过程控制课件-第六章利用补偿原理提高系统1新共

第六章利用补偿原理提高系统的控制品质9/17/20231过程控制第六章利用补偿原理8/3/20231过程控制§6-1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。9/17/20232过程控制§6-1概述2)反馈控制系统的不足在被控对象呈现大二、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。9/17/20233过程控制二、前馈思想8/3/20233过程控制例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θ1被调量:换热器出口温度θ1主要干扰:换热器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)θr—θ1

闭环控制系统方框图F(s)Qe9/17/20234过程控制例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)θ1前馈控制系统方框图Qθ1Gff(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θ1蒸汽量物料量9/17/20235过程控制方案2----前馈控制控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干系统传递函数为：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)++θ1FQ前馈控制的理论基础是不变性原理，或称为扰动补偿理论9/17/20236过程控制系统传递函数为：系统对于干扰F实现完全补偿的条件是:Gff(三、不变性原理: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：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．9/17/20237过程控制三、不变性原理:设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调(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：允许存在一定的误差,在工程上容易实现,而且生产中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．9/17/20238过程控制(1)绝对不变性(2)误差不变性允许存在一定的误差,(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．9/17/20239过程控制(3)稳态不变性(4)选择不变性8/3/20239过程控§6-2前馈控制系统对象前馈控制器设定值r调节量μyD1D2Dn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。9/17/202310过程控制§6-2前馈控制系统对象前馈设定值r调节量μyD1D2Dn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9/17/202311过程控制例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1.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,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．9/17/202312过程控制1.串级空制缺点：主调副调调节阀管路锅炉压力变送器液位变送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.9/17/202313过程控制主调副调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r锅炉DDT开方器LTΣLC阀QCDT开方器ΣhIG*IGID+-If蒸汽负荷给水G锅炉水位前馈控制系统IＬG=f(D,r)2、前馈控制方案9/17/202314过程控制锅炉DDT开方器LTΣLC阀QCDT开方器ΣhIG*IG前馈控制与反馈控制的比较

前

馈

控

制

反

馈

控

制

扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题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对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况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与鲁棒性强9/17/202315过程控制前馈控制与反馈控制的比较前馈控(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较9/17/202316过程控制(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(θ2)3)扰动量(Q,θ1,p)4)热平衡方程及控制算法换热器料液Q,θ1θ2D加热蒸汽9/17/202317过程控制二、静态前馈控制系统只需要在稳定工况下实现对干扰无论Q,θ1如何变化，总有D=kQ(θ2r-θ1),Q,θ1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(θ2r-θ1).前馈补偿器调节器阀管道换热器压力变送器Qθ1Dθ2D*θ2r5)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Qθ1Dθ2r

数学模型Qθ1Dθ2r前馈控制算法换热器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2静态前馈补偿器9/17/202318过程控制无论Q,θ1如何变化，总有D=kQ(θ2r-θ1),6)参数对控制的影响Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D

↓k对出口温度θ2的影响：通过调整k值可以调整出口温度与设定值的残差①k过小，D的减小过小,残差为正②k过大，D的减小过大，残差为负③k适当，D的减小与Q的减小匹配，残差为0换热器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2静态前馈补偿器料液流量蒸汽流量9/17/202319过程控制6)参数对控制的影响Q↑D↑k对出口温度θ2的影响：通过7)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①前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差②前馈控制超调量小③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．9/17/202320过程控制7)前馈控制与常规PID空制的比较(a)PID控制过程(8)静态前馈控制缺点①负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时温度误差②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①----料液流量Q↑②----蒸汽流量D↑③----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．9/17/202321过程控制8)静态前馈控制缺点①负荷变化时都有一段动态不平衡过程，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，便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响．Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1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。

