過(guò)程控制—復(fù)雜控制系統(tǒng)

1、過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)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)6-1 概述概述6-2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)6-3 大遲延系統(tǒng)大遲延系統(tǒng)6-4 非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)（自學(xué)）（自學(xué)）過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)6-1 概述概述反饋控制原理：按嘗試法根據(jù)偏差進(jìn)行控制反饋控制原理：按嘗試法根據(jù)偏差進(jìn)行控制有偏差才控制有偏差才控制不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出Gc(s)KvGp(s)-r +yDGd (s)+反饋控制的缺點(diǎn)：反饋控制的缺點(diǎn)：KvGp(s)yDGd (s)+G

2、ff(s)設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)控制器Gff(s)，使使Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。則擾動(dòng)則擾動(dòng)D的變化與輸出的變化與輸出Y無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)工程實(shí)際中幾種不變性工程實(shí)際中幾種不變性( )0( )0iDty t當(dāng)時(shí) ，( )0( )iDty t當(dāng)時(shí) ，( )0lim( )0itDty t 當(dāng)時(shí) ，（1）絕對(duì)不變性：）絕對(duì)不變性：（2）誤差不變性：）誤差不變性：（3）穩(wěn)態(tài)不變性：）穩(wěn)態(tài)不變性：（4）選擇不變性：對(duì)主要擾動(dòng)不變性）選擇不變性：對(duì)主要擾動(dòng)不變性控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無(wú)關(guān)控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無(wú)關(guān)或在一定準(zhǔn)確

3、度下無(wú)關(guān)。即：或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)。即：U(s)Y(s)D1(s) Di(s) Dn(s)被控對(duì)象中的內(nèi)部擾動(dòng)（調(diào)節(jié)量）和外部擾動(dòng)被控對(duì)象中的內(nèi)部擾動(dòng)（調(diào)節(jié)量）和外部擾動(dòng)( )0( )01,2,iD ty tin當(dāng)時(shí)，過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)6-2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)1 基本概念基本概念2 靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋3 動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋4 前饋前饋反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)HWD汽包水位控制例汽包水位控制例Gc1(s)KvGp(s)-rHDw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)當(dāng)當(dāng)Gff(s) Gp(s)=- G

4、d(s)時(shí)，蒸汽擾動(dòng)對(duì)水位的影響消除。時(shí)，蒸汽擾動(dòng)對(duì)水位的影響消除。 把把Gff(s) 稱為前饋控制器。稱為前饋控制器。，定義：定義：基于不變性原理的控制稱為前饋控制。是一種按基于不變性原理的控制稱為前饋控制。是一種按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制，不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制，不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1 基本概念基本概念過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)定義：定義：基于不變性原理的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)?；诓蛔冃栽淼目刂葡到y(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)。是一種按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是一種按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)對(duì) 象象前饋控制器前饋控制器D1 Di Dn

5、y前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)2 靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋定義：保證在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用的前饋稱為靜態(tài)定義：保證在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用的前饋稱為靜態(tài)前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原理前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原理( )0lim( )0itDty t 當(dāng)時(shí) ，前饋控制器的設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況進(jìn)行前饋控制器的設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況進(jìn)行過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單情況：簡(jiǎn)單情況：HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)若若p-p

6、ppKG(s) =e1 + T sdddd-KG(s) =e1 + T s靜態(tài)前饋控制器為：靜態(tài)前饋控制器為：dffpKK=K過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜情況：復(fù)雜情況： 靜態(tài)前饋控制器的設(shè)計(jì)是按過(guò)程的物質(zhì)或能量平衡靜態(tài)前饋控制器的設(shè)計(jì)是按過(guò)程的物質(zhì)或能量平衡方程計(jì)算補(bǔ)償校正值。方程計(jì)算補(bǔ)償校正值。過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)列管換熱器控制列管換熱器控制換熱器熱平衡方程為：換熱器熱平衡方程為：21()prsQ cD Hpc為定壓比熱容為定壓比熱容為汽化潛熱為汽化潛熱sH2121()()pffrrscKDQkQH那么前饋控制器為：那么前

7、饋控制器為：常數(shù)常數(shù)QCDTDTTk2r+-QD21料液料液加熱蒸汽加熱蒸汽靜態(tài)前饋控制器靜態(tài)前饋控制器過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)3 動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋若若p- spppKG(s) =e1 + T sdddd- sKG(s) =e1 + T sdpdp-(- )spdffpd-(- )spffd1 + T sKG(s ) =eK1 + T s1 + T sKe1 + T s靜態(tài)前饋靜態(tài)前饋kff動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋Gff(s)Gff(s)Gp(s)Gd(s)D過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)KffGp(s)Gd(s)D擾動(dòng)擾動(dòng)D擾動(dòng)輸出擾動(dòng)輸出調(diào)

