第1章 绪论
1.1 研究目的与意义
通过通信网络传输与交换控制系统中的实时数据，构成基于网络的实时闭环反馈控制系统，即网络控制系统(networked control system，NCS)[1]。NCS避免了传统控制系统中存在的一些缺陷，如布线复杂、灵活性较差、信息资源共享困难等[2，3]。NCS现已广泛应用于石油化工、复杂工业过程控制、国防军事、航空航天等多个领域[4-7]。
串级控制系统(cascade control system，CCS)是一种在过程控制工程中，被广泛使用的先进控制系统。CCS能够实现快速抑制进入副闭环控制回路的扰动，改善闭环控制系统的动态性能和抗干扰能力，是增强单回路控制系统性能质量*成功的方法之一[8]，并被广泛应用于温度、流量和压力等参数的过程控制中[9]。CCS通常包含两个闭环控制回路，即一个主闭环控制回路(primary closed control loop，PCCL)和一个副闭环控制回路(secondary closed control loop，SCCL)。CCS通常有两种类型的控制系统结构：一种是串联式串级控制系统(series cascade control system，SCCS)结构；另一种是并联式串级控制系统(parallel cascade control system，PCCS)结构。
SCCS结构是指系统的操纵变量(u2)首先影响系统的副闭环控制回路的被控变量(y2)，然后副闭环控制回路的被控变量(y2)直接影响系统的主闭环控制回路的被控变量(y1)。系统主闭环控制回路的被控对象(P1)与副闭环控制回路的被控对象(P2)之间是“串联式”连接的。SCCS典型结构如图1-1所示。
图1-1 SCCS典型结构
SCCS能够快速抑制进入副闭环控制回路的干扰所产生的不良影响，提高系统的控制性能质量[10]，并能够屏蔽副闭环控制回路被控对象的非线性。然而，它可能存在于主闭环控制回路和副闭环控制回路之间，容易产生振荡以及参数整定困难等缺点。
PCCS结构由Luyben提出[11]，是指系统的操纵变量(u2)同时直接影响系统的主闭环控制回路的被控变量(y1)和副闭环控制回路的被控变量(y2)。系统的主闭环控制回路的被控对象(P1)与副闭环控制回路的被控对象(P2)之间是“并联式”连接的。PCCS的主控制器(C1)，使主闭环控制回路的被控变量(y1)跟踪系统的给定信号(r)，并克服进入主闭环控制回路的外界干扰信号(d1)对系统的影响，保持系统良好的动态跟踪性能。而系统的副控制器(C2)，用于克服进入副闭环控制回路的外界干扰信号(d2)对系统的影响。
从抗干扰的角度出发，在PCCS中，副控制器间接地充当了一个前馈控制器，其抗干扰的原理类似于前馈控制，所不同的是前馈控制系统中，对干扰信号的要求是必须可测量的。而PCCS既适用于可以测量的干扰信号，同时也适用于不可以测量的干扰信号。PCCS充分利用了副闭环控制回路的输出信号，提高了系统的控制性能质量。PCCS典型结构如图1-2所示。
图1-2 PCCS典型结构
PCCS构筑思想与SCCS有很大的差别，这对于提高系统的控制品质有很大的帮助。在实际工业过程控制中，采用SCCS结构方式还是采用PCCS结构方式，与具体的控制性能质量要求，以及过程特征等因素直接相关联。尽管PCCS已被大量应用于飞行系统控制、工业过程控制等多个领域，但是在现有PCCS的研究与应用中，数据信号的传输都是通过信号线路，采用点对点连接加以实现。因此，难以实现系统中节点之间数据信号资源的共享，系统维护与故障诊断困难，很难实现异地以及远程的实时在线与动态过程控制。
随着网络通信、计算机和控制技术的发展，以及生产过程控制日益大型化、广域化、复杂化及网络化的发展与应用需求，越来越多的网络技术应用于过程控制系统中。将实时通信网络插入PCCS的主传感器与主控制器节点、副传感器与副控制器节点、主控制器与副控制器节点，以及副控制器与执行器节点之间，构成了一个实时闭环的网络化并联式串级控制系统(networked parallel cascade control system，NPCCS)。
