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过程自动化控制的发展和理论详解(篇4)

更新时间:2021-03-31 15:08

简要描述:

自动控制的科普综述文章少之又少,这一篇是难得好文章,语言精致,生动有趣,把自动控制的发展过程及精髓用非常通俗的语言描述了出来,其中不乏精彩的比喻,对于自动控制人员来说实在...

详细介绍

原文标题:过程自动化控制的发展和理论详解(篇4)

  



过程自动化控制的发展和理论详解(篇4)




【按语】自动控制的科普综述文章少之又少,这一篇是难得好文章,语言精致,生动有趣,把自动控制的发展过程及精髓用非常通俗的语言描述了出来,其中不乏精彩的比喻,对于自动控制人员来说实在是不可多得的宝贵资料。

 
  文章虽然长一些,但非常值得静下心来好好读一读。由于原文有35000字,数十页之长,所以本站编辑根据文章内容,将之分解为“过程控制理论”,“现代控制理论”、“系统辨识”、“工程控制算法”四篇,供读者阅读学习。本文是第一篇:过程控制理论。

【本文主要内容】

第一种“先进过程控制”——串级控制(cascade control)

本文字数:1480字,阅读大概需要5分钟;
 
本文地址:http://nyujt.com/jszl/69.html

【作者旁白】

小时候喜欢看杂书,没什么东西看,不正在那十年嘛?不过看进去了两个“化”:机械化和自动化。打小就没有弄明白,这机械化和自动化到底有什么差别,机器不是自己就会动的吗?长大了,总算稍微明白了一点,这机械化是力气活,用机器代替人的体力劳动,但还是要人管着的,不然机器是不知道该干什么不该干什么的;这自动化嘛,就是代替人的重复脑力劳动,是用来管机器的。也就是说,自动化是管着机械化的,或者说学自动化的是管着学机械的……
 
  啊,不对,不对,哪是哪啊!
 

第一种“先进过程控制”——串级控制(cascade control)

  双增益或死区PID的问题在于增益的变化是不连续的,控制作用在死区边界上有一个突然的变化,容易诱发系统的不利响应,平方误差PID就没有这个问题。误差一经平方,控制量对误差的曲线就成了抛物线,同样达到“小偏差小增益、大偏差大增益”的效果,还没有和突然的不连续的增益变化。但是误差平方有两个问题:一是误差接近于零的时候,增益也接近于零,回到上面死区PID的问题;二是很难控制抛物线的具体形状,或者说,很难制定增益在什么地方拐弯。
 
  对于第一个问题,可以在误差平方PID上加一个基本的线性PID,使零误差时增益不为零;对于后一个问题,就要用另外的模块计算一个连续变化的增益了。具体细节比较琐碎,将偏差送入一个分段线性化(也就是折线啦)的计算单元,然后将计算结果作为比例增益输出到PID控制器,折线的水平段就对应予不同的增益,而连接不同的水平段的斜线就对应于增益的连续变化。通过设置水平段和斜线段的折点,可以任意调整变增益的曲线。要是“野心”大一点,再加几个计算单元,可以做出不对称的增益,也就是升温时增益低一点,降温时增益高一点,以处理加热过程中常见的升温快、降温慢的问题。
 
  双增益或误差平方都是在比例增益上作文章,同样的勾当也可以用在积分和微分上。更极端的一种PID规律叫积分分离PID,其思路是这样的:比例控制的稳定性好,响应快,所以偏差大的时候,把PID中的积分关闭掉;偏差小的时候,精细调整、消除余差是主要问题,所以减弱甚至关闭比例作用,而积分作用切入控制。概念是好的,但具体实施的时候,有很多无扰动切换的问题。
 
  这些变态的PID在理论上很难分析系统的稳定性,但在实用中解决了很多困难的问题。大言不惭一句,这些PID本人在实际中都用过。复杂结构PID打仗时,如果敌人太顽固,要么换更大的炮,把敌人轰倒;要么采用更巧妙的战术,把敌人晕倒。控制也是一样,单回路PID难以解决的问题,常常可以通过更巧妙的回路结构来解决。
 
  单一的PID回路当然可以实现扰动抑制,但要是主要扰动在回路中,而且是明确的,加一个内回路作帮手是一个很不错的主意。还记得洗热水澡的例子吗?要是热水压力不稳定,老是要为这个而调整热水龙头,那很麻烦。要是有一个人专门负责根据热水压力调节热水流量,把热水压力稳定下来,而且稳定在标定值,那洗澡的时候,水温就容易控制多了,只要告诉那个人现在需要多少热水流量,而不必烦心热水压力对热水流量的影响。这个负责热水流量的控制回路就是内回路,也叫副回路,而洗澡的温度就是外回路,也叫主回路,当然是主回路指挥副回路,就像自动化指挥机械化、学自控的人指挥学机电的人……打住打住,再扯远了要挨鹿踹了,或者马踹、牛踹、驴踹……
 
  这种主回路套副回路的结构叫串级控制(cascadecontrol),曾经是单回路PID后工业上第一种“先进过程控制”,现在串级已经用得很多了,也不再有人叫它“先进过程控制”了。串级控制最主要的功用是抑制回路内的扰动,增强总体控制性能。不过串级也不能乱用。如果主回路和副回路的相应速度差不多,或者主回路的相应速度甚至慢于副回路(通过变态的调试是可以做到的),这样的串级要出问题。理论上可以用共振频率什么的分析,但是不用费那个事,用膝盖想想就知道,一个急性子的头儿把一个温吞水的下属指挥得团团转,结果只能是大家都精疲力竭,事情还办砸了。相反,一个镇定自若的头儿指挥一个手脚麻利的下属,那事情肯定办得好。

  文章写于2015年,作者晨枫,具有扎实的理论基础和丰富的现场经验,目前旅居加拿大,一直从事化工控制方面的工作和研究。
 
  著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
 

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