過程控制第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的課件

第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)3/16/20231過程控制§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的過程響應(yīng)時,反饋控制難以得到好的效果．(穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性,快速性)干擾多：準(zhǔn)確性難以保證，存在多種殘差遲延：快速性降低例1純遲延系統(tǒng)的快速性分析1)反饋控制的優(yōu)點(PID控制)①原理簡單,使用方便,不需知道對象的確切模型②適應(yīng)性強(qiáng)③魯棒性強(qiáng),

控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感魯棒性:控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時仍可使品質(zhì)指標(biāo)不變的性能3/16/20232過程控制上述幾類問題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：①反饋控制是一種偏差控制,系統(tǒng)在控制中必定存在偏差,因此不能得到完善的控制效果,而且調(diào)節(jié)器總是在偏差出現(xiàn)后才開始動作。②反饋控制器不能事先規(guī)定它的輸出值，而只是改變它的輸出值直到被調(diào)量與設(shè)定值一致為止,它是以嘗試法來進(jìn)行控制的,是一種原始的控制方法．問題:是否可以在偏差產(chǎn)生前(擾動發(fā)生但還未影響到輸出量)就讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作出反應(yīng),通過對干擾進(jìn)行補(bǔ)償來抵消其影響,從而使被控對象不受干擾的影響.這就是前饋控制(FFC),它是一種按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方式.3/16/20233過程控制方案2----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)．Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)θ1前饋控制系統(tǒng)方框圖Qθ1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++FQ優(yōu)點：對干擾直接進(jìn)行控制，控制比反饋及時干擾F

調(diào)節(jié)閥θ1蒸汽量物料量信號流向信號流向3/16/20235過程控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1FQ前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理,或稱為擾動補(bǔ)償理論—3/16/20236過程控制不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨立或基本獨立．(1)絕對不變性對象在擾動Di(t)作用下,被調(diào)量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變,調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.實際中難以達(dá)到：對象的動態(tài)特性不可能絕對精確；擾動補(bǔ)償裝置實現(xiàn)上的困難．理想的控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為:即被調(diào)量y(t)與干擾Di(t)獨立無關(guān)．在應(yīng)用不變性原理時,由于各種原因,不可能完全實現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨立無關(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．3/16/20237過程控制§6-2前饋控制系統(tǒng)對象前饋控制器設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2D3被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它把影響過程的主要因素測量出來,連同設(shè)定值一起,用來計算正確的輸出,以適應(yīng)當(dāng)前的狀態(tài)．無論干擾何時出現(xiàn),都立即開始校正,使擾動在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉.從理論上講,前饋控制可是實現(xiàn)很完善的控制,即使是難控過程,其性能也僅受測量和計算精度的限制．一基本概念u=f(r,D1,D2,D3)3/16/20239過程控制例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽輸出被調(diào)量:鍋爐水位H,保持恒定擾動:負(fù)荷(蒸汽D)擾動,給水?dāng)_動.控制方案：1.串級控制(反饋控制)2.前饋控制3/16/202310過程控制1.串級空制缺點：1.對擾動的響應(yīng)不夠及時2.如果負(fù)荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動大．3.負(fù)荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差,調(diào)節(jié)過程加長．假水位:鍋爐蒸汽負(fù)荷突然(出汽)↑,氣壓↓,水的沸點↓,水汽混合物體積↑,則此時水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升．反之一樣．負(fù)荷擾動主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐流量變送器液位變送器給水?dāng)_動rHG(s)D(s)液位-流量串級控制3/16/202311過程控制鍋爐DDT開方器LTΣLC閥QCDT開方器ΣhIG*IGID+-If蒸汽負(fù)荷給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)IＬG=f(D,r)3/16/202313過程控制前饋控制的特點(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,一般比反饋控制及時．控制類型控制的依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制被控變量的偏差e被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制干擾量的大小干擾量偏差出現(xiàn)前(2)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．(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，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著,反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合(2)當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長,由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時,可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng).3/16/202314過程控制二靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補(bǔ)償,此時,前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù),而與時間因子無關(guān).對控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過程．例4列管換熱器控制1)生產(chǎn)過程換熱器料液Q,θ1θ2D加熱蒸汽P找出主要擾動列出平衡方程具體實現(xiàn)2)調(diào)節(jié)量(θ2)3)擾動量(Q,θ1,p)4)前饋控制設(shè)計思路:◆主要擾動料液流量Q料液入口溫度θ13/16/202315過程控制換熱器θTΣXQ

