第二篇8-13章.ppt

過程控制系統(tǒng)及工程 信息學(xué)院自動(dòng)化系 孫洪程Email Sunhc 第8章非線性控制系統(tǒng) 第二篇先進(jìn)控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng) 8 1線性過程的非線性控制8 2非線性過程的非線性控制8 3位式控制 第8章 教學(xué)進(jìn)程 8 1 線性過程的非線性控制 過程本身是非線性的 引入非線性單元或規(guī)律用以補(bǔ)償 兩類非線性控制系統(tǒng) 過程是線性的 為了滿足某種特殊要求而引入的非線性控制規(guī)律 8 1 線性過程的非線性控制 液位的非線性控制 8 1 1 1 實(shí)現(xiàn)均勻控制 采用帶不靈敏區(qū)的非線性控制規(guī)律 不靈敏區(qū)內(nèi) 控制器增益比較小 即對(duì)偏差不靈敏 液位偏差在不靈敏區(qū)小范圍波動(dòng)時(shí) 控制器輸出變化很小 控制閥動(dòng)作很小液位有小波動(dòng) 流量也有小的波動(dòng) 均勻控制系統(tǒng)的組成可采用單回路或串級(jí)結(jié)構(gòu)P190圖8 2 A B 不靈敏區(qū)內(nèi)以PV代替SP 因此 不靈敏區(qū)成為 死區(qū) 不靈敏區(qū)外 和B型一樣 液位的非線性控制 8 1 1 2 非線性控制器類型 PI PID型 不靈敏區(qū)內(nèi)只是增益K發(fā)生變化 A型 PI型 K和Ti同時(shí)起作用 B型 作為液位均勻控制器 其不靈敏區(qū)以外的控制作用要大些 迅速拉回到不靈敏區(qū)內(nèi) 不靈敏區(qū)的寬度要略小于工藝允許波動(dòng)范圍 使得液位超出不靈敏區(qū)后有一定的控制過程 不靈敏區(qū)內(nèi)的KC的大小與不靈敏區(qū)寬度綜合考慮 參數(shù)整定要注意的問題 B型的控制效果好些圖8 3采用選擇性控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非線性的均勻控制 LC 正作用 正作用 高位繼動(dòng)器 低位繼動(dòng)器 正作用 高選器 低選器 Fi 氣開 Fo 液位的非線性控制還可采用變?cè)鲆娴姆蔷€性控制器 是 控制器的增益或積分時(shí)間與輸入偏差以一定關(guān)系連續(xù)地變化 例如控制器的增益KC及積分時(shí)間Ti與液位偏差以一個(gè)指數(shù)關(guān)系連續(xù)地變化 同時(shí)增益和積分時(shí)間之間為使系統(tǒng) 值恒定 保證Ti KC恒定 偏差與KC Ti間的關(guān)系可用下式表示 變結(jié)構(gòu)控制 VSS 邏輯單元根據(jù)系統(tǒng)的要求和特點(diǎn) 選擇運(yùn)算規(guī)律 輸入偏差 VSS采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)容易 簡(jiǎn)單的可以采用儀表的一些計(jì)算單元完成圖8 5一個(gè)簡(jiǎn)單的變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)于高階系統(tǒng)的控制效果好于一般PID控制器 開關(guān) PI 過程 8 2 非線性過程的非線性控制 pH控制的非線性控制 8 2 1 有些非線性特性嚴(yán)重的過程 必須采用非線性控制 典型的非線性過程圖8 9在PH值為7附近非線性畸變嚴(yán)重 斜率非常大 普通PID控制器難于控制PH控制在工業(yè)應(yīng)用很多 如污水處理過程 C試劑 升溶液 pH 11109876543 5040 3020 100 1 帶不靈敏區(qū)的非線性控制在PH 7附近實(shí)施不靈敏區(qū)的控制作用關(guān)鍵 不靈敏區(qū)的寬度 不靈敏區(qū)內(nèi)的增益 參數(shù)整定時(shí)試湊 2 自適應(yīng)PH值控制PH值變化曲線 會(huì)由于在廢水中添加了弱酸或堿 有所改變 108642 108642 012345 012345 引如自適應(yīng)控制器 感測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng) 判別系統(tǒng)的控制狀態(tài) 非線性控制器 自適應(yīng)控制器 不靈敏區(qū)寬度 ph 到控制閥 非線性控制器 根據(jù)PH控制系統(tǒng)的響應(yīng) 輸出信號(hào)去設(shè)定非線性控制器的不靈敏區(qū)的寬度除此之外 PH值還可以采用智能控制 實(shí)際上也是非線性控制 反應(yīng)器的非線性控制 8 2 2 圖8 