CN109270839A - 一种无自平衡能力对象的串联控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无自平衡能力对象的串联控制方法，目的是使被控变量响应设定值变化性能和抗对象侧扰动性能同时达到最优。其技术方案是，采用由主控制器和子控制器构成的控制系统，所述主控制器为PID控制器，子控制器为PD控制器，设定值和反馈值求偏差后的信号进入主控制器的输入端，主控制器输出和反馈值求偏差后的信号进入子控制器的输入端，子控制器的输出信号作为被控对象的控制输入。本发明采用串联控制方法，被控变量具有很好的跟随设定值变化的能力和很好的抗对象侧扰动的能力，不仅很好地解决了传统单回路控制系统中，被控变量响应设定值变化性能和抗对象侧扰动的性能不能同时达到最优的问题，而且控制器参数的整定十分方便。

Description

一种无自平衡能力对象的串联控制方法

技术领域

本发明涉及一种无自平衡能力对象的控制方法，可使被控变量具有很好的跟随设定值变化的能力和很好的抗对象侧扰动的能力，属于控制技术领域。

背景技术

过程控制中常把包含积分特性的对象称为无自平衡能力对象。例如储水箱水位对象，当进水流量和出水流量相等时水箱水位保持不变，系统达到平衡状态；当进水流量增加而出水流量保持不变时，储水箱水位将持续增加，并且不会达到一个新的平衡状态。现场存在大量类似的无自平衡能力对象，如火电行业中锅炉汽包水位、除氧器水位、高压加热器水位、低压加热器水位，化工行业中蒸馏塔液位、吸收塔液位、反应容器液位等等。

过程控制中应用最为广泛的分离型PID(比例、积分、微分)控制器，其传递函数G_pid(s)结构为：

其中：K_d为比例系数，无单位；T_i为积分时间，s；T_d为微分时间，s；K_d为保证微分物理可实现所增加的惯性环节的惯性时间，s；s为拉氏变换的复变量，无单位。

对于有自平衡能力对象，依据对象参数整定PID控制器的比例、积分、微分参数有着相对成熟的方法。例如，工程上近似估计得到被控对象传递函数G_m(s)如式2所示：

其中：K_b为对象增益，工程单位根据实际情况确定；T_b为对象等效惯性时间，s为拉氏变换的复变量，无单位。

由于对象易于控制，只使用比例、积分调节作用即可获得满意的控制效果。依据对象传递函数可大致确定PID控制器的比例系数和积分时间分别如式3、4：

此控制器参数能够保证控制系统稳定，执行机构无动态过调，但控制性能略差。现场综合考虑对象特性、被控参数的控制品质以及执行机构允许的动态过调量等要求或指标，可以再参照此参数做进一步的优化。

在式2所示的有自平衡能力对象基础上增加了积分环节后对象变为无自平衡能力对象，传递函数G_n(s)如式5所示：

采用PID控制器构成单回路闭环控制系统如图2所示，其控制器参数整定方式可以根据控制系统方框图等效变换法则，将对象中的积分环节转移到控制器中。这样，等效的无自平衡能力对象的控制器G_wpid(s)结构变为：

在K_d取值很小时，对比式1可以发现，相对于无自平衡能力对象的PID控制器，微分时间相当于比例作用，而比例作用相当于积分时间的倒数，积分时间则相当于二阶积分时间。在满足设定值对被控变量(反馈值)的闭环传递函数同有自平衡能力对象一致的条件下，只使用PD(比例、微分)调节作用即可获得满意的控制效果，微分时间和比例系数设置方法分别为：

其中：T_wd为无自平衡能力对象控制器的微分时间，s；K_wp为无自平衡能力对象控制器的比例系数，无单位。

可以发现，采用此方法得到的式5所示的无自平衡能力对象的闭环控制系统，其设定值对反馈值的闭环传递函数同式2所示的有自平衡能力对象的闭环控制系统的完全相同。这意味着，对于设定值扰动，两个控制系统具有完全相同的控制性能。但是，对于对象侧的扰动输入对反馈值的闭环传递函数则完全不相同，由于无自平衡能力对象控制回路的积分环节在对象传递函数中，扰动输入会造成控制系统的反馈值与设定值之间存在静态误差，这是不允许的。为了避免这种情况，还需要在控制器中增加积分调节作用。但对于设定值与反馈值的回路而言，这个积分作用相当于二重积分控制，会导致设定值阶跃变化时被控变量的响应出现很大的动态超调。积分作用越强，控制系统抗对象侧扰动的能力越好，但被控变量响应设定值变化的动态超调也越大。

