華北電力大學(xué)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)第五章串級(jí)控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)§5-1

串級(jí)控制系統(tǒng)概念§5-2

串級(jí)控制系統(tǒng)分析§5-3

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問(wèn)題§5-4

調(diào)節(jié)器的選型§5-5

比值控制系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)較大遲延對(duì)象：過(guò)熱汽溫簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)θTθCθrDWΔ

WKvGc(s)Gp(s)KmθTθr§5-1

串級(jí)控制系統(tǒng)概念過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)PID過(guò)熱器θrθTPID1θr

θT1過(guò)熱器減溫水?dāng)_動(dòng)減溫水?dāng)_動(dòng)

θT2PID2

減溫器單回路控制系統(tǒng)

超調(diào)量大

振蕩頻率低

調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)串級(jí)控制系統(tǒng)

超調(diào)量小

振蕩頻率提高

調(diào)節(jié)時(shí)間縮短過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)料產(chǎn)品冷卻液

θT1θ

C1θT2θ

C2θr進(jìn)料產(chǎn)品θ

Cθ

T

θr冷卻液PID1θrPID反應(yīng)罐θrθT冷卻液擾動(dòng)θT2

罐內(nèi)θT1

冷卻液擾動(dòng)PID2

罐體副回路單回路控制系統(tǒng)

超調(diào)量大

振蕩頻率低

調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)主回路

串級(jí)控制系統(tǒng)

超調(diào)量小

振蕩頻率提高

調(diào)節(jié)時(shí)間縮短過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器副對(duì)象主對(duì)象ry2y1

復(fù)雜控制系統(tǒng)二次擾動(dòng)

一次擾動(dòng)

副回路

主回路

一般串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常稱(chēng)副對(duì)象為導(dǎo)前區(qū)，主對(duì)象為惰性區(qū)；串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：有效地克服二次擾動(dòng)；改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性；具有一定的自適應(yīng)能力；各調(diào)節(jié)器的作用：副調(diào)：粗調(diào),克服二次擾動(dòng)；主調(diào)：細(xì)調(diào),進(jìn)行系統(tǒng)校正。Gd(s)過(guò)程控制第二篇§5-2

串級(jí)控制系統(tǒng)分析1.

有效克服二次擾動(dòng)

二次擾動(dòng)Gd(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)

二次擾動(dòng)Y2Gc1(s)Gc2(s)

Gp2(s)

Y1Gp1(s)R

Y1

G

p(s)

Y

1(s)

Gd2(s)Gp(s)

=D2(s)單

1+Gc(s)Gp(s)Gd2(s)Gp(s)=

1+Gc2(s)Gp2(s)

Gc2(s)Gp2(s)1+Gc1(s)Gp1(s)

1+Gc2(s)Gp2(s)

Y

1(s)D2(s)串

R

Gc(s)由梅蓀公式：由梅蓀公式：10~100響

出。可1+Gc2

p2(s)比較倍

二。

次====

Gd2(s)Gp(s)1+Gc2(s)Gp2(s)+Gc1(s)Gc2(s)Gp(s)過(guò)程控制

Y

1(s)

D2(s)單

Y

1(s)

D2(s)串

Y

1(s)

D2(s)串串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的響應(yīng)是較小的，在主環(huán)工作頻率下更為突

第二篇

復(fù)雜控制系統(tǒng)

Gd2(s)Gp(s)

1+Gc(s)Gp(s)

以

與

減

單

小

回

Gd2(s)Gp(s)

路

(s)G

Gc2(s)Gp2(s)1+Gc1(s)Gp1(s)

1+Gc2(s)Gp2(s)

擾

動(dòng)

Gd2(s)Gp(s)

的1+Gc2(s)Gp2(s)+Gc1(s)Gp1(s)Gc2(s)Gp2(s)

影過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)被控對(duì)象導(dǎo)前區(qū)：惰性區(qū)：過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2.

改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性Gc2(s)Gc1(s)Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1二次擾動(dòng)一次擾動(dòng)副回路主回路Gc1(s)G'p2(s)Gp1(s)RY2Y1主回路Gc(s)Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1單回路比較單回路Tp2s

1

Kc2

p2

c2

p2K

1

K

KKp2

1

Tp2s

Kc2Kp2

Tp2s過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

Gp2(s)

=

Gc2(s)Gp2(s)1+Gc2(s)Gp2(s)一般取

Gc2(s)

KC2，又設(shè)

Gp2(s)

Kp2T

p2s+1

Kc2Gp2(s)

=

Kp2

Kc2Kp2

1+Kc2

1

Tp2s

1

1

Kc2Kp2

Gp2(s)

=

Kp21+Tp2s

T

p2

T

p2,Κp2

1當(dāng)Κc2Κp2

1,過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)T'p2

Tp2

副調(diào)的增益可kc2↑→T‘p2↓，加快了副回路的響應(yīng)速度。當(dāng)T’p2很小時(shí)：

G'p2

(s)≈1

對(duì)象等效傳遞函數(shù)為：

G'p

(s)=

Gp1

(s)因此系統(tǒng)的工作頻率也提高了。過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)被控對(duì)象導(dǎo)前區(qū)：惰性區(qū)：Κ

p2

Κc2Κp2Gd(s)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)3.

