CN1061764C - 过程控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用过程系统增益和延迟时间控制一过程系统的系统，该系统的传递函数包括相应于过程系统增益的增益项，和相应于延迟时间的延迟时间项，在外加扰动下，一控制器至少在控制变量与目标值的偏差基础上，进行比例积分控制操作，根据控制器控制变量的输出，将过程系统的控制变量输出调节到一个目标值。该系统包括延迟时间补偿装置和增益调节装置。

Description

过程控制系统

本发明涉及过程控制系统，特别涉及一种使用改进的史密斯方法来进行延迟时间补偿的过程控制系统。

在过程控制的历史中，处理比例积分(PI)或比例积分微分(PID)调节功能的控制单元，被广泛用于所有的工业领域，而且对于设备操作也不是可缺少的。

当一个过程系统，采用延迟时间L和一级阶滞后T(一个时间常数)来近似时，在仅有一阶滞后的情况下，这个过程系统可以简单地由比例积分微分(PID)控制方法来控制。但是若包括了延迟时间L时，随延迟时间L变大，换句话说当L/T变大，仅用比例积分微分控制就变得越来越困难了。

所以，作为一种用于提高包含延迟时间过程系统的控制能力的方法，史密斯提出了所谓“史密斯方法”或“延迟时间史密斯补偿方法”，现在此种方法被广泛采用。其设计是给比例积分微分控制增加一个使用过程系统模型的延迟时间补偿器，并将延迟时间移出控制循环，来单独控制近似的一阶滞后过程系统。

图1(a)所示为使用了这样的延迟时间史密斯补偿方法的控制单元的功能框图。在此单元中，延迟时间补偿器5是新加进控制系统的。偏差计算器1得到目标值SVn与受控变量PVn之间的偏差En。比例积分微分(PID)调节装置3根据此偏差En执行比例积分(PI)或比例积分微分(PID)的控制操作，并且把所得到的控制信号MVn加到过程系统2上。

在延迟时间补偿器5中，一阶滞后模型装置6，按照一阶滞后传递函数输出比例积分微分(PID)调节装置3的控制变量MVn。过程系统模型装置(也称过程系统模型)7，按照具有一阶滞后和延迟时间的传递函数输出比例积分微分(PID)调节装置3的相同控制信号MVn。减法器8从一阶滞后模型装置6的输出之中，减去过程系统模型7的输出。

其结构是减法器8的输出端与减法器4相连，同时减法器4又置于偏差计算器1的输出端，在此，延迟时间补偿器5的输出从偏差En中减去。

在图1(a)中

Gp·e-Lp·s：过程系统的传递函数

Gp=Kp／(1+Tp·S)：消去延迟时间的过程系统的传递函数

Lp：过程系统延迟时间

Kp：过程系统增益

Tp：过程系统时间常数

S：拉普拉斯算子

此外，

Gm·e-Lms：过程系统模型的传递函数

Gm=km／(1+Tm·S)：消去延迟时间的过程系统模型的传递函数

Lm：过程系统模型延迟时间

Km：过程系统模型增益

Tm：过程系统模型时间常数

如果将图1(a)经等效变换重新排列，它就变成如图1(b)中所示。

此处，扰动D是很小的，可以忽略。同时，如果假定过程系统特性与过程系统模型7的特性一致的条件成立，也就是说存在关系式

扰动=很小，Tp=Tm，Lp=Lm                 (1)

我们有Gp=Gm，当SVn→PVn的传递函数在此种情况下求到时，它变成

PVn/SVn={(Gc·Gm)/(1+Gc·Gm)}e-Lp·s    (2)

它可变换成图1(c)中的结构形式。所以，这意味着，在这个控制单元中，消除了去延迟时间的一阶滞后模型设备6可以由PID调节装置3进行反馈控制。换句话说，由于延迟时间可以从控制循环中移去，所以，这个单元可以很容易地由PID调节装置3所控制。而且，予期具有较好的控制能力。延迟时间单元9被置于控制循环之外。

然而，从上面的解释可以明显的看出，采用上述类型的延迟时间史密斯补偿方法，除非等式(1)的条件成立，否则控制单元是不能如图1(c)所示那样构成的。

可是，在实际的设备控制中，使等式(1)的条件成立常常是困难的。例如，在随时间的变化中，等式(1)的条件，可能由于过程系统特征的改变和环境的变化(诸如环境温度、催化剂温度、原料状态或负载大小等)而改变。结果，等式(1)中的条件变化越大，控制能力就变得越差。因此，就存在着不可能实现延迟时间史密斯补偿方法功能的问题，结果造成对设备控制能力的巨大影响。

