常用高性能过控系统

常用高性能过控系统第1页，共70页，2023年，2月20日，星期一第六章常用高性能过控系统一串级控制系统二前馈控制系统三大时延过程的补偿控制第2页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统例：化学反应釜温度控制系统系统干扰

进料方面：进料量，进料温度，进料化学成分等。以上干扰统称为F1

冷却水方面：冷却水温度，冷却水压力。以上干扰称为F2反应釜温度控制系统第3页，共70页，2023年，2月20日，星期一控制系统实例假设冷却水的压力升高！冷却水流量↑＝＞夹套温度↓夹套温度↓（传热）＝＞釜壁温度↓釜壁温度↓（传热）＝＞介质温度↓介质温度↓（调节）＝＞阀门开度↓阀门开度↓（节流）＝＞冷水流量↓问题：调节滞后很大，效果不好！第4页，共70页，2023年，2月20日，星期一改进后控制系统结构

为了及时发现来自冷却水方面的干扰，可以用一个温度传感器测量对冷却水参数变化比较敏感的夹套温度。

如果如图所示用T2T和T2C构成夹套温度控制自系统就可以有效抑制来自冷却水方面的干扰。能否在反应釜温度降低前提前关小阀门？串级控制系统第5页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的结构

TC1

称为“主调节器”；TC2称为”副调节器”。F1称为“一次扰动”；F2称为“二次扰动”。第6页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的标准结构对外环来讲，操作量（控制量）为夹套温度！对内环来讲，被控量为夹套温度，操作量为阀门开度！副回路相当于一个

“伪执行器”第7页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制效果分析控制效果分析理想效果第8页，共70页，2023年，2月20日，星期一控制效果分析我们把作为衡量系统性能的标准，其值越大系统性能越好考虑都采用纯比例则第9页，共70页，2023年，2月20日，星期一控制效果对比如不采用串级控制由于所以串级控制系统性能更好第10页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验一（单回路系统性能）实验１第11页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验一（单回路系统性能）系统给定值扰动曲线（S1）第12页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验一（单回路系统性能）系统F2干扰扰动曲线（S2）第13页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验二（串级系统性能）实验2第14页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验二（串级系统性能）系统给定值扰动曲线（S5）与单回路相比系统过渡过程加快第15页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验二（串级系统性能）系统F2干扰扰动曲线（S3）与单回路相比系统最大偏差明显减小第16页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验结果分析为何系统的给定值扰动的过渡过程也加快？把副回路看作一个等效过程为简化分析取第17页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验结果分析第18页，共70页，2023年，2月20日，星期一实验三（分析实验）对比实验（S6）副对象的惯性明显减小第19页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的优点(1)对进入副回路的干扰有很强的抑制能力系统时间常数的减小导致工作频率提高，同时由于时间常数的减小，可提高控制器增益进一步提高工作频率(2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。第20页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的优点(3)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。第21页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的优点(4)消除非线性环节第22页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的设计1)副回路的设计与副参数的选择a)副参数必须是物理可测。b)必须使副回路包含被控过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要干扰，并力求包含更多的干扰。控制系统抑止F2干扰比抑止F1干扰的能力强！第23页，共70页，2023年，2月20日，星期一

a）：燃料油压力为主要干扰；b）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有串级控制系统的设计c)副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错开。副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。第24页，共70页，2023年，2月20日，星期一假设

为常量频率的比值大于3，时常的比值在3～10范围内选择。串级控制系统的设计第25页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的设计c)副参数的选择应使主、副被控过程的时间常数适当错开。副回路的时间常数不能太大，调节通道尽可能短。

