常用高性能過控系統(tǒng)

常用高性能過控系統(tǒng)第1頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第六章常用高性能過控系統(tǒng)一串級(jí)控制系統(tǒng)二前饋控制系統(tǒng)三大時(shí)延過程的補(bǔ)償控制第2頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)例：化學(xué)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)干擾

進(jìn)料方面：進(jìn)料量，進(jìn)料溫度，進(jìn)料化學(xué)成分等。以上干擾統(tǒng)稱為F1

冷卻水方面：冷卻水溫度，冷卻水壓力。以上干擾稱為F2反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)第3頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制系統(tǒng)實(shí)例假設(shè)冷卻水的壓力升高！冷卻水流量↑＝＞夾套溫度↓夾套溫度↓（傳熱）＝＞釜壁溫度↓釜壁溫度↓（傳熱）＝＞介質(zhì)溫度↓介質(zhì)溫度↓（調(diào)節(jié)）＝＞閥門開度↓閥門開度↓（節(jié)流）＝＞冷水流量↓問題：調(diào)節(jié)滯后很大，效果不好！第4頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一改進(jìn)后控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)來自冷卻水方面的干擾，可以用一個(gè)溫度傳感器測(cè)量對(duì)冷卻水參數(shù)變化比較敏感的夾套溫度。

如果如圖所示用T2T和T2C構(gòu)成夾套溫度控制自系統(tǒng)就可以有效抑制來自冷卻水方面的干擾。能否在反應(yīng)釜溫度降低前提前關(guān)小閥門？串級(jí)控制系統(tǒng)第5頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

TC1

稱為“主調(diào)節(jié)器”；TC2稱為”副調(diào)節(jié)器”。F1稱為“一次擾動(dòng)”；F2稱為“二次擾動(dòng)”。第6頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)對(duì)外環(huán)來講，操作量（控制量）為夾套溫度！對(duì)內(nèi)環(huán)來講，被控量為夾套溫度，操作量為閥門開度！副回路相當(dāng)于一個(gè)

“偽執(zhí)行器”第7頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制效果分析控制效果分析理想效果第8頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制效果分析我們把作為衡量系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)，其值越大系統(tǒng)性能越好考慮都采用純比例則第9頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制效果對(duì)比如不采用串級(jí)控制由于所以串級(jí)控制系統(tǒng)性能更好第10頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)一（單回路系統(tǒng)性能）實(shí)驗(yàn)１第11頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)一（單回路系統(tǒng)性能）系統(tǒng)給定值擾動(dòng)曲線（S1）第12頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)一（單回路系統(tǒng)性能）系統(tǒng)F2干擾擾動(dòng)曲線（S2）第13頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)二（串級(jí)系統(tǒng)性能）實(shí)驗(yàn)2第14頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)二（串級(jí)系統(tǒng)性能）系統(tǒng)給定值擾動(dòng)曲線（S5）與單回路相比系統(tǒng)過渡過程加快第15頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)二（串級(jí)系統(tǒng)性能）系統(tǒng)F2干擾擾動(dòng)曲線（S3）與單回路相比系統(tǒng)最大偏差明顯減小第16頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為何系統(tǒng)的給定值擾動(dòng)的過渡過程也加快？把副回路看作一個(gè)等效過程為簡(jiǎn)化分析取第17頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析第18頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)三（分析實(shí)驗(yàn)）對(duì)比實(shí)驗(yàn)（S6）副對(duì)象的慣性明顯減小第19頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)(1)對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的減小導(dǎo)致工作頻率提高，同時(shí)由于時(shí)間常數(shù)的減小，可提高控制器增益進(jìn)一步提高工作頻率(2)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。第20頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)(3)對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。第21頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)(4)消除非線性環(huán)節(jié)第22頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1)副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇a)副參數(shù)必須是物理可測(cè)。b)必須使副回路包含被控過程中變化劇烈、頻繁且幅度大的主要干擾，并力求包含更多的干擾?？刂葡到y(tǒng)抑止F2干擾比抑止F1干擾的能力強(qiáng)！第23頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

a）：燃料油壓力為主要干擾；b）：燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾當(dāng)串級(jí)控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時(shí)，有串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)c)副參數(shù)的選擇應(yīng)使主、副被控過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)錯(cuò)開。副回路的時(shí)間常數(shù)不能太大，調(diào)節(jié)通道盡可能短。第24頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一假設(shè)

為常量頻率的比值大于3，時(shí)常的比值在3～10范圍內(nèi)選擇。串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第25頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)c)副參數(shù)的選擇應(yīng)使主、副被控過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)錯(cuò)開。副回路的時(shí)間常數(shù)不能太大，調(diào)節(jié)通道盡可能短。