8、節(jié)輸出調(diào)節(jié)輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)前饋要?jiǎng)討B(tài)前饋要消除的面積消除的面積動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)生的面積生的面積動(dòng)態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋Gff(s)的圖示說(shuō)明：的圖示說(shuō)明：靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋控制器（補(bǔ)償器）動(dòng)態(tài)前饋控制器（補(bǔ)償器）dp-(- )spffd1 + T sG(s )e1 + T s討論：討論：（1）Tp=Td，則，則dp-(- )sffG(s )e若若,dp動(dòng)態(tài)前饋為動(dòng)態(tài)前饋為純遲延純遲延可實(shí)現(xiàn)；可實(shí)現(xiàn)；若若,dp動(dòng)態(tài)前饋為純提前不可實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)前饋為純提前不可實(shí)現(xiàn)。擾擾動(dòng)動(dòng)DGff(s)Gp(s)Gd(s)D由此可得到：在選擇

9、調(diào)節(jié)通道時(shí)應(yīng)選由此可得到：在選擇調(diào)節(jié)通道時(shí)應(yīng)選擇遲延短的和時(shí)間常數(shù)小的通道。擇遲延短的和時(shí)間常數(shù)小的通道。過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)（2） p= d ，則，則pffd1 + T sG(s )1 + T s若若Tp=Td,1ffG(s )若若TpTd,若若Tp0.3/T0.3控制難度：超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)控制難度：超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)簡(jiǎn)單解決辦法：簡(jiǎn)單解決辦法：dGp(s)PI34T s + 1Ts + 1ry微分先行控制微分先行控制dGp(s)PIDDDK T sT s +1ry中間反饋控制中間反饋控制過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)某大遲

10、延對(duì)象某大遲延對(duì)象 不同控制方案仿真結(jié)果不同控制方案仿真結(jié)果方案方案PID微分先行微分先行中間反饋中間反饋超調(diào)量超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間0.2890.1620.13325min28min21min42( )41spGses過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)2 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Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)essK g (s)+-U(s)Y(s)史密斯預(yù)估控制原理圖史密斯預(yù)估控制原理圖ppY (s)= Kg(s)U (s)史密斯預(yù)估控制原理史密斯預(yù)估控制原理通過(guò)加補(bǔ)償器使被延遲通過(guò)加補(bǔ)償器使被延遲的被調(diào)量超前反映。

11、即：的被調(diào)量超前反映。即：d-sppssY (s) = (Kg(s)e+ Kg (s)U (s)d-sppppssKg(s) = Kg(s)e+ Kg (s)(1)d-sssppKg (s) = Kg(s)e整理得史密斯預(yù)估器為：整理得史密斯預(yù)估器為：過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)ppK g (s)+-D(s)Rdddd-scpp-s-scppcpp-scppcppG(s)Kg(s)eY (s)=(s)1 + G(s)Kg(s)eG(s)Kg(s)(1 - e)G(s)Kg(s)e1

12、+ G(s)Kg(s)由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) 系統(tǒng)特征方程不純含遲延項(xiàng)，因此消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)特征方程不純含遲延項(xiàng)，因此消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。史密斯控制框圖史密斯控制框圖過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)ppK g (s)+-D(s)定值擾動(dòng)定值擾動(dòng)R常規(guī)常規(guī)PID系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出負(fù)荷擾動(dòng)負(fù)荷擾動(dòng)D常規(guī)常規(guī)PID系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出42( )41spGs

13、es例例6-2過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng) 史密斯預(yù)估控制雖然對(duì)定值擾動(dòng)有很好的控制效史密斯預(yù)估控制雖然對(duì)定值擾動(dòng)有很好的控制效果，然而對(duì)其他擾動(dòng)控制效果變差，而且當(dāng)預(yù)估器模果，然而對(duì)其他擾動(dòng)控制效果變差，而且當(dāng)預(yù)估器模型不準(zhǔn)確時(shí)，控制效果也變差（型不準(zhǔn)確時(shí)，控制效果也變差（P141）。）。史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)完全抗干擾實(shí)現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補(bǔ)償器的史密斯補(bǔ)償器Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)ppK g (s)+-D(s)Gf(S)-方案一方案一dd- s- sppfcppppp

14、pfcpp1 + K g (s)G (s)G (s)K g (s)(1 - e)K g (s)eY(s)=D(s)1 + K g (s)G (s)G (s)K g (s)過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)上式分子項(xiàng)為上式分子項(xiàng)為0，可使系統(tǒng)完全不受擾動(dòng)，可使系統(tǒng)完全不受擾動(dòng)D的影響。的影響。d- spcpfpp1 + K G (s)g (s)(1 - e)G (s) =K g (s)顯然只要取顯然只要取再看：再看：d- scppppfcppG (s)K g (s)eY(s)=R(s)1 + K g (s)G (s)G (s)K g (s)1dd- sppc- sppcK g G (s)(s)eY(s)=R(s)K g G (s)(s)e系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)對(duì)R的響應(yīng)為的響應(yīng)為1，完全跟蹤設(shè)定值。，完全跟蹤設(shè)定值。過(guò)程控制過(guò)程控制 第二篇第二篇 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)方案二方案二Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)mmK g (s)D(s)1+TDs增益