熱工控制系統(tǒng)課堂 第九章 大遲延控制系統(tǒng)

1、第九章第九章 大遲延控制系統(tǒng)大遲延控制系統(tǒng) 過程擾動(dòng)通道純遲延對系統(tǒng)控制質(zhì)量無影響，僅使系統(tǒng)響應(yīng)曲過程擾動(dòng)通道純遲延對系統(tǒng)控制質(zhì)量無影響，僅使系統(tǒng)響應(yīng)曲線推遲了遲延線推遲了遲延。但當(dāng)過程控制通道或測量環(huán)節(jié)存在純遲延時(shí)，會(huì)。但當(dāng)過程控制通道或測量環(huán)節(jié)存在純遲延時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延還會(huì)導(dǎo)致增大被控制量的最大動(dòng)態(tài)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延還會(huì)導(dǎo)致增大被控制量的最大動(dòng)態(tài)偏差，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降，而且偏差，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降，而且/T/Tc c之比越大越不易控制。之比越大越不易控制。 閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若采用串級(jí)、前饋等控制方案無法保證其閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若采用串級(jí)、前饋等控制方案無法保證其

2、控制質(zhì)量。控制質(zhì)量。熱工對象的特性：大多對象具有較大的純遲延性。熱工對象的特性：大多對象具有較大的純遲延性。第一節(jié)第一節(jié) 補(bǔ)償純遲延的常規(guī)控制補(bǔ)償純遲延的常規(guī)控制一、微分先行控制方案一、微分先行控制方案 純遲延系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用純遲延系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用PIDPID時(shí)，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)均下降，時(shí)，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降愈大。若將微分作用串聯(lián)在反饋回路，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降愈大。若將微分作用串聯(lián)在反饋回路，稱為微分先行控制方案。稱為微分先行控制方案。( (如圖如圖9-1)9-1) 微分環(huán)節(jié)輸出信號(hào)中包含微分環(huán)節(jié)輸出信號(hào)中包含了被控量的大小及其變化速度，了被控量的大

3、小及其變化速度，反饋到反饋到PIPI調(diào)節(jié)器，加強(qiáng)微分作調(diào)節(jié)器，加強(qiáng)微分作用，達(dá)到減小超調(diào)量效果。用，達(dá)到減小超調(diào)量效果。二、中間反饋控制方案二、中間反饋控制方案 如圖如圖9-29-2，系統(tǒng)微分作用獨(dú)立，在被控量變化時(shí)及時(shí)根據(jù)其變，系統(tǒng)微分作用獨(dú)立，在被控量變化時(shí)及時(shí)根據(jù)其變化速度大小起附加校正作用，微分校正作用與化速度大小起附加校正作用，微分校正作用與PIPI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)無關(guān)，只在動(dòng)態(tài)時(shí)起作用，而在靜態(tài)或在被控量變化速度恒定時(shí)不無關(guān)，只在動(dòng)態(tài)時(shí)起作用，而在靜態(tài)或在被控量變化速度恒定時(shí)不起作用。起作用。三、三種控制方案比較三、三種控制方案比較 PID PID、中間反饋、微分先

4、行控制三種控制方案的數(shù)字仿真結(jié)果、中間反饋、微分先行控制三種控制方案的數(shù)字仿真結(jié)果如圖如圖9-39-3。 2. 2.都存在較大的超調(diào)，都存在較大的超調(diào)，且響應(yīng)速度慢、控制精度且響應(yīng)速度慢、控制精度不高，如需高精度則采用不高，如需高精度則采用其它控制手段，如補(bǔ)償控其它控制手段，如補(bǔ)償控制、采樣控制。制、采樣控制。結(jié)果：結(jié)果： 1. 1.都能有效克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，而且無需特殊設(shè)都能有效克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，而且無需特殊設(shè)備；備；第二節(jié)第二節(jié) 預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制一、一、SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償原理預(yù)估補(bǔ)償原理簡單回路控制如圖簡單回路控制如圖: :WT(s)Wo(s)e-sR

