定的新方法， 分析了采样控制的质量， 指出了在工程实施应 考虑的若干问题。 6 7 ( + & 1 5 + $ % &’ & () * & ( , * ’ -, ’% &. & / % 0 ’ * 1 ., 21 0 . 3 * ’ + + 4 / , ’ 5 , 3 * 1 1 0 & 6 0 ’ 6’ & (. & % , 6 2 , 5 6 & & 5 . * ’ * ’ % &+ 0 5 0 . & & 5 1 4 , 2 / , ’ 5 , 3 3 & 5 * 1 * ’ 5 , 6 7 / & 6 8 $ % & 7 0 3 * , 2 1 0 . 3 * ’ / , ’ 5 , 3 * 1 0 ’ 0 ; 9 : + 4 3 < & 6 0 ’ 6 1 , . & * 1 1 7 & 1 , = & / , ’ 1 * 6 & 5 & 6 * ’ & ’ * ’ & & 5 * ’ * . 3 & . & ’ 0 ; : 4 4 + * , ’0 5 & * ) & ’ 8 4
《自动化仪表》 第# !卷第C期 # " " "年C月
大纯滞后过程的采样控制及其工程实现中的若干问题
! " #$ % & ( ) * * . / ( 0 / 1 / 2 # 3 34 ) . "5 % / #6 # % 7! ) & #% * 7 ’ +, + $ # 8 # / % ( , & & # * . 3*9 * ) * # # / ) * : & ( # & # * . % . ) * + + ’
当控制器偏差输入为阶跃变化时， 采样控制器输 出特性如图E所示。开关接通瞬间， 控制部分的输出 按偏差输入 - 成比例变化’/ 其后在在线采样时间 -， 内按比例积分规律输出： $ + ,
E #
万方数据
， ，@ ， : ; < ) = -6 > ? <@ 6 ? A < BA B ? ; >@ = B ? 6 ? A < BC % , D # ! B % D C 1 # " " " #
$ $ % % ! " &# ! " ! * %・ %・ " " ( (
若被控对象的稳态增益系数为 $ ， 在第一个采样 周期内， 随动系统工作状态下， 则应有
$ % ! " ! *・$ * %・ - #! " (
即
$ % ! " %・$ - #" ) (
万方数据
! !
《自动化仪表》 第( "卷第*期 ( % % %年*月 由于 ! 已 初 步 确 定， 且# 为 已 知 数， 其比值 ! " $ ／% 就可以计算出来。然而， 这个比值中的 # 还与 # "! " 动态补偿作用强弱有关。通过作图法得知， 这个比值 值的大小 即使为常数， 对动态补偿作用却不一样。 ! % 不仅影响动态补偿项梯形波的斜率， 而且对动态补偿 作用影响很小， 但# 却影响很大， 越大超前补偿作 # " " 用越强， 其取值原则将在下面工程实施讨论中予以说 明。
图! 调节操作及过程输出响应曲线
" * @ ! % ! & & & &" $ A # )! (" # )!
图# 采样控制系统框图
’ "
如果操作中发现温度偏离设定值 # 对应的温 ?， 度变送器输出变动值为 " 这时操作员就在手操 B # . >， 器当前输出值下改变 " 。由于在纯滞后时间内 B # C . > 被控过程输出不会改变， 为了避免不必要的误操作， 操 作员需要等待!DE （ ） 后， 看其 ("F! "DEGAF# #. * ’ 操作效果： 过程输出趋于稳定， # ? 的变化基本被克服，
图! 采样控制器输出特性
定值上。现考虑随动系统工作情况， 当系统在设定值 系统输出 + 的最理想响应应该 * 作阶跃 ! * 输入时， 以较快的速度跟踪， 即超调量要小， 恢复时间要短。为 则采 了使输出 + 不发生振荡又能较快地达到设定值， 样控制器最好在一个采样周期内就使输出稳定在设定 （ 仍 值， 在以后的第二、 三……周期时控制器输出 ! "） 是稳定在原输出上而不再改变。从前面讨论控制器的 特性知道， 其动态输出和稳态输出都与 $ ，" ， 和 % ! %" ( 因为 ) 这*个参数有关。采样周期 ) 比较容易确定， 纯滞后时间! 是无法消除的， 所以输出 + （ ） 必然先经 " 过一个纯滞后!， 然后应以最快的速度向设定值逼近。 若考虑在一个采样周期后就达到稳定， 则采样周期必 然需要比纯滞后时间 ! 长一点， 而这长一点的时间是 （ 开始变化并要稳定在设定值上， 这个时间长 输出 + "） 短与被控对象时间常数 " 相对动态补偿要求有关。 # 若仅用稳态补偿控制作用， 再经过 ! 时间就可达到 " # 若再加上超前的动态补偿作用， 可能有一个 + , ,! *， 时间就可以了。因此， 我们取采样周期 （" " ) -!. # ） 。 & ! " # 对于在线采样时间 ! ， 它的取值与被控过程的 " % 时间常数" 关系很大， 而且它对动态补偿作用影响亦 # 大。通过各种试验得出， 对于可近似为一阶纯滞后对 象， 可取其时间常数" 的" 而对于高阶对象， # , 左右， # 由于阶跃响应曲线的起始部分变化比较缓慢， 可 ! " % 取偏大一些。剩下的问题是如何确定 $ 和" 。由于 % ( 采样控制器的积分保持值， 即被控过程的稳态输入为 （ !% "） #
9 采样控制器的特性
为了说明采样控制系统的控制机制及采样控制器 应具有的功能， 先观察人工控制大纯滞后过程是怎样 进行 的。 例 如， 一 个 温 度 被 控 过 程， 仪 表 采 用 "! 温度测量变送器量程为 " 广义 ! " . > 信号制， ! ! " " ?， 对象的传递函数为
% ! & （ ） （ ） ! "#& $ " # $!