14間歇反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制非線性串級(jí)控制器 變?cè)鲆娣蔷€性控制器 圖8 15 8 3 位式控制 位式控制的改進(jìn)及其發(fā)展 8 3 1 較為古老的控制方式 繼電器型控制 輸出不連續(xù)控制信號(hào)缺點(diǎn) 產(chǎn)生不衰減的振蕩環(huán) 1 一般的改善方法合理選擇中間區(qū) 或采用多位式控制 以減小振蕩的幅值 2 控制作用的改進(jìn)脈沖寬度調(diào)制 輸出變成一系列的方波 方波寬度受輸入偏差的調(diào)制 提高方波變化的頻率 接近連續(xù)控制 可消除振蕩 時(shí)間比例式 脈沖輸出的平均值與偏差e成正比 圖8 16控制特性近似為PID 3 帶模型反饋的位式控制雙位式控制器 模型和被控設(shè)備 控制器與模型組成反饋回路 圖8 19使用模型的開關(guān)控制 屬于一種最優(yōu)控制 時(shí)間最優(yōu)控制 可以通過最優(yōu)控制理論進(jìn)行推導(dǎo) 關(guān)鍵 開關(guān)時(shí)間的計(jì)算 1 手動(dòng)Bang Bang控制操作人員根據(jù)開關(guān)時(shí)間計(jì)算公式求出切換時(shí)間 手動(dòng)控制閥門 2 自動(dòng)Bang Bang控制快速調(diào)節(jié)器 通過狀態(tài)反饋 得到開關(guān)函數(shù) 決定控制作用 以實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)控制 圖8 22 過程控制系統(tǒng)及工程 信息學(xué)院自動(dòng)化系 李大字Email lidz 第9章純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 新型控制系統(tǒng) 9 1純滯后補(bǔ)償原理9 2純滯后補(bǔ)償控制的效果9 3史密斯補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 第9章 教學(xué)進(jìn)程 9 1 純滯后補(bǔ)償原理 控制通道的純滯后對(duì)控制品質(zhì)影響非常不利如何對(duì)純滯后進(jìn)行處理 設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償器 使并聯(lián)后的等效傳遞函數(shù)消除純滯后Smith補(bǔ)償器 純滯后補(bǔ)償?shù)男Ч?9 2 系統(tǒng)方塊圖整理后 實(shí)際上把純滯后環(huán)節(jié)提到了控制回路之外 純滯后對(duì)控制品質(zhì)沒有影響 與沒有純滯后的控制效果一樣 只是過渡過程有一個(gè)滯后 Smith補(bǔ)償器的加入 提高了控制品質(zhì) GC s GP s e s G s R 圖9 3 史密斯補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 9 3 Smith補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵 原始補(bǔ)償器中含有純滯后環(huán)節(jié) 模擬儀表很難實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)容易 一般采用純滯后的近似模型來模擬純滯后環(huán)節(jié) 帕德一階 二階方程P208式9 4 9 7這樣 就可以采用物理裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為圖9 11求得 特征方程中不包含純滯后環(huán)節(jié) 控制品質(zhì)提高 史密斯補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 一階滯后對(duì)象的純滯后補(bǔ)償器電路圖 產(chǎn)生純滯后信號(hào)的方法 存儲(chǔ)單元法為了形成滯后L的信號(hào) 需在內(nèi)存中開辟L 1個(gè)存儲(chǔ)單元 以存儲(chǔ)P k 的歷史數(shù)據(jù) 多項(xiàng)式近似原理計(jì)算e s時(shí) 可將其按冪級(jí)數(shù)展開為 解耦控制系統(tǒng) 10 1關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件10 2解耦控制方案10 3解耦控制應(yīng)用實(shí)例 第10章 教學(xué)進(jìn)程 10 解耦控制系統(tǒng) 解耦控制 