那個(gè)控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制方法后性能改善比較明顯？第26頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2)主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇a)主調(diào)節(jié)器定值控制，所以一般選PI或PID。b)副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制，一般選P或PI。3)主副調(diào)節(jié)器正反作用的選擇返回按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則，在確定外環(huán)時(shí)將內(nèi)環(huán)看作一個(gè)”偽執(zhí)行器“第27頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一正、反作用方式的選擇實(shí)例選擇步驟：工藝要求→調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)→副調(diào)節(jié)器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調(diào)節(jié)器的正、反作用。(圖6－8）燃油閥氣開，副對(duì)象為正過程，副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器；主對(duì)象也為正過程，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式選擇參見232頁(yè)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第28頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一c)觀察控制過程，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)滿足工藝要求。串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.1)一步整定法。主、副控制回路時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開的情況(T01/T02=3~10）a)將副回路置于純比例控制，由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定副調(diào)節(jié)器參數(shù)b)閉合副回路，按普通單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主回路PID參數(shù)4)串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法第29頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一c)按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察修改到滿意。返回串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.2)兩步整定法。

a)工況穩(wěn)定，主副回路均閉合，用4:1的衰減比求得b)將副回路等效成一個(gè)環(huán)節(jié)，同樣的方法求得第30頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一按兩步整定的方法，反復(fù)試湊主副回路的PID參數(shù)！串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.3)逐步逼近法。主、副控制回路時(shí)間常數(shù)接近的情況第31頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.適用于容量滯后較大的過程：選容量滯后較小的輔助變量，減小時(shí)常，提高頻率。（圖6－8）2.適用于純滯后較大的過程：（圖6－9,）工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250Pa;特點(diǎn)：距離長(zhǎng)，純滯后時(shí)間長(zhǎng)。仿絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制。串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍第32頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5.適用于非線性過程注意：串級(jí)控制雖然應(yīng)用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點(diǎn)，才能收到預(yù)期的效果。4.適用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程：3.適用于干擾變化劇烈、幅度大的過程：串級(jí)控制系統(tǒng)的適用范圍返回第33頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一前饋控制系統(tǒng)例：換熱器溫度控制系統(tǒng)

由于反饋控制過程中不可避免的存在偏差，所以反饋控制無法實(shí)現(xiàn)完美的控制。第34頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一采用前饋控制的效果

由此可見前饋控制理論上可以實(shí)現(xiàn)完美的控制效果但它是一種開環(huán)控制，控制結(jié)果無法檢驗(yàn)。第35頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一前饋控制的特點(diǎn)前饋控制的特點(diǎn)1前饋控制是一種開環(huán)控制。2前饋控制是一種按干擾大小進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂啤?前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律與常規(guī)PID調(diào)節(jié)規(guī)律不同，它是一個(gè)專用控制器。4前饋控制只能抑制可測(cè)不可控的干擾。第36頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一前饋控制的局限性前饋控制的局限性3決定前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律的是過程的動(dòng)特性和

而和的精確值是很難得到的，既使能夠得到，有時(shí)也很難實(shí)現(xiàn)。

1在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，使被控參數(shù)變化的干擾是很多的，不可能針對(duì)每一個(gè)干擾設(shè)計(jì)和應(yīng)用一套獨(dú)立的前饋控制器。2對(duì)不可測(cè)的干擾無法實(shí)現(xiàn)前饋控制。靜態(tài)前饋第37頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)前饋---反饋復(fù)合控制系統(tǒng)時(shí)首先按常規(guī)方法設(shè)計(jì)反饋控制回路，然后針對(duì)系統(tǒng)中可測(cè)不可控的強(qiáng)干擾設(shè)計(jì)前饋控制器，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。返回第38頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一純滯后概念的引入1建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（第二章）2單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定（第五章）當(dāng)時(shí)系統(tǒng)不能采用常規(guī)的PID控制

高階慣性系統(tǒng)可近似為一階慣性加純滯后系統(tǒng)第39頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一純滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制一、工業(yè)實(shí)際中的純滯后系統(tǒng)二、純滯后對(duì)系統(tǒng)性能的影響三、Smith預(yù)估控制的基本思想四、改進(jìn)型Smith預(yù)估控制系統(tǒng)返回第40頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例1：燃煤鍋爐中的純滯后給煤機(jī)皮帶輸煤機(jī)鍋爐給煤量第41頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一燃煤鍋爐中的關(guān)鍵設(shè)備給煤機(jī)皮帶輸煤機(jī)第42頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一給煤量第43頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一燃燒控制中的純滯后