9/17/202322过程控制三动态前馈控制动态前馈控制的作用在于力求在任何1.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μGp(s)DY(s)扰动被调量Gd(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,则根据不变性原理,有补偿器传递函数为：9/17/202323过程控制1.动态补偿器的设计扰动量----D(s)没有补偿器时,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,且为调节阀特性Gv(s)=kv,则在扰动D作用下，进行静态前馈控制，静态前馈装置只需实现此时只能保证稳态时对扰动的补偿．Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)++Y(s)D9/17/202324过程控制假定扰动通道传递函数Gd(s)和调节通道传递函数Gp(s)均Dt0ytτpτd扰动D的变化引起被调量持续时间为(τd-τp)的一个瞬变过程.要进行动态补偿,需要把前馈信号推迟τd-τp如果Gd(s)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(假定Td>Tp)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．Dt0ytTdTp09/17/202325过程控制Dt0ytτpτd扰动D的变化引起被调量持续时间为(τd-τ2.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．①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。②写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现．2)可以采用前馈控制的过程的特点：①扰动通道和调节通道的传递函数性质相近②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：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。τ1—导前时间；τ2—滞后时间9/17/202326过程控制2.简单的动态补偿器：导前---滞后环节1)按不变性原理Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2利用导前---滞后补偿器进行前馈控制时,要实现补偿,在它的输入和输出函数间的累积面积应该与未经补偿的过程响应曲线相匹配(大小相等,符号相反),那么响应曲线的净增面积为零．9/17/202327过程控制Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ经过补偿后输入和输出之间的累积面积为：未经动态补偿的响应曲线的累积面积为：则要使补偿后响应曲线的净增面积为零，可以使得：d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2Dt0ytTdTp09/17/202328过程控制经过补偿后输入和输出之间的累积面积为：未经动态补偿的响应曲线换热器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前馈控制PI阀p+-料液蒸汽换热器前馈控制系统方框图换热器在前馈和反馈控制下的响应曲线前馈控制的优越性:与反馈控制相比,控制质量好，而且不会出现闭环控制系统中存在的稳定性问题.在前馈控制系统中还不需要被调量的测量信号.9/17/202329过程控制换热器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前馈控制PI阀p+-四、前馈-反馈控制系统前馈控制系统的不足之处:1)静态准确性难保证要达到高度的静态准确性,需要有准确的数学模型,精确的测量仪表和计算装置,而且,模型中的系数也可能随运行条件而变化．2)前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的,一种前馈控制作用只能克服一种干扰.前馈－反馈控制系统：将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。3)属于开环控制，对被调量无检验9/17/202330过程控制四、前馈-反馈控制系统前馈控制系统的不足之处:1)静态准确典型的前馈－反馈控制系统Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)θ2r+-++++Dθ2干扰通道前馈补偿通道反馈通道系统的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系统是偏差控制和扰动控制的结合-----复合控制系统．前馈－反馈控制系统对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完全相同,反馈回路中加入前馈控制对反馈调节器所需要整定的参数带来的变化不大.但是反馈调节器所需完成的工作量大大减小,而被调量的静态准确性(残差)总能够满足要求．9/17/202331过程控制典型的前馈－反馈控制系统Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd换热器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前馈控制PIPI阀p++--前馈控制器:Q,θ1D*反馈控制:其他干扰,补偿前馈控制不准确引起的偏差．换热器前馈－反馈控制系统9/17/202332过程控制换热器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前馈控制PIPI阀p前馈－反馈控制的优点：1)增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。2)反馈回路的存在,降低了前馈控制模型的精度要求．3)负荷或工况变化时,对象特性也要变化,可由反馈控制加以补偿,具有一定的自适应能力．9/17/202333过程控制前馈－反馈控制的优点：1)增加了反馈回路，简化了前馈控制系实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可控性”：“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。“不可控”：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。

扰动量变化频繁且幅值较大；扰动对被控量影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程对控制精度要求十分严格的情况。前馈控制的应用场合当控制通道与扰动通道的动态特性相近时－－静态前馈。当控制通道与扰动通道的时间常数相差较大时－动态前馈。9/17/202334过程控制实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可控性”：前馈控制在许多工业生产过程中，例如：传送物料能量、测量成分量、皮带运输、带钢连轧机，以及多容、多种设备串联等过程，都存在较大的纯时延。例：大延时对象一般是指广义对象的时延与时间常数之比大于0.3。即τ/T>0.3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9/17/202335过程控制在许多工业生产过程中，例如：传送物料能量、测量成分量克服纯延时的几种常见方案改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。预估补偿：原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响，但前提是具有被控过程的精确模型，工程上往往难以实现。采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。9/17/202336过程控制克服纯延时的几种常见方案改进型常规控制：具有通用性广等特点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。一、改进型常规控制方案9/17/202337过程控制微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值，因而克微分先行控制方案

微分环节的输出包括被控参数及其变化速度值，因而克服动态超调的作用强。9/17/202338过程控制微分先行控制方案微分环节的输出包括被控参数及其变化速中间微分控制方案

只在动态过程中起调节作用。

三种控制方案在设定值扰动下过渡过程的比较见右图。微分先行、中间反馈控制方案简单易行，且对降低超调量有显著的效果。不能克服滞后9/17/202339过程控制中间微分控制方案只在动态过程中起调节作用。三二、Smith预估补偿控制方案1957年史密斯（O.J.M.Smith）提出了一种以模型为基础的预估器补偿控制方法.设计思想:预先估计出过程在基本扰动作用下的动态响应,然后由预估器进行补偿,试图使被延时了τ的被控量超前反馈到控制器,使控制器提前动作,从而大大降低超调量,并加速调节过程。9/17/202340过程控制二、Smith预估补偿控制方案1957年史密斯（O可见控制器的输出需要经过时间τ才起作用为了使控制器的输出信号与反馈信号Y’（S）之间无延时，必须满足：9/17/202341过程控制可见控制器的输出需要经过时间τ才起作用为了使控制器的整个系统的闭环传递函数为：显然，在系统的闭环特征方程中，已不再包含纯滞后环节，因此采用Smith预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。传递函数分子上的纯滞后环节表明被控量的响应比设定值滞后时间τ。9/17/202342过程控制整个系统的闭环传递函数为：显然，在系统的闭环特征方程例：已知某过程控制系统如图：返回9/17/202343过程控制例：已知某过程控制系统如图：返回8/3/202343过程控三、采样控制方案“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τ0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。9/17/202344过程控制三、采样控制方案“调一下，等一等”的办法；8/3/2023采样控制方案核心思想