非線性控制系統(tǒng)樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。第2篇先進(jìn)控制控制系統(tǒng)第8章非線性控制系統(tǒng)前面的章節(jié)所討論的都是線性系統(tǒng),可是實(shí)際上,大多數(shù)物理過程都具有一定程度的非線性。即使如此,如果系統(tǒng)的非線性程度不高,或者僅存在于較窄的操作范圍內(nèi),可將其近似為一個線性系統(tǒng)來進(jìn)行處理,則前面所討論的控制技術(shù),例如常規(guī)PID控制仍舊是有效的?？墒菍τ谝恍┚哂胁豢珊鲆暤姆蔷€性的過程,這種方法就不適用了。這種情況下,采用非線性控制策略能進(jìn)一步提高控制品質(zhì)。隨著控制理論的進(jìn)展,自動化技術(shù)工具的發(fā)展,特別是計算機(jī)的使用,使非線性控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中逐步多了起來。如果對非線性控制系統(tǒng)粗略地進(jìn)行分類,能夠分為兩類:一類過程是線性的(或近似按線性處理),為了滿足控制系統(tǒng)的某種要求或改進(jìn)控制系統(tǒng)質(zhì)量而引入非線性的控制規(guī)律;另一類過程本身是非線性的,引入非線性的補(bǔ)償元件或控制規(guī)律,以達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的控制指標(biāo)。8．1線性過程的非線性控制8．1．1液位的非線性控制(1)均勻控制的實(shí)現(xiàn)kp0ekp0e不靈敏區(qū)圖8—1非線性控制器比例部分的輸出特性利用非線性控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)均勻控制的原理較簡單,只要根據(jù)工藝允許的液位波動范圍,合理設(shè)置不靈敏區(qū)寬度,就能做到在較小的外擾作用下,使液位偏差信號在不靈敏區(qū)內(nèi)變化,非線性控制器工作在小增益區(qū)域,從而輸出變化不大,控制閥的開度變化也不大,流量僅僅在小范圍內(nèi)波動。也就是說,液位在允許范圍內(nèi)波動的同時,流量不至于有較大的變化,達(dá)到液位和流量的均勻控制。只有在較大的外擾作用進(jìn)入系統(tǒng)時,液位偏差信號一旦超出不靈敏區(qū),非線性控制器才工作在高增益區(qū)域,其控制作用有一個較大的輸出變化,使流量也產(chǎn)生一個較大的變化。但這種作較大變化的時間是短暫的,因?yàn)檩^強(qiáng)的控制作用驅(qū)使流量作較大的變化,能夠很快地把液位偏差信號拉回到不靈敏區(qū),于是整個系統(tǒng)又回復(fù)到上述的不靈敏區(qū)內(nèi)的工作情況。因此,這種非線性液位控制系統(tǒng)經(jīng)常工作在不靈敏區(qū)范圍內(nèi),液位和流量均在小范圍內(nèi)波動,僅僅為了有力地克服大擾動作用,系統(tǒng)才工作在高增益區(qū),造成流量的較大波動,但這種情況是不太多的,維持的時間也是較短的。實(shí)際系統(tǒng)的組成可采用單回路控制或非線性串級控制等形式,其系統(tǒng)構(gòu)成分別示于圖8—2(a)、(b)。引入非線性串級均勻控制,有利于減少流量的波動,適用于控制閥前后壓力波動較大的場合。(2)非線性控制器的類型及應(yīng)用情況帶不靈敏區(qū)的非線性控制器的實(shí)際類型是很多的,這里介紹常見的幾種。①控制器是具有PI或PID作用的(當(dāng)然對用于實(shí)際均勻控制目的的液位系統(tǒng),D作用一般是不需要的),控制器在不靈敏區(qū)內(nèi)外僅僅是增益KC發(fā)生了變化,例如可相差十倍,而積分時間Ti是不變化的。有些資料上稱其為A型。②控制器是具有PI作用的,控制器從不靈敏區(qū)內(nèi)到不靈敏區(qū)外,在增益KC增加的同時,Ti隨之減少,例如KC增加十倍,Ti將縮小十倍。有些資料上稱其為B型。能夠說它的不靈敏區(qū)不但對于增益高低而言,也是對積分作用的強(qiáng)弱而言。