設(shè)傳輸距離為L(zhǎng)，皮帶速度為V，則純滯后時(shí)間為：控制量被滯后第44頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例2：軋機(jī)控制中的純滯后第45頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例2：軋機(jī)控制中的純滯后第46頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例2：軋機(jī)控制中的純滯后傳感器軋制輥卷取機(jī)平整輥控制器執(zhí)行器傳感器的滯后導(dǎo)致板厚測(cè)量值被延遲了測(cè)量信號(hào)被滯后第47頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一純滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制一、工業(yè)實(shí)際中的純滯后系統(tǒng)二、純滯后對(duì)系統(tǒng)性能的影響三、Smith預(yù)估控制的基本思想四、改進(jìn)型Smith預(yù)估控制系統(tǒng)第48頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、純滯后對(duì)系統(tǒng)性能的影響仿真實(shí)驗(yàn)1被控制對(duì)象傳遞函數(shù)為：

PID控制器第49頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一無純滯后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線無純滯后的響應(yīng)曲線無純滯后的情況下系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果比較理想！

觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線假設(shè)純滯后時(shí)間第50頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一結(jié)論：試驗(yàn)1結(jié)果分析

1、純滯后的存在嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度！

2、改變PID參數(shù)后系統(tǒng)的過渡過程性能指標(biāo)嚴(yán)重下降！對(duì)象有純滯后對(duì)象無純滯后60S重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)180S第51頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一純滯后環(huán)節(jié)的BODE圖

純滯后環(huán)節(jié)的滯后相角隨頻率的增加無限增大。第52頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一純滯后廣泛存在于過程控制系統(tǒng)中要求設(shè)計(jì)一種有效的控制方法把純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響降低到最??！小結(jié)純滯后

對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響非常大

1、穩(wěn)定裕度降低。

2、控制系統(tǒng)性能變差。Smith預(yù)估控制第53頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一純滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制一、工業(yè)實(shí)際中的純滯后系統(tǒng)二、純滯后對(duì)系統(tǒng)性能的影響三、Smith預(yù)估控制的基本思想四、改進(jìn)型Smith預(yù)估控制系統(tǒng)第54頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、預(yù)估控制的基本思想可否采用如下方法?

由于時(shí)間軸是單向的，“純超前”系統(tǒng)是不存在的，物理上不可以實(shí)現(xiàn)！

系統(tǒng)輸出不能“超前”，但是否可以預(yù)測(cè)呢？第55頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Smith預(yù)估控制的基本思想利用預(yù)估模型提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出。預(yù)估模型系統(tǒng)建模重點(diǎn)1由于模型一樣，系統(tǒng)對(duì)于控制量的輸出也相同!第56頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一理想系統(tǒng)的控制效果

系統(tǒng)的輸出雖然被延遲了一段時(shí)間，但控制效果和沒有純滯后環(huán)節(jié)是一樣的。系統(tǒng)真實(shí)輸出預(yù)測(cè)模型輸出第57頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Smith預(yù)估控制的基本思想問題如此簡(jiǎn)單的解決了？預(yù)估模型該系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)？被控對(duì)象

實(shí)際上這是一個(gè)貌似閉環(huán)的開環(huán)控制系統(tǒng)，僅僅只是對(duì)控制器內(nèi)部變量的局部閉環(huán)！第58頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一開環(huán)預(yù)估系統(tǒng)的問題而辨識(shí)模型難免存在誤差開環(huán)控制對(duì)模型誤差非常敏感假設(shè)：第59頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一簡(jiǎn)單預(yù)估系統(tǒng)的問題

受模型誤差的影響，系統(tǒng)輸出必然存在控制誤差。這些誤差會(huì)在系統(tǒng)的狀態(tài)變量中累積。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行可能產(chǎn)生很大的偏差！系統(tǒng)真實(shí)輸出預(yù)測(cè)模型輸出如何解決?第60頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Smith預(yù)估控制系統(tǒng)

此時(shí)形成了兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)估值對(duì)對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一個(gè)系統(tǒng)則對(duì)誤差進(jìn)行抑制。兩個(gè)系統(tǒng)共用PID調(diào)節(jié)裝置！重點(diǎn)2第61頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Smith預(yù)估控制系統(tǒng)目的：使結(jié)構(gòu)緊湊第62頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Smith預(yù)估控制系統(tǒng)Smith預(yù)估控制器結(jié)論：第63頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Smith預(yù)估控制的效果Smith預(yù)估控制在模型有差的情況下依然具有良好的調(diào)節(jié)效果！仿真實(shí)驗(yàn)2第64頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期一總結(jié)：預(yù)估控制的特點(diǎn)與問題