自控系统死区时间的处理方法.doc

自控系统死区时间的处理方法 对于一个反馈控制器而言，如何处理生产过程调节中的死区时间是个棘手的问题，此处我们将讨论几种处理方案。　　对于一个反馈控制系统，死区时间可以定义为从“测量传感器检测到变量开始改变的瞬时”到“控制器对生产过程开始施加正确有效干预的瞬时”之间的延迟时间。在死区时间内，生产过程的实际值根本不会对控制器的调节作用起任何反应。在系统反应的死区时间结束之前，任何试图操纵或改变过程实际值的努力都注定是徒劳的。　　举个例子，我们不妨想象一下“驾驶一辆方向盘很松的小汽车的过程”。小车司机如想拐弯，他一定要使劲打方向盘才能克服方向盘太松而带来的滞差，并真正施加作用在操纵杆上。只有在此之后，小车司机才能感觉到汽车方向的改变。所有完成这一系列动作的时间就是死区时间。　　死区时间问题是有据可查的最难克服的控制类问题之一。在上面的例子中，如果一个司机对汽车拐弯过程中的死区时间大小估计不对的话，可能会因为上次的拐弯动作效果不佳，而在本次的拐弯过程中动作过于剧烈。 图1：如果光学测厚仪安装得离轧辊太远，那么控制器要花较长的时间才能够纠正钢板的厚度偏差。这时还可能由于调节过于“冒进”而使情况变得更糟。 　　然而，如果司机发现“在原来估算的死区时间结束之前汽车就已经开始拐弯”之后再采取缓解措施就为时已晚了，因为此前的操作动作早已矫枉过正，而且本应早些结束的。在此之后，司机又不得不试图再拐回原有方向，这样可能最终引发拐弯过程的失控。　　顺便提及一下，类似的原因也是如此众多的酒后驾驶事故的罪魁祸首。也许汽车的方向盘拐弯是灵敏的，但是一个醉酒的司机由于感官不灵，等到他觉察到汽车开始拐弯时汽车就已经拐向过头了。在这种情况下，拐弯过程的失控是由人的感官迟钝导致，而非设备调节过程的死区时间，然而这种情况导致的结果却是灾难性的。　　传感器的安装位置，控制器的偏差容错度　　在上述两种情况中，显而易见，消除死区时间是解决该控制难题的最佳途径。汽车的方向盘应该加紧，司机任何时候都应该保持清醒状态。　　然而，死区时间有时无法被完全消除。我们不妨以热轧钢机为例，它有一对相向的轧辊，用于将热钢材轧成规格一致的薄钢板（见图1）。在轧辊的下游位置有一测厚仪，用来测量刚轧好的薄钢板厚度，控制器再依据此反馈信号来增减轧辊作用于钢材上的压力，并以此方法来保证钢板厚度不会超出规格范围。　　按照理想状况，测厚仪的安装位置应该尽量靠近轧辊，因为这样可将“轧辊的压力变化”与“由此引起的厚度变化”之间的死区时间置于最小。否则，如安装位置太远，控制器就可能无法及时识别偏差，而如果我们将此识别过程设置得足够快，就可避免钢板的厚度不均问题。　　更糟的是如果死区时间的影响较为可观，还会导致控制器的调节作用过于剧烈。正如那位驾驶具有反应滞后方向盘的汽车司机一样，控制器也会以为其先前的调节作用没有效果而将控制作用加得更强。事实上，在钢板的厚度变化最终体现出来之前，由于控制器的累计效应，使得其输出值与初始值之间的偏差早已大大的超调了，因此又会导致相反方向上的偏差。此种调节过程，会使得轧辊施加在钢材上的压力持续的上下波动，大量钢板会由此产生侧向皱褶，并最终导致报废。　　最为无奈的是，由于测厚仪无法在紧挨着轧辊接触钢材的位置进行安装，因此刚刚轧好的钢板必须要向下游移动一段距离后，才能够测量到厚度，这样的话，调节过程存在一些死区时间也就在所难免了。　　这种我们称之为“传输延时”的现象，影响到很多“牵涉到物料需要从执行器到传感器之间传输”的生产流程，如流经管线的流体，吹过风管的空调风，顺着传输带移动的物体等等。在以上任何一种情况下，如果将传感器的安装位置尽可能的靠近执行器，就可以最大限度的减少死区时间。然而，死区时间的完全消除是难以做到的。　　PID参数的整定　　要处理自控系统中无法避免的死区时间问题，另外一种方案就是赋予控制器一定限度的“耐性”，或称之为“偏差容错度”。实施这一方案最为简单有效的办法就是：减弱控制器的整定参数，并以此来减缓系统的响应速度。 图2：Smith 预估器使用了一个过程对象的模型（包括增益，时间常数以及死区时间）来预估在“没有其它干扰及死区时间”情况下的过程实际值。 　　对于一个PID （比例－积分－微分） 回路，控制器整定参数的减弱往往意味着限制控制器的积分作用。毕竟积分器的作用是“只要设定值和过程实际值之间存在偏差，就要持续不断的、以一定的比率来增加或减少控制器的输出值”。然而对于存在死区时间的场合，由于控制器需要经过较长时间才能开始以正确的调节作用来纠正偏差，因此偏差往往很长时间都会存在，以致积分器一直都在进行积分作用，最终导致系统超调。解决方法就是让积分器适时停止积分作用，以避免超时积分引发的系统超调。　　John G. Zie