典型大惯性过程的控制方法综述

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1、典型大惯性过程的控制方法在工业牛产过程中，经常由于物料或能量的传输带来时间延迟的问题，即被控对象具有不同程度的纯滞后，不能及吋反映系统所受的扰动。此外，测量信号到达控制器，即使执行机构接受信号后立即动作，也需要经过一个滞后时间才能影响到被控制量实现控制。该种类型过程必然会产生较大的超调和较长的调节时间,使过渡过程变坏，系统的稳定性降低。设丫为纯滞后时间，T为对象的容量滞后时间，当T/T增加时，过程中的相位滞后增加而使超调增大，甚至会因为严重超调而岀现生产安全事故。通常将纯滞后吋间与过程的吋间常数之比大于

2、0.3的过程认为是具有大滞后的过程。即：传统的PID控制一般不能解决过程控制上的大滞后问题，具有大滞后的过程控制被公认为是较难的控制问题，一直以来都是过程控制研究的热点。加热装置的炉温控制具有典型的时间滞后特点。基于前人研究成果，本文对适用于大惯性过程中的典型控制算法进行总结,并适当的列举当下较为突出的相关控制策略，做岀相应的说明和阐述。一.传统控制的改进1.串级控制由于系统纯延迟时间较长，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足控制品质的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作

3、用，有效地提高控制质量，满足生产要求。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。若选择锅炉为大延迟对象，则串级控制方框图可以设计成如图1-1所示。,一~►剧调~►il―►护吐-”皿H««F1h制—19―►iu*as—*、细料卜b图1T整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主冋路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。前一个调节器称为主调节器，它所检

4、测和控制的变量称主变量（主被控参数）,即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副冋路，不仅能及早克服进入副冋路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。1.Smith预估控制为了解决纯延迟对象的大滞后控制问题，Smith提出了一种纯滞后补偿方法,被称为Smith预估器。该方法结构简单、概念明确，是一种得到

5、广泛应用的时滞过程控制方案。传统的Smith预估控制方框图如图1-2所示。I1图1-2最终使得等效对象q（Q=g°（s）o但是因为（l-«F）Go（s）很难在控制系统屮实现，是模型。可以计算实现，一旦实现后是固定不变的。而过程和实际特性是不断变化的。这样就使得系统等效对象QWHGoCv）,这样控制系统的品质就会严重恶化，而且纯延迟变化，对控制系统的品质的影响尤其突出。于是提出了很多关于Smith预估的改进方案，例如:增益自适应Smith控制、动态参数自适应Smith控制等等。本文介绍一种串级-Smith

6、预估控制策略，即采用串级控制结构结合Smith预估控制器的控制方案。内环采用Smith预估器，大幅度降低滞后对控制系统动态性能的影响；外环采用PI控制实现系统无静差⑴。Smith预估加串级控制系统的整体框图如图1-3所示。图1-3由于系统过程纯滞后时间较长,传统的PID控制不能取得较好的控制效果,因此采用串级结合Smith预估补偿的控制方案。考虑到实际装置及串级结构的特点,选择了纯滞后较大的部分作为副回路。在副回路中采用Smith预估补偿控制,Smith预估控制是针对大时延过程的预估补偿，其原理是按照过

7、程的特性预估出一种模型加入到反馈控制系统中，使被延吋了t吋间的被控量超前反映到调节器的输入端，使调节器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程，是一种得到广泛应用的方案。串级-Smith预估控制也没有很好的解决模型失配的问题，在此基础之上再运用动态参数自适应Smith控制效果会明显改善。1.内模控制内模控制（简称1MC）是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。由于其设计简单、控制性能好和在系统分析方面的优越性，因而内模控制不仅是一种实用的先进控制算法，而且是研究预测控制等基于模型的控制策

8、略的重要理论基础，以及提高常规控制系统设计水平的有力工具。内模控制是在传统Smith预估器的基础上导出的，其方框图如图1-4所示。++图1-4当估计模型精确吋，使5（$）用于调节扰动d“），G©相当于一个扰动补偿器或前馈控制器，所以对它的设计就很简单。当估计模型不精确时，'wG）包含模型失配信息，有利于系统的稳定。因此它无需精确的对象模型，当在反馈回路中引入滤波器后，系统可以获得较好的鲁棒性，II内模控制器的设计简单，控制器参数调节方便。是