過程控制課件--第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)課件

1、2021-11-11過程控制1第六章第六章 利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)2021-11-112過程控制6-1 概述概述2) 反饋控制系統(tǒng)的不足反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對(duì)象呈現(xiàn)大遲延在被控對(duì)象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的而又希望得到較好的過程響應(yīng)時(shí)過程響應(yīng)時(shí),反饋控制難以得到好的效果反饋控制難以得到好的效果(穩(wěn)定性穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性,快速性快速性)干擾多：準(zhǔn)確性難以保證，存在多種殘差遲延：快速性降低1) 反饋控制的優(yōu)點(diǎn)反饋控制的優(yōu)點(diǎn)(PID控制控制)原理簡單原理簡單, 使用方便使用方便,不需知道對(duì)象的確切模型不需知

2、道對(duì)象的確切模型適應(yīng)性強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)魯棒性強(qiáng)魯棒性強(qiáng), 控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不敏感控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不敏感魯棒性魯棒性:控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)不變的性能控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)不變的性能2021-11-113過程控制3)反饋控制的特點(diǎn)反饋控制的特點(diǎn) ：基于偏差來消除偏差；基于偏差來消除偏差； “不及時(shí)不及時(shí)”的控制的控制 ；存在穩(wěn)定性問題；存在穩(wěn)定性問題；對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用；對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用； 控制規(guī)律通常是控制規(guī)律通常是P、PI、PD或或PID等典型規(guī)等典型規(guī)律。律。問題問題:是否可以在偏差產(chǎn)生前是否可以在偏差產(chǎn)生前 (擾

3、動(dòng)發(fā)生但還未影響到輸出量擾動(dòng)發(fā)生但還未影響到輸出量) 就就讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作出反應(yīng)讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作出反應(yīng),通過對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償來抵消其影響通過對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償來抵消其影響,從從而使被控對(duì)象不受干擾量的影響而使被控對(duì)象不受干擾量的影響.這就是前饋控制這就是前饋控制(FFC),它它是一種按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方式是一種按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方式.2021-11-114過程控制例例1 換熱器控制換熱器控制(用蒸汽用蒸汽Q對(duì)物料對(duì)物料F進(jìn)行加熱進(jìn)行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定保持出料口物料溫度穩(wěn)定)方案方案1-反饋控制反饋控制缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)干擾的響應(yīng)不夠及時(shí)，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)對(duì)干擾的響應(yīng)不夠及時(shí)，總是偏

4、差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)按偏差大小進(jìn)行按偏差大小進(jìn)行控制的控制的 e調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥1被調(diào)量被調(diào)量: 換熱器出口溫度換熱器出口溫度1主要干擾主要干擾: 換熱器的物料量換熱器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)r1閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖F(s)Qe2021-11-115過程控制方案方案2-前饋控制前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進(jìn)行調(diào)節(jié)控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進(jìn)行調(diào)節(jié)Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)1前饋控制系統(tǒng)方框圖前饋控制系統(tǒng)方框圖Q1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+FQ優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：對(duì)干

5、擾直接進(jìn)行控制，控制比反饋對(duì)干擾直接進(jìn)行控制，控制比反饋及時(shí)及時(shí)干擾干擾F 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥1蒸汽量蒸汽量物料量物料量2021-11-116過程控制1( )( )( )( )( )( )PDffVPCsGsGs Gs GsF s系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對(duì)于干擾系統(tǒng)對(duì)于干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1FQ1( )0,( )0,F ss而代入上式有：( )( )( )( )0PDffVPCGsGs Gs Gs( )( )( )( )PDffVPCGsGsGs Gs 前饋控制的理論基礎(chǔ)是前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理不變性原理