因此，对于无自平衡能力对象的单回路PID控制系统，无论怎样整定PID参数都存在以下矛盾：被控变量响应设定值变化的性能最优时抗对象侧扰动的能力则很差，而被控变量抗对象侧扰动的能力最优时跟随设定值变化的性能则很差。另外，现场中对象侧的扰动往往是随机变化且难以直接测量的，仅仅依据扰动影响被控变量的变化将控制器PID参数整定为抗对象侧扰动能力最优是非常困难的。需要设计更好的控制系统加以解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种无自平衡能力对象的串联控制方法，以解决传统无自平衡能力对象的单回路控制系统中，被控变量响应设定值变化性能和抗对象侧扰动的性能不能同时达到最优的问题。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种无自平衡能力对象的串联控制方法，所述方法采用由串联的主控制器和子控制器构成的控制系统，所述主控制器为PID控制器，所述子控制器为PD控制器，设定值和反馈值求偏差后的信号进入主控制器的输入端，主控制器输出和反馈值求偏差后的信号进入子控制器的输入端，子控制器的输出信号作为被控对象的控制输入。

上述无自平衡能力对象的串联控制方法，所述子控制器采用分离型结构时参数的整定方法如下：

通过机理建模或扰动实验确定无自平衡能力对象近似的传递函数G_n(s)：

其中：K_b为对象增益；T_b为对象等效惯性时间；s为拉氏变换的复变量，则子控制器的微分时间T_sd和比例系数K_sp分别为：

其中：k_s为子控制器的增益，初始值取1。

上述无自平衡能力对象的串联控制方法，所述主控制器采用分离型结构时的比例系数K_mp、积分时间T_mi、微分时间T_md和比例系数K_md分别为：

K_mp＝k_m

其中：k_m为主控制器增益，初始值取0.5。

上述无自平衡能力对象的串联控制方法，所述子控制器和主控制器参数的现场调试过程如下：

a.断开主控制器的反馈值输入，并将主控制器比例系数设为1，积分时间设为无穷大或控制装置允许的最大值，微分时间设为0，使主控制器的输出为控制系统的设定值；

b.通过设定值扰动，对子控制器增益进行调试，子控制器增益的取值范围在1-4之间，调试原则是：子控制器的增益的大小决定了控制器输出的动态过调量，增益为1时，恰好无动态过调；增益为2时，动态过调量为100％，依次类推；

c.将系统闭环，通过设定值扰动，对主控制器增益进行调试，主控制器增益的取值范围在0.5-2之间。

本发明采用串联控制方法，被控变量具有很好的跟随设定值变化的能力和很好的抗对象侧扰动的能力，不仅很好地解决了传统单回路控制系统中，被控变量响应设定值变化性能和抗对象侧扰动的性能不能同时达到最优的问题，而且控制器参数的整定十分方便。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为有自平衡能力对象单回路控制系统方框图；

图2为无自平衡能力对象单回路控制系统方框图；

图3为无自平衡能力对象控制系统设计示意图；

图4为无自平衡能力对象串联控制系统方框图。

文中各符号为：G_pid(s)为分离型PID控制器的传递函数；K_d为分离型PID控制器的比例系数；T_i为分离型PID控制器的积分时间；T_d为分离型PID控制器的微分时间；K_d为分离型PID控制器的惯性时间；s为拉氏变换的复变量；G_m(s)为工程上近似估计得到的被控对象的传递函数；K_b为对象增益；T_b为对象等效惯性时间；G_n(s)为无自平衡能力对象的传递函数；G_wpid(s)为等效的无自平衡能力对象的控制器的传递函数；T_wd为无自平衡能力对象控制器的微分时间；K_wp为无自平衡能力对象控制器的比例系数；T_sd为子控制器的微分时间；K_sp为子控制器的比例系数；k_s为子控制器的增益；K_mp为主控制器的比例系数；T_mi为主控制器的积分时间；T_md为主控制器的微分时间；K_md为主控制器的保证微分作用可物理实现所增加的惯性时间；k_m为主控制器增益；G_mpid(s)为主控制器；G_spid(s)为子控制器。

具体实施方式

本发明针对传统无自平衡能力对象的单回路控制系统中PID控制器参数整定困难、被控变量响应设定值变化性能和抗对象侧扰动的性能不能同时达到最优的不足，提出了一种适合无自平衡能力对象的串联控制方法。该方法中，控制系统包含一组串联的主控制器和子控制器，均采用被控变量作为反馈值，设定值和反馈值求偏差后的信号进入主控制器，主控制器输出和反馈值求偏差后的信号进入子控制器，子控制器的输出信号作为对象的控制输入。主控制器采用PID控制，子控制器采用PD控制。具有控制品质好，控制器参数容易整定的优点。

