過程控制系統(tǒng)大時延控制系統(tǒng)課件

過程控制系統(tǒng)——大時延控制系統(tǒng)張清東，張曉峰公共郵箱：PC_720@126.com密碼：processcontrol個人郵箱：zxf1024@11/25/20221過程控制系統(tǒng)張清東，張曉峰11/23/20221冷軋厚度反饋控制系統(tǒng)（FB-AGC）h1Δhh0l壓下缸帶鋼+-測厚儀厚度反饋控制器壓下位置控制器ΔS-+ΔIΔS’11/25/20222冷軋厚度反饋控制系統(tǒng)（FB-AGC）h1Δhh0l壓下缸帶鋼第一節(jié)概述1－偏差控制2－嘗試控制生產(chǎn)的強化和設(shè)備的大型化控制性能要求越來越高提出了反饋控制大延遲多干擾系統(tǒng)特殊規(guī)律和措施控制理論的不變性原理11/25/20223第一節(jié)概述1－偏差控制生產(chǎn)的強化和控制性能要提出了控制理論的不變性原理定義：控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。U(s)Y(s)D1(s)D2(s)Dn(s)….設(shè)被控對象受到干擾信號Di(t)的作用，則被調(diào)量的不變性表示為：當(dāng)Di(t)≠0則y(t)=C即被調(diào)量與干擾獨立無關(guān)。不變性是一種理想狀態(tài)，實際應(yīng)用不能完全實現(xiàn)，因此提出了以下幾種不變性：11/25/20224控制理論的不變性原理定義：控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量無關(guān)，或在絕對不變性是指對象在擾動作用下，被調(diào)量在整個過程中始終保持不變，即調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差均為零。由于被控對象的動態(tài)描述精度的限制和實現(xiàn)擾動補償裝置的困難，一般工程上是無法實現(xiàn)的。絕對不變性11/25/20225絕對不變性是指對象在擾動作用下，被調(diào)量在整個過程中始終保持不它是指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，即與絕對不變性存在一定誤差ε，也稱ε不變性。可表示為:Di(t)≠0時則|y(t)-C|<ε工程應(yīng)用上反饋控制就是ε不變性。誤差不變性11/25/20226它是指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，即與絕對不變性存在一定誤差ε被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān)。即在擾動下動態(tài)偏差不為零，而在穩(wěn)態(tài)下偏差為零。它用于控制要求不高的場合。穩(wěn)態(tài)不變性11/25/20227被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān)。即在擾動下動態(tài)偏差不為零，而被調(diào)量往往受到若干個干擾的作用，系統(tǒng)采用被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性稱選擇不變性。這種方法既能減少補償裝置、節(jié)省投資又能達(dá)到對主要干擾的不變性。選擇不變性11/25/20228被調(diào)量往往受到若干個干擾的作用，系統(tǒng)采用被調(diào)量對其中幾個主要大延遲系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程遲延容積遲延純遲延擾動不能及時反映控制到達(dá)被控量延遲明顯的超調(diào)長調(diào)節(jié)時間