6、，或稱為，或稱為擾動(dòng)補(bǔ)償理論擾動(dòng)補(bǔ)償理論2021-11-117過程控制不變性原理不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無關(guān)或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)，也就是被控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無關(guān)或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨(dú)立或基本獨(dú)立調(diào)量完全獨(dú)立或基本獨(dú)立(1) 絕對(duì)不變性絕對(duì)不變性對(duì)象在擾動(dòng)對(duì)象在擾動(dòng)Di(t)作用下作用下, 被調(diào)量被調(diào)量y(t)在整個(gè)過渡過程中始終保持不變?cè)谡麄€(gè)過渡過程中始終保持不變, 調(diào)調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零節(jié)過程的動(dòng)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.實(shí)際中難以達(dá)到：對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不可能絕對(duì)精確；擾動(dòng)補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)際中難以達(dá)到：對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不可能絕對(duì)精確；擾動(dòng)補(bǔ)償

7、裝置實(shí)現(xiàn)上的困難上的困難設(shè)被控對(duì)象受到干擾設(shè)被控對(duì)象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為：的不變性可表示為：( )0( )0 (1,2,. )iD ty tin當(dāng)時(shí)， 仍有即被調(diào)量即被調(diào)量y(t)與干擾與干擾Di(t)獨(dú)立無關(guān)獨(dú)立無關(guān)在應(yīng)用不變性原理時(shí)在應(yīng)用不變性原理時(shí),由于各種原因由于各種原因,不可能完全實(shí)現(xiàn)上式所規(guī)定的不可能完全實(shí)現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與與Di(t)獨(dú)立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種獨(dú)立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種不變性不變性2021-11-118過程控制(2) 誤差不變性誤差不變性準(zhǔn)確

8、度有一定限制的不變性可表示為：準(zhǔn)確度有一定限制的不變性可表示為：(3) 穩(wěn)態(tài)不變性穩(wěn)態(tài)不變性在干擾在干擾Di(t)作用下作用下, 被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差不為零被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差不為零, 而穩(wěn)態(tài)偏差為零而穩(wěn)態(tài)偏差為零, 被調(diào)量在被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動(dòng)量無關(guān)穩(wěn)態(tài)工況下與擾動(dòng)量無關(guān).(4) 選擇不變性選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對(duì)其中幾個(gè)主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對(duì)其中幾個(gè)主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變性. 減少了補(bǔ)償裝置減少了補(bǔ)償裝置, 節(jié)省節(jié)省投資又能達(dá)到對(duì)主要干擾的不變性投資又能達(dá)到對(duì)主要干擾的不變性( )0| ( )|iD ty t當(dāng)時(shí)，()()( )00,0issD tyery當(dāng)時(shí),允許存在一定的誤差允許存

9、在一定的誤差, 在工程上容易實(shí)現(xiàn)在工程上容易實(shí)現(xiàn), 而且生產(chǎn)中也不會(huì)有絕對(duì)不變而且生產(chǎn)中也不會(huì)有絕對(duì)不變性的要求性的要求, 所以應(yīng)用廣泛所以應(yīng)用廣泛. 如反饋控制從理論上應(yīng)該屬于誤差不變性如反饋控制從理論上應(yīng)該屬于誤差不變性2021-11-119過程控制6-2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)對(duì)象對(duì)象前饋前饋控制器控制器設(shè)定值設(shè)定值r調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量yD1 D2 D3被調(diào)量被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它它把影響過程的主要因素測量把影響過程的主要因素測量出來出來, 連同設(shè)定值一起連同設(shè)定值一起, 用來用來計(jì)算正確

10、的輸出計(jì)算正確的輸出,以適應(yīng)當(dāng)前以適應(yīng)當(dāng)前的狀態(tài)的狀態(tài)無論干擾何時(shí)出現(xiàn)無論干擾何時(shí)出現(xiàn), 都立即開始校正都立即開始校正, 使擾動(dòng)在影響到被調(diào)量之前就被抵使擾動(dòng)在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉消掉. 從理論上講從理論上講, 前饋控制可是實(shí)現(xiàn)很完善的控制前饋控制可是實(shí)現(xiàn)很完善的控制, 即使是難控過程即使是難控過程,其其性能也僅受測量和計(jì)算精度的限制性能也僅受測量和計(jì)算精度的限制一一 基本概念基本概念u = f(r, D1,D2,D3)2021-11-1110過程控制例例3 鍋筒鍋爐的水位控制鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽

