[发明专利]一种无自平衡能力对象的串联控制方法

说明书

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。

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：