本发明的技术原理

图2所示无自平衡能力对象单回路控制系统，当控制器采用PD控制时，被控变量响应设定值变化的性能可达到最优，只是抗对象侧扰动的能力很差。基本思路是，如图3所示，保留此控制回路，并将其整体等效为一个被控对象，原控制系统设定值等效为控制输入，反馈值仍为为原控制系统的被控制变量。在此基础上再增加一个控制器与等效被控对象一起构成一个新的控制回路。因此，图3中包括两个控制器，G_mpid(s)为主控制器，采用PID控制，G_spid(s)为子控制器，采用PD控制。

图4更便于进一步分析无自平衡能力对象的主控制器和子控制器的串联结构。两个控制器均采用被控变量作为反馈值，主控制器的设定值为整个控制系统的设定值，子控制器的设定值为主控制器的输出。

通过工程方法大致确定无自平衡能力对象的传递函数如式5所示时，子控制器参数的整定方法为：

其中：T_sd为子控制器的微分时间，s；K_sp为子控制器的比例系数，无单位；k_s为子控制器的增益，取值范围在1-4之间，无单位。

可以发现，子控制器参数只是在原单回路无子平衡能力对象参数整定方法的基础上增加了一项控制器增益而已。控制器增益的调试方法为：(1)将子控制器增益初始值设置为1，依据对象传递函数，利用式7、8计算初始的子控制器PD参数；(2)断开主控制器的反馈值输入，并将主控制器比例系数设置为1，积分时间设置为无穷大(或控制装置允许的最大值)，微分时间设置为0，这样主控制器的输出就变为控制系统的设定值，实际控制系统工作于子控制器的单回路控制方式下；(3)通过设定值扰动，对子控制器增益进行调试。子控制器增益的大小决定了控制器输出的动态过调量，增益为1时，恰好无动态过调；增益为2时，动态过调量为100％，依次类推。子控制器的增益越大，系统调节速度越快，控制品质越好，但执行机构动作幅度也越大。

这样的子控制器参数整定方式，能够实现被控变量响应设定值变化性能最优，但对于对象侧的扰动存在静态误差。消除静态误差需要依靠主控制器。由于子控制器可保证反馈值跟随主控制器的输出变化，所以对于主控制器的等效被控对象，对象增益为1，惯性时间近似为原无自平衡能力对象的惯性时间除以子控制器增益。等效被控对象G_e(s)的传递函数近似为：

由此确定主控制器参数整定方式为：

K_mp＝k_m (12)

其中：K_mp为主控制器的比例系数，无单位；T_mi为主控制器的积分时间，s；T_md为主控制器的微分时间，s；K_md为主控制器的保证微分作用可物理实现所增加的惯性时间，s；k_m为主控制器的增益，取值范围在0.5-2之间，无单位。

可以发现，主控制器参数基准值可以由对象参数和子控制器的增益确定，需要现场调试的只有主控制器增益一个参数而已。主控制器参数调试方法为：(1)将主控制器增益设置为0.5，依据对象传递函数，利用式12-15计算初始的子控制器PID参数；(2)将系统闭环后，通过设定值扰动，对主控制器增益进行调试。主控制器的增益越大，系统调节速度越快，控制品质越好，但执行机构动作幅度也越大，控制系统的稳定裕量越小。

本发明的技术方案

首先进行控制系统结构设计。参考图4所示的结构实施发明技术方案。该方案的技术特点是，控制系统采用串联的主控制器和子控制器，替代传统单回路控制系统中的控制器。主控制器和子控制器均采用被控变量作为反馈值，控制设定值和反馈值求偏差后的信号进入主控制器，主控制器输出和反馈值求偏差后的信号进入子控制器，子控制器的输出信号作为对象的控制输入。

其次进行控制器参数整定。主控制器采用PID控制，子控制器采用PD控制。分为两步，第一步为整定子控制器参数。

通过机理建模或扰动实验确定无自平衡能力对象近似的传递函数G_n(s)如式16后，

首先，依据对象传递函数确定子回路控制器的基本参数为：

式17、18中子控制器的增益k_s初始值取1。

然后，现场调试子控制器参数。过程是：(1)断开主控制器的反馈值输入，并将主控制器比例系数设为1，积分时间设为无穷大(或控制装置允许的最大值)，微分时间设为0，这样主控制器的输出就变为控制系统的设定值，实际控制系统工作于子控制器的单回路控制方式下；(2)通过设定值扰动，对子控制器增益进行调试，子控制器增益的取值范围在1-4之间。调试原则是：子控制器的增益的大小决定了控制器输出的动态过调量，增益为1时，恰好无动态过调；增益为2时，动态过调量为100％，依次类推。子控制器的增益越大，系统调节速度越快，控制品质越好，但执行机构动作幅度也越大。