11、輸出產(chǎn)生蒸汽輸出被調(diào)量被調(diào)量: 鍋爐水位鍋爐水位H,保持恒定保持恒定擾動(dòng)擾動(dòng): 負(fù)荷負(fù)荷(蒸汽蒸汽D)擾動(dòng)擾動(dòng), 給水?dāng)_給水?dāng)_ 動(dòng)動(dòng). 控制方案：控制方案：1. 串級(jí)控制串級(jí)控制(反饋控制反饋控制)2. 前饋控制前饋控制2021-11-1111過程控制1. 串級(jí)空制串級(jí)空制缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1. 對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)不夠及時(shí)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)不夠及時(shí)2. 如果負(fù)荷變化幅度大而且頻繁如果負(fù)荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求難以滿足要求,水位水位H波動(dòng)大波動(dòng)大3. 負(fù)荷對(duì)水位的影響存在假水位現(xiàn)象負(fù)荷對(duì)水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動(dòng)態(tài)偏差調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動(dòng)態(tài)偏差,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 過程加長過程加長主調(diào)主調(diào)節(jié)器節(jié)器

12、副調(diào)副調(diào)節(jié)器節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥管路管路鍋爐鍋爐壓力變送器壓力變送器液位變送器液位變送器給水給水?dāng)_動(dòng)擾動(dòng)負(fù)荷負(fù)荷擾動(dòng)擾動(dòng)rHG(s)D(s)假水位假水位: 鍋爐蒸汽負(fù)荷突然鍋爐蒸汽負(fù)荷突然,氣壓氣壓,水的沸點(diǎn)水的沸點(diǎn),水汽混合物體積水汽混合物體積,則此則此時(shí)水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升反之一樣時(shí)水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升反之一樣2021-11-1112過程控制主調(diào)主調(diào)節(jié)器節(jié)器副調(diào)副調(diào)節(jié)器節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥管路管路鍋爐鍋爐壓力變送器壓力變送器液位變送器液位變送器給水給水?dāng)_動(dòng)擾動(dòng)負(fù)荷負(fù)荷擾動(dòng)擾動(dòng)rHG(s)D(s)如果直接以負(fù)荷的擾動(dòng)來調(diào)節(jié)閥門如果直接以負(fù)荷的擾動(dòng)來調(diào)節(jié)閥門,使

13、給水量總等于負(fù)荷量使給水量總等于負(fù)荷量,就能解決就能解決負(fù)荷擾動(dòng)大負(fù)荷擾動(dòng)大,控制不及時(shí)的缺點(diǎn)控制不及時(shí)的缺點(diǎn).2021-11-1113過程控制鍋爐鍋爐DDT 開方器開方器LTLC閥閥QCDT 開方器開方器hIG*IGID+-If蒸汽蒸汽負(fù)荷負(fù)荷給水給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)*5.0GDLIIII5.0fGDIIIG=f(D, r)2021-11-1114過程控制前饋控制的特點(diǎn)前饋控制的特點(diǎn)(1) 前饋控制是按干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如果控制作用恰倒好處前饋控制是按干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時(shí)一般比反饋控制及時(shí)(2) 前饋控制屬于開環(huán)

14、控制系統(tǒng)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)(3) 前饋控制使用的是依對(duì)象特性而定的專用控制器前饋控制使用的是依對(duì)象特性而定的專用控制器(4) 一種前饋控制作用只能克服一種干擾一種前饋控制作用只能克服一種干擾(1) 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著被控參數(shù)影響顯著, 反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合(2) 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長,由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)量時(shí),可采