對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力

在調(diào)節(jié)閥和導(dǎo)前區(qū)對(duì)象出現(xiàn)的由于負(fù)荷變化引起非線性，對(duì)控制品質(zhì)的影響可大大減小。2）副回路是一個(gè)快速流量隨動(dòng)系統(tǒng)，能快速跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸出，精確地控制調(diào)節(jié)量（流量），從而保證控制品質(zhì)。Y2Gc1(s)Gc2(s)

Gp2(s)

Y1Gp1(s)R1）因?yàn)?/p>

Κc2Κp2>>1,

1

1

Κc2Κp2過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

§5-3

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個(gè)問(wèn)題

1.

副回路的設(shè)計(jì)1）副調(diào)參數(shù)選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)?。?/p>

這樣通道短，反應(yīng)靈敏。2）副回路應(yīng)包含主要的擾動(dòng)；

一般應(yīng)把調(diào)節(jié)量擾動(dòng)包含在內(nèi)。PID2PID1過(guò)熱器θr

θT2減溫器θT1過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2.

主、副回路工作頻率的選擇Y2Y1Gc2(s)Gc1(s)R

1(5.3s+1)2e-1s

1(10.3s+1)2副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的3~10倍ωωr

ωM(

)

ωr1321過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)產(chǎn)生積分飽和的原因：外因是偏差長(zhǎng)期存在內(nèi)因是控制器有積分作用進(jìn)料產(chǎn)品冷卻液

θT1θ

C1θT2θ

C2θrPID1罐內(nèi)θrθT2θT1

冷卻液擾動(dòng)PID2

罐體副回路主回路

3.

防止調(diào)節(jié)器積分飽和

串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)主、副調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)時(shí)，很容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。

主調(diào)節(jié)器產(chǎn)生積分飽和，將使控制不及時(shí)，系統(tǒng)輸出超調(diào)量增加。過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)IR2(s)

=

KC1E1(s)+Y2(s)

1Ts+1系統(tǒng)正常時(shí)，R2(s)=Y2(s)。則主調(diào)節(jié)器輸出為：IR2(s)

=

KC1(1

)E1(s)

1Ts將主調(diào)節(jié)器調(diào)整為積分外反饋。即——常規(guī)PI調(diào)節(jié)當(dāng)R2(s)≠Y2(s)時(shí)，則主調(diào)節(jié)器輸出為：r2(t)

=

KC1e1(t)+y2(t)

——比例調(diào)節(jié)（無(wú)積分）偏置PID2PID1Gp2(s)Gp1(s)RY2Y1抗積分飽和措施：過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)PID2PID1θr

θT2減溫器

θT1過(guò)熱器4.

串級(jí)控制調(diào)節(jié)器作用方向

1）確定調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)氣關(guān)

2）確定副對(duì)象特性

3）確定副調(diào)節(jié)器的作用方向

4）確定主對(duì)象特性

5）確定主調(diào)節(jié)器的作用方向氣開(kāi)閥副調(diào)正作用主調(diào)反作用當(dāng)串級(jí)與單回路切換時(shí)，應(yīng)考慮主調(diào)節(jié)器的作用方向的切換由串級(jí)切為單回路時(shí)主調(diào)改為正作用過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§5-4

調(diào)節(jié)器的選型和整定

1.

選型

1）

副調(diào)節(jié)器一般選P調(diào)節(jié)，若主、副環(huán)頻率相差很大，也

可選PI。

2）

主調(diào)節(jié)器一般選PI調(diào)節(jié),若主回路有主要擾動(dòng)也可選PID。2.