本发明的一个目的是用延迟时间补偿控制单元，控制一个过程控制系统。另一个目的是，在过程系统增益特性变化的条件下，用改进的延迟时间补偿控制单元，使有可能控制一个过程控制系统。

按照本发明，上述目的是通过提供一个控制系统而实现的。根据本发明的一种用控制对象增益和延迟时间控制一控制对象的控制系统，该系统的传递函数包括一个相应于控制对象增益的增益项和一个相应于延迟时间的延迟时间项，在一个外加扰动条件下，一控制器至少在受控变量和目标值之间的偏差基础上，进行比例积分控制操作，根据控制器的控制变量输出，将控制对象输出的受控变量调整到一个目标值，该控制系统包括：与控制器相连的延迟时间补偿装置，包括有一个系统模型单元，它的系统传递函数近似于控制对象的传递函数，还包括一个模型单元，它与系统模型单元并联，具有由系统传递函数消除延迟时间项而得到的模型传递函数，补偿装置用于输出一个补偿信号以补偿延迟时间；与延迟时间相连的增益调节装置，用于根据控制对象增益的变化将系统模型单元的增益调整到控制对象的增益上。

另一方面，根据本发明，上述目的是通过一种用过程系统增益和延迟时间控制过程系统的控制方法来实现的，控制对象的传递函数包括一个相应于控制对象增益的增益项，和一个相应于延迟时间的延迟时间项，在一个外加扰动条件下，一控制器至少在受控变量和目标值之间的偏差基础上、进行比例积分控制操作，根据控制器控制变量的输出，将控制对象的受控变量输出调节到一个目标值，该方法包括下述步骤：采用延迟时间补偿装置补偿延迟时间，该补偿装置与控制器相连，包括一个系统模型单元，其系统传递函数近似于控制对象的传递函数，还包括一个模型单元，它与系统模型单元并联，其模型传递函数是从系统传递函数中消除延迟时间项而得；根据控制对象增益的变化、将系统模型单元的增益调节到控制对象的增益。

本发明提供了一个能完全展示延迟时间史密斯补偿方法的功能的延迟时间补偿控制单元。其优点是即使由于过程系统特性的变化和它的环境改变，使程序系统的增益产生变化时，甚至在一个带有延迟时间的控制系统中，也有可能以有效的能力进行控制。

图1(a)到1(c)所示为能补偿延迟时间的普通过程控制系统的框图。

图2为本发明采用了史密斯方法，进行延迟时间补偿的过程控制系统的框图。

图3为本发明采用了史密斯方法，进行延迟时间补偿的另一个过程控制系统的框图。

图4所示为图3中过程控制系统的运算图。

以下参照图2描述本发明的一个实施例。在图2中凡是与图1中符号相同的那些功能或部分，将不再详细介绍。

在图2中，模型增益更新器10是为延迟时间补偿器5提供的，它响应于过程系统增益的变化，自动校正延迟时间补偿器5的增益。

在模型增益更新器10中，除法器11接收过程系统2的受控变量PVn和作为延迟时间补偿器5一部分的过程系统模型7的输出信号PVmn，并计算出它们的比值Kn=PVn／PVmn。时间平均值运算器12，通过计算除法器11的输出Kn的时间平均值，计算出此平均比值Kn’(下文中、平均值均采用加“’”号来表示)。乘法器13用此平均比值Kn’乘以延迟时间补偿器5的输出，自动更新延迟时间补偿器的输出。

所以，在模型增益更新器10中，从过程系统2输出的受控变量PVn，和从作为延迟时间补偿器5的一部分的过程系统模型7中输出的信号PVmn，被送入除法器11中。经过运算PVn／PVmn，求得比值Kn后，将其传送到后面的时间平均值运算器12。在时间平均值运算器12中，平均比值Kn’是从除法器11输出的初始比值Kn对时间进行平均而求得，并被送入乘法器13。在这里，延迟时间补偿器5的输出与平均比值Kn’相乘，使得延迟时间补偿器5的输出信号自动改变。

接下来，讲述对于过程系统增益的改变，过程系统模型增益的校正。如果过程系统2的特性与过程系统模型7的特性是一致的话，受控变量PVn和过程系统模型7的输出信号PVmn也应该是一致的。即，如果比值Kn=PVn/PVmn、那么Kn=1。但是，实际上，Kn=1是由于过程系统2特性改变引起的。所以，在此单元中，测得过程系统增益的变化-比值Kn，并且根据这个比值Kn，校正过程系统模型增益的变化。

此处，受控变量PVn和过程系统模型7的输出信号PVmn，对于控制信号MVn可表示为：

PVn=MVn·{Kp/(1+Tp·S)}·e-Lp·s     (3)