15、用前饋或前饋反饋控制系統(tǒng)可采用前饋或前饋反饋控制系統(tǒng).2021-11-1115過程控制二二 靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償,此時(shí)此時(shí),前饋控制器的輸出前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù)是輸入量的函數(shù), 而與時(shí)間因子無關(guān)而與時(shí)間因子無關(guān).對(duì)控制要求不是很高對(duì)控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果只關(guān)心結(jié)果,不不重過程重過程例例4 列管換熱器控制列管換熱器控制1) 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程2) 調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量 ( 2 )3) 擾動(dòng)量擾動(dòng)量 ( Q, 1, p )4) 熱平衡方程及控制算法熱平衡方程及控制算法換熱器換熱器料液料液Q, 12D加熱蒸汽加

16、熱蒸汽QQ蒸汽放熱料液吸熱21()prsQ cDH2121()()prsrcDQHkQ21psrcDH料液比熱蒸汽流量蒸汽汽化熱料液給定出口溫度料液初始溫度2021-11-1116過程控制無論無論Q, 1如何變化，總有如何變化，總有D=kQ( 2r- 1), Q, 1的擾動(dòng)都能由蒸汽流量的擾動(dòng)都能由蒸汽流量D立立即進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫秸羝髁康慕o定值即進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫秸羝髁康慕o定值D*=kQ( 2r- 1).前饋補(bǔ)前饋補(bǔ)償器償器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器器閥閥管道管道換熱器換熱器壓力壓力變送器變送器Q1 1D2 2D*2r2r5) 前饋控制算法與對(duì)象數(shù)學(xué)模型關(guān)系前饋控制算法與對(duì)象數(shù)學(xué)模型關(guān)系:從本質(zhì)上講從本質(zhì)上講,算法

17、就是數(shù)學(xué)模型算法就是數(shù)學(xué)模型Q1 1D2r2r數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型Q1 1D2r2r前饋控制算法前饋控制算法換熱器換熱器TXQ 12r1+-kQCDTDTD*DD2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器靜態(tài)前饋補(bǔ)償器2021-11-1117過程控制6) 參數(shù)對(duì)控制的影響參數(shù)對(duì)控制的影響21()rDkQQD2rD1D k對(duì)出口溫度對(duì)出口溫度2的影響：的影響：通過調(diào)整通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差設(shè)定值的殘差 k過小，過小，D的減小過小的減小過小,殘差為正殘差為正 k過大，過大，D的減小過大，殘差為負(fù)的減小過大，殘差為負(fù) k適當(dāng)，適當(dāng)，D的減小與的減小與Q的減小匹配，殘的減小匹配，殘 差為差為

18、0換熱器換熱器TXQ12r1+-kQCDTDTD*DD2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器靜態(tài)前饋補(bǔ)償器料液料液流量流量蒸汽蒸汽流量流量2021-11-1118過程控制7) 前饋控制與常規(guī)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較空制的比較(a) PID控制過程控制過程(b) 靜態(tài)前饋控制過程靜態(tài)前饋控制過程 前饋控制比前饋控制比PID空制及空制及時(shí)，能更早地校正偏差時(shí)，能更早地校正偏差 前饋控制超調(diào)量小前饋控制超調(diào)量小 前饋控制作用時(shí)間短前饋控制作用時(shí)間短.靜態(tài)前饋空制除了有較高靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的自身有的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的自身平衡傾向如料液沒流量平衡傾向如料液沒