非線性控制器FiFiLC非線性控制器LCFCFoFo(a)單回路非線性液位控制系統(tǒng)(b)串級非線性液位控制系統(tǒng) 圖8—2非線性液位控制系統(tǒng)③控制器是具有PI作用的,在不靈敏區(qū)內(nèi)經(jīng)過上、下限報警器,切斷內(nèi)設(shè)定信號而以測量信號代之,因此偏差始終為零。這樣,不靈敏區(qū)成了真正的死區(qū),比例增益趨近于零,積分作用基本消失。這類非線性控制器如果就不靈敏區(qū)內(nèi)外PI作用的變化情況而言,與上述的B型極為相似。這些不同類型的帶不靈敏區(qū)的非線性控制器已用于過程控制中,實(shí)現(xiàn)均勻控制的目的。在實(shí)際應(yīng)用中,其參數(shù)整定還需考慮到以下幾點(diǎn)。①液位控制器(非線性控制器)的比例帶(指不靈敏區(qū)外的控制作用)必須比一般均勻控制的液位控制器的比例帶小,這才能有利于當(dāng)液位偏差一旦超出不靈敏區(qū)后,能較快地把液位拉回到不靈敏區(qū)內(nèi)。一般來說,δ減少得越多,液位就越能迅速地調(diào)回到不靈敏區(qū)內(nèi),而流量的波動卻要加大。②不靈敏區(qū)寬度的設(shè)置應(yīng)視工藝要求而定。一般地說,應(yīng)略低于工藝允許的極限值,以便液位超出不靈敏區(qū)后有一定的控制過程,同時,流量也不至于有過大的波動。③不靈敏區(qū)內(nèi)增益KC的設(shè)定。一般說來KC小些是有利的,有時也可按工藝對被控變量的品質(zhì)要求來設(shè)定。KC的增大有利于液位的控制,而要犧牲一些流量的平穩(wěn)。在實(shí)際應(yīng)用時,能夠把KC的大小與不靈敏區(qū)的寬度綜合起來考慮。不靈敏區(qū)設(shè)置寬一些,則KC也應(yīng)略選大一些。在使用過程中,對A、B兩種類型的非線性控制器的效果進(jìn)行分析比較證實(shí):B型非線性控制器較為理想,它不但能使液位參數(shù)得到較好的控制質(zhì)量,而且在超出不靈敏區(qū)時,液位能迅速地響應(yīng),及早返回到不靈敏區(qū)內(nèi),這對于流量參數(shù)來說,在一定程度上也是有利的。而且在不靈敏區(qū)內(nèi),不只是KC減少,同時Ti也增大,能夠說在系統(tǒng)經(jīng)常工作的不靈敏區(qū)內(nèi),流量參數(shù)不至于因積分作用沒有減弱而造成過多的波動。正作用LC高位繼動器F正作用LC高位繼動器Fi正作用＞高選器低位繼動器正作用＜低選器氣開Fo圖8-3以選擇性控制實(shí)現(xiàn)液位非線性控制示意圖在30萬噸合成氨生產(chǎn)的水預(yù)處理裝置中,應(yīng)用了與此類似的非線性控制系統(tǒng)。液位的非線性控制還可采用變增益的非線性控制器。變增益控制器的特點(diǎn)是:控制器的增益或積分時間與輸入偏差以一定關(guān)系連續(xù)地變化,例如控制器的增益KC及積分時間Ti與液位偏差以一個指數(shù)關(guān)系連續(xù)地變化,同時增益和積分時間之間為使系統(tǒng)ζ值恒定,保證TiKC恒定。偏差與KC、Ti間的關(guān)系可用下式表示: (8-1) (8-2)式中|e|——偏差的絕對值;K——幅度變化范圍系數(shù)(可視需要調(diào)整);PB0——零偏差時設(shè)置的百分比例度,PBo在10~2500范圍內(nèi)可調(diào);T0——零偏差時的積分時間,T0在0.3～375分范圍內(nèi)可調(diào)。如果把這種非線性控制器用于液位控制,隨著液位偏差的增大,控制器的增益增大,而積分時間減少。也就是說,小偏差時,控制作甩弱,偏差越大,控制作用越強(qiáng)。應(yīng)用這樣的控制作用就能達(dá)到液位和流量的均勻控制的目的。8．1．2線性過程的其它非線性控制為了達(dá)到一定的控制要求,線性過程也使用多種形式的非線性控制?？墒墙?jīng)過分析,這些非線性控制器與線性過程所組成的控制系統(tǒng),很大一部分均可歸并為可變化結(jié)構(gòu)控制(VSS)。而線性過程的可變化結(jié)構(gòu)控制則是經(jīng)過控制裝置——可變化結(jié)構(gòu)控制器(VSC)來完成的。