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 消除系統(tǒng)之間耦合 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件 10 1 方法 在相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中增加一個(gè)解耦裝置 解耦矩陣F S 使對(duì)象的傳遞矩陣與解耦裝置矩陣的乘積為對(duì)角陣 條件 廣義對(duì)象的傳遞矩陣G S 必須是對(duì)角陣 GC1 s GC2 s P1 s P2 s F11 s F22 s P 1 s P 2 s G11 s G22 s F12 s F21 s G12 s G21 s Y1 s Y2 s R1 R2 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件 10 1 方案一設(shè)置對(duì)角陣元素為原對(duì)象傳遞矩陣的主對(duì)角元素 方案二設(shè)置對(duì)角陣為單位陣 方案三設(shè)置對(duì)角陣元素為其它形式 優(yōu)點(diǎn) 完全消除關(guān)聯(lián) 完全解耦 理想解耦缺點(diǎn) 模型復(fù)雜 儀表實(shí)現(xiàn)困難 解耦控制方案 10 2 1 理想解耦 G S 與F S 的乘積必須為對(duì)角陣 2 簡(jiǎn)化解耦 解耦控制方案 10 2 選擇一種簡(jiǎn)化的解耦模型 F S 的某兩個(gè)元素固定為1 而且 這兩個(gè)1不能處于一個(gè)控制器的輸出端 如改用簡(jiǎn)化解耦 解耦裝置模型可以有下面四種不同的形式 a b 對(duì)于a 求得 d c 精餾塔兩端溫度控制方案 解耦控制應(yīng)用實(shí)例 10 3 通過塔頂溫度控制保證頂部產(chǎn)品的質(zhì)量 操縱變量為回流量L 塔底產(chǎn)品的質(zhì)量通過對(duì)塔底溫度的控制來保證 控制質(zhì)量為再沸器的加熱蒸氣量W 塔頂和塔底產(chǎn)品的質(zhì)量 組分 分別以Y1和Y2表示 顯然 在這一控制方案中 系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)是不容忽視的 并可以通過計(jì)算機(jī)分別進(jìn)行未經(jīng)解耦和簡(jiǎn)化解耦的模擬實(shí)驗(yàn) 按計(jì)算指標(biāo)及推斷控制系統(tǒng) 11 1按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng)11 2推斷控制系統(tǒng) 第11章 教學(xué)進(jìn)程 11 按計(jì)算指標(biāo)及推斷控制系統(tǒng) 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 有些情況 控制指標(biāo)不能直接測(cè)量出來 因此只能通過一些可測(cè)量的變量 通過計(jì)算獲得控制指標(biāo) 再進(jìn)行控制 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 1 精餾塔內(nèi)回流控制系統(tǒng) 內(nèi)回流 精餾塔內(nèi)上一層塔盤向下一層塔盤流下的流體流量 內(nèi)回流穩(wěn)定是保證塔良好操作的一個(gè)重要因素一般希望內(nèi)回流穩(wěn)定或者按一定的規(guī)律變化 內(nèi)回流和外回流的關(guān)系 P224圖11 1Li Lo LToH TR變化不大時(shí) 可以由Lo代替Li 否則 需要內(nèi)回流控制 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 VRTOHLO TRV2Li 實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流的方法內(nèi)回流難于直接測(cè)量和控制 通過建立內(nèi)回流和其它可測(cè)量的數(shù)學(xué)模型 計(jì)算內(nèi)回流 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流控制 內(nèi)回流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 P224式11 3 可計(jì)算內(nèi)回流儀表實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流控制系統(tǒng) P225圖11 2完成式11 3的計(jì)算已經(jīng)形成專用儀表裝置 