过程控制—复杂控制系统

1、过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统第六章第六章利用补偿原理提高系统的控制品质利用补偿原理提高系统的控制品质6-1 概述概述6-2 前馈控制系统前馈控制系统6-3 大迟延系统大迟延系统6-4 非线性增益补偿系统非线性增益补偿系统（自学）（自学）过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统6-1 概述概述反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制有偏差才控制有偏差才控制不能事先规定调节器的输出不能事先规定调节器的输出Gc(s)KvGp(s)-r +yDGd (s)+反馈控制的缺点：反馈控制的缺点：KvGp(s)yDGd (s)+G

2、ff(s)设计控制器设计控制器Gff(s)，使使Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。则扰动则扰动D的变化与输出的变化与输出Y无关。无关。过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统工程实际中几种不变性工程实际中几种不变性( )0( )0iDty t当时 ，( )0( )iDty t当时 ，( )0lim( )0itDty t 当时 ，（1）绝对不变性：）绝对不变性：（2）误差不变性：）误差不变性：（3）稳态不变性：）稳态不变性：（4）选择不变性：对主要扰动不变性）选择不变性：对主要扰动不变性控制系统的被调量与扰动量绝对无关控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确

3、度下无关。即：或在一定准确度下无关。即：U(s)Y(s)D1(s) Di(s) Dn(s)被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动( )0( )01,2,iD ty tin当时，过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统6-2 前馈控制系统前馈控制系统1 基本概念基本概念2 静态前馈静态前馈3 动态前馈动态前馈4 前馈前馈反馈控制系统反馈控制系统过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统HWD汽包水位控制例汽包水位控制例Gc1(s)KvGp(s)-rHDw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)当当Gff(s) Gp(s)=- G

4、d(s)时，蒸汽扰动对水位的影响消除。时，蒸汽扰动对水位的影响消除。 把把Gff(s) 称为前馈控制器。称为前馈控制器。，定义：定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。1 基本概念基本概念过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统定义：定义：基于不变性原理的控制系统称为前馈控制系统。基于不变性原理的控制系统称为前馈控制系统。是一种按扰动进行补偿的开环控制系统是一种按扰动进行补偿的开环控制系统对对 象象前馈控制器前馈控制器D1 Di Dn

5、y前馈控制系统前馈控制系统过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统2 静态前馈静态前馈定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态前馈。即基于稳态不变性原理前馈。即基于稳态不变性原理( )0lim( )0itDty t 当时 ，前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统简单情况：简单情况：HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)若若p-p

6、ppKG(s) =e1 + T sdddd-KG(s) =e1 + T s静态前馈控制器为：静态前馈控制器为：dffpKK=K过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统复杂情况：复杂情况： 静态前馈控制器的设计是按过程的物质或能量平衡静态前馈控制器的设计是按过程的物质或能量平衡方程计算补偿校正值。方程计算补偿校正值。过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统列管换热器控制列管换热器控制换热器热平衡方程为：换热器热平衡方程为：21()prsQ cD Hpc为定压比热容为定压比热容为汽化潜热为汽化潜热sH2121()()pffrrscKDQkQH那么前馈控制器为：那么前

7、馈控制器为：常数常数QCDTDTTk2r+-QD21料液料液加热蒸汽加热蒸汽静态前馈控制器静态前馈控制器过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统3 动态前馈动态前馈若若p- spppKG(s) =e1 + T sdddd- sKG(s) =e1 + T sdpdp-(- )spdffpd-(- )spffd1 + T sKG(s ) =eK1 + T s1 + T sKe1 + T s静态前馈静态前馈kff动态前馈动态前馈Gff(s)Gff(s)Gp(s)Gd(s)D过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统KffGp(s)Gd(s)D扰动扰动D扰动输出扰动输出调

8、节输出调节输出系统输出系统输出动态前馈要动态前馈要消除的面积消除的面积动态前馈产动态前馈产生的面积生的面积动态前馈动态前馈Gff(s)的图示说明：的图示说明：静态前馈控制静态前馈控制过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统动态前馈控制器（补偿器）动态前馈控制器（补偿器）dp-(- )spffd1 + T sG(s )e1 + T s讨论：讨论：（1）Tp=Td，则，则dp-(- )sffG(s )e若若,dp动态前馈为动态前馈为纯迟延纯迟延可实现；可实现；若若,dp动态前馈为纯提前不可实现。动态前馈为纯提前不可实现。扰扰动动DGff(s)Gp(s)Gd(s)D由此可得到：在选择