具體來說,這種控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求和特點(diǎn),組合若干現(xiàn)有控制結(jié)構(gòu)的有效性能,形成一種增強(qiáng)控制性能的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)形式的可變,使其具有一般線性控制器所不能達(dá)到的性能。因此,線性過程的可變化結(jié)構(gòu)控制能夠超過一般線性控制的質(zhì)量,并能實(shí)現(xiàn)某些特殊的控制要求?？勺兓Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的示意框圖如圖8—4所示。開關(guān)元件運(yùn)算單元執(zhí)行裝置過程－開關(guān)元件運(yùn)算單元執(zhí)行裝置過程－邏輯單元圖8—4可變化結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)示意框圖由圖看出,可變化結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由邏輯單元接受過程變化的信息,按規(guī)定的邏輯規(guī)律,其輸出一方面控制開關(guān)元件,選擇運(yùn)算通道,另一方面控制執(zhí)行裝置,根據(jù)運(yùn)算單元輸出信息完成某些函數(shù)的總和運(yùn)算。這樣依據(jù)選擇的控制算法及過程的信息,能夠組合各個控制裝置的有用特性,得到任何一個控制裝置所不具備的新的特性。可變化結(jié)構(gòu)控制器能夠用計算機(jī)來實(shí)現(xiàn),對于簡單的情況,也可在常規(guī)模擬式儀表的基礎(chǔ)上;使用一些運(yùn)算單元和開關(guān)元件的組合來實(shí)現(xiàn)。圖8—5是一種較為簡單的可變化結(jié)構(gòu)控制器的組成圖,它僅僅是用一些微分器、積分器、平方器、開方器、乘除器和加法器等運(yùn)算單元及開關(guān)元件所組成。K1()√()?輸入偏差SK2()Ti/seP+1TP×GA輸出-1uPu圖8—5一種可變化結(jié)構(gòu)控制器的組成與一般形式相比,運(yùn)算通道的選擇很簡單,它只根據(jù)偏差及其導(dǎo)數(shù)的運(yùn)算,確定通道運(yùn)算式的正負(fù)。執(zhí)行裝置也只選擇比例、積分的運(yùn)算。整個可變化結(jié)構(gòu)控制器的輸入偏差e與輸出u之間的關(guān)系,可由下式表示: (8-3) (8-4) (8-5)RC 控制器 －圖8-6三階模擬系統(tǒng)這種VSC控制器與常規(guī)PID控制在圖8—RC 控制器 －圖8-6三階模擬系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中,還有一些非線性控制方式,也可作為可變化結(jié)構(gòu)控制的一類實(shí)例,如適用于間歇過程的最短時間控制的雙重控制系統(tǒng)。圖8—8是一種簡單雙重控制系統(tǒng)的原理圖。控制組合形式為一種恒定輸出(最大輸出)十PI控制。系統(tǒng)用于間歇過程的啟動。在啟動時,監(jiān)視開關(guān)根據(jù)被控變量的大小,把恒定的最大輸出送入被控過程,使被控過程以很快的速度,從起始狀態(tài)向系統(tǒng)工作點(diǎn)變化。當(dāng)被控過程的被控變量達(dá)到某一規(guī)定值時,監(jiān)視開關(guān)自動地把恒定輸出切換到PI控制,系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。能夠看出,采用這種雙重控制比起單獨(dú)使用PI控制,具有過程啟動速度快,防止積分飽和,減少超調(diào)量的優(yōu)點(diǎn)。CC1.5PID控制1.0VSC控制0.5246810121416圖8—7三階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)給定值CY給定值CYPI控制器○過程－Mmax監(jiān)視開關(guān)圖8—8雙重控制系統(tǒng)8．2非線性過程的非線性控制在非線性過程中,靜態(tài)增益隨負(fù)荷而變化的情況是常見的。