19、流量后，蒸汽也會(huì)自動(dòng)關(guān)斷后，蒸汽也會(huì)自動(dòng)關(guān)斷2021-11-1119過程控制8) 靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn)靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn) 負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時(shí)溫度誤差負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時(shí)溫度誤差 如果負(fù)荷情況與當(dāng)初調(diào)整系統(tǒng)時(shí)的情況不同如果負(fù)荷情況與當(dāng)初調(diào)整系統(tǒng)時(shí)的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差就有可能出現(xiàn)殘差.右圖中曲線右圖中曲線-料液流量料液流量Q-蒸汽流量蒸汽流量D-按靜態(tài)前饋控制時(shí)按靜態(tài)前饋控制時(shí)Q 料液料液出口溫度變化曲線出口溫度變化曲線.存在一段時(shí)存在一段時(shí)間較小的偏差間較小的偏差,是由于擾動(dòng)通道是由于擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道之間對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和調(diào)節(jié)通道之間對(duì)象動(dòng)態(tài)特性

20、不同所引起的動(dòng)態(tài)偏差不同所引起的動(dòng)態(tài)偏差.靜態(tài)前靜態(tài)前饋補(bǔ)償不能解決饋補(bǔ)償不能解決從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計(jì)從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無法干預(yù)動(dòng)態(tài)偏偏差為零，但無法干預(yù)動(dòng)態(tài)偏差的發(fā)生差的發(fā)生2021-11-1120過程控制三三 動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的補(bǔ)償通過動(dòng)態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的補(bǔ)償通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全一致，

21、并使他們的符通道的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全一致，并使他們的符號(hào)相反，便可達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響號(hào)相反，便可達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響( )( )( )( )PDffVPCGsGsGs Gs Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1擾動(dòng)擾動(dòng)FQ動(dòng)態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器動(dòng)態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同的控制規(guī)律不同.動(dòng)態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)動(dòng)態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù), 而而且也是時(shí)間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的

22、靜態(tài)和動(dòng)且也是時(shí)間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。態(tài)誤差都接近或等于零。 2021-11-1121過程控制1. 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)擾動(dòng)量擾動(dòng)量-D(s)被調(diào)量被調(diào)量-Y(s)沒有補(bǔ)償器時(shí)沒有補(bǔ)償器時(shí), 擾動(dòng)量擾動(dòng)量D只通過只通過Gd(s)影響影響Y,即即Gv(s)Gff(s)補(bǔ)償器補(bǔ)償器m調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥Gp(s)DY(s)擾擾動(dòng)動(dòng)被調(diào)量被調(diào)量Gd(s)( )( ) ( )dY sGs D s有了補(bǔ)償器后，擾動(dòng)量有了補(bǔ)償器后，擾動(dòng)量D同時(shí)還通過補(bǔ)償通道同時(shí)還通過補(bǔ)償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被來影響被調(diào)量調(diào)量Y,則則( )(

23、)( )( )( )( )( )dffvpY sGs D sGs G s Gs D s( )( )( )( )( )( )dffvpY sGsGs G s GsD s根據(jù)不變性原理根據(jù)不變性原理, 有有補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為：( )( )( )( )dffvpG sGsG s Gs 2021-11-1122過程控制假定擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)假定擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延均為純遲延, 且為且為( ),( )pdssdpG seGse調(diào)節(jié)閥特性調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv, 則在擾動(dòng)則在擾動(dòng)D作用下，進(jìn)行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋?zhàn)饔孟拢M(jìn)行靜

24、態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實(shí)現(xiàn)裝置只需實(shí)現(xiàn)0( )1( )lim()( )( )dffsvpvGsGsG s Gsk 此時(shí)只能保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償此時(shí)只能保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償( )( )( )( )( )( )( )1( )()( )( )( )pdpddffvpssvvssY sGs D sGs G s Gs D seD sk eD skeD seD s Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)+Y(s)D2021-11-1123過程控制( )()()dpy tD tD t Dt0ytpd擾動(dòng)擾動(dòng)D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(d-p)的一的一個(gè)瞬變過程個(gè)瞬變