1概述11/25/20229大延遲系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程遲延容積遲延純遲延擾動不能及時反映控制大時延控制系統(tǒng)特點：當(dāng)測量信號達(dá)到控制器,執(zhí)行機構(gòu)接受信號后立即動作,也需要經(jīng)過純遲延時間以后,才波及到被控量（即在時間范圍內(nèi)，被控量完全沒有影響）,使之受到控制。也就是說，總遲延較大，導(dǎo)致控制作用不及時；遲延過程產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，使過渡過程變壞，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具有純遲延過程被公認(rèn)為較難控制的過程。11/25/202210大時延控制系統(tǒng)特點：11/23/202210對于控制要求不太苛刻、具有大遲延的過程，可利用常規(guī)控制器適應(yīng)強、調(diào)整方便等特點，在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上，采用變形的PID控制算法，并對系統(tǒng)進行整定，滿足生產(chǎn)過程的要求。一般情況下，當(dāng)純時延時間與過程的時間常數(shù)T之比大于0.3的過程認(rèn)為是具有大遲延的過程。時延現(xiàn)象越突出，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。11/25/202211對于控制要求不太苛刻、具有大遲延的過程，可利用常規(guī)控制器適應(yīng)遲延系統(tǒng)分類純遲延時間與時間常數(shù)之比大遲延過程一般遲延過程增加更明顯的超調(diào)和長調(diào)節(jié)時間嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全控制方案常規(guī)控制預(yù)估補償補償控制工藝控制11/25/202212遲延系統(tǒng)純遲延時間與大遲延過程一般遲延過程增加更明顯的超調(diào)嚴(yán)l壓下缸帶鋼測厚儀前饋式厚度控制器厚差計算HactHref移位寄存器ΔHΔSΔS’冷軋厚度前饋控制系統(tǒng)（FF-AGC）11/25/202213l壓下缸帶鋼測厚儀前饋式厚度厚差計算HactHref移位寄存前饋控制系統(tǒng)——》系統(tǒng)對全部或部分干擾具有不變性——》按照擾動進行補償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。補償原理補償還可以改變系統(tǒng)的動態(tài)特性：補償器原系統(tǒng)對象新系統(tǒng)對象設(shè)計新的裝置或系統(tǒng)，以消除系統(tǒng)干擾的影響或者使系統(tǒng)易于分析和控制。1補償控制11/25/202214前饋控制系統(tǒng)——》系統(tǒng)對全部或部分干擾具有不變性——》按照擾2常規(guī)控制微分先行控制方案復(fù)習(xí)：PID控制器中微分作用的特點？11/25/2022152常規(guī)控制復(fù)習(xí)：PID控制器中微分作用的特點？11/2常規(guī)PID控制系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算后的值，因此微分環(huán)節(jié)不能真正起到對被控參數(shù)變化速度進行校正的目的，克服動態(tài)超調(diào)的作用有限,因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用,它可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動作。11/25/202216常規(guī)PID控制系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算微分先行PID控制系統(tǒng)框圖11/25/202217微分先行PID控制系統(tǒng)框圖11/23/202217圖2-6-2中間微分反饋控制系統(tǒng)框圖常規(guī)控制方案中間微分控制方案與微分先行控制方案類似，將微分環(huán)節(jié)放在反饋回路中，以改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量11/25/202218圖2-6-2中間微分反饋控制系統(tǒng)框圖常規(guī)控制方案與微分11/25/20221911/23/202219某大時延系統(tǒng)采用常規(guī)PID、微分先行和中間微分反饋控制方案效果比較可見：微分先行和中間微分反饋控制方案均能有效克服超調(diào)現(xiàn)象，改善了過程動態(tài)特性，且無需特殊設(shè)備，具有一定使用價值；無論采用何種方案，被控量均存在較大的超調(diào)，且響應(yīng)速度很慢，難以滿足控制精度要求高的場合，必須采用其他控制手段。方案超調(diào)量調(diào)節(jié)時間/minPID0.28925微分先行0.16228中間微分反饋0.1332111/25/202220某大時延系統(tǒng)采用可見：方案超調(diào)量調(diào)節(jié)時間/minPID0.23大遲延系統(tǒng)的Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)遲延系統(tǒng)控制動作系統(tǒng)輸出控制器提前動作去除大的超調(diào)和長調(diào)節(jié)時間設(shè)計補償器置于反饋系統(tǒng)中延遲時間11/25/2022213大遲延系統(tǒng)的Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)遲延系統(tǒng)控制動作系

史密斯預(yù)估補償方法是得到廣泛應(yīng)用的方案之一。它的特點是預(yù)先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預(yù)估器進行補償，力圖使遲延了時間的被控量超前反映到控制器，使控制器提前動作從而明顯地減少超調(diào)量，加速調(diào)節(jié)過程。特點11/25/202222史密斯預(yù)估補償方法是得到廣泛應(yīng)用的方案之一。它的特點Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)框圖Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)框圖11/25/202223Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)框圖Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)框圖

Smith預(yù)估補償模型及實現(xiàn)11/25/202224Smith預(yù)估補償模型及實現(xiàn)11/23/2022244工藝控制hi+1ViHhi第i機架第i+1機架Vi+1冷軋厚度秒流量控制金屬秒流量原理11/25/2022254工藝控制hi+1ViHhi第i機架第i+1機架Vi+1冷軋h1Δhh0壓下缸帶鋼+控制算法入口帶鋼厚度Hv0v0*H/v1-v1反饋式秒流量AGC的控制系統(tǒng)