當(dāng)非線性程度不很嚴(yán)重時,采用一般的線性控制或在控制閥的流量特性選擇上稍加考慮;往往就可滿足控制要求。然而在非線性較為嚴(yán)重且控制要求比較高的場合,有時不得不以非線性控制取代常規(guī)的線性控制。8．2．1pH過程的非線性控制111011109pH87654301020304050C試劑/升溶液圖8—9pH中和過程的非線性滴定曲線非線性過程,它的嚴(yán)重非線性滴定曲線示于圖8—9。在實(shí)際生產(chǎn)過程中pH控制除了應(yīng)用于某些中和反應(yīng)外。主要是在污水處理中得到了較多的應(yīng)用。由于工業(yè)污水的處理量很大,在pH控制中必須采用相應(yīng)的措施,才能確保污水的pH值控制在允許的范圍內(nèi),而且節(jié)省中和劑的消耗量。(1)帶不靈敏區(qū)的非線性控制pH控制過程的非線性控制經(jīng)常采用帶不靈敏區(qū)的非線性控制器;由于pH過程滴定曲線的非線性主要表現(xiàn)在pH為7附近,滴定曲線的斜率很大。就是說,此時添加的中和劑略有少量的變化,既引起pH值較大幅度的波動;而當(dāng)pH值遠(yuǎn)離中和點(diǎn)時,滴定曲線的斜率變小,只有較大的中和劑添加量的變化,才能造成pH值的少量變化。現(xiàn)以帶不靈敏區(qū)的非線性控制器取代一般的線性控制器,就有可能以控制器的非線性來補(bǔ)償?shù)味ㄇ€的非線性,最終組成一個線性控制系統(tǒng)。這樣,在一個既定的非線性控制器的參數(shù)整定(不靈敏區(qū)的寬度,不靈敏區(qū)內(nèi)外的增益)下,能保證系統(tǒng)的控制質(zhì)量基本不變。帶不靈敏區(qū)的非線性控制器補(bǔ)償?shù)味ㄇ€的原理如圖8—l0所示。111011109非線性控制8器增益pH765線性化增益4301020304050C試劑/升溶液圖8-10應(yīng)用帶不靈敏區(qū)控制器對非線性滴定曲線的補(bǔ)償不靈敏區(qū)寬度的整定是pH控制回路穩(wěn)定性的關(guān)鍵。增加這個寬度能夠抑制在不靈敏區(qū)外的臨界振蕩;減少寬度則能縮小控制偏差。因?yàn)槭孪裙浪悴混`敏區(qū)的寬度是不大可能的,一般由嘗試法來整定。首先設(shè)定不靈敏區(qū)為零,觀察系統(tǒng)臨界振蕩的出現(xiàn),并以臨界振蕩的幅值作為不靈敏區(qū)的寬度。然后,逐步地增長,直至振蕩停止。不靈敏區(qū)內(nèi)的增益也要適當(dāng),如果過高易引起不靈敏區(qū)內(nèi)的振蕩;如果過低pH值將在控制點(diǎn)附近徘徊,遲遲不能調(diào)回到設(shè)定點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)的質(zhì)量,還可在非線性控制的同時加上串級,組成如圖8—11所示的非線性串級控制。其中主控制器(pH控制器)采用帶不靈敏區(qū)的非線性控制器,副控制器(中和劑流量控制器)仍為常規(guī)線性控制器。pHCFCpHCFC中和劑廢水圖8—11pH的非線性串級控制pH過程的非線性特點(diǎn),不但在于中和劑的消耗量和測得的pH值之間存在一個非線性關(guān)系,而且這種非線性關(guān)系——滴定曲線是隨機(jī)變化的。這種滴定曲線的時變情況是由于廢水中添加了弱酸或堿而造成的。比較圖8—12中(a)和(b)能夠看出,在添加弱酸或堿以后,將減少在pH等于7處的曲線斜率,緩和了它的非線性。滴定曲線隨機(jī)性質(zhì)的畸變,給單純使用非線性控制器pH控制帶來了困難。要克服滴定曲線畸變對系統(tǒng)控制質(zhì)量產(chǎn)生的影響,需要引入自適應(yīng)控制。與此同時,pH過程的自適應(yīng)控制,也為非線性控制器的參數(shù)整定放寬了要求。pHpH10100.05N0.01N0.005NFeNH4(SO4)28H2SO4H2SO480.005NH2SO4660.005NAl2(SO4)30.005NH2SO44422012345012345(a)gal10%Ca(OH)2/1000gal(b)gal10%Ca(OH)2/1000gal*1gal=3.5dm3圖8—12添加弱酸或堿能改變滴定曲線pH自適應(yīng)控制的基本原理是經(jīng)過感測系統(tǒng)的響應(yīng),判別系統(tǒng)是處于過阻尼或是不穩(wěn)定的狀態(tài),而且自動地加以補(bǔ)償。