NPCCS是一类特殊的NCS，它充分结合了NCS和PCCS的优点，既可以大大降低系统信号线路的成本，提高系统诊断与维护水平，实现节点之间数据资源的共享、节点智能化、控制功能分散化、远程控制便利化；又可以有效克服外部干扰的影响，提高系统的控制性能质量。然而，由于NPCCS通过实时通信网络进行数据传输，网络的引入不可避免地带来了一系列新的问题。例如，可能存在网络数据多包传输、多路径传输、数据碰撞、网络拥塞，甚至连接中断等现象，使得NPCCS面临着诸多新的挑战。网络时延的存在将使控制系统的性能质量恶化，导致系统失去稳定性，甚至出现故障，严重时危及生产运行安全。因此，研究NPCCS网络时延的补偿与控制，对于其在工程中的应用具有非常重要的理论意义与实际应用价值。NPCCS典型结构如图1-3所示。
图1-3 NPCCS典型结构
1.2 国内外研究现状
1.2.1 PCCS研究状况
PCCS是一个单输入双输出(single-input and two-output，SITO)系统，具有主与副两个闭环控制系统回路。然而，主被控对象的输入不包含副变量，主与副闭环控制回路的被控对象是“并行”连接的。从抗干扰的角度来看，副控制器间接地作为一个前馈控制器，抗干扰原理与前馈控制不同之处在于：在前馈控制系统中扰动信号必须是可以测量的，而PCCS对于不可以测量的扰动信号同样适用[12]。
SCCS主要关注的是主闭环控制系统回路的输出特性，而PCCS除了抑制扰动信号对系统的影响之外，还考虑了副闭环控制系统回路的输出特性。例如，精馏塔和化学反应器的过程控制中，精馏塔的塔顶产品与塔板温度的控制系统，就是一个典型的PCCS应用范例。其回流比(操纵变量)和进料流量或成分(扰动)，影响顶部产品的纯度(主输出)和塔板温度(副输出)。控制的目的是减少系统的运行费用，维持产品的纯度在设定点上，通过PCCS控制方式控制塔板温度，克服扰动信号对产品质量的影响[13]。PCCS由于操纵变量和干扰都是通过并联方式产生作用，影响主与副闭环控制回路输出的控制系统，因此，通常可用于石油与化工生产过程中的产品质量控制。
当副闭环控制回路具有较快的动态响应特性，并且副闭环控制回路中的干扰严重影响主闭环控制回路中的系统输出时；或者系统对于主闭环控制回路的输出采样周期较长时，采用PCCS能够有效抑制干扰的影响，减少主闭环控制回路中系统输出的稳态误差。PCCS具有明显的技术优势，能够使系统达到更好的控制品质，获得较好的经济效益。
文献[14]～[16]以化工过程精馏塔CCS为例，针对其系统超调量、稳定时间和稳态误差等性能指标，详细分析与对比研究了基于SCCS和PCCS的性能控制质量。其研究结果表明，PCCS的超调量*小，进而提高了过程的控制性能质量。文献[17]讨论了PCCS的应用中干扰抑制与负载响应的问题，以确定PCCS是否有利于负载响应与干扰的抑制作用。文献[18]将文献[17]的研究结果应用于PCCS二次测量的选择，提出了一种在不同干扰下选择PCCS二次测量的方法。文献[19]在主闭环控制回路和副闭环控制回路中的控制器之间，增加了滤波器，提高了控制系统的性能质量。文献[20]开发了一种组合结构，在副闭环控制回路中使用传统的反馈控制器，在主闭环控制回路中使用内模控制(internal model control，IMC)，用于降低主与副闭环控制回路控制器之间的相互影响，便于参数调整。文献[21]采用先进控制技术，为德国费斯托(FESTO)公司过程自动化模块生产系统(modular production system of automatic process，MPS-AP)开发了流量和压力的控制策略。