θ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器前饋補(bǔ)償器調(diào)節(jié)器閥管道換熱器壓力變送器Qθ1Dθ2D*θ2r5)前饋控制算法與對象數(shù)學(xué)模型關(guān)系:從本質(zhì)上講,算法就是數(shù)學(xué)模型Qθ1Dθ2r

數(shù)學(xué)模型Qθ1Dθ2r前饋控制算法◆實現(xiàn)D=kQ(θ2r-θ1)無論Q,θ1如何變化,總有D=kQ(θ2r-θ1),Q,θ1的擾動都能由蒸汽流量D立即進(jìn)行補(bǔ)償．得到蒸汽流量的給定值D*=kQ(θ2r-θ1).3/16/202317過程控制6)參數(shù)對控制的影響Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D

↓k對出口溫度θ2的影響：通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差①k過小,D的減小過小,欠補(bǔ)償②k過大,D的減小過大,過補(bǔ)償③k適當(dāng),D的減小與Q的減小匹配,殘差為0換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器料液流量蒸汽流量3/16/202318過程控制7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過程(b)靜態(tài)前饋控制過程①前饋控制比PID空制及時，能更早地校正偏差②前饋控制超調(diào)量?、矍梆伩刂谱饔脮r間短.靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的自身平衡傾向．如料液沒流量后，蒸汽也會自動關(guān)斷．3/16/202319過程控制三動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補(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通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致,并使他們的符號相反,便可達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對被控變量的影響．動態(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.動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù),而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。

Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1擾動FQ擾動通道調(diào)節(jié)通道3/16/202321過程控制1.動態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計擾動量----D(s)被調(diào)量----Y(s)沒有補(bǔ)償器時,擾動量D只通過Gd(s)影響Y,即有了補(bǔ)償器后,擾動量D同時還通過補(bǔ)償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被調(diào)量Y,則根據(jù)不變性原理,有補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為：Gv(s)Gff(s)補(bǔ)償器m調(diào)節(jié)閥μGp(s)DY(s)擾動被調(diào)量Gd(s)擾動通道調(diào)節(jié)通道3/16/202322過程控制假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延,且為調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv,則在擾動D作用下，進(jìn)行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實現(xiàn)此時只能保證穩(wěn)態(tài)時對擾動的補(bǔ)償．Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)++Y(s)D3/16/202323過程控制如果Gd(s)和Gp(s)分別是時間常數(shù)為Td和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k,則有(假定Td>Tp)當(dāng)t+∞時,limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個通道時間常數(shù)不同,出現(xiàn)了動態(tài)偏差．Dt0ytTdTp0ytGff(s)Kv1/(Tps+1)1/(Tds+1)++Y(s)D3/16/202325過程控制2.簡單的動態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理實現(xiàn)完全補(bǔ)償只有理論意義,實際上是不可能實現(xiàn)的．①過程的動態(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)荷下動態(tài)特性變化很大。②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：①擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近②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)，即實現(xiàn)部分補(bǔ)償．通常采用簡單的導(dǎo)前---滯后裝置作為動態(tài)補(bǔ)償器就可以滿足要求．其傳遞函數(shù)為：其增益為1,只起動態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔?由靜態(tài)前饋裝置保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。τ1—導(dǎo)前時間；τ2—滯后時間3/16/202326過程控制換熱器ΣkQ

θ1

θ2rθ1+-xD*

θ2前饋控制PI閥p+-料液蒸汽換熱器前饋控制系統(tǒng)方框圖換熱器在前饋和反饋控制下的響應(yīng)曲線前饋控制的優(yōu)越性:與反饋控制相比,控制質(zhì)量好，而且不會出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測量信號.3/16/202329過程控制四前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準(zhǔn)確性難保證要達(dá)到高度的靜態(tài)準(zhǔn)確性,需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,精確的測量儀表和計算裝置,而且,模型中的系數(shù)也可能隨運行條件而變化．2)前饋控制是針對具體的擾動進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?一種前饋控制作用只能克服一種干擾.因此可以將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來,構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng).既利用了前饋控制作用及時的特點,又保持了反饋控制能克服多個擾動和對被調(diào)量實現(xiàn)反饋檢驗的長處．3)對被調(diào)量無檢驗3/16/202330過程控制Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)前饋－反饋控制系統(tǒng)方框圖