11/25/202226h1Δhh0壓下缸帶鋼+控制算法入口帶鋼v0v0*H/v1厚度計式AGC

測壓頭1/MP控制算法P/M輥縫檢測h1ΔhS01h0ΔS壓下缸帶鋼+-+-11/25/202227厚度計式AGC測壓頭1/MP控制算法P/M輥縫檢測h1ΔhE2-7串級控制系統(tǒng)實際上就是由兩臺控制器串連在一起，控制一個調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)。1)與單回路控制系統(tǒng)相比，前者在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有那些特點?2)前者只增加了一個測量變送元件和一個控制器，但為什么控制效果卻有顯著提高呢？作業(yè)4E2-8請說明Smith預(yù)估補償控制的特點，并結(jié)合具體閱讀的文獻實例分析說明其如何應(yīng)用于大遲延系統(tǒng)？(建議具體文獻不少于3篇,并只結(jié)合1個具體生產(chǎn)過程)11/25/202228E2-7串級控制系統(tǒng)實際上就是由兩臺控制器串連在一起，控制過程控制系統(tǒng)——大時延控制系統(tǒng)張清東，張曉峰公共郵箱：PC_720@126.com密碼：processcontrol個人郵箱：zxf1024@11/25/202229過程控制系統(tǒng)張清東，張曉峰11/23/20221冷軋厚度反饋控制系統(tǒng)（FB-AGC）h1Δhh0l壓下缸帶鋼+-測厚儀厚度反饋控制器壓下位置控制器ΔS-+ΔIΔS’11/25/202230冷軋厚度反饋控制系統(tǒng)（FB-AGC）h1Δhh0l壓下缸帶鋼第一節(jié)概述1－偏差控制2－嘗試控制生產(chǎn)的強化和設(shè)備的大型化控制性能要求越來越高提出了反饋控制大延遲多干擾系統(tǒng)特殊規(guī)律和措施控制理論的不變性原理11/25/202231第一節(jié)概述1－偏差控制生產(chǎn)的強化和控制性能要提出了控制理論的不變性原理定義：控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。U(s)Y(s)D1(s)D2(s)Dn(s)….設(shè)被控對象受到干擾信號Di(t)的作用，則被調(diào)量的不變性表示為：當(dāng)Di(t)≠0則y(t)=C即被調(diào)量與干擾獨立無關(guān)。不變性是一種理想狀態(tài)，實際應(yīng)用不能完全實現(xiàn)，因此提出了以下幾種不變性：11/25/202232控制理論的不變性原理定義：控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量無關(guān)，或在絕對不變性是指對象在擾動作用下，被調(diào)量在整個過程中始終保持不變，即調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差均為零。由于被控對象的動態(tài)描述精度的限制和實現(xiàn)擾動補償裝置的困難，一般工程上是無法實現(xiàn)的。絕對不變性11/25/202233絕對不變性是指對象在擾動作用下，被調(diào)量在整個過程中始終保持不它是指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，即與絕對不變性存在一定誤差ε，也稱ε不變性?？杀硎緸?Di(t)≠0時則|y(t)-C|<ε工程應(yīng)用上反饋控制就是ε不變性。誤差不變性11/25/202234它是指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，即與絕對不變性存在一定誤差ε被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān)。即在擾動下動態(tài)偏差不為零，而在穩(wěn)態(tài)下偏差為零。它用于控制要求不高的場合。穩(wěn)態(tài)不變性11/25/202235被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān)。即在擾動下動態(tài)偏差不為零，而被調(diào)量往往受到若干個干擾的作用，系統(tǒng)采用被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性稱選擇不變性。這種方法既能減少補償裝置、節(jié)省投資又能達(dá)到對主要干擾的不變性。選擇不變性11/25/202236被調(diào)量往往受到若干個干擾的作用，系統(tǒng)采用被調(diào)量對其中幾個主要大延遲系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程遲延容積遲延純遲延擾動不能及時反映控制到達(dá)被控量延遲明顯的超調(diào)長調(diào)節(jié)時間