25、過程. 要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償, 需要把前饋信號(hào)需要把前饋信號(hào)推遲推遲d d-p p如果如果Gd(s)和和Gp(s)分別是時(shí)間常數(shù)為分別是時(shí)間常數(shù)為Td和和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k, 則有則有111( )( )( )()11vdpvY sD sD sksTsTk( )()pdt Tt Ty tD ee(假定假定TdTp)當(dāng)當(dāng)t+時(shí)時(shí),limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零靜態(tài)誤差為零.由于兩個(gè)通道由于兩個(gè)通道時(shí)間常數(shù)不同，出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偏差時(shí)間常數(shù)不同，出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偏差Dt0ytTdTp02021-11-112

26、4過程控制2. 簡單的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前簡單的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前-滯后環(huán)節(jié)滯后環(huán)節(jié)1) 按不變性原理實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償只有理論意義按不變性原理實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償只有理論意義,實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的 過程的動(dòng)態(tài)特性難以測準(zhǔn)，而且具有不可忽視的非線性，特別是在過程的動(dòng)態(tài)特性難以測準(zhǔn)，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負(fù)荷下動(dòng)態(tài)特性變化很大。不同負(fù)荷下動(dòng)態(tài)特性變化很大。 寫出的補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn)寫出的補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn)2) 可以采用前饋控制的過程的特點(diǎn)：可以采用前饋控制的過程的特點(diǎn)： 擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近 如果有純

27、遲延，在數(shù)值上比較接近如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償通在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償通常采用簡單的導(dǎo)前常采用簡單的導(dǎo)前-滯后裝置作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器就可以滿足要求其傳滯后裝置作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器就可以滿足要求其傳遞函數(shù)為：遞函數(shù)為：121( )1ffsGss其增益為其增益為1, 只起動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔弥黄饎?dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔? 按過程的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的靜態(tài)前饋控按過程的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的靜態(tài)前饋控制裝置則保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。制裝置則保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。1 1導(dǎo)前時(shí)間；導(dǎo)前時(shí)間；2 2滯后時(shí)間滯后時(shí)間2021-11-1125過程控制Gff(s)DM(

28、s)121( ),( )1ffsmD sGsss112122222( )( )( )1()11()()111ffM sD s Gssmmmssssss2122( )(1)tm tmed(t)ttm(t)121210.3/T0.32021-11-1134過程控制當(dāng)當(dāng)/T/T增加時(shí)增加時(shí),過程的相位滯后增加過程的相位滯后增加,增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定定, 嚴(yán)重時(shí)危及設(shè)備和人身安全嚴(yán)重時(shí)危及設(shè)備和人身安全4) 大遲延對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的危害大遲延對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的危害5) 解決方法解決方法1) 利用常規(guī)調(diào)節(jié)器適應(yīng)性強(qiáng)利用常規(guī)調(diào)節(jié)器適應(yīng)性強(qiáng), 調(diào)整方便的特點(diǎn)調(diào)整方便的特

29、點(diǎn),經(jīng)過仔細(xì)個(gè)別的調(diào)整經(jīng)過仔細(xì)個(gè)別的調(diào)整, 在在控制要求不太苛刻的情況下控制要求不太苛刻的情況下,滿足生產(chǎn)的要求滿足生產(chǎn)的要求2) 在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)控制方案在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)控制方案微分先行，中間反饋微分先行，中間反饋微分先行微分先行: 只對(duì)測量值起微分作用的控制算法只對(duì)測量值起微分作用的控制算法. 微分環(huán)節(jié)接在反饋通道微分環(huán)節(jié)接在反饋通道中中,位于設(shè)定值與測量值的比較點(diǎn)之前位于設(shè)定值與測量值的比較點(diǎn)之前,故稱微分先行故稱微分先行.在通常的在通常的PD或或PID控制算法中控制算法中,微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的, 不論設(shè)定值或不