θ2r+-++++Dθ2典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)干擾通道前饋補(bǔ)償通道反饋通道系統(tǒng)的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動控制的結(jié)合，也稱為復(fù)合控制系統(tǒng)．前饋－反饋控制系統(tǒng)對擾動完全補(bǔ)償?shù)臈l件與前饋控制時完全相同,反饋回路中加入前饋控制對反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來的變化不大.但是反饋調(diào)節(jié)器所需完成的工作量大大減小,而被調(diào)量的靜態(tài)準(zhǔn)確性(殘差)總能夠滿足要求．3/16/202331過程控制換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p++--前饋控制器:Q,θ1D*反饋控制:其他干擾,補(bǔ)償前饋控制不準(zhǔn)確引起的偏差．換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)3/16/202332過程控制前饋－反饋控制的優(yōu)點：1)增加了反饋回路，簡化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其他干擾可由反饋控制予以校正2)反饋回路的存在,降低了前饋控制模型的精度要求．3)負(fù)荷或工況變化時,對象特性也要變化,可由反饋控制加以補(bǔ)償,具有一定的自適應(yīng)能力．3/16/202333過程控制§6-3大遲延系統(tǒng)1)遲延的形式2)遲延對控制系統(tǒng)的影響①容積遲延②純遲延純遲延的存在,使被調(diào)量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動,使過程產(chǎn)生超調(diào),延長了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴(yán)重時會引起生產(chǎn)事故,危及人身和設(shè)備安全．具有純遲延的過程被公認(rèn)為較難控制的過程,其難控程度隨著純遲延τ的增加而增加3)大遲延純遲延時間τ與過程的時間常數(shù)T之比大于0.3,即τ/T>0.33/16/202334過程控制當(dāng)τ/T增加時,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)定,嚴(yán)重時危及設(shè)備和人身安全．4)大遲延對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的危害5)解決方法1)利用常規(guī)調(diào)節(jié)器適應(yīng)性強(qiáng),調(diào)整方便的特點,經(jīng)過仔細(xì)個別的調(diào)整,在控制要求不太苛刻的情況下,滿足生產(chǎn)的要求．2)在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動控制方案．微分先行，中間反饋微分先行:只對測量值起微分作用的控制算法.微分環(huán)節(jié)接在反饋通道中,位于設(shè)定值與測量值的比較點之前,故稱微分先行.在通常的PD或PID控制算法中,微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的,不論設(shè)定值或測量值的突然變化,微分控制作用十分猛烈.因此,采用通常的PD或PID控制算法時,設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩.為了不受這種限制,可以只對測量值起微分作用,而測量值一般是不會突然變化的.對象一般都具有慣性兩種控制方案都具有較大超調(diào)量,響應(yīng)速度慢.如果在控制精度要求很高的場合,不能滿足要求,需要采取其他控制手段,如補(bǔ)償控制.3/16/202335過程控制二采用補(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,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,以補(bǔ)償過程的動態(tài)特性.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.史密斯預(yù)估補(bǔ)償方法是得到廣泛應(yīng)用的一種方案.Gc(s)Gp(s)Gs(s)R(s)U(s)Y(s)Y’(s)-++史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖Gs(s)Kpgp(s)e-τs史密斯補(bǔ)償控制器的實現(xiàn)-+史密斯預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù)3/16/202336過程控制史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的效果1)在設(shè)定值擾動時,能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,減小超調(diào)量.例6-2(P139)2)對負(fù)荷擾動無效果,并且會引起系統(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.(PID控制系統(tǒng)承受對象參數(shù)變化能力比帶史密斯補(bǔ)償器的系統(tǒng)強(qiáng))(PID控制系統(tǒng)對過程的動態(tài)性能精度要求不高,史密斯補(bǔ)償方案對過程動態(tài)特性精確度要求高)3/16/202337過程控制動態(tài)特性參數(shù)變化對史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的影響①在模型精確時,史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好,ITAE小,即調(diào)節(jié)時間短,超調(diào)量小.②模型參數(shù)變化時,PID控制品質(zhì)較穩(wěn)定,其ITAE