參數(shù)整定

1）

逐次逼近法。

（P.118）

①②③④⑤步

2）

兩步整定法。

（P.118）

①②③步過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)采用串級(jí)調(diào)節(jié)控制的一般條件：*二次擾動(dòng)較頻繁；*較大遲延對(duì)象，且可分成特性相差較大的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)；*副回路的工作頻率應(yīng)選擇主回路工作頻率的3～10倍過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)應(yīng)用例：主汽壓控制

pTVs

BμBPTPIPIGp(s)PsPTΔBB方案1：以給煤機(jī)（給粉機(jī)）轉(zhuǎn)速為中間測(cè)點(diǎn)方案2：以構(gòu)造的熱量測(cè)量信號(hào)為中間測(cè)點(diǎn)燃料擾動(dòng)：給煤機(jī)（給粉機(jī)）轉(zhuǎn)速變化媒質(zhì)變化過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§5-5

比值控制系統(tǒng)定義：自動(dòng)保持兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)之間的比例關(guān)系的控制系統(tǒng)就是比值控制系統(tǒng)。

物料AGp(s)

KmA

+_

Gc(s)

Kv

物料BKmBR合成爐比值控制系統(tǒng)原理圖

單回路流量隨動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)討論R的計(jì)算

管道物料AθCDT物料B

RDT合成爐比值控制系統(tǒng)ΔpAΔpAmaxΔpBΔpBmax=

α(I經(jīng)比值器R后

IB

B

-

4)

+

4過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)1.

比值系數(shù)的計(jì)算比值系數(shù)的計(jì)算取決于測(cè)量信號(hào)的測(cè)取與處理1）流量與測(cè)量信號(hào)成非線性關(guān)系

流量由差壓變送器直接測(cè)得物料AθCDTDTR物料B

合成爐比值控制系統(tǒng)2ΔpB

=KBQB2AΔpA

=KAQ對(duì)于4~20mA變送器有：

IA

=

(20-4)+4

Δp

I

-

4

=Δpmax

20

-

4

IB

=

(20-4)+4*α

為比值系數(shù)

QA

QB

I

=α×16

+4QBmax

QA

QBmax

QB

Amax

QBmax

α

=K

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)將

Δp

=

K

Q2

代入，得到：

2IA

=16

+4

QAmax

2*B在調(diào)節(jié)器為PI作用時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，有*IA

=IB

2

α

=

Q設(shè)工藝要求流量比為K，則：22QAmax

*比值系數(shù)為常數(shù)，與負(fù)荷大小無(wú)關(guān)而

IB

=α

IB

-4

+4I

A

=

I

QA

QBmax

QBmax

QB

Amax

QAmax

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2）流量與測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系θ

CDT物料A物料BDTR合成爐比值控制系統(tǒng)

IB

=

IB

-4

+4有

IA

=

IA

-4

+4

*在PI作用時(shí)，在穩(wěn)態(tài)下，有

*B

α

=

K

Q*比值系數(shù)為常數(shù)，與負(fù)荷大小無(wú)關(guān)

結(jié)論：無(wú)論怎樣處理測(cè)量信號(hào)比值器的比值都為常數(shù)，但

數(shù)值不同

QA

dIA

32=

QAI

A

=

4+4dIA

4過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2.

比值系統(tǒng)中非線性特性1）直接采用差壓變送器的輸出電流作為流量信號(hào)

2IA

=

16+4

QAmax

2Kp

=dQA

QAmax增益與負(fù)荷有關(guān)KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB_+RIA

QA物料AIAQA非線性特性導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)隨負(fù)荷增加而惡化。

糾正措施：選擇具有補(bǔ)償特性的調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)為線性

2）采用差壓變送器的輸出開(kāi)方后作為流量信號(hào)

QA

QAmax

Kp

=

=dQA

QAmax增益與負(fù)荷無(wú)關(guān)測(cè)量信號(hào)的線性處理使系統(tǒng)的線性特性不改變過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)3.

比值控制系統(tǒng)的整定

簡(jiǎn)單比值控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)流量隨動(dòng)系統(tǒng)，因此衰減率應(yīng)比較大，一般選擇0.9~1。

QAQB

可考慮先在比例工況下使系統(tǒng)衰減率調(diào)整為1，然后加積分使系統(tǒng)衰減率減為0.9

。

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)一般只適用于負(fù)荷變化不大的場(chǎng)合。

負(fù)荷變化大應(yīng)選用多閉環(huán)比值控制。KvGc(s)Gp(s)KmA物料BKmB物料A_+R過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)4.

