过程控制工程(孙洪程版)第二篇 8-13章

1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程 Email:S第第8 8章章 非线性控制系统非线性控制系统 第二篇第二篇 先进控制系统先进控制系统 参数整定要注意的问题：参数整定要注意的问题：LCT1 e-csTeApspp1sTeAmsmm1uR_cGpSx1(x1，x2) y = x1 非线性函数发生器非线性函数发生器 快速调节器快速调节器 2= 1.uBang-Bang控制器控制器 过程过程自适应开自适应开关计算机关计算机 yu采样采样r(n),y(n) PID算式算式 Bang-Bang算式算式 |r(n)y(n)|e(n)| |e(n)|a？ 否否启动启动送输出通道送输出通道 过程控制系

2、统及工程信息学院自动化系：李大字 Email:第第9 9章章 纯滞后补偿控制系统纯滞后补偿控制系统spesG)()(sG )()()(sGsGesGpsp)1)()(spesGsGGC(s) GP (s)e-s G(s) R )()(1)()()()(sGsGesGsGsRsYpcspc)()(1)1)()(1)()()(sGsGesGsGsGsFsYpcspcf一阶滞后对象的纯滞后补偿器电路图 产生纯滞后信号的方法产生纯滞后信号的方法存储单元法为了形成滞后L的信号，需在内存中开辟L+1个存储单元，以存储P(k)的历史数据。 多项式近似原理计算e-s时，可将其按幂级数展开为 2)21 (1se

3、s111112212222( )( )( )( )( )( )( )( )Y sP sGsGsGsGsYsP s( )( ) ( )Y sG s P s解耦控制解耦控制设计控制系统，消除系统之间耦合设计控制系统，消除系统之间耦合 Gc1(s)Gc2(s)R1R2Y1(s)Y2(s)P1（s） P2（s） G22（s） G11（s） G12(s) G21(s) GC1（s） GC2（s） P1(s) P2（s） F11（s） F22（s） P1(s) P2(s) G11（s） G22（s） F12(s) F21(s) G12(s) G21(s) Y1（s） Y2（s） R1 R2 a)12211

4、1FF212211FFb)12112122( )1( )( )( )1( )GsGsF sGsGsd)c)112211FF111211FF ：通过塔顶温度控制保证顶部产品的质量，操纵变通过塔顶温度控制保证顶部产品的质量，操纵变量为回流量量为回流量L；塔底产品的质量通过对塔底温度；塔底产品的质量通过对塔底温度的控制来保证，控制质量为再沸器的加热蒸气量的控制来保证，控制质量为再沸器的加热蒸气量W。塔顶和塔底产品的质量（组分）分别以。塔顶和塔底产品的质量（组分）分别以Y1和和Y2表示。表示。显然，在这一控制方案中，系统间的关联是不容显然，在这一控制方案中，系统间的关联是不容忽视的。并可以通过计算机分

5、别进行未经解耦和忽视的。并可以通过计算机分别进行未经解耦和简化解耦的模拟实验。简化解耦的模拟实验。 VR TOH LO, TR V2 Li TCF图图11-3可测扰动可测扰动 不可测扰动不可测扰动 可测输出可测输出 操纵变量操纵变量不可测输出不可测输出 ： Gd1 Gd2 GP1 GP2 d u Y ZGP1Gd1Gd2GP2G(s)U(s)Y(s)D(s)Z(s)21( )( )( ) ( )( )PPE sG sGs E sGs12( )( )( )ddGsE sGs211( )( )( )( )( )( )( )PPU sZ sGs E s U sE sGs Gc(s)GP1(s)Gd1

6、(s)Gd2(s)GP2(s)(sE)(2sGpGc(s)GP1(s)Gd1(s)Gd2(s)GP2(s)(sE)(2sGpU(s)D(s)Y(s)Z(s)v 估计器估计器v 信号分离信号分离( )E sv 推断控制器推断控制器1( )/( )( )( )1( )/( )cpY zR zG zHGzY zR zGc(s)H(s)Gp(s)R(s)R(z)U(z)Ys(s)Y (z)( )( )( ) ( )( )PCY zHGz Gz R zY zNNpczzzHGzG111)(1)( ( )( )1sY seR sTs1111(1)( )( )1(1)NcNpq zG zHGzqzq z /

7、STTqe Gc(s)Goh(s)Gp(s)GPD(s)R(s)E(z)U(z)D(s)Y(s)( )( )( )( )1( )( )CoHPCCoHPCGz G GzY zR zGz G Gz( )( )( )1( )( )PDCoHPCGzY zD zGz G Gz0121( )( )(1)(2) (1)2 (2)u ka e ka e ka e kbu kb u k 采样控制也可以由专用的模拟式采样控制器来完成。采样控制也可以由专用的模拟式采样控制器来完成。模拟式采样控制器一般具有模拟式采样控制器一般具有PI控制规律，但是在每控制规律，但是在每一个采样周期内只让积分作用导通一个很短的时间

