抗滞后MFA控制器

在过程控制应用中,热量、物料和信号等的转移或转换需经过一定的时间。这一现象造成了许多过程存在大的滞后时间。无论控制作用如何,在滞后时间阶段,控制作用对过程变量的影响是不可测的。更为重要的是,时间滞后导致了过程变量输出不能迅速地响应控制信号。这等于在这段时间内反馈作用失效,而反馈是自动控制依赖的基本信息 。

如果用PID来控制具有显著时间滞后的过程,则控制器输出在滞后时间内由于得不到合适的反馈信号保持增长,从而导致系统响应超调大甚至使系统失控。通常PID控制为了维持自动状态必须明显调低PID参数,这就必然造成控制性能的降低。一般而言,PID控制器能控制τ-T比(滞后时间/时间常数)小于1的过程。对于大τ-T比的系统,则必须调低PID参数,难免控制迟缓,品质变差。史密斯预估器是处理具有大滞后过程的一种非常有用的控制方法,然而构造史密斯预估器通常需要精确的过程模型,否则,其性能不能令人满意。

下图显示的是一个单输入单输出抗滞后MFA控制系统框图,系统由一个抗滞后MFA控制和一个具有时滞的过程对象。


抗滞后MFA控制系统

一个专门设计的滞后预估器产生一个代替过程变量y(t)的动态信号yc(t)来作为反馈信号。这里的想法是:对控制器产生一个e(t)信号,使控制器“感觉”控制作用没有大的滞后,这样控制器总是能够产生一个合适的控制信号。也就是说,即使存在大滞后,这个人为的动态信号yc(t)也能保持反馈回路正常工作。由于MFA有很强的自适应能力,这个滞后预估器的设计相对来说比较简单。

与传统的史密斯预估器相比,抗滞后MFA控制器不需要精确的过程模型。仅仅需要一个估计的滞后时间作为基本信息用于滞后预估器。如果用于MFA滞后预估器的滞后时间与实际过程滞后时间不匹配,控制器仍能凭借其强大自适应能力和鲁棒性对过程进行控制。通常来讲,估计的滞后时间大于或小于实际滞后时间的2~5倍范围内,控制器都能达到满意的控制效果。此外,对过程对象τ-T比的大小没有多少限制。

由于一些质量变量通常是在达到某一点,或冷却一段时间,或定型以后才能测得,因此抗滞后MFA控制器特别适用于控制这些过程质量变量。这个控制器使得过程工业实现“六西格马”或“零疵品”的质量指标成为了可能。

对于半连续生产过程,生产线的速度可能会成百倍变化,这就带来了在一定范围内变化的滞后时间。由于线速度是可测的,因此很容易计算出滞后时间,将数据提供给抗滞后MFA控制器,对生产线进行实时控制。这样,即使出现生产线速度大波动也不会降低控制效果。

另一方面,如果过程的滞后时间的变化超过5倍,或滞后时间不确定,那么改用时变MFA控制器更为合适。