5、sF(s)(s)Y(s)sOTsOTesWsWesWsWsRsY)()(1)()()()(sOTsOesWsWesWsFsY)()(1)()()(閉環(huán)傳遞函數(shù)：閉環(huán)傳遞函數(shù)：擾動(dòng)傳遞函數(shù)：擾動(dòng)傳遞函數(shù)： 系統(tǒng)中由于遲延的存在，對閉環(huán)極點(diǎn)的不利。而系統(tǒng)中由于遲延的存在，對閉環(huán)極點(diǎn)的不利。而SmithSmith預(yù)估方案預(yù)估方案主體思想就是消去分母中的遲延項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)方法就是把遲延引入到控主體思想就是消去分母中的遲延項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)方法就是把遲延引入到控制回路內(nèi)，如下圖。制回路內(nèi)，如下圖。WT(s)Wo(s)e-sRs(s)Y(s)WS(s)(sWO是對象除去遲延后的傳遞函數(shù)是對象除去遲延后的傳遞函數(shù))(sWS

6、SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)sOesWssY)()()(無補(bǔ)償，有遲延無補(bǔ)償，有遲延加補(bǔ)償器后傳函加補(bǔ)償器后傳函)()()()(sWesWssYSsO為消除遲延環(huán)節(jié)，則使：為消除遲延環(huán)節(jié)，則使：)()()()()(sWsWesWssYOSsO則預(yù)估補(bǔ)償器的傳函：則預(yù)估補(bǔ)償器的傳函：)1)()(sOSesWsW此式稱為此式稱為SmithSmith預(yù)估器。預(yù)估器。如何實(shí)施？其框圖圖下：如何實(shí)施？其框圖圖下：W WT T(s)(s)WWo o(s)e(s)e-s-sRsRs(s)(s)Y(s)Y(s)WW0 0(s)(s)e e-s-s- -+ +擾動(dòng)傳函：擾動(dòng)傳函：

7、)()(1)()()()(1 )()()(sWsWesWsWsWsWesWsFsYOTsOTOTsO)()(1)()()()(1 )(11sWsWsWsWsW：esWesWTOOTssO式中系統(tǒng)傳函：系統(tǒng)傳函：sOTsOTesWsWsWesWsWsRsY)()()(1)()()()(1 由系統(tǒng)傳函知，分母中沒有遲延環(huán)節(jié)，即消除了純遲延對系統(tǒng)由系統(tǒng)傳函知，分母中沒有遲延環(huán)節(jié)，即消除了純遲延對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。但分子中多了遲延，使系統(tǒng)響應(yīng)推遲了一個(gè)控制品質(zhì)的不利影響。但分子中多了遲延，使系統(tǒng)響應(yīng)推遲了一個(gè)遲延時(shí)間。遲延時(shí)間。 對于定值控制，閉環(huán)傳函由兩項(xiàng)組成：第一項(xiàng)為擾動(dòng)對被控質(zhì)對于定值控制

8、，閉環(huán)傳函由兩項(xiàng)組成：第一項(xiàng)為擾動(dòng)對被控質(zhì)量的影響；第二項(xiàng)為用來補(bǔ)償擾動(dòng)對被控對象的控制作用。由于第量的影響；第二項(xiàng)為用來補(bǔ)償擾動(dòng)對被控對象的控制作用。由于第二項(xiàng)有遲延二項(xiàng)有遲延，只有，只有t2t2時(shí)產(chǎn)生控制作用，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生控制作用，當(dāng)t=2t=2時(shí)無控制作用。時(shí)無控制作用。所以所以SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動(dòng)控制。預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動(dòng)控制。二、二、SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償控制預(yù)估補(bǔ)償控制1.1.抗干擾的抗干擾的SmithSmith預(yù)估器預(yù)估器在在SmithSmith補(bǔ)償回路中加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償回路中加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)W Wf f(s)(s)如

9、圖：如圖：)()()()(1)()1)()()()(1 )()()1)()()()(1)1)()()()(1 )()()(sWsWsWsWesWesWsWsWsWesWsWesWsWsWsWesWsWsWsWesWsFsYTOOfsOsTOOfsTOsTOOfsTOOfsO)()1)()(1)(sWesWsWsWOsTOf系統(tǒng)閉環(huán)傳函：系統(tǒng)閉環(huán)傳函：sOTsOTOfsOTesWsWesWsWsWsWesWsWsRsY)()()1)()()()(1)()()()(上式代入下式得：上式代入下式得：1)()(sRsY 上式說明系統(tǒng)可以完全跟蹤設(shè)定值，只要上式說明系統(tǒng)可以完全跟蹤設(shè)定值，只要W Wf

