过程控制 利用补偿原理提高系统新PPT课件

1、2021-11-1816-1 概述2) 反馈控制系统的不足 在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果(稳定性,准确性,快速性)一、 反馈控制1)反馈控制的特点 ：基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用； 控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。第1页/共50页2021-11-182二、前馈思想在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。第2页/共50页2021-11-183例1 换热器控制(用蒸汽Q对物料F进行加热,保持出料口物料温度稳定)方案1-反馈控

2、制缺点： 对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节按偏差大小进行控制的 e调节阀1被调量: 换热器出口温度1主要干扰: 换热器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)r1闭环控制系统方框图F(s)Qe第3页/共50页2021-11-184方案2-前馈控制控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)1前馈控制系统方框图Q1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+FQ优点：对干扰直接进行控制，控制比反馈及时干扰F 调节阀1蒸汽量物料量第4页/共50页2021-11-1851( )( )( )( )( )( )

3、PDffVPCsGsGs Gs GsF s系统传递函数为：系统对于干扰F实现完全补偿的条件是:Gff(s) Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1FQ1( )0,( )0,F ss而代入上式有：( )( )( )( )0PDffVPCGsGs Gs Gs( )( )( )( )PDffVPCGsGsGs Gs 前馈控制的理论基础是不变性原理，或称为扰动补偿理论第5页/共50页2021-11-186 控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关，也就是被调量完全独立或基本独立设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调量y(t)的不变性可表示为：( )0( )0 (1,2,. )iD ty

4、 tin当时， 仍有即被调量y(t)与干扰Di(t)独立无关在应用不变性原理时,由于各种原因,不可能完全实现上式所规定的y(t)与Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种不变性第6页/共50页2021-11-187(1) 绝对不变性 对象在扰动Di(t)作用下, 被调量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变, 调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.即Y(s)/D(s) = 0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。 (2) 误差不变性准确度有一定限制的不变性可表示为：( )0| ( )|iD ty t当时，允许存在一定的误差, 在工程上容易实现, 而且生产中

5、也不会有绝对不变性的要求, 所以应用广泛. 如反馈控制从理论上应该属于误差不变性第7页/共50页2021-11-188(3) 稳态不变性在干扰Di(t)作用下, 被调量的动态偏差不为零, 而稳态偏差为零, 被调量在稳态工况下与扰动量无关.(4) 选择不变性系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性. 减少了补偿装置, 节省投资又能达到对主要干扰的不变性()()( )00,0issD tyery当时,第8页/共50页2021-11-1896-2 前馈控制系统对象前馈控制器设定值r调节量yD1 D2 Dn被调量前馈控制系统 前馈控制是以不变性原理为理论基础的一种控制方法.它把影响过程的主要因素测量

6、出来, 连同设定值一起, 用来计算正确的输出,以适应当前的状态一 基本概念u = f(r, D1,D2,Dn)D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。第9页/共50页2021-11-1810例3 锅筒锅炉的水位控制锅炉的水位控制系统生产过程：给水G经锅炉加热产生蒸汽输出被调量: 锅炉水位H,保持恒定扰动: 负荷(蒸汽D)扰动, 给水扰动. 控制方案：1. 串级控制(反馈控制)2. 前馈控制第10页/共50页2021-11-18111. 串级空制缺点：1. 对扰动的响应不够及时2. 如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求,水位H波动大3. 负荷对水位的影响存在假水位现象

7、,调节过程产生更大动态偏差,调节 过程加长主调节器副调节器调节阀管路锅炉压力变送器液位变送器给水扰动负荷扰动rHG(s)D(s)假水位: 锅炉蒸汽负荷突然,气压,水的沸点,水汽混合物体积,则此时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升反之一样第11页/共50页2021-11-1812主调节器副调节器调节阀管路锅炉压力变送器液位变送器给水扰动负荷扰动rHG(s)D(s) 如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负荷量,就能解决负荷扰动大,控制不及时的缺点.第12页/共50页2021-11-1813锅炉DDT 开方器LTLC阀QCDT 开方器hIG*IGID+-If蒸汽负荷给水G锅炉水位前馈