在PCCS的研究中，首先遇到的问题是，设定点的性能与负载响应之间的矛盾。例如，主闭环控制回路中的干扰抑制，取决于副闭环控制回路中的干扰抑制和设定点跟踪控制问题。在PCCS中，当副闭环控制回路中的干扰抑制被优化时，经常发现设定点响应会变差(反之亦然)，这可能导致主闭环控制回路中的干扰抑制的恶化；同时，实现良好的干扰抑制和设定点跟踪的困难也发生在主控制器的设计中，即系统在跟踪控制与抑制干扰控制这两个方面存在着耦合关系。其次，遇到的是比例-积分-微分(proportion-integral-differential，PID)控制器的参数整定问题。对于给定的PCCS结构，通过调整两个控制回路中的PID控制器参数，实现其闭环控制性能。然而，基于相应的过程模型和独立调整主控制器和副控制器的*简单的解决方案通常是无效的，因为它忽略了两个闭环控制回路之间的强相互作用。一种广泛使用的替代方案是，使用类似于用于调整SCCS标准程序的两步骤方法。首先，副控制器基于副闭环控制回路过程的动态模型进行调整，主控制器处于手动模式；然后，使用自动获得的副闭环控制回路的动态模型调整主控制器。但是，在这种方法中，如果由于某种原因需要重新调整副控制器，则主控制器也需要重新调整[22]。
文献[23]研究了PCCS的继电器自整定，采用改进方法，利用Ziegler-Nichols整定，设计了内环和外环控制器，即PI控制器和PID控制器，并与Saraf和Bequette提出的PCCS同步继电整定方法进行比较，其结果表明了文献[23]所提方法的有效性。文献[24]提出一种利用设定值继电器自整定，整定PCCS中PI控制器的新方法。其仿真结果表明，采用IMC-PID方法，可以获得较好的控制性能质量。
在PCCS的工业过程控制应用中，流体输送等传输过程通常都存在纯滞后等环节。存在的纯滞后增加了系统的相位延迟，减小了系统的传递函数增益和相位裕度，对控制器的增益施加了限制作用，可能增加控制系统的不稳定性，并因此限制可实现的闭环控制系统的性能质量。在PCCS的实际应用过程中，内闭环控制回路的控制过程纯滞后，通常较小或可以忽略。而其外闭环控制回路的控制过程与其内闭环控制回路的控制过程相比，具有较大的纯滞后，从而降低了系统设定点响应与抑制负载扰动的能力，进而导致了系统的控制响应性能变差。
文献[25]研究并使用非线性推理并联式串级控制(nonlinear inferential parallel cascade control，NIPCC)方法，提高控制系统的性能质量，提出NIPCC方法的目的是使所采用的反馈控制能够更快地检测和补偿干扰的影响，其NIPCC方法的行为类似于前馈控制，但NIPCC在本质上仍是反馈控制。文献[26]证明，PCCS和单输入单输出(single-input and single-output，SISO)控制技术相比，采用PCCS策略可以实现卓越的性能和容错能力；并且文献[26]提出了一种针对生物控制系统的PCCS策略，通过使用*优控制理论，设计并联式控制器用于调节动脉血压，与传统的PCCS相比，其控制性能得到了较好的改进。文献[27]根据*小方差和PCCS的丢番图分解，针对可实现的性能指标，评估了PCCS的技术方案。文献[28]提出一种利用丢番图方程的分解技术，可以直接得到*优控制器，通过一个仿真实例，验证了所提方法的有效性，并与之前的结果进行比较。文献[12]针对PCCS结构，重点分析了系统的抗扰动性能。通过定性和定量分析系统特征参数，揭示了PCCS抗扰动的基本原理，并进行了仿真验证。同时，给出了PCCS的使用范围与具体条件，系统的设计和取值有着很大的关系：当时，系统的主控制器可以采用PI控制器，而副控制器依赖系统的被控对象传递函数等参数；当时，PI控制器可以用于设计
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