常見(jiàn)比值系統(tǒng)

1）雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)

如鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的風(fēng)、

煤控制

R

定值雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)RKv2Gc2(s)Gp2(s)煤量風(fēng)量_RKv1Gc1(s)Gp1(s)_汽壓定值

+過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)R變比值控制系統(tǒng)

2）變比值控制系統(tǒng)如變換爐觸媒層溫度控制系統(tǒng)QCDTθC÷

DT蒸汽煤氣

θT轉(zhuǎn)化氣定值過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)§6-1

概述§6-2

前饋控制系統(tǒng)§6-3

大遲延系統(tǒng)§6-4

非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§6-1

概述

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不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出Gc(s)KvGp(s)-r

+

DGd(s)+

y+反饋控制的缺點(diǎn)：KvGp(s)

DGd(s)

+

y+Gff(s)設(shè)計(jì)控制器Gff(s)，使Gff(s)

Kv

Gp(s)+

Gd

(s)=0。則擾動(dòng)D的變化與輸出Y無(wú)關(guān)。前饋控制器當(dāng)Di(t)

0時(shí)，

lim

y(t)

0過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)iy當(dāng)D

(t)

0時(shí)，y(t)

0當(dāng)Di(t)

0時(shí)，(t)

t

（1）絕對(duì)不變性：（2）誤差不變性：（3）穩(wěn)態(tài)不變性：（4）選擇不變性：對(duì)主要擾動(dòng)不變性不變性原理：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)

工程實(shí)際中幾種不變性n當(dāng)Di(t)

0時(shí)，

y(t)

0

i

1,2,過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§6-2

前饋控制系統(tǒng)1

基本概念2

靜態(tài)前饋3

動(dòng)態(tài)前饋4

前饋——反饋控制系統(tǒng)第二篇HD

復(fù)雜控制系統(tǒng)汽包水位控制例Gc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)義

W當(dāng)Gff(s)

Gp(s)=-

Gd(s)時(shí)，蒸汽擾動(dòng)對(duì)水位的影響消除。把Gff(s)

稱(chēng)為前饋控制器。

定

，

：基于不變性原理的控制稱(chēng)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。過(guò)程控制

1

基本概念…過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)定義：基于不變性原理的控制系統(tǒng)稱(chēng)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)前饋控制器

μD1

Di

Dn

…對(duì)

象y前饋控制系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2

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(chēng)為靜態(tài)前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原理

t

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Gff(s)Gp(s)Gd(s)DGd(s)

=

e-τd第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制

簡(jiǎn)單情況：HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)若-τpGp(s)

=e

Kp1+

T

ps

Kd1+

T

ds靜態(tài)前饋控制器為：Kff=

KdKp過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制器參數(shù)Kff的整定：

1）

根據(jù)已知開(kāi)環(huán)傳函計(jì)算：Kff=

KdKp2）

試驗(yàn)法計(jì)算（構(gòu)成PI反饋控制回路）Gff(s)Gp(s)

DGd(s)d(t)d1d2u(t)

u1u2Kff=u2

u1

d2-d1Gc(s)Gp(s)-r

+DGd(s)

+

y

+u過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

列管換熱器控制換熱器熱平衡方程為：

cpHsK

ff

D

Q(

2r

1)

kQ(

2r

1)Qcp(

2r

1)

DHs

cp為定壓比熱容

H

s為汽化潛熱

那么前饋控制器為：×kθ2r+

∑-DT

QD

QCDT

θ2

θT

θ1

料液常數(shù)加熱蒸汽

靜態(tài)前饋控制器復(fù)雜情況：（多變量前饋）Gd(s)

=

e-τdsGff

(s)

=

e過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)3

動(dòng)態(tài)前饋若-τpsGp(s)

=e

Kp1+

T

ps

Kd1+

T

ds-(τd

-τp

)s-(τd

-τp

)sKd

1+T

psKp

1+

T

ds

Kff

e1+T

ps1

+

T

ds靜態(tài)前饋kff動(dòng)態(tài)前饋G'ff(s)Gff(s)Gp(s)Gd(s)D過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)Kff

DGd(s)調(diào)節(jié)輸出yp

系統(tǒng)輸出擾動(dòng)輸出yd動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)生

的面積動(dòng)態(tài)前饋G‘ff(s)的圖示說(shuō)明：

擾動(dòng)D

Gp(s)靜態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋要補(bǔ)

償?shù)拿娣e

ff

(s)

e-(τd

p

)s過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋控制器（補(bǔ)償器）

-(τd

-τp

)se1+T

ps1+

T

ds

Gff

(s)

（1）討論：①

Tp=Td，則-τG,若

τd

τp動(dòng)態(tài)前饋為純遲延可實(shí)現(xiàn)；,若

τd

τp動(dòng)態(tài)前饋為純提前不可實(shí)現(xiàn)。擾動(dòng)DGff(s)Gp(s)Gd(s)D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。τpτd過(guò)程控制②τ

p=

τd，則

第二篇

Gff

(s)

復(fù)雜控制系統(tǒng)