8 引言
以往对大纯滞后过程的采样控 制进 行 过 许多 研 讨， 对其优点都给予了肯定并有不少实际应用， 但对它 的控制机制认识还不够， 理性的多实质性少， 分析设计 上有缺欠， 参数整定上给出的不尽合理， 致使实际应用 中控制效果不够理想。我们从采样控制产生的思想分 析其控制机制、 设计方法及工程实践中应考虑的若干 问题， 使采样控制更加合理。
（ !" "） &’ #$ %
!
#
! " %
$ $ % % & $ "# $ &’ ! " & % % " " ( (
式中： 为控制部分的静态放大倍数； 为控制部分 $ " % ( 的积分时间。同时， 因开关经过 ! 后立即断开， 控制 " % 部分的输入 & 去除， 因此其比例作用项 $ 积 & 消失， % 分作用也停止， 仅保留积分作用项 （$ ／(） ! " & 直到 % %" 下一次开关闭合， 新的采样周期开始。由于偏差 & 继 续存在， 下一个采样周期开始瞬间控制部分的输出是 在保持值 （$ ／(） ! " & 基础上重复上述比例积分过 % %" 程。新的保持值为% （$ ／(） ! " &。 % %" 下面分析这种采样控制器输出规律特点及其在控 制过程中完成的功能： 时间内控制器输出的是一个梯形波， 其 " 在! " % 作用强度与输入偏差和控制器放大倍数成比例， 具有 很强的超前动态补偿作用， 是完成对被控过程容量滞 越长， 动态补偿作用 后的动态补偿。比例度越小， ! " % 越强， 但可能出现动态过补偿现象。一般整定为欠补 偿， 以增加控制系统的稳定性。这部分的输出特性相 当于常规 & ’ ( 调节器中的微分作用。 以后到下一个采样周期开始 # 在采样时间 ! " % 前 （))! 时间内） 的稳态输出值是 （$ ／(） 在 " ! " &， % % %" 一个采样周期内是保持不变的。它是对被控过程达到 稳态的补偿作用， 类似 & ’ ( 中的比例作用。 $ 采样控制器的积分作用体现在下一个采样周 期的稳态保持值加倍， 按控制器的积分时间定义可知， 采样周期 ) 为采样控制器的积分时间， 而不是控制部 分的积分时间" 。 ( % 由图%的系统结构形式看似为闭环控制系统， 但是在控制过程中闭环时间短， 而开环时间却相对很 长， 在开 环 期 间 控 制 器 的 输 出 为 稳 态 补 偿 作 用 的 值 （$ ／(） 这就保证了大纯滞后过程控制系统的稳 ! " &， % %" 定性。
! 采样控制质量分析及应用
基于对采样控制器特性的分析， 我们对构成系统 进行了仿真研究， 图 ! 为在一个阶跃干扰输入作用下 的采样控制过程曲线。对于系统在定值工作状态下， 由于干扰产生有随机性， 而采样调节器的通断时间， 即 在线采样开始时刻是按照调节器整定好的固有周期在 时间内能否采集到输入信号与采集 工作， 因此在 ! ! " 到多大信号也是随机的， 它不同于一般闭环反馈控制 系统， 后者是只要有反馈信号调节器就有输入。在图 （’） 有一个阶跃变化， 经干扰通 "中设外界干扰输入 & 道( （ ） 对被 控过程扰 动 （ ） ， 如 图 ) ! # 中 所 示。 & ’ " ’ 若采样开关在! 时刻闭合， 虽然被控过程有干扰， 但 " 因 干 扰 通 道 也 有 纯 滞 后， 此时干扰通道无输出 （ ， 控制系统输出 ) （ 没有变化。因此， 这时 )" !） $ % !） （ ， 即偏差输入为零， 调节器不产生控制作 ) !） &*$ % 用。不过， 干扰经过纯滞后以后对输出也产生影响， 可 是调节器经 ! 后就断开输入， 系统的输出就是干扰 ! " （ ） （ ） ， 直到由 经过采样周期 + 通道的输出 ) ! " ! $) ! " 才能采集到输出变化信号， 调节器产生控制作用， 再经 过控制通道纯滞后"时间系统输出开始向设定值靠近 并很快稳定在稳态值， 如图! ’中实曲线所示。如果采 样开关在! 时刻闭合采集到 （ ） （ ） 上升阶段 ) ( " ! $) ! 中该时刻值并产生控制作用， 在控制通道 ! 时间内过 （ ） （ ） ， 在 程输出仍为) ! $) ! 以后才开始下降到相 "! 应值并一直保持到下一个采样周期开始。同时由于存 在! 的滞后仍保持此值， 直到经过第二个 ! 时间以后 才能到达到原稳态值， 如图! )中实曲线所示。由此看 出， 对于克服外界干扰的定值控制系统状态工作， 用两 个采样周期就可完成克服外界干扰影响并无静差。 关于大纯滞后过程的采样控制在实际生产中有不 ［ ］ ,／ 顺酐生产过程为例 ! 少应用。以( ， 在盐点 * + " % -# 温度控制中， 采用了控制熔盐换热器进水流量的方法 来维持出口熔盐温度，间接地保证反应器盐点温度稳 定， 以减少对热点温度的干扰。在这个控制回路中， 由 于通道长、 中间设备多， 使得控制对象严重滞后， 加上 反应器是非线性对象且外界干扰多，难以建立精确的