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 2 熱焓控制系統(tǒng) 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 熱焓控制目的熱焓 單位重量 體積的物料所積存的熱量精餾塔操作 熱焓是一個(gè)主要干擾單相進(jìn)料 溫度與熱焓為單值關(guān)系 可用圖11 3的控制方案混合進(jìn)料 溫度與熱焓不是單值關(guān)系 需要進(jìn)行熱焓控制 熱焓運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型及實(shí)施框圖 2 熱焓控制系統(tǒng) 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 TC F 圖11 3 控制系統(tǒng) 輸出變量 外部擾動(dòng)有可測(cè)和不可測(cè)的兩類 可測(cè)輸出 組成反饋控制系統(tǒng) 可測(cè)擾動(dòng) 組成前饋控制系統(tǒng) 都不可測(cè) 推斷控制 推測(cè)不可測(cè)被控變量 反饋推斷控制 推測(cè)不可測(cè)擾動(dòng)變量 前饋推斷控制 前提條件 過程數(shù)學(xué)模型已知 其精度直接影響控制精度 1 反饋推斷控制 被控量Y不可測(cè) 輔助量Z可測(cè) 擾動(dòng)D不可測(cè) 各通道數(shù)學(xué)模型已知 建立Y和Z的數(shù)學(xué)關(guān)系式 構(gòu)成反饋推斷控制系統(tǒng) 2 前饋性質(zhì)推斷控制 被控變量Y及擾動(dòng)D都不可測(cè) 借助于輔助可測(cè)量Z組成推斷控制 估計(jì)器 信號(hào)分離 推斷控制器 按Z變換設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 12 1最小拍控制算法12 2大林控制算法12 3采樣控制系統(tǒng) 第12章 教學(xué)進(jìn)程 數(shù)字控制系統(tǒng) 12 按z變換設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)Y z R z 可以設(shè)計(jì)數(shù)字控制器Gc z 或控制算法U z 數(shù)字控制器 最小拍控制算法 12 1 控制思想 在給定R變化下 Y要在最短時(shí)間內(nèi)復(fù)現(xiàn)R沒有純滯后情況下 Y k R k 1 Y z R z z 1有純滯后情況下 Y k R k N 1 Y z R z z 1 N求得控制器 缺點(diǎn) 易產(chǎn)生較大的振蕩 并且 算法中沒有可調(diào)參數(shù) 大林 Dahlin 控制算法 12 2 對(duì)于在最小拍控制算法的改進(jìn) 使輸出達(dá)到給定值的時(shí)間放得稍長(zhǎng)一些 減輕Y的振蕩 即 R為階躍變化 R S 1 S離散化 求Y Z 再求R Z 求出Y Z R Z P236式12 19代入 得大林算法 例子 P236大林算法存在負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn) 控制器對(duì)階躍輸入響應(yīng)會(huì)有跳躍現(xiàn)象 需要改進(jìn) 改進(jìn)方法 見P237 239 大林 Dahlin 控制算法 12 2 分析 T q 0 趨于最小拍算法 T q 1 控制趨于平緩 振蕩減弱 T是可以進(jìn)行調(diào)整的參數(shù) 采樣控制系統(tǒng) 12 3 1 數(shù)字式采樣控制系統(tǒng) 模仿人工控制 操作一步 觀察一步 處理具有大滯后的過程控制問題 常規(guī)PID反饋控制品質(zhì)不好 得不到及時(shí)的反饋控制信息 如 Y Z R Z Z n在脈沖輸入信號(hào)作用下 輸出經(jīng)過n個(gè)采樣周期后回到給定值 對(duì)于具有純滯后特性的系統(tǒng) 輸出至少要經(jīng)過時(shí)間 之后 才能復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào) 因此 要適當(dāng)選擇n n 1即為最小拍控制 采樣控制系統(tǒng) 12 3 根據(jù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求可以設(shè)計(jì)數(shù)字控制器 為采樣控制輸出的一般形式 采樣控制系統(tǒng) 12 3 2 模擬式采樣控制系統(tǒng) 采樣控制也可以由專用的模擬式采樣控制器來完成 模擬式采樣控制器一般具有PI控制規(guī)律 但是在每一個(gè)采樣周期內(nèi)只讓積分作用導(dǎo)通一個(gè)很短的時(shí)間 然后就把它切斷 到下一個(gè)采用周期時(shí)再讓積分作用導(dǎo)通一個(gè)很短的時(shí)間 然后又把它切斷 如此循環(huán)工作下去達(dá)到采樣控制的目的 結(jié)果既能夠發(fā)揮積分作用消除余差的效果 又能夠克服因?qū)ο蠹儨蟮拇嬖?