1+T

ps

1+

T

ds若Tp=Td,

若Tp>Td,若Tp<Td,

Gff

(s)

為超前補(bǔ)償特性

Gff

(s)

為滯后補(bǔ)償特性Gff

(s)

1

為比例環(huán)節(jié)擾動(dòng)DGff(s)Gp(s)Gd(s)D一般對(duì)象的純遲延并不明顯，因此動(dòng)態(tài)前饋常采用1

Gff

(s)

1+Ts1+

T

2s

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)1（2）動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器

1+Ts

T1和T2的整定

D

Gff(s)

設(shè)對(duì)象的主要慣性為T(mén)P和TD，即近似為：

1

1

GP(s)

=

Gd(s)

=

1+

Tps

1+

T

ds

tTp

tT

d在靜態(tài)前饋下：D擾動(dòng)響應(yīng)為

y(t)

=

(e)

e其面積為

tTp

tTdy(t)dt

=(e)dt=TP-T

d

0

0

e加動(dòng)態(tài)前饋后：D擾動(dòng)前饋控制器的輸出響應(yīng)為：

t

t

T2

t

其面積為

T過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)因此動(dòng)態(tài)前饋應(yīng)保持T1-T2

=Tp-Td=C，一般可先?。孩偃粽{(diào)節(jié)通道響應(yīng)快于擾動(dòng)通道,取T1=0.5T2，T2=1.5tp②若擾動(dòng)通道響應(yīng)快于調(diào)節(jié)通道,取T1=2T2

,

T2=0.7tp然后再根據(jù)補(bǔ)償效果細(xì)調(diào)T1和T2

在工程實(shí)際中前饋控制補(bǔ)償器選用原則：

首先選擇靜態(tài)前饋，靜態(tài)前饋整定好后，再添加動(dòng)態(tài)前

饋。若靜態(tài)前饋補(bǔ)償效果達(dá)到要求，無(wú)須加入動(dòng)態(tài)前饋調(diào)節(jié)輸出yp

系統(tǒng)輸出擾動(dòng)輸出ydtp過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)4

前饋—反饋控制前饋控制的優(yōu)點(diǎn)：前饋控制的缺點(diǎn)：反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：反饋控制的缺點(diǎn)：

使可測(cè)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響或影響很??；

對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒(méi)有影響。

對(duì)不可測(cè)擾動(dòng)或不明擾動(dòng)無(wú)法消除影響；

控制器和對(duì)象參數(shù)變化影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。任何擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響均可消除；系統(tǒng)準(zhǔn)確性高。有偏差才控制不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出將前饋、反饋控制結(jié)合可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)選用前饋－反饋控制的原則

（1）若控制系統(tǒng)中控制通道的慣性和遲延較大，反饋控制達(dá)不到良好的控制效果時(shí)，可引入前饋控制。

（2）如果系統(tǒng)中存在著經(jīng)常變動(dòng)、可測(cè)而不可控的擾動(dòng)時(shí)，反饋控制難以克服擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，這時(shí)可引入前饋控制以改善控制品質(zhì)。第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)kffG'ff(s)Gc2(s)過(guò)程控制

給水控制過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§6-3

大遲延系統(tǒng)1

概述2

采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響3

史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)1

概述

大遲延對(duì)象：τ/T>0.3

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：dGp(s)PIry

T

3s+1

T

4s

+1微分先行控制dGp(s)PIry

KDTDs

TDs+1中間反饋控制過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)某大遲延對(duì)象不同控制方案仿真結(jié)果

方案

PID微分先行中間反饋超調(diào)量

0.289

0.162

0.133調(diào)節(jié)時(shí)間25min28min21minKp

p(s)eg

Y

(s)

=

(Kp

p

s

s(s))U(s)g

(s)e

+

K

gKp

p

p

p

s

s(s)g

(s)

=

K

g

(s)e

+

K

g過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2

采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響R(s)

-τdsKsgs(s)Y(s)

+++U(s)

Gc(S)-

Y'(s)史密斯預(yù)估控制原理圖=

Kpgp(s)Y(s)

U(s)史密斯預(yù)估控制原理通過(guò)加補(bǔ)償器使被延遲的被調(diào)量超前反映。即：-τds

-τdsKsgs(s)

=

Kpgp(s)(1e-τds)整理得史密斯預(yù)估器為：1+

Kp

c

p(s)(1-e

)G

(s)gKp

c

p(s)eG

(s)g1+1+

Kp

c

p(s)(1-e

)G

(s)g過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)Gc(S)Y(s)Kpgp(s)e-τdse-τdsR(s)

+-U(s)Y'(s)Kpgp(s)-

+

++D(s)