10、f(s)(s)能夠完全實(shí)現(xiàn)。能夠完全實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上，不易完全實(shí)現(xiàn)，尤其在對象用高階微分方程來描述時(shí)更但實(shí)際上，不易完全實(shí)現(xiàn)，尤其在對象用高階微分方程來描述時(shí)更是如此，但這結(jié)論有指導(dǎo)意義對改善抗干擾。是如此，但這結(jié)論有指導(dǎo)意義對改善抗干擾。2.2.增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案 Smith Smith預(yù)估補(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是預(yù)估補(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是PIDPID調(diào)節(jié)器連續(xù)地向補(bǔ)償器傳送，調(diào)節(jié)器連續(xù)地向補(bǔ)償器傳送，作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。補(bǔ)償器特性與過程特性有關(guān)，而過程作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。補(bǔ)償器特性與過程特性有關(guān)，而過程的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過程特性之間又有誤差，所以這種控制方法的特的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際

11、過程特性之間又有誤差，所以這種控制方法的特點(diǎn)是模型的誤差會(huì)隨時(shí)間積累，也就是對過程特性變化的靈敏度很點(diǎn)是模型的誤差會(huì)隨時(shí)間積累，也就是對過程特性變化的靈敏度很高。為克服這一缺點(diǎn)，可用用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制，如下圖。高。為克服這一缺點(diǎn)，可用用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制，如下圖。與與Smith補(bǔ)償模型相比：補(bǔ)償模型相比：加一個(gè)除法器、一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)、一個(gè)乘法器加一個(gè)除法器、一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)、一個(gè)乘法器除法器：過程的輸出值除以模型的輸出值。除法器：過程的輸出值除以模型的輸出值。 導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)：導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)：Td=，將過程與模型輸出之比提前進(jìn)入乘法，將過程與模型輸出之比提前進(jìn)入乘法器。器。 乘法器：將

12、預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送乘法器：將預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。到調(diào)節(jié)器。 三環(huán)節(jié)作用是根據(jù)模型和過程輸出信號(hào)之間的比值來提供一個(gè)三環(huán)節(jié)作用是根據(jù)模型和過程輸出信號(hào)之間的比值來提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)。自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)。)()()1 (1)()()()(sWsWsTesWsWsRsYOTdsOTm當(dāng)從傳遞函數(shù)可以看出，也能有效的改善控制性能的效果。從傳遞函數(shù)可以看出，也能有效的改善控制性能的效果。3.3.觀測補(bǔ)償器控制方案觀測補(bǔ)償器控制方案控制方案如圖：控制方案如圖：)()(1)()(1)()(1)()()()(sWsWsWsWsWsWs

13、WsWsRsYCKOKCTOT傳函：傳函：當(dāng)當(dāng)W WK K(s)(s)模足夠小，不管對象的時(shí)滯有多大，閉環(huán)特征方程變?yōu)椋耗Ｗ銐蛐?，不管對象的時(shí)滯有多大，閉環(huán)特征方程變?yōu)椋?)()(1sWsWTC 觀測補(bǔ)償器控制方案僅適用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，不適用于定值控觀測補(bǔ)償器控制方案僅適用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，不適用于定值控制系統(tǒng)；當(dāng)制系統(tǒng)；當(dāng) W WK K(s)(s)的模很大時(shí)，本控制方案與單回路控制系統(tǒng)相同。的模很大時(shí)，本控制方案與單回路控制系統(tǒng)相同。 表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與觀測器表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與觀測器W WC C(s)(s)有關(guān)與時(shí)滯大小無關(guān)，若有關(guān)與時(shí)滯大小無關(guān)，若W WC C(s)= W(s)= WO

14、O(s)(s)，則與，則與SmithSmith預(yù)估補(bǔ)償控制相同，表明控制效果與預(yù)估補(bǔ)償控制相同，表明控制效果與SmithSmith相同，但本方案對于對象參數(shù)的變化不敏感，且不需要時(shí)滯相同，但本方案對于對象參數(shù)的變化不敏感，且不需要時(shí)滯環(huán)節(jié)，實(shí)施方便，適應(yīng)性強(qiáng)。環(huán)節(jié)，實(shí)施方便，適應(yīng)性強(qiáng)。 對于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，本方案可看作由兩個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)組成。對于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，本方案可看作由兩個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)組成。 主控制器主控制器W WT T(s)(s)與與W Wo o(s)(s)、 W WC C(s)(s)、 W WK K(s)(s)組成的主隨動(dòng)控制系組成的主隨動(dòng)控制系統(tǒng)，用于使觀測器輸出值跟蹤設(shè)定值。統(tǒng)，用于使觀測器輸出值跟蹤設(shè)定