不能及時(shí)反饋控制效果信息而導(dǎo)致控制器輸出過頭的弊端 模型預(yù)測(cè)控制 13 1模型算法控制13 2動(dòng)態(tài)矩陣控制 第13章 教學(xué)進(jìn)程 13 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 預(yù)測(cè)控制基本思想 利用易于得到的工業(yè)過程脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)構(gòu)成系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型 大部分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都要求需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于實(shí)際工業(yè)過程很難滿足 預(yù)測(cè)控制 基于對(duì)過程模型精度要求不高的思想下產(chǎn)生 模型算法控制 MAC 動(dòng)態(tài)矩陣控制 DMC 預(yù)測(cè)控制 PC 現(xiàn)代控制理論 基于狀態(tài)空間 如最優(yōu)控制 極點(diǎn)配置等 應(yīng)用航空航天 理想環(huán)境 工業(yè)過程控制 基于模型預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)控制石油 化工 發(fā)電等 先進(jìn)控制算法 工業(yè)過程特點(diǎn) 數(shù)學(xué)模型的非精確性不確定性 隨機(jī)性 參數(shù)時(shí)變性多變量系統(tǒng)控制算法的可實(shí)施性歷史 脈沖響應(yīng)與階躍響應(yīng) 滾動(dòng) 13 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 13 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 特點(diǎn) 1 模型可以通過過程實(shí)驗(yàn)獲得 簡(jiǎn)單 2 采用了非參數(shù)卷積模型 抗干擾 魯棒性強(qiáng) 3 滾動(dòng)優(yōu)化 彌補(bǔ)模型的不精確性 4 理論簡(jiǎn)單 易于推廣 于是 模型輸出 y k 1 g1u k g2u k 1 gNu k N 1 模型算法控制 MAC 13 1 三部分組成 內(nèi)部模型 參考軌跡 控制算法 1 內(nèi)部模型 系統(tǒng)脈沖響應(yīng)模型 y i gi i 1 2 3 N gi 0 I N 由卷積公式得 y k 1 gTu gTu g1 g2 gN uT u k u k 1 u k N 1 模型算法控制 MAC 13 1 2 參考軌跡 系統(tǒng)輸出沿著一條光滑的曲線達(dá)到給定值 減少過量的控制的引導(dǎo)軌跡 參考軌跡 模型算法控制 MAC 13 1 3 優(yōu)化算法 根據(jù)預(yù)測(cè)輸出 參考軌跡 優(yōu)化目標(biāo) 可求解控制量U 預(yù)測(cè)軌跡盡量靠近參考軌跡 代入預(yù)測(cè)模型 最優(yōu)預(yù)測(cè)控制得 動(dòng)態(tài)矩陣控制 13 2 動(dòng)態(tài)矩陣控制原理與算法控制結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化策略反饋校正算法設(shè)計(jì)參數(shù)選擇采樣周期優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度控制時(shí)域程度權(quán)矩陣誤差校正向量 動(dòng)態(tài)矩陣控制 13 2 DMC依靠對(duì)象的階躍響應(yīng)控制結(jié)構(gòu)組成預(yù)測(cè)模型 動(dòng)態(tài)矩陣控制 13 2 預(yù)測(cè)模型對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性通過動(dòng)態(tài)系數(shù) a1 a2 aN 來描述 a1 a2 aN