30、論設(shè)定值或測量值的突然變化測量值的突然變化, 微分控制作用十分猛烈微分控制作用十分猛烈. 因此因此, 采用通常的采用通常的PD或或PID控制算法時(shí)控制算法時(shí),設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩.為了不受這種限制為了不受這種限制,可以只對(duì)測可以只對(duì)測量值起微分作用量值起微分作用,而測量值一般是不會(huì)突然變化的而測量值一般是不會(huì)突然變化的. 對(duì)象一般都具有慣性對(duì)象一般都具有慣性兩種控制方案都具有較大超調(diào)量兩種控制方案都具有較大超調(diào)量,響應(yīng)速度慢響應(yīng)速度慢. 如果在控制精度要求很高如果在控制精度要求很高的場合的場合,不能滿足要求不能滿足要求,需要采取其他控制手段需要采取其他控制手段,如補(bǔ)

31、償控制如補(bǔ)償控制.2021-11-1135過程控制二二 采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響在大遲延系統(tǒng)中采用的補(bǔ)償方法不同于前饋補(bǔ)償在大遲延系統(tǒng)中采用的補(bǔ)償方法不同于前饋補(bǔ)償,它是按照過程的特性設(shè)它是按照過程的特性設(shè)想出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中想出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中,以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性.這種補(bǔ)償反這種補(bǔ)償反饋因構(gòu)成模型的方法不同而形成不同的方案饋因構(gòu)成模型的方法不同而形成不同的方案.史密斯預(yù)估補(bǔ)償方法是得到史密斯預(yù)估補(bǔ)償方法是得到廣泛應(yīng)用的一種方案廣泛應(yīng)用的一種方案.Gc(s)Gp(s)Gs(s)R(s)U(s)Y(s)Y(s)-+史密

32、斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖Gs(s)Kpgp(s)e-s史密斯補(bǔ)償控制器的實(shí)現(xiàn)史密斯補(bǔ)償控制器的實(shí)現(xiàn)-+史密斯預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù)史密斯預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù)( )( )(1)dssppG sK gse2021-11-1136過程控制史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的效果史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的效果1) 在設(shè)定值擾動(dòng)時(shí)在設(shè)定值擾動(dòng)時(shí),能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,減小超調(diào)量減小超調(diào)量.例例6-2 (P139)2) 對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)無效果對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)無效果,并且會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定并且會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定.3) 加入史密斯預(yù)估器后系統(tǒng)魯棒性降低加入史密斯預(yù)估器后系統(tǒng)魯棒性降低. (PID控制系

33、統(tǒng)承受控制系統(tǒng)承受對(duì)象參數(shù)變化能力比帶史密斯補(bǔ)償器的系統(tǒng)強(qiáng)對(duì)象參數(shù)變化能力比帶史密斯補(bǔ)償器的系統(tǒng)強(qiáng))(PID控制系控制系統(tǒng)對(duì)過程的動(dòng)態(tài)性能精度要求不高統(tǒng)對(duì)過程的動(dòng)態(tài)性能精度要求不高,史密斯補(bǔ)償方案對(duì)過程動(dòng)史密斯補(bǔ)償方案對(duì)過程動(dòng)態(tài)特性精確度要求高態(tài)特性精確度要求高)2021-11-1137過程控制動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化對(duì)史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的影響動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化對(duì)史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的影響 在模型精確時(shí)在模型精確時(shí),史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好,ITAE小小,即調(diào)節(jié)時(shí)間短即調(diào)節(jié)時(shí)間短,超調(diào)量小超調(diào)量小. 模型參數(shù)變化時(shí)模型參數(shù)變化時(shí),PID控制品質(zhì)較穩(wěn)定控制品質(zhì)較穩(wěn)定,其其ITAE變化緩慢變化緩慢,而而史密斯補(bǔ)償控制的史密斯補(bǔ)償控制的ITAE隨對(duì)象參數(shù)變化出現(xiàn)大幅度變化隨對(duì)象參數(shù)變化出現(xiàn)大幅度變化. 說說明史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)魯棒性較差明史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)魯棒性較差. 模型難以精確時(shí)模型難以精確時(shí),選取