PVmn=MVn·{Km/(1+Tm·S)}·e-Lp·s    (4)

而除法器11的输出，即比值Kn为

Kn=PVn/PVmn                          (5)

于是如将方程(3)、(4)代入方程(5)中，我们得到：

Kn=(Kp/Km)·{(1+Tm·S)}/(1+Tp·S)}·e-(Lp-LM)·5    (6)

设Tm=Tp Lm=Lp

关系式(6)就可以变为

Kn=Kp/Km    (7)

此外，为了消除比值Kn的瞬时波动的影响，比值Kn被送入时间平均值运算器12中。如果对于一个指定的时间取时间平均值，其输出取作Kn′，Kn′=(Kp′/Km′)    (8)

所以，如果这个平均值Kn′送入乘法器13，并与延迟时间补偿器5的输出相乘，则乘法器13的输出Mon为

Mon=Kn′×延迟时间补偿器5的输出 $=\frac{K{p}^{\′}}{K{m}^{\′}}\×\frac{\mathrm{Km}}{1+\mathrm{Tm}\·s}\×(1-e-\mathrm{LM}\·s)\×\mathrm{MVn}$

上式中，由于Km′=Km，因此可得到下式 $=K{p}^{\′}\×\frac{1}{1+\mathrm{Tm}\·s}\×(1-e-\mathrm{LM}\·S)\×\mathrm{MVn}---\left(9\right)$

换句话说，从关系式(9)可明显看出，通过延迟时间补偿器5的输出端上附加模型增益更新器10，使得延迟时间补偿器5的过程系统模型7的增益，总是可以自动校正到过程系统2的增益，Kp。

所以，在采用了上述类型的实施内容时，通过依据过程系统增益的变化，自动更新过程系统模型7的增益，总是有可能使得过程系统与过程系统模型的特性一致。因此，通过充分应用延迟时间史密斯补偿方法，控制能力增强了，即使对于过程系统的特性变化和环境变化也是如此。此外，用过程系统模型7的输出，去除过程系统2的受控变量，也可得到校正的增益比。故而，过程系统模型7的增益、可以用非常简单的结构校正。

进一步，过程系统模型增益可以准确地被校正，而不受该比值的瞬时波动的影响。即将该比值用时间平均值运算器12，对于一个指定时间求其平均值。该比值是用过程系统2的受控变量，除以过程系统模型7的输出信号而得到的。

特别是在一个实际的成套设备中，过程系统的特性变化大而且频繁。但是，过程系统模型7的增益，能够根据过程系统增益的变化而自动得到校正。因此，即使在一个带有延迟时间的控制系统中，也能极大地提高控制能力。

此外，在上面的实施例中，除法器11所得的比值Kn，是在时间平均值运算器12中，得出在一个指定时间里的时间平均值。但是，即使省去时间平均值运算器12，也能得到近似的效果。除此之外，本发明在不偏离其要旨的前提下，还可以进行不同的改进。

本发明的另一个实施例，将结合图3在以下部分中予以描述。另外，凡图3中与图1(a)到(c)中符号相同的那些功能或部分，将不再详细介绍。

图3中，模型增益更新器10响应于过程系统2的增益变化自动校正延迟时间补偿器5的增益，在延迟时间补偿器5中，采用了史密斯方法。

模型增益更新器10包括除法器11，它接收来自过程系统2的受控变量PVn，和构成延迟时间补偿器5的一部分的过程系统模型7的输出信号PVmn，并计算出它们的比值Kn=PVn／PVmn，算出的增益比值信号Kn存贮在存贮器12中。乘法器13响应于过程系统2的增益变化校正过程系统模型7的增益。这里从存贮器12中读出的增益比信号与延迟时间补偿器5的输出信号相乘。该设计是把增益作了修正之后的信号，加到减法器4上。

此外，模型增益更新器10，包括信号识别器14，它识别从延迟时间补偿器5输出的几乎为零的信号，并输出一个零值识别信号。所得到的零识别信号被导入时间限制器15中。时间限制器15具有定时功能。当零识别信号(延迟时间补偿器5输出“零”)持续超过一个特定时间Tn时，它就施加一个更新命令信号到存贮器12中，以更新增益比信号Kn。在其它时间里，它具有维持紧跟在前的增益比信号Kn的同时，停止存储修正并更新过程系统模型7的增益的功能。