8、控制系统*5.0GDLIIII5.0fGDIIIG=f(D, r)2、前馈控制方案第13页/共50页2021-11-1814前馈控制与反馈控制的比前馈控制与反馈控制的比较较 前前 馈馈 控控 制制 反反 馈馈 控控 制制 扰动可测，但不要求被控量可测扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）（滞后调节）开环调节，无稳定性问题开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有

9、限个可测扰动系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强鲁棒性强第14页/共50页2021-11-1815(1) 前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，如果控制作用恰倒好处,一般比反馈控制及时(2) 前馈控制属于开环控制系统(3) 前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控

10、制器.(4) 一种前馈控制作用只能克服一种干扰前馈控制与反馈控制的比前馈控制与反馈控制的比较较第15页/共50页2021-11-1816二、 静态前馈控制 系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿,此时,前馈控制器的输出是输入量的函数, 而与时间因子无关.对控制要求不是很高,只关心结果,不重过程例4 列管换热器控制1) 生产过程2) 调节量 ( 2 )3) 扰动量 ( Q, 1, p )4) 热平衡方程及控制算法换热器料液Q, 12D加热蒸汽QQ蒸汽放热料液吸热21()prsQ cDH2121()()prsrcDQHkQ21psrcDH料液比热蒸汽流量蒸汽汽化热料液给定出口温度料液初始温度第1

11、6页/共50页2021-11-1817无论Q, 1如何变化，总有D=kQ( 2r- 1), Q, 1的扰动都能由蒸汽流量D立即进行补偿得到蒸汽流量的给定值D*=kQ( 2r- 1).前馈补偿器调节器阀管道换热器压力变送器Q1 1D2 2D*2r2r5) 前馈控制算法与对象数学模型关系:从本质上讲,算法就是数学模型Q1 1D2r2r数学模型Q1 1D2r2r前馈控制算法换热器TXQ 12r1+-kQCDTDTD*DD2静态前馈补偿器第17页/共50页2021-11-18186) 参数对控制的影响21()rDkQQD2rD1D k对出口温度2的影响：通过调整k值可以调整出口温度与设定值的残差 k过

12、小，D的减小过小,残差为正 k过大，D的减小过大，残差为负 k适当，D的减小与Q的减小匹配，残 差为0换热器TXQ12r1+-kQCDTDTD*DD2静态前馈补偿器料液流量蒸汽流量第18页/共50页2021-11-18197) 前馈控制与常规PID空制的比较(a) PID控制过程(b) 静态前馈控制过程 前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差 前馈控制超调量小 前馈控制作用时间短.静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断第19页/共50页2021-11-18208) 静态前馈控制缺点 负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为

13、瞬时温度误差 如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同,就有可能出现残差.右图中曲线-料液流量Q-蒸汽流量D-按静态前馈控制时Q 料液出口温度变化曲线.存在一段时间较小的偏差,是由于扰动通道和调节通道之间对象动态特性不同所引起的动态偏差.静态前馈补偿不能解决从理论上说，按静态模型设计的前馈控制装置可以保证静态偏差为零，但无法干预动态偏差的发生第20页/共50页2021-11-1821三 动态前馈控制 动态前馈控制的作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并使他们的符号相反，便可达到控制

14、作用完全补偿干扰对被控变量的影响( )( )( )( )PDffVPCGsGsGs Gs Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1扰动FQ 动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同.动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数, 而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。 第21页/共50页2021-11-18221. 动态补偿器的设计扰动量-D(s)被调量-Y(s)没有补偿器时, 扰动量D只通过Gd(s)影响Y,即Gv(s)Gff(s)补偿器m调节阀Gp(s)DY(s)扰动被调量Gd(s)( )( )(

15、 )dY sGs D s有了补偿器后，扰动量D同时还通过补偿通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)来影响被调量Y,则( )( )( )( )( )( )( )dffvpY sGs D sGs G s Gs D s( )( )( )( )( )( )dffvpY sGsGs G s GsD s根据不变性原理, 有补偿器传递函数为：( )( )( )( )dffvpG sGsG s Gs 第22页/共50页2021-11-1823假定扰动通道传递函数Gd(s)和调节通道传递函数Gp(s)均为纯迟延, 且为( ),( )pdssdpGseGse调节阀特性Gv(s)=kv, 则在扰动D作用下，进行静态前