1概述11/25/202237大延遲系統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程遲延容積遲延純遲延擾動不能及時反映控制大時延控制系統(tǒng)特點：當(dāng)測量信號達(dá)到控制器,執(zhí)行機構(gòu)接受信號后立即動作,也需要經(jīng)過純遲延時間以后,才波及到被控量（即在時間范圍內(nèi)，被控量完全沒有影響）,使之受到控制。也就是說，總遲延較大，導(dǎo)致控制作用不及時；遲延過程產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，使過渡過程變壞，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具有純遲延過程被公認(rèn)為較難控制的過程。11/25/202238大時延控制系統(tǒng)特點：11/23/202210對于控制要求不太苛刻、具有大遲延的過程，可利用常規(guī)控制器適應(yīng)強、調(diào)整方便等特點，在常規(guī)PID控制基礎(chǔ)上，采用變形的PID控制算法，并對系統(tǒng)進行整定，滿足生產(chǎn)過程的要求。一般情況下，當(dāng)純時延時間與過程的時間常數(shù)T之比大于0.3的過程認(rèn)為是具有大遲延的過程。時延現(xiàn)象越突出，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。11/25/202239對于控制要求不太苛刻、具有大遲延的過程，可利用常規(guī)控制器適應(yīng)遲延系統(tǒng)分類純遲延時間與時間常數(shù)之比大遲延過程一般遲延過程增加更明顯的超調(diào)和長調(diào)節(jié)時間嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全控制方案常規(guī)控制預(yù)估補償補償控制工藝控制11/25/202240遲延系統(tǒng)純遲延時間與大遲延過程一般遲延過程增加更明顯的超調(diào)嚴(yán)l壓下缸帶鋼測厚儀前饋式厚度控制器厚差計算HactHref移位寄存器ΔHΔSΔS’冷軋厚度前饋控制系統(tǒng)（FF-AGC）11/25/202241l壓下缸帶鋼測厚儀前饋式厚度厚差計算HactHref移位寄存前饋控制系統(tǒng)——》系統(tǒng)對全部或部分干擾具有不變性——》按照擾動進行補償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。補償原理補償還可以改變系統(tǒng)的動態(tài)特性：補償器原系統(tǒng)對象新系統(tǒng)對象設(shè)計新的裝置或系統(tǒng)，以消除系統(tǒng)干擾的影響或者使系統(tǒng)易于分析和控制。1補償控制11/25/202242前饋控制系統(tǒng)——》系統(tǒng)對全部或部分干擾具有不變性——》按照擾2常規(guī)控制微分先行控制方案復(fù)習(xí)：PID控制器中微分作用的特點？11/25/2022432常規(guī)控制復(fù)習(xí)：PID控制器中微分作用的特點？11/2常規(guī)PID控制系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算后的值，因此微分環(huán)節(jié)不能真正起到對被控參數(shù)變化速度進行校正的目的，克服動態(tài)超調(diào)的作用有限,因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用,它可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動作。11/25/202244常規(guī)PID控制系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算微分先行PID控制系統(tǒng)框圖11/25/202245微分先行PID控制系統(tǒng)框圖11/23/202217圖2-6-2中間微分反饋控制系統(tǒng)框圖常規(guī)控制方案中間微分控制方案與微分先行控制方案類似，將微分環(huán)節(jié)放在反饋回路中，以改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量11/25/202246圖2-6-2中間微分反饋控制系統(tǒng)框圖常規(guī)控制方案與微分11/25/20224711/23/202219某大時延系統(tǒng)采用常規(guī)PID、微分先行和中間微分反饋控制方案效果比較可見：微分先行和中間微分反饋控制方案均能有效克服超調(diào)現(xiàn)象，改善了過程動態(tài)特性，且無需特殊設(shè)備，具有一定使用價值；無論采用何種方案，被控量均存在較大的超調(diào)，且響應(yīng)速度很慢，難以滿足控制精度要求高的場合，必須采用其他控制手段。方案超調(diào)量調(diào)節(jié)時間/minPID0.28925微分先行0.16228中間微分反饋0.1332111/25/202248某大時延系統(tǒng)采用可見：方案超調(diào)量調(diào)節(jié)時間/minPID0.23大遲延系統(tǒng)的Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)遲延系統(tǒng)控制動作系統(tǒng)輸出控制器提前動作去除大的超調(diào)和長調(diào)節(jié)時間設(shè)計補償器置于反饋系統(tǒng)中延遲時間11/25/2022493大遲延系統(tǒng)的Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)遲延系統(tǒng)控制動作系

史密斯預(yù)估補償方法是得到廣泛應(yīng)用的方案之一。它的特點是預(yù)先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預(yù)估器進行補償，力圖使遲延了時間的被控量超前反映到控制器，使控制器提前動作從而明顯地減少超調(diào)量，加速調(diào)節(jié)過程。