接下来，对采用图3所示结构的细节，并对实验和研究的结果加以解释。现在，如果完全响应过程系统2所需时间取作TP，那么完全响应时间TP可以表示为：

TR=近似延迟时间Lp+(3-5)·TP

此处，如果过程系统的特性和过程系统模型特性是一致的，那么当上式中完全响应所需时间TR在受控变量PVn变化之后超出时，受控变量PVn和过程系统模型7的输出PVmn也将是一致的，如图4所示。所以这时增益比Kn应为：

Kn=PVn/PVmn=1

但是，实际上有时Kn=1是不真实的。这是因为过程系统特性的增益随过程系统2特性和环境的状态，诸如周围温度、催化剂密度、材料条件和负载的大小的变化而变化。所以，过程系统特性的增益与过程系统模型是不一致的。因此，如果过程系统模型的增益，通过计算增益比Kn，使得与过程系统特性的增益一致，那么史密斯方法的条件将被满足。

所以，完全响应所需时间TR的定时是必要的。但是，因为延迟时间补偿器5已消除了延迟时间，从完全响应所需的时间TR中消除延迟时间Lm之后的，剩余时间Ts

Ts=(3-5)·Tm

作为近似的完全响应所需时间被定时。如果，在这个时间Ts消逝后所得到的增益比Kn被采用，它就成为近似反映过程系统的增益变化的值。此外，如果使用这个增益比Kn进行过程系统模型增益补偿，那么史密斯方法的条件可以被满足。

对于过程系统增益的变化，过程系统模型增益的校正将在下面用一些关系式予以解释。

首先，对于PID调节装置3提供的控制信号MVn的受控变量从PVn和过程系统模型7的输出PVmn可以表示为

PVn=MVn·Gp·e-Lp·s

   =MVn·{Kp/(1+Tp·S)}·e-Lp·s  (10)

PVmn=MVn·Gm·e-Lp·n

    =MVn·{Km/(1+Tm·s)}·e-Lp·s (11)

同时，除法器11输出的增益比信号Kn为：

Kn=PVn/PVmn    (12)

如果关系式(10)和(11)被代入关系式(12)中，则得出下面(13)式：

Kn=(Kp/Km)·{(1+Tm·s)/(1+Tp·s)}    (13)

  ·e-(Lp-LM)·s

当延迟时间补偿器5的输出变为零，一个零信号被信号识别器14所识别，并且一个更新命令信号从时间限制器15中输出时，由于在控制信号MVn变化之后，超出完全响应所需时间TR，所以在关系式(13)中

(1+TM·S)/(1+Tp·S)=1·e-(LP-LM)·S=1

所以，最后(13)式变为

Kn=(Kp/Km)    (14)

于是，用此式得到的增益比值信号，被导入增益校正13中，并与延迟时间补偿器5的输出信号Xn相乘。用此种方法，就从增益校正13中得到一个输出Yn，如下式

Yn=Kn/Xn    (15)

  =(Kp/Km)·{Km/(1+Tm·s)}·(1-e-LM·s)·MVn

  =(Kp/(1+Tm·s)}·(1-e-LM·s)·MVn    (16)

因此，从16式明显看出，如果模型增益校正器10的增益比值信号Kn与延迟时间补偿器5的输出Xn相乘，那么延迟时间补偿器5的过程系统模型增益Km总是被过程系统增益Kp自动校正。

所以，一般来说，当史密斯延迟时间补偿方法用于包含延迟时间的过程系统时，总是扰动微小，同时也是过程系统特性与过程系统模型一致的情况。但是在大多数情况下，由于过程系统2的特性变化和环境状态、过程系统特性增益会发生变化。所以，过程系统的增益和过程系统模型不一致，从而对控制能力有较大影响。

于是，该单元从受控变量和过程系统模型的输出中求得增益比值信号，同时在一个与控制信号变化之后的完全响应时间等效的时间里存贮增益比值。其设计是使过程系统模型增益可用此存贮的增益比值信号校正。所以，延迟时间补偿器5的过程系统模型增益在过程系统增益变化的基础上被校正。故而，史密斯延迟时间补偿方法的功能可以充分显示，而具有有效的控制能力的延迟时间补偿控制单元可以实现。

特别是，在一个实际的成套设备中，过程系统的增益变化大而频繁。但是，对于一个实际设备的适用能力，由于过程系统模型增益的自动修正而明显地提高。如果将其连到散布于设备周围各个地方的控制单元，将对整个设备控制能力的提高，作出很大贡献。此外，可以实现设备操作的全面适应性和超自动化，从而制造高质量产品。