第二步为整定主控制器参数。

首先，依据对象传递函数和子控制器参数确定主控制器的基本参数为：

K_mp＝k_m (19)

式子19-22中主控制器增益k_m的初始值取0.5。

然后，现场调试主控制器参数。过程是：将系统闭环后，通过设定值扰动，对主控制器增益进行调试，主控制器增益的取值范围在0.5-2之间。调试原则是：主控制器的增益越大，系统调节速度越快，控制品质越好，但执行机构动作幅度也越大，同时控制系统的稳定裕量也越小。

实施步骤

(1)实施条件确认

发明适用于带有惯性和滞后特性的无自平衡能力对象的控制。

(2)控制系统设计

在DCS(分散控制系统中)、PLC(可编程控制器)等控制装置中，以组态或编程的方式实现图4所示的控制方案。或者将原控制方案修改为本控制方案。

(3)子控制器参数初始值设置及整定

依据技术方案中式17-18及相关描述设置子控制器参数初始值，然后依据子控制器参数整定步骤，通过设定值扰动现场整定控制器参数。

(4)主控制器参数初始值设置及整定

依据技术方案中式19-22及相关描述设置主控制器参数初始值，然后依据主控制器参数整定步骤，通过设定值扰动现场整定控制器参数。

参数整定完成后，控制系统可投入使用。

本发明的优点

(1)控制效果好。本发明提出的无自平衡能力对象的串联控制方法，被控变量具有很好的跟随设定值变化的能力和很好的抗对象侧扰动的能力，响应设定值扰动时动态超调小，消除对象侧输入的扰动时无静态误差。例如，对于带有100s惯性的无自平衡能力对象，优化参数后本控制方案相对于单回路PD控制可无静差地消除对象侧扰动；相对于单回路PID控制可减小被控变量的动态超调量10％以上。但由于对象参数不同，或者控制器参数整定值不同，都会导致控制指标存在一些差异的。

(2)控制器参数整定方便。发明技术方案中的主控制器和子控制器，控制器参数的基准值可以依据对象模型参数确定，实际需要多次调试的只有子控制器增益和主控制器增益两个参数。另外，所有参数均可通过设定值扰动实验进行调试，被控变量响应设定值扰动的性能达到最优时，抗对象侧扰动的性能也同时达到最优。

Claims (4)

1.一种无自平衡能力对象的串联控制方法，其特征是，所述方法采用由串联的主控制器和子控制器构成的控制系统，所述主控制器为PID控制器，所述子控制器为PD控制器，设定值和反馈值求偏差后的信号进入主控制器的输入端，主控制器输出和反馈值求偏差后的信号进入子控制器的输入端，子控制器的输出信号作为被控对象的控制输入。

2.根据权利要求1所述的一种无自平衡能力对象的串联控制方法，其特征是，所述子控制器采用分离型结构时参数的整定方法如下：

通过机理建模或扰动实验确定无自平衡能力对象近似的传递函数G_n(s)：

其中：K_b为对象增益；T_b为对象等效惯性时间；s为拉氏变换的复变量，则子控制器的微分时间T_sd和比例系数K_sp分别为：

其中：k_s为子控制器的增益，初始值取1。

3.根据权利要求2所述的一种无自平衡能力对象的串联控制方法，其特征是，所述主控制器采用分离型结构时的比例系数K_mp、积分时间T_mi、微分时间T_md和比例系数K_md分别为：

K_mp＝k_m

其中：k_m为主控制器增益，初始值取0.5。

4.根据权利要求3所述的一种无自平衡能力对象的串联控制方法，其特征是，所述子控制器和主控制器参数的现场调试过程如下：

a.断开主控制器的反馈值输入，并将主控制器比例系数设为1，积分时间设为无穷大或控制装置允许的最大值，微分时间设为0，使主控制器的输出为控制系统的设定值；

b.通过设定值扰动，对子控制器增益进行调试，子控制器增益的取值范围在1-4之间，调试原则是：子控制器的增益的大小决定了控制器输出的动态过调量，增益为1时，恰好无动态过调；增益为2时，动态过调量为100％，依次类推；

c.将系统闭环，通过设定值扰动，对主控制器增益进行调试，主控制器增益的取值范围在0.5-2之间。