9、调节通道时应选由此可得到：在选择调节通道时应选择迟延短的和时间常数小的通道。择迟延短的和时间常数小的通道。过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统（2） p= d ，则，则pffd1 + T sG(s )1 + T s若若Tp=Td,1ffG(s )若若TpTd,若若Tp0.3/T0.3控制难度：超调量大，调节时间长控制难度：超调量大，调节时间长简单解决办法：简单解决办法：dGp(s)PI34T s + 1Ts + 1ry微分先行控制微分先行控制dGp(s)PIDDDK T sT s +1ry中间反馈控制中间反馈控制过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统某大迟

10、延对象某大迟延对象 不同控制方案仿真结果不同控制方案仿真结果方案方案PID微分先行微分先行中间反馈中间反馈超调量超调量调节时间调节时间0.2890.1620.13325min28min21min42( )41spGses过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统2 采用补偿原理克服大迟延的影响采用补偿原理克服大迟延的影响Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)essK g (s)+-U(s)Y(s)史密斯预估控制原理图史密斯预估控制原理图ppY (s)= Kg(s)U (s)史密斯预估控制原理史密斯预估控制原理通过加补偿器使被延迟通过加补偿器使被延迟的被调量超前反映。

11、即：的被调量超前反映。即：d-sppssY (s) = (Kg(s)e+ Kg (s)U (s)d-sppppssKg(s) = Kg(s)e+ Kg (s)(1)d-sssppKg (s) = Kg(s)e整理得史密斯预估器为：整理得史密斯预估器为：过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)ppK g (s)+-D(s)Rdddd-scpp-s-scppcpp-scppcppG(s)Kg(s)eY (s)=(s)1 + G(s)Kg(s)eG(s)Kg(s)(1 - e)G(s)Kg(s)e1

12、+ G(s)Kg(s)由梅逊公式得到系统闭环传递函数由梅逊公式得到系统闭环传递函数 系统特征方程不纯含迟延项，因此消除了纯迟延对系统特征方程不纯含迟延项，因此消除了纯迟延对系统控制品质的影响。系统控制品质的影响。史密斯控制框图史密斯控制框图过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)ppK g (s)+-D(s)定值扰动定值扰动R常规常规PID系统输出系统输出史密斯控制系统输出史密斯控制系统输出负荷扰动负荷扰动D常规常规PID系统输出系统输出史密斯控制系统输出史密斯控制系统输出42( )41spGs

13、es例例6-2过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统 史密斯预估控制虽然对定值扰动有很好的控制效史密斯预估控制虽然对定值扰动有很好的控制效果，然而对其他扰动控制效果变差，而且当预估器模果，然而对其他扰动控制效果变差，而且当预估器模型不准确时，控制效果也变差（型不准确时，控制效果也变差（P141）。）。史密斯预估器的几种改进方案史密斯预估器的几种改进方案实现完全抗干扰实现完全抗干扰的史密斯补偿器的史密斯补偿器Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)ppK g (s)+-D(s)Gf(S)-方案一方案一dd- s- sppfcppppp

14、pfcpp1 + K g (s)G (s)G (s)K g (s)(1 - e)K g (s)eY(s)=D(s)1 + K g (s)G (s)G (s)K g (s)过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统上式分子项为上式分子项为0，可使系统完全不受扰动，可使系统完全不受扰动D的影响。的影响。d- spcpfpp1 + K G (s)g (s)(1 - e)G (s) =K g (s)显然只要取显然只要取再看：再看：d- scppppfcppG (s)K g (s)eY(s)=R(s)1 + K g (s)G (s)G (s)K g (s)1dd- sppc- sppcK g G (s)(s)eY(s)=R(s)K g G (s)(s)e系统对系统对R的响应为的响应为1，完全跟踪设定值。，完全跟踪设定值。过程控制过程控制 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统方案二方案二Gc(S)R(s)Y(s)d- sppK g (s)ed- se+-U(s)Y(s)mmK g (s)D(s)1+TDs增益