-τds-τds

-τds=Y(s)R(s)KpGc(s)gp(s)e-τds

1+

KpGc(s)gp(s)由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

KpGc(s)gp(s)e-τds

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。史密斯控制框圖過(guò)程控制第二篇Kpgp(s)e-τds

e-τdsR(s)

+-

Gc(S)Y'(s)U(s)

Kpgp(s)

Y(s)-

+

++

復(fù)雜控制系統(tǒng)D(s)

定值擾動(dòng)R常規(guī)PID系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出

負(fù)荷擾動(dòng)D常規(guī)PID系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出g

(s)G

(s)

K

G

(s)g1+

Kp

p

f

p

c

p(s)(1-e

)過(guò)程控制第二篇復(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。史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案Kpgp(s)e-τds

e-τdsR(s)

+-

Gc(S)Y'(s)

Y(s)-

+

+

+

D(s)U(s)

Kpgp(s)Gf(S)-方案一實(shí)現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補(bǔ)償器-τds=

Kpgp(s)e-τdsKpGc(s)gp(s)e-τdsY(s)D(s)1+1+Kp

c

p(s)(1-e

)G

(s)gg

(s)G

(s)

K

G

(s)g=R(s)

Kp

p

c(s)(s)eg

G過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)上式分子項(xiàng)為0，可使系統(tǒng)完全不受擾動(dòng)D的影響。-τdsGf

(s)

=

Kpgp(s)

整理得：

-τdsY(s)

=D(s)

1+Kp

p

f

p

c

p(s)顯然只要取再看：Y(s)

KpgpGc(s)(s)e-τds

=R(s)

1+Kp

p

f

p

c

p(s)1Y(s)

KpgpGc(s)(s)e-τds

-τds系統(tǒng)對(duì)R的響應(yīng)為1，完全跟蹤設(shè)定值。過(guò)程控制第二篇方案二Gc(S)Y(s)Kpgp(s)e-τdse-τdsR(s)

+-U(s)Y'(s)Kmgm(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)

D(s)1+TDs×÷增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案當(dāng)模型匹配時(shí)可簡(jiǎn)化為Y(s)-τdseR(s)

+-U(s)

Gc(S)Y'(s)D(s)

Kpgp(s)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§6-4

非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)

自學(xué)當(dāng)模型失配時(shí)可近似為Gc(S)Y(s)Kpgp(s)e-τdsR(s)

+-U(s)Y'(s)D(s)Kmgm(s)

×K反饋增益隨模型失配情況變化過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)第七章解

耦

控

制§7-1

相對(duì)增益§7-2

耦合系統(tǒng)中的變量匹配和調(diào)節(jié)參數(shù)整定§7-3

解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)§7-4

實(shí)現(xiàn)解耦控制系統(tǒng)的幾個(gè)問(wèn)題過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)GpB(s)Gpμ(s)GNB(s)GNμ(s)μN(yùn)pTB單元制火力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷對(duì)象

pT

μ

N

Vs

BμN(yùn)pTB負(fù)荷控制為多變量控制，對(duì)象存在存在耦合過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)GpB(s)Gpμ(s)GNB(s)GNμ(s)μN(yùn)pTBPIDPIDGpμ(s)GNμ(s)GpB(s)GNB(s)pTNPID

μPID

B簡(jiǎn)單控制方案缺陷：一個(gè)回路的控制動(dòng)作會(huì)對(duì)其他回路產(chǎn)生影響。原因：系統(tǒng)之間存在耦合。

因此，了解系統(tǒng)之間的耦合是進(jìn)行多變量自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

rpij

yi

j

§7-1

相對(duì)增益

1.

相對(duì)增益定義

相對(duì)增益：一個(gè)調(diào)節(jié)量μi對(duì)一個(gè)被調(diào)量的yj的影響

設(shè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益矩陣為P，記作：

y

=

Pμ

矩陣P的元素pij的靜態(tài)值稱(chēng)為μj到通道yi的第一放大系數(shù)，即μj到通道yi的靜態(tài)增益。表示為P

p12

k11

k12

p22

k21

22

第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)G22(s)G21(s)G12(s)G11(s)μ1y1y2μ

2過(guò)程控制

對(duì)于雙變量系統(tǒng)k

p11

p21過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

設(shè)所有其它回路閉合，保持其它被調(diào)量不變的情況下，各通道開(kāi)環(huán)增益矩陣為Q。它的元素qij的靜態(tài)值稱(chēng)為μj到通道yi的第二放大系數(shù)。表示為：y

rqij

yi

j

rr

pijqij

y定義

ij

yi

j

yi

j為μj到通道yi的相對(duì)增益由

ij

元素組成的矩陣Λ為相對(duì)增益矩陣。1

j過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)2.