8、，一个采样周期内只让积分作用导通一个很短的时间，然后就把它切断。到下一个采用周期时再让积分作然后就把它切断。到下一个采用周期时再让积分作用导通一个很短的时间，然后又把它切断。如此循用导通一个很短的时间，然后又把它切断。如此循环工作下去达到采样控制的目的。结果既能够发挥环工作下去达到采样控制的目的。结果既能够发挥积分作用消除余差的效果，又能够克服因对象纯滞积分作用消除余差的效果，又能够克服因对象纯滞后的存在，不能及时反馈控制效果信息而导致控制后的存在，不能及时反馈控制效果信息而导致控制器输出过头的弊端。器输出过头的弊端。工业过程特点工业过程特点v数学模型的非精确性数学模型的非精确性v不确定性、随

9、机性、参数时变性不确定性、随机性、参数时变性v多变量系统多变量系统v控制算法的可实施性控制算法的可实施性v历史，。历史，。v脉冲响应与阶跃响应；滚动脉冲响应与阶跃响应；滚动 (1)( )(1) ,1,2,.iiYky kRiexp(/)sTT21()()pppiiJykiy ki-预测轨迹尽量靠近参考轨迹预测轨迹尽量靠近参考轨迹-代入预测模型代入预测模型(1)(1)( )TPMykykg u k - 最优预测控制最优预测控制 得得(1)(1)Pryky k211( )(1)(1)(1)rNu ky kg u kg u kNgv动态矩阵控制原理与算法动态矩阵控制原理与算法控制结构组成控制结构组成

10、优化策略优化策略反馈校正反馈校正算法算法v设计参数选择设计参数选择采样周期采样周期优化时域长度优化时域长度控制时域程度控制时域程度权矩阵权矩阵误差校正向量误差校正向量v DMC依靠对象的阶跃响应依靠对象的阶跃响应v控制结构组成控制结构组成预测模型预测模型a2a1123N-1Na3aN-1aN模型截断离散的阶跃响应v预测模型预测模型对象的动态特性通过动态系数对象的动态特性通过动态系数a1, a2, , aN来描来描述述a1, a2, , aN是阶跃响应在采样时刻是阶跃响应在采样时刻t=T,2T,NT的值的值(ai step response coefficients)(ai+1-ai impul

11、se response coefficients)N的选择应该使的选择应该使aias, (jN), as是阶跃响应终止值是阶跃响应终止值v预测模型预测模型假设假设t=kT,(k+1)T, (k+M-1)T 有控制增量有控制增量u(k), u(k+1), ,u(k-M+1); 后面控制量不变后面控制量不变在采样时刻在采样时刻t=(k+1)T, (k+2)T, (k+P)T的值的值 (滚动滚动)|()|2()|1()(0000kPkykkykkykyP)|()|2()|1()(kPkykkykkykyMMMPM)()()(0kuAkykyMPPM1112100000;)1()()(MPPPMaaa

12、aaaAMkukukuv优化策略优化策略权矩阵：权矩阵：期望轨迹：期望轨迹：优化控制变量优化控制变量:uM(k)期望指标期望指标(无约束问题无约束问题) ：误差小，控制量小，即：误差小，控制量小，即MPrrrRqqqQ,.,;,.,2121)(),.,1()(PkWkWkWP221212)()()()(min) 1()|()()(minRMQPMPMiiPiMikukykWkJorikurkikyikWqkJv优化策略优化策略优化控制量优化控制量:uM(k)TPoPTTMMMPoPTMMMMMPoPTMPoPMiiPiMiMiiPiMiAAxxthatNotekykWQARQAAkukuRku

13、AkykWQAkukJkukJkuRkukuAkykWQkuAkykWkJikurkikyikWqkJikurkikyikWqkJ)()()()()(0)(2)()()(2)()(0)()()()()()()()()()()(min) 1()|()()(min) 1()|()()(min112121212v优化控制优化控制这就是这就是t=kT时刻解的最优控制增量序列时刻解的最优控制增量序列优化控制量优化控制量: u M(k)=u (k); ; u (k+M-1)vt=kT, u (k)=u (k-1)+ u (k);vt=(k+1)T, u (k+1)=u (k)+ u (k+1);vvt=(

14、k+M-1)T, u (k+M-1)=u (k+M-2)+ u (k+M-1);vt=(k+M)T, u (k+M)=u (k+M-1);vt=(k+M+1)T, u (k+M+1)=u (k+M);)()()()(1kykWQARQAAkuPoPTTMu(k+3)u(k+2)u(k+M-1)u(k+3)u(k+1)u(k+2)u(k)123W(k)t/Twkk+M-1k+Pk+1W(k+1)W(k+2)W(k+3)W(k+M-1)W(k+P)yM(k+1|k)k+2yM(k+2|k)yM(k+3|k)yM(k+P|k)Pt/Tkk+M-1k+Pk+1k+2u(k-1)u(k)u(k+1)u(k+M-1)u(k+P)图图 DMC的优化策略的优化策略3 反馈校正反馈校正v原因原因模型误差模型误差非线性