，容易在DCS系統(tǒng)中組態(tài)產生。雙環(huán)Smith預估控制的內環(huán)用于穩(wěn)定時滯積分過程或不穩(wěn)定時滯過程，并將過程轉化為一階時滯過程；外環(huán)的Smith預估器主要用于抑制負載干擾。雙環(huán)Smith預估控制的優(yōu)點在于：結構簡單，物理概念明晰，對于一階、二階穩(wěn)定時滯過程，積分時滯過程和

6、不穩(wěn)定時滯過程，其閉環(huán)傳遞函數均可以設計為一階加純滯后動態(tài)。針對不穩(wěn)定時滯過程，提出了一個綜合考慮相角裕度和閉環(huán)性能指標函數，最大化該指標函數，得到了優(yōu)化的控制器參數整定公式。 3)針對逆響應時滯過程，提出了改進干擾觀測器用于估計和消除負載干擾。基于干擾觀測器的控制結構是一種雙自由度的控制結構，可以獨立設計和整定設定點控制器和干擾觀測器。針對階躍干擾和斜坡干擾，分別設計了干擾觀測器。在定量分析閉環(huán)系統(tǒng)時域性能基礎上，給出了設定點

7、控制器的參數整定原則；在分析了閉環(huán)魯棒穩(wěn)定性基礎上，給出了干擾觀測器的參數整定原則。 4)為了驗證控制算法的有效性，本文將控制算法應用到生物發(fā)酵罐的溫度和pH值控制中。針對積分時滯過程，提出了基于單脈沖響應的模型辨識方法。在實際實施控制算法時，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生的小余差問題。試驗結果表明，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果。 5)