相對(duì)增益計(jì)算設(shè)式y(tǒng)

=

Pμ

中P為滿(mǎn)秩，則有：μ

=

Hy式中H=P-1定義yrhji

qij

yi則有hji

1qij

1TTΛ

=

P

H

P

Pij

ij

=

pij

Pdet

P相對(duì)增益計(jì)算式第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)過(guò)程控制

對(duì)雙變量系統(tǒng)有

-k12k21k11k22-k12k21

12

=

k11k22k11k22-k12k21

11

=

-k12k21k11k22-k12k21

21

=

k11k22k11k22-k12k21

22=

11

21

=1

22

12

=1

縱加因此有如下關(guān)系存在：

11

12

=1

22

21

=1

橫加

推廣之，則有

p

p

p

p過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)ijijijijijijijijijij

1

1

n

j

1

ni

1

n

j

1

ni

1

n

j

1

ni

1P

1P

1==

det

P

det

P

Pdet

P

Pdet

P相對(duì)增益反映的系統(tǒng)耦合特性：ij<1.2，表明其它通道對(duì)該通道的耦合弱，不需（1）0.8<λ解耦；ij≈0，表明本通道通道調(diào)節(jié)作用弱，不適宜最為調(diào)節(jié)（2）λ通道；ij<0.7或>1.5，表明其它通道對(duì)該通道的耦合強(qiáng)，（3）0.3<λ需解耦。4.

相對(duì)增益性質(zhì)過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

§7-2

耦合系統(tǒng)中的變量匹配和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

耦合的多變量系統(tǒng)調(diào)節(jié)量和被調(diào)量之間的配對(duì)是進(jìn)行良好控制的必要條件。GpB(s)Gpμ(s)GNB(s)GNμ(s)μN(yùn)pTPID

BPIDGNB(s)GNμ(s)GpB(s)Gpμ(s)μpTNBPIDPID過(guò)程控制

第二篇

1.

變量之間的配對(duì)

（1）0.8<λij<1.2根據(jù)定義

rr

y

ij

yi

j

yi

j

其它通道閉環(huán)與否對(duì)該通道影響很小，表明其它通道對(duì)該通

道的耦合弱。不需要解耦，變量配對(duì)合適。

（2）λij≈0

表明該通道調(diào)節(jié)量對(duì)被調(diào)量的影響很微弱，變量配對(duì)不合適，不適宜最為調(diào)節(jié)通道。k12g

12(s)k22g22(s)k11g11(s)k21g21(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)

μ1y1y2μ

2例如：雙變量系統(tǒng)

1

=

P

1

y2

μ2

Λ

=

=

y1

μ2

則：P=

Λ=

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)說(shuō)明μ1與y1

、

μ2與y2的配對(duì)合適，這樣的配對(duì)系統(tǒng)不需解耦。若取

y

μ

k11

k12

4

-1

P=

=

k22

1

5

k21

λ11

λ12

0.95

0.05

λ21

λ22

0.05

0.95

=

P

y2

μ1

-1

4

5

10.05

0.950.95

0.05說(shuō)明μ1與y2

、

μ2與y1的配對(duì)不合適。k11g11(s)k21g21(s)k12g

12(s)k22g22(s)y1y2

μ1μ

2

y2

μ2

=

y2

μ1

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)G21(s)G12(s)G11(s)μ1y1PIDG12(s)G11(s)G22(s)

G22(s)G21(s)

μ2μ1y2y2y1μ2PID

PIDPID

y1

4

1

μ1

1

5

y1

1

4μ2

=

5

1過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）0.3<λij<0.7

說(shuō)明其它回路的閉合使該通道的等效增益增加，耦合

強(qiáng)，需解耦。k11g11(s)k21g21(s)k12g

12(s)k22g22(s)y1y2

μ1μ

2Gc(s)k'11g'11(s)y1μ1rr

y

yi

j

yi

jk11k11

11

k11

k11

根據(jù)：

ij

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)

（4）λij>1.5

說(shuō)明其它回路的閉合使該通道的等效增益減小，耦合強(qiáng)，需解耦。k21g21(s)k12g

12(s)k22g22(s)k11g11(s)μ1y1y2μ

2Gc(s)k'11g'11(s)y1μ1rr

y

ij

yi

j

yi

jk11>k11k11k11

11

根據(jù)：過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)k21g21(s)k12g

12(s)k22g22(s)k11g11(s)μ1y1y2μ

2k11g11(s)y1μ1k22g22(s)y1μ2

系統(tǒng)按單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)器參數(shù)按單變量整定方法整定。Gc1(s)Gc2(s)2.