那个控制系统采用串级控制方法后性能改善比较明显？第26页，共70页，2023年，2月20日，星期一串级控制系统的设计2)主副调节器调节规律的选择a)主调节器定值控制，所以一般选PI或PID。b)副调节器起随动控制，一般选P或PI。3)主副调节器正反作用的选择返回按先内环后外环的原则，在确定外环时将内环看作一个”伪执行器“第27页，共70页，2023年，2月20日，星期一正、反作用方式的选择实例选择步骤：工艺要求→调节阀的气开、气关→副调节器的正、反作用→主、副过程的正、反作用→主调节器的正、反作用。(图6－8）燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反作用调节器；主对象也为正过程，主调为反作用调节器主、副调节器正、反作用方式选择参见232页串级控制系统的设计第28页，共70页，2023年，2月20日，星期一c)观察控制过程，适当调整调节器参数，使系统满足工艺要求。串级控制系统的参数整定4.1)一步整定法。主、副控制回路时间常数错开的情况(T01/T02=3~10）a)将副回路置于纯比例控制，由经验设定副调节器参数b)闭合副回路，按普通单回路控制系统的整定方法整定主回路PID参数4)串级控制系统PID参数的整定方法第29页，共70页，2023年，2月20日，星期一c)按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察修改到满意。返回串级控制系统的参数整定4.2)两步整定法。

a)工况稳定，主副回路均闭合，用4:1的衰减比求得b)将副回路等效成一个环节，同样的方法求得第30页，共70页，2023年，2月20日，星期一按两步整定的方法，反复试凑主副回路的PID参数！串级控制系统的参数整定4.3)逐步逼近法。主、副控制回路时间常数接近的情况第31页，共70页，2023年，2月20日，星期一1.适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时常，提高频率。（图6－8）2.适用于纯滞后较大的过程：（图6－9,）工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制。串级控制系统的适用范围第32页，共70页，2023年，2月20日，星期一5.适用于非线性过程注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用优点，才能收到预期的效果。4.适用于参数互相关联的过程：3.适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：串级控制系统的适用范围返回第33页，共70页，2023年，2月20日，星期一前馈控制系统例：换热器温度控制系统

由于反馈控制过程中不可避免的存在偏差，所以反馈控制无法实现完美的控制。第34页，共70页，2023年，2月20日，星期一采用前馈控制的效果

由此可见前馈控制理论上可以实现完美的控制效果但它是一种开环控制，控制结果无法检验。第35页，共70页，2023年，2月20日，星期一前馈控制的特点前馈控制的特点1前馈控制是一种开环控制。2前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制。3前馈控制器的调节规律与常规PID调节规律不同，它是一个专用控制器。4前馈控制只能抑制可测不可控的干扰。第36页，共70页，2023年，2月20日，星期一前馈控制的局限性前馈控制的局限性3决定前馈控制器的调节规律的是过程的动特性和

而和的精确值是很难得到的，既使能够得到，有时也很难实现。

1在实际工业生产过程中，使被控参数变化的干扰是很多的，不可能针对每一个干扰设计和应用一套独立的前馈控制器。2对不可测的干扰无法实现前馈控制。静态前馈第37页，共70页，2023年，2月20日，星期一前馈-反馈复合控制系统

在设计前馈---反馈复合控制系统时首先按常规方法设计反馈控制回路，然后针对系统中可测不可控的强干扰设计前馈控制器，构成复合控制系统。返回第38页，共70页，2023年，2月20日，星期一纯滞后概念的引入1建立被控对象的数学模型（第二章）2单回路控制系统PID参数整定（第五章）当时系统不能采用常规的PID控制

高阶惯性系统可近似为一阶惯性加纯滞后系统第39页，共70页，2023年，2月20日，星期一纯滞后系统的Smith预估控制一、工业实际中的纯滞后系统二、纯滞后对系统性能的影响三、Smith预估控制的基本思想四、改进型Smith预估控制系统返回第40页，共70页，2023年，2月20日，星期一例1：燃煤锅炉中的纯滞后给煤机皮带输煤机锅炉给煤量第41页，共70页，2023年，2月20日，星期一燃煤锅炉中的关键设备给煤机皮带输煤机第42页，共70页，2023年，2月20日，星期一给煤量第43页，共70页，2023年，2月20日，星期一燃烧控制中的纯滞后