具體實(shí)施方案是采用一對控制器,其中一個是非線性控制器,另一個是自適應(yīng)控制器,如圖8—13所示。自適應(yīng)控制器能夠根據(jù)pH系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),輸出信號去設(shè)定非線性控制器的不靈敏寬度,使得非線性控制器的不靈敏區(qū)寬度自動地設(shè)定在合適的位置上。與pH過程自適應(yīng)控制相類似的自適應(yīng)控制,在過程控制中尚有一些應(yīng)用,諸如流量適應(yīng)性控不靈敏區(qū)寬度不靈敏區(qū)寬度非自線適性應(yīng)控控制制器器到控制閥pH圖8—13自適應(yīng)pH控制系統(tǒng)原理圖常規(guī)儀表,經(jīng)過簡單地分析系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),自動地改變控制器的參數(shù)。由于使用的工具簡便,易于實(shí)施,且控制質(zhì)量良好。因此這種自適應(yīng)控制具有較大的工程意義。8．2．2反應(yīng)器的非線性控制間歇反應(yīng)器當(dāng)負(fù)荷變化時,過程的增益將發(fā)生變化,此時使用一般的線性控制,即使是線性串級控制,系統(tǒng)的控制質(zhì)量也往往難以得到保證。圖8—14為二氯乙烯的間歇反應(yīng)器,以計算機(jī)作為主、副控制器組成非線性串級分程控制冷、熱水控制閥。采用的非線性串級控制控制器增益Ki是隨偏差ej的增加而增加的,是一種變增益的非線性控制器,即:Ki＝Ki0(1十b|ej|) (8—6)式中Ki0——零偏差時的基本增益;b——可調(diào)整系數(shù)。C2C2H4TRCl2計算機(jī)TJ冷水熱水圖8-14二氯乙烯間歇反應(yīng)器控制流程圖由于在非線性串級中,既能夠使主控制器為變增益,也能夠使副控制器為變增益,而且式(8—6)中的ej既能夠是本回路的偏差值,也可是另一回路的偏差值,因此能組成多種形式的非線性串級系統(tǒng)。經(jīng)分析比較,以圖8—15所示形式較為理想。在這種形式的非線性串級控制中,副控制器采用非線性控制器,它的增益KS隨著主回路的偏差eM而變化,即:KS＝2.5(1十b|eM|) (8—7)25(1+b|eM25(1+b|eM|)KSeMeSTJTRTR給定主控制器×副過程主過程－－圖8-15非線性串級控制系統(tǒng)方塊圖試驗(yàn)證明,采用圖8—15所示非線性串級控制,能適應(yīng)于不同負(fù)荷下運(yùn)行,系統(tǒng)質(zhì)量始終能滿足要求。這充分說明,使用變增益控制器具有極好的補(bǔ)償過程非線性的能力。Jutan(1989)提出了一種既包括誤差的趨勢信息也包括當(dāng)前誤差大小的非線性控制器。這種非線性控制器的比例-積分控制算法如下: (8—8)其中,設(shè)計為包含過程誤差的歷史趨勢或過程的輸出,為調(diào)整參數(shù)。該控制器保持了常規(guī)PID簡單性的同時,提高了控制質(zhì)量。試驗(yàn)證明,這種用既包含趨勢信息又與誤差成比例的非線性項(xiàng)取代將標(biāo)準(zhǔn)PID中的微分項(xiàng)的方法對測量噪音具有很強(qiáng)的抗干擾作用。8．2．3人工智能在非線性控制中的應(yīng)用人工智能產(chǎn)生于本世紀(jì)50年代,其基本思想是模仿和實(shí)現(xiàn)人類的智能,主要包括:專家系統(tǒng)、模糊算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等?，F(xiàn)代工業(yè)過程中對象的不確定性、復(fù)雜性和高性能要求為人工智能技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的空間。人工智能與控制的結(jié)合形式有很多種。