此外，本发明并不限于上述实施例。在上述实施例中，增益比率运算装置11的输出直接由存储装置12存储后，再输往增益修正装置13。但也可以采用例如在增益比率运算装置11或存储装置12的输出侧设置平滑装置的构成，该平滑装置用于去除比率为K0时的瞬息变动。此外，也可以取消时限装置15，用无效时间补尝机构5的输出等于0来进行更新；或者将时限装置15的时间设定值中的例如T(3-5)，Tm设定为0。在这种情况下，只是对属于时间常数Tm区域的那部分忽略不计，但也能大体上适用于增益变化。

此外，在不超出本发明宗旨的范围内，还可以用其它种种变化的形态来实施本发明。

Claims (10)

1．一种用控制对象增益和延迟时间控制一控制对象的控制系统，该系统的传递函数包括一个相应于控制对象增益的增益项和一个相应于延迟时间的延迟时间项，在一个外加扰动条件下，一控制器至少在受控变量和目标值之间的偏差基础上，进行比例积分控制操作，根据控制器的控制变量输出，将控制对象输出的受控变量调整到一个目标值，其特征在于该控制系统包括：

与控制器相连的延迟时间补偿装置，包括有一个系统模型单元，它的系统传递函数近似于控制对象的传递函数，还包括一个模型单元，它与系统模型单元并联，具有由系统传递函数消除延迟时间项而得到的模型传递函数，所述补偿装置用于输出一个补偿信号以补偿延迟时间；

与延迟时间相连的增益调节装置，用于根据控制对象增益的变化将系统模型单元的增益调整到控制对象的增益上。

2．按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于：增益调节装置包括增益比值检测装置，通过将受控变量除以系统模型单元的第一输出信号，来检测控制对象增益与系统模型单元增益的增益比值，还包括一个乘法器，用于将从延迟时间补偿装置输出的补偿信号与检测的增益比值相乘，该补偿信号是从模型单元的第二输出信号减去系统模型单元的第一输出信号而得到的。

3．按照权利要求2所述的控制系统，其特征在于：增益比值检测装置包括用受控变量除以系统模型单元的第一输出信号来检测初始增益比值的除法器，和一个时间平均值运算器，用以计算初始增益比值的时间平均值，测得增益比值。

4．按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于：增益调节装置包括用受控变量除以系统模型单元第一输出信号以测得增益比值的除法器，用于存贮增益比值的存贮器，和在延迟时间补偿器输出的补偿信号为零的时间超过一个予定时间时更新增益比值的更新装置。

5．按照权利要求4所述的控制系统，其特征在于：更新装置包括信号识别装置，用于在延迟时间补偿装置输出的补偿信号为零时产生一个识别信号，还包括一个时间限定装置，用于在连续产生识别信号超过一个予定时间时，更新存贮在存贮装置中的增益比值。

6．一种用控制对象增益和延迟时间控制控制对象的方法，所述控制对象的传递函数，包括一个相应于控制对象增益的增益项，和一个相应于延迟时间的延迟时间项，在一个外加扰动条件下，一控制器至少在受控变量和目标值之间的偏差基础上、进行比例积分控制操作，根据控制器控制变量的输出，将控制对象的受控变量输出调节到一个目标值，其特征在于该方法包括下述步骤：

采用延迟时间补偿装置补偿延迟时间，该补偿装置与控制器相连，包括一个系统模型单元，其系统传递函数近似于控制对象的传递函数，还包括一个模型单元，它与系统模型单元并联，其模型传递函数是从系统传递函数中消除延迟时间项而得；

根据控制对象增益的变化、将系统模型单元的增益调节到控制对象的增益。

7．按照权利要求6所述的方法，其特征在于：调节步骤包括测量控制对象的增益与系统模型单元增益的增益比的步骤，它是用受控变量除以系统模型单元的第一输出信号，还包括用延迟时间补偿装置输出的补偿信号乘以测得的增益比的步骤，所述补偿信号是从模型单元的第二输出信号中减去系统模型单元的第一输出信号而得到的。

8．按照权利要求7所述的方法，其特征在于：测量增益比的步骤，包括用受控变量除以系统模型单元的第一输出信号，来测得初始增益比的步骤，以及计算初始增益比的时间平均值、以测得增益比的步骤。

9．按照权利要求6所述的方法，其特征在于：调节步骤包括用受控变量除以系统模型单元的第一输出信号以测得增益比的步骤，存贮该增益比的步骤，和当延迟时间补偿装置的补偿信号输出为零的时间超过一予定时间时，更新该增益比的步骤。

10．按照权利要求9所述的方法，其特征在于：更新步骤包括当延迟时间补偿装置的补偿信号输出为零时，产生一个识别信号的步骤，以及当该识别信号持续产生超过一予定时间时，更新存贮在存贮器内的增益比的步骤。

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