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www.cechina.cn,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。
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。 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
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。
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www.cechina.cn,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www.cechina.cn,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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控制工程网版权所有,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。