這里主要介紹人工智能與傳統(tǒng)的PID控制的結(jié)合以擴(kuò)充PID控制器控制非線性系統(tǒng)的能力,即利用專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù),將人工智能以非線性控制方式引入到控制器中,使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下均能得到比傳統(tǒng)PID控制更好的控制性能。具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型和控制器參數(shù)在線自動調(diào)整等特點(diǎn),對系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的適應(yīng)性。(1)模糊PID控制模糊PID控制是利用當(dāng)前的控制偏差和偏差,結(jié)合被控過程動態(tài)特性的變化,以及針對具體過程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),根據(jù)一定的控制要求或目標(biāo)函數(shù),經(jīng)過模糊規(guī)則推理,對PID控制器的三個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

(2)專家PID控制專家系統(tǒng)是一個具有大量專門知識和經(jīng)驗(yàn)的計算機(jī)程序系統(tǒng),其內(nèi)部具有某個領(lǐng)域中大量專家水平的專門知識、經(jīng)驗(yàn)和技巧,能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領(lǐng)域的問題。專家PID控制采用規(guī)則PID控制形式,經(jīng)過對系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)輸出的識別,以了解被控對象過程動態(tài)特性的變化,在線調(diào)整PID三個參數(shù),直到過程的響應(yīng)曲線為某種最佳響應(yīng)曲線。它是一種基于啟發(fā)式規(guī)則推理的自適應(yīng)技術(shù),其目的就是為了應(yīng)付過程中出現(xiàn)的不確定性。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),又稱人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),就是將人工神經(jīng)元按某種方式聯(lián)結(jié)組成的網(wǎng)絡(luò),用于模擬人腦神經(jīng)元活動的過程﹐實(shí)現(xiàn)對信息的加工﹑處理﹑存儲等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有前向網(wǎng)絡(luò)(前饋網(wǎng)絡(luò))﹑反饋網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制即能夠用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來整定PID的參數(shù),也能夠用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接作為控制器,經(jīng)過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)間接地調(diào)整PID參數(shù)。圖8—16是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID自校正控制方塊圖。神經(jīng)校正器神經(jīng)校正器PID控制器過程輸入輸出圖8—16基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID校正器8．3位式控制位式控制的特點(diǎn)是控制裝置的輸出坐標(biāo),只有幾種在位置上不連續(xù)的信號。由于繼電器具有這一類的特性,因此位式控制有時也稱繼電型控制。位式控制是一種最古老而簡單的控制方式,至今在過程控制中尚有一些應(yīng)用。