調(diào)節(jié)參數(shù)的整定（1）λij≈1，耦合很弱，系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)需考慮解耦。

如：

雙變量對(duì)象λ11≈1過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)k22g22(s)k21g21(s)k12g

12(s)k11g11(s)μ1y1y2μ

2k21g21(s)y2μ1k12g12(s)y1μ2Gc1(s)Gc2(s)（2）λij≈0，表明該通道調(diào)節(jié)量對(duì)被調(diào)量的影響很微弱，變量配對(duì)不合適。

如：

雙變量對(duì)象λ11≈0

調(diào)整變量配對(duì)后，（對(duì)于雙變量）系統(tǒng)可按單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)器參數(shù)按單變量整定方法整定。過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）λij<1

說(shuō)明其它回路的閉合使該通道的等效增益增加。k22g22(s)k21g21(s)k12g

12(s)k11g11(s)μ1y1y2μ

2Gc(s)k'11g'11(s)y1μ1k11k11

11

k11

k11

先在其它回路開(kāi)環(huán)時(shí)按單變量整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，適當(dāng)增加比例帶。例如：過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)（3）λij>1

說(shuō)明其它回路的閉合使該通道的等效增益減小。k22g22(s)k21g21(s)k12g

12(s)k11g11(s)μ1y1y2μ

2Gc(s)k'11g'11(s)y1μ1k11k11

11

k11

k11

先在其它回路開(kāi)環(huán)時(shí)按單變量整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，適當(dāng)減小比例帶。例如：

0過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)（4）λij<0

說(shuō)明其它回路的閉合使μi對(duì)yj影響改變方向k21g21(s)k12g

12(s)k22g22(s)k11g11(s)μ1y1y2μ

2Gc(s)k'11g'11(s)y1μ1k11k11

11

例如：

先在其它回路開(kāi)環(huán)時(shí)按單變量整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，當(dāng)其它回路閉合時(shí)，調(diào)節(jié)器應(yīng)改變方向才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)§7-3

解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于耦合系統(tǒng)，如采取單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡管可通過(guò)

仔細(xì)地調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)改善控制品質(zhì)，但耦合嚴(yán)重的系統(tǒng)，

還是需要進(jìn)行解耦控制設(shè)計(jì)。常用有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有：1.

前饋補(bǔ)償法2.

對(duì)角矩陣法3.

單位矩陣法第二篇過(guò)程控制

1.

前饋補(bǔ)償法k22g22(s)k21g21(s)k12g

12(s)k11g11(s)μ1μ

2D21(s)D12(s)Gc1(s)-++++Gc2(s)

++++

y2

y1++-只要使：k21g21

+D21k

22g22

=

0k12g12

+D12k

11g11

=

0就可使系統(tǒng)解耦等效系統(tǒng)為k11g11(s)y1μ'1k22g22(s)y2μ'2Gc1(s)Gc2(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)

前饋補(bǔ)償

11

12

11

12

11

(s)

0D

(s)

D

(s)

(s)

D

(s)

G

0

G

22(s)第二篇過(guò)程控制

2.

對(duì)角矩陣法G21(s)G

12(s)G22(s)G11(s)μ1y1y2μ

2D21(s)D

12(s)D22(s)D11(s)μc1μc2G

C2(s)G

C1(s)復(fù)雜控制系統(tǒng)

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選擇

y1(s)

G11(s)

G12(s)

μ1(s)

G11(s)

G12(s)

D11(s)

D12(s)

μc1(s)

=

=

y2(s)

G21(s)

G22(s)

μ2(s)

G21(s)

G22(s)

D21(s)

D22(s)

μc2(s)

-1

G

(s)

G

(s)

G

D21

22(s)

G21

22(s)

y2(s)

G

22(s)

μc2(s)

過(guò)程控制第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)等效系統(tǒng)為G'11(s)G'22(s)y1y2μc1μc2Gc1(s)Gc2(s)

0

μc1(s)

y1(s)

G11(s)

=

0可使

兩個(gè)單變量系統(tǒng)

這種解耦方法不僅可以解除耦合，還可改善單變量對(duì)象特性。但解耦網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，往往難以實(shí)現(xiàn)。D11

12

11

12(s)

1

0(s)

D

(s)

G

(s)

G

D21

22(s)

G21

22(s)

第二篇過(guò)程控制

3.

單位矩陣法G21(s)G

12(s)G22(s)G11(s)μ1y1y2μ

2D21(s)D

12(s)D22(s)D11(s)μc1