设传输距离为L，皮带速度为V，则纯滞后时间为：控制量被滞后第44页，共70页，2023年，2月20日，星期一例2：轧机控制中的纯滞后第45页，共70页，2023年，2月20日，星期一例2：轧机控制中的纯滞后第46页，共70页，2023年，2月20日，星期一例2：轧机控制中的纯滞后传感器轧制辊卷取机平整辊控制器执行器传感器的滞后导致板厚测量值被延迟了测量信号被滞后第47页，共70页，2023年，2月20日，星期一纯滞后系统的Smith预估控制一、工业实际中的纯滞后系统二、纯滞后对系统性能的影响三、Smith预估控制的基本思想四、改进型Smith预估控制系统第48页，共70页，2023年，2月20日，星期一二、纯滞后对系统性能的影响仿真实验1被控制对象传递函数为：

PID控制器第49页，共70页，2023年，2月20日，星期一无纯滞后系统的响应曲线无纯滞后的响应曲线无纯滞后的情况下系统调节效果比较理想！

观察系统的阶跃响应曲线假设纯滞后时间第50页，共70页，2023年，2月20日，星期一结论：试验1结果分析

1、纯滞后的存在严重影响系统的稳定裕度！

2、改变PID参数后系统的过渡过程性能指标严重下降！对象有纯滞后对象无纯滞后60S重新整定调节器参数180S第51页，共70页，2023年，2月20日，星期一纯滞后环节的BODE图

纯滞后环节的滞后相角随频率的增加无限增大。第52页，共70页，2023年，2月20日，星期一纯滞后广泛存在于过程控制系统中要求设计一种有效的控制方法把纯滞后对系统的影响降低到最小！小结纯滞后

对控制系统性能的影响非常大

1、稳定裕度降低。

2、控制系统性能变差。Smith预估控制第53页，共70页，2023年，2月20日，星期一纯滞后系统的Smith预估控制一、工业实际中的纯滞后系统二、纯滞后对系统性能的影响三、Smith预估控制的基本思想四、改进型Smith预估控制系统第54页，共70页，2023年，2月20日，星期一三、预估控制的基本思想可否采用如下方法?

由于时间轴是单向的，“纯超前”系统是不存在的，物理上不可以实现！

系统输出不能“超前”，但是否可以预测呢？第55页，共70页，2023年，2月20日，星期一Smith预估控制的基本思想利用预估模型提前预测系统输出。预估模型系统建模重点1由于模型一样，系统对于控制量的输出也相同!第56页，共70页，2023年，2月20日，星期一理想系统的控制效果

系统的输出虽然被延迟了一段时间，但控制效果和没有纯滞后环节是一样的。系统真实输出预测模型输出第57页，共70页，2023年，2月20日，星期一Smith预估控制的基本思想问题如此简单的解决了？预估模型该系统是闭环控制系统？被控对象

实际上这是一个貌似闭环的开环控制系统，仅仅只是对控制器内部变量的局部闭环！第58页，共70页，2023年，2月20日，星期一开环预估系统的问题而辨识模型难免存在误差开环控制对模型误差非常敏感假设：第59页，共70页，2023年，2月20日，星期一简单预估系统的问题

受模型误差的影响，系统输出必然存在控制误差。这些误差会在系统的状态变量中累积。经过一段时间的运行可能产生很大的偏差！系统真实输出预测模型输出如何解决?第60页，共70页，2023年，2月20日，星期一Smith预估控制系统

此时形成了两个调节系统，一个系统根据预估值对对象进行调节，另一个系统则对误差进行抑制。两个系统共用PID调节装置！重点2第61页，共70页，2023年，2月20日，星期一Smith预估控制系统目的：使结构紧凑第62页，共70页，2023年，2月20日，星期一Smith预估控制系统Smith预估控制器结论：第63页，共70页，2023年，2月20日，星期一Smith预估控制的效果Smith预估控制在模型有差的情况下依然具有良好的调节效果！仿真实验2第64页，共70页，2023年，2月20日，星期一总结：预估控制的特点与问题