但位式控制具有一定的局限性,即系統(tǒng)中的不衰減振蕩幾乎是不可避免的。這種穩(wěn)定的持續(xù)振蕩過程正是繼電元件特有的非線性特性所引起的,一般也稱為極限周期振蕩或叫極限環(huán),這就使它在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用受到了限制。8．3．1位式控制的改進(jìn)及其發(fā)展為了克服位式控制因存在極限環(huán)給系統(tǒng)質(zhì)量帶來不良影響,并使位式控制適用于更多的場合,人們作了不少的努力和探索。(1)一般的改進(jìn)控制質(zhì)量的方法這類方法主要在采用位式控制時,經(jīng)過合理選擇中間區(qū)(滯環(huán)),調(diào)整執(zhí)行裝置開關(guān)極限位置或采用多位控制等方法,來減少持續(xù)振蕩的幅值,從而提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。(2)控制作用的改進(jìn)上述的改進(jìn)方法還不是根本的途徑,如果從位式控制作用上作改進(jìn),有可能使位式控制的質(zhì)量得到很大的改進(jìn)。當(dāng)前比較普遍采用的是脈沖寬度調(diào)制。位式元件經(jīng)過這種改進(jìn)后所組成的脈沖寬度調(diào)制式控制器(簡稱脈沖調(diào)寬式控制器),將變成一個方波發(fā)生器,輸出是一系列的方波脈沖,脈沖的寬度受輸入的偏差e調(diào)制,此時控制器輸出的平均值和脈沖的寬度成正比。假如提高雙位控制的頻率(這一點(diǎn)隨著繼電元件壽命的增加,無觸點(diǎn)式繼電元件的出現(xiàn),已成為可能),使被控過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上它的變化,即由于過程的低通濾波特性,只能接受控制器輸出開關(guān)信號的平均值,這就構(gòu)成類似連續(xù)控制的所謂準(zhǔn)連續(xù)控制。這種改進(jìn)后的位式控制器,有時也稱準(zhǔn)連續(xù)控制器。由于控制作用近似連續(xù)控制,就有可能使過程的持續(xù)振蕩減小到零。ec－ec－T2>T1圖8—17近似PID控制器原理圖時間比例式。所謂時間比例式,即脈沖輸出的平均值與偏差e的大小成比例,類似于連續(xù)控制中的比例作用,它的組成是在雙位元件上加上一定特性的負(fù)反饋環(huán)節(jié)所組成。根據(jù)負(fù)反饋環(huán)節(jié)的特性不同,能夠得到不同的控制規(guī)律。圖8—17即為在雙位元件上加上兩個一階滯后環(huán)節(jié)之差作為負(fù)反饋回路,其特性為近似的PID特性。圖8—18畫出了這種近似PID控制器的輸出c(t)及c(t)變化曲線。圖8—19是在某過程采用雙位控制及PID脈沖調(diào)寬式控制時系統(tǒng)的控制過程。能夠明顯地看出,使用PID脈沖調(diào)寬式控制,系統(tǒng)質(zhì)量得到很大的提高。被控變量雙位控制給定值被控變量雙位控制給定值脈沖調(diào)寬式控制t圖8—19控制質(zhì)量的比較c(t)tc(t)t圖8—18PID脈沖調(diào)寬式控制器輸出特性(3)帶模型反饋的位式控制帶模型反饋的位式控制也是一種位式控制的改進(jìn)方案,它也稱為借助于模型的間接控制或使用模型的開關(guān)控制。其組成原理如圖8—20所示。這種方案由一個雙位式控制器、模型及被控設(shè)備所組成。控制器和設(shè)備是開環(huán)控制的,而控制器與模型構(gòu)成反饋回路。過程的特性是以一階滯后加純滯后來描述。對于大多數(shù)的化工過程,諸如攪拌釜反應(yīng)器、混合器、緩沖罐和熱交換器等,它們的動態(tài)特性都能歸并成一階滯后加純滯后的形式。因此,這種應(yīng)用于熱力過程,使用模型的開關(guān)控制方案,也有可能推廣到化工等生產(chǎn)過程中去。而模型的傳遞函數(shù)也是一階滯后加純滯后,只要根據(jù)過程模型的參數(shù),參照一定選擇方法,合理選取模型的穩(wěn)態(tài)增益Am、時間常數(shù)Tm及純滯后時間τm,就能夠比常規(guī)位式控制具有減少持續(xù)振蕩的幅值,縮短周期(提高工作頻率)及減小殘余偏差的優(yōu)越性。