16、馈控制，静态前馈装置只需实现0( )1( )lim()( )( )dffsvpvGsGsG s Gsk 此时只能保证稳态时对扰动的补偿( )( )( )( )( )( )( )1( )()( )( )( )pdpddffvpssvvssY sGs D sGs G s Gs D seD sk eD skeD seD s Gff(s) Gv(s) GP(s)GD(s)+Y(s)D第23页/共50页2021-11-1824( )()()dpy tD tD t Dt0ytpd扰动D的变化引起被调量持续时间为(d-p)的一个瞬变过程. 要进行动态补偿, 需要把前馈信号推迟d d- -p p如果Gd(s)

17、和Gp(s)分别是时间常数为Td和Tp的一阶惯性环节，控制仍设置为静态前馈控制，使Gff(s)=-1/k, 则有111( )( )( )()11vdpvY sD sD sksTsTk( )()pdt Tt Ty tD ee(假定TdTp)当t+时,limy(t)=0,静态误差为零.由于两个通道时间常数不同，出现了动态偏差Dt0ytTdTp0第24页/共50页2021-11-18252. 简单的动态补偿器：导前-滞后环节1) 按不变性原理实现完全补偿只有理论意义,实际上是不可能实现的 过程的动态特性难以测准，而且具有不可忽视的非线性，特别是在不同负荷下动态特性变化很大。 写出的补偿器的传递函数并

18、不等于能够实现2) 可以采用前馈控制的过程的特点： 扰动通道和调节通道的传递函数性质相近 如果有纯迟延，在数值上比较接近在大多数情况下，只需要考虑主要的惯性环节，即实现部分补偿通常采用简单的导前-滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函数为：121( )1ffsGss其增益为1, 只起动态补偿的作用. 按过程的静态模型设计的静态前馈控制装置则保持静态准确性。1 1导前时间；2 2滞后时间第25页/共50页2021-11-1826Gff(s)DM(s)121( ),( )1ffsmD sGsss112122222( )( )( )1()11()()111ffM sD s Gssmmmssss

19、ss2122( )(1)tm tmed(t)ttm(t)121210.3 控制系统中的大时延能导致系统的稳定性下降，甚至不稳定。6-3 大迟延系统第34页/共50页2021-11-1835第35页/共50页2021-11-1836 微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值，因而克服动态超调的作用有限。sDIcIsDIceSTSTKSSWTeSTSTKSXSY) 1)(1()() 1)(1()()(10sDIcIsIeSTSTKSSWTSeTSFSY) 1)(1()()()(10控制常规DPI 第36页/共50页2021-11-1837sDIcIsIceSTSTKSSWTeSTKSXSY)

20、1)(1()() 1()()(10sDIcIsIeSTSTKSSWTSeTSFSY) 1)(1()()()(10第37页/共50页2021-11-1838第38页/共50页2021-11-1839：预估器控制原理如下图Smith)(0SWSeSW)(0)(SF)(SY)(SWC)(SX+-+)(0SWSe+-+)(SY)(SU第39页/共50页2021-11-1840预估器时：不采用Smith)(0SW SeSWSUSY）（0SeSW)(0)(SF)(SY)(SWC)(SX+-+)(0SWSe+-+)(SY)(SU预估器时：采用Smith ）（）（SWeSWSUSYS00第40页/共50页20

21、21-11-1841预估器的传递函数为：由上式可得SmithSeSWSW100）（）（ ）（）（）（SWSWeSWSUSYS000 ）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（SWSWeSWSWeSWSWeSWSWeSWSWSXSYcScScScSc000001)1 (1第41页/共50页2021-11-1842ssTKPp442，图中SeTSK1)(SF)(SY)(SWC)(SX+-+1TSKSe+-+)(SY)(SU线如下图所示）阶跃变化下的响应曲在给定值（，系统，控制规律，且）采用（当10120rsTKPISWIcc效果显著。控制相比，与单回路间为，调节时指标为：超调量为预估器的控制性能使用PIDsSmith,832. 0返回第42页/共50页2021-11-1843 “调一下，等一等”的办法； 当调节器输出达一定时间后，就不再增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间与纯滞后时间0相等或再稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止； 根据偏差的大小再决定下一步的控制动作。第43页/共50页2021-11-1844采样控制方案 核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。 无需掌握精确的