8．3,2Bang—Bang控制RUCRUC圖8-20使用模型的開關(guān)控制給定值的提降及大幅度的擾動作用,效果更顯著。在動態(tài)質(zhì)量上不但體現(xiàn)為過渡時間短這一特點(diǎn),而且在超調(diào)量等其它指標(biāo)上也具有一定的改進(jìn)。在石油、化工等生產(chǎn)過程中,時間最優(yōu)控制在經(jīng)濟(jì)上具有較大的意義。生產(chǎn)裝置如果處在計算機(jī)的管理和控制之下,計算機(jī)將規(guī)定更為有利的操作條件,也就要經(jīng)常變化給定值。此時,希望過程能盡可能迅速地達(dá)到這些新的條件,只有做到引起裝置最優(yōu)操作條件變化的擾動間隔時間,與裝置轉(zhuǎn)移到新的操作條件所需的時間相當(dāng),整個過程的最優(yōu)控制才有可能。這一點(diǎn)采用時間最優(yōu)是最適宜的。另外,在不少間歇操作過程中,過程變量也常需要作階躍變化。如果完成這些變化花的時間過多,意味著設(shè)備操作能力的下降。因此,在間歇操作過程中,應(yīng)用時間最優(yōu)控制,有利于提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。Bang—Bang控制的關(guān)鍵是開關(guān)時間的計算,這些屬于最優(yōu)控制的范疇,本書將不另行討論。這里主要從工程實(shí)際出發(fā),研究如何應(yīng)用Bang—Bang控制。在生產(chǎn)過程中,根據(jù)過程的特點(diǎn)、控制要求及采用的工具不同,具體實(shí)施有多種形式,下面作一簡要的介紹。(1)手動Bang—Bang控制如已知過程的動態(tài)特性,操作人員根據(jù)開關(guān)時間計算公式求出切換時間,然后手動切換控制閥門,進(jìn)行手動Bang—Bang控制。這種方法不需任何投資和改裝,即可在給定值變化情況下,縮短過渡過程。但當(dāng)過程特性不清楚時難以實(shí)現(xiàn),且若開關(guān)時間太快,手動操作也不能達(dá)到預(yù)期的要求。σ(x1σ(x1,x2)uy=x1x1GP－S非線性函數(shù)發(fā)生器快速調(diào)節(jié)器圖8—21快速最優(yōu)控制系統(tǒng)方塊圖自動Bang-Bdng控制器也稱快速調(diào)節(jié)器,其系統(tǒng)框圖如圖8—21所示。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后,它能經(jīng)過狀態(tài)反饋,得到開關(guān)函數(shù)σ(x1,x2),然后根據(jù)σ(x1,x2)的情況決定控制用u以達(dá)到時間最優(yōu)控制的目的。實(shí)現(xiàn)自動Bang—Bang控制的快速調(diào)節(jié)器u關(guān)鍵是開關(guān)曲線的正確設(shè)置,開關(guān)曲線是由快速調(diào)節(jié)器內(nèi)的非線性函數(shù)發(fā)生器來模擬的,它的非線性度在一定范圍內(nèi)能夠調(diào)整。非線性度的調(diào)整應(yīng)與實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)相吻合,才能收到良好的控制效果。經(jīng)過計算機(jī)上模擬試驗(yàn)表明,在用假定的一組參數(shù)求出一條開關(guān)曲線后,改變系統(tǒng)各有關(guān)參數(shù),只要過程不存在純滯后,系統(tǒng)參數(shù)的變化對動態(tài)過程的超調(diào)量及過渡時間等質(zhì)量指標(biāo)的影響不大。這說明,當(dāng)被控過程存在或只有較小純滯后時,開關(guān)曲線與系統(tǒng)參數(shù)雖有差異,但快速調(diào)節(jié)器仍能獲得良好的時間最優(yōu)控制效果。根據(jù)圖8—21快速調(diào)節(jié)器的組成原理,實(shí)際使用的快速調(diào)節(jié)器具有多種形式,曾在生產(chǎn)過程中得到了應(yīng)用。Bang-Bangu過程