過程控制-復雜控制系統(tǒng)課件

第六章 利用補償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)§6-1概述§6-2前饋控制系統(tǒng)

§6-3大遲延系統(tǒng)§6-4非線性增益補償系統(tǒng)（自學）§6-1概述反饋控制原理：按嘗試法根據(jù)偏差進行控制有偏差才控制不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出Gc(s)KvGp(s)-r+yDGd(s)++反饋控制的缺點：KvGp(s)yDGd(s)++Gff(s)設計控制器Gff(s)，使Gff(s)KvGp(s)+Gd(s)=0。則擾動D的變化與輸出Y無關(guān)。工程實際中幾種不變性（1）絕對不變性：（2）誤差不變性：（3）穩(wěn)態(tài)不變性：（4）選擇不變性：對主要擾動不變性不變性原理：控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準確度下無關(guān)。即：U(s)Y(s)D1(s)Di(s)Dn(s)被控對象中的內(nèi)部擾動（調(diào)節(jié)量）和外部擾動§6-2前饋控制系統(tǒng)

基本概念靜態(tài)前饋動態(tài)前饋前饋——反饋控制系統(tǒng)HWD汽包水位控制例Gc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)當Gff(s)Gp(s)=-Gd(s)時，蒸汽擾動對水位的影響消除。把Gff(s)稱為前饋控制器。，定義：基于不變性原理的控制稱為前饋控制。是一種按擾動進行補償?shù)拈_環(huán)控制，不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1基本概念定義：基于不變性原理的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)。是一種按擾動進行補償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)對象前饋控制器μD1DiDn……y前饋控制系統(tǒng)2靜態(tài)前饋定義：保證在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下補償擾動作用的前饋稱為靜態(tài)前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原理前饋控制器的設計可按簡單情況和復雜情況進行簡單情況：HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)若靜態(tài)前饋控制器為：復雜情況：靜態(tài)前饋控制器的設計是按過程的物質(zhì)或能量平衡方程計算補償校正值。列管換熱器控制換熱器熱平衡方程為：為定壓比熱容為汽化潛熱那么前饋控制器為：常數(shù)QCDTDTθT×k∑θ2r+-QDθ2θ1料液加熱蒸汽靜態(tài)前饋控制器3動態(tài)前饋若靜態(tài)前饋kff動態(tài)前饋G'ff(s)Gff(s)Gp(s)Gd(s)DKffGp(s)Gd(s)D擾動D擾動輸出調(diào)節(jié)輸出系統(tǒng)輸出動態(tài)前饋要消除的面積動態(tài)前饋產(chǎn)生的面積動態(tài)前饋G‘ff(s)的圖示說明：靜態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制器（補償器）討論：（1）Tp=Td，則若動態(tài)前饋為純遲延可實現(xiàn)；若動態(tài)前饋為純提前不可實現(xiàn)。擾動DGff(s)Gp(s)Gd(s)D由此可得到：在選擇調(diào)節(jié)通道時應選擇遲延短的和時間常數(shù)小的通道。（2）τp=τd，則若Tp=Td,若Tp>Td,若Tp<Td,為超前補償特性為滯后補償特性為比例環(huán)節(jié)擾動DGff(s)Gp(s)Gd(s)D一般對象的純遲延并不明顯，因此動態(tài)前饋常采用1）前饋控制屬于開環(huán)控制。----只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。反饋控制是閉環(huán)控制。----即使各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，也不能保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。2）前饋控制是“基于干擾來消除干擾對被控量的影響”。----通過前饋控制器的補償作用及時抑制干擾對被控變量的影響。反饋控制是“基于偏差來消除偏差”。----當干擾引起被控變量產(chǎn)生偏差后才能產(chǎn)生控制作用。3）前饋控制器的控制規(guī)律取決于過程特性，是一個專用控制器。反饋控制系統(tǒng)中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。4）前饋控制只能抑制可測不可控的干擾對被控變量的影響。反饋控制則對包含在其回路中的多種干擾都具有抑制作用。3、前饋控制系統(tǒng)---特點4、前饋控制系統(tǒng)---局限性1）只能克服可測不可控的干擾，對不可測干擾無法實現(xiàn)前饋控制。實際生產(chǎn)過程中存在著很多干擾。針對每個干擾設置一套前饋控制器，系統(tǒng)復雜且投資增加，是不現(xiàn)實的。2）前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律取決于過程的干擾通道特性和控制通道特性。準確掌握上述特性是困難的，前饋控制器難以獲得；工程上難于實現(xiàn)。被控過程的非線性，使其動態(tài)特性發(fā)生變化，原有前饋控制器不再

適用，無法實現(xiàn)干擾的動態(tài)完全補償。前饋控制往往不能單獨使用。4前饋—反饋控制使可測擾動對系統(tǒng)沒有影響或影響很??；對系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響。前饋控制的優(yōu)點：反饋控制的優(yōu)點：任何擾動對系統(tǒng)的影響均可消除；系統(tǒng)準確性高。對不可測擾動或不明擾動無法消除影響；控制器和對象參數(shù)變化影響系統(tǒng)的準確性。前饋控制的缺點：反饋控制的缺點：有偏差才控制不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出將前饋、反饋控制結(jié)合可優(yōu)勢互補，揚長避短4.1前饋-反饋復合控制系統(tǒng)反饋控制前饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由反饋控制回路決定。加不加前饋控制器并不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.2前饋-串級復合控制系統(tǒng)

串級控制前饋控制G02*(s)≈1多個變化頻繁且劇烈的干擾影響，同時對被控變量的控制質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高1）實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的可測既不可控性。2）當過程控制通道的時間常數(shù)比干擾通道的時間常數(shù)大，且反饋控制不及時而導致控制質(zhì)量較差時，選用前饋控制。3）當主要干擾無法用串級控制使其包含在副回路內(nèi)或者副回路滯后過大時，選用前饋控制。4）經(jīng)濟性原則。通常動態(tài)前饋控制器的投資高于靜態(tài)前饋控制器。若靜態(tài)前饋控制能夠達到工藝要求時，應采用靜態(tài)前饋控制。5前饋控制系統(tǒng)---選用原則§6-3大遲延系統(tǒng)1概述2采用補償原理克服大遲延的影響3史密斯預估器的幾種改進方案1概述大遲延對象：τ/T>0.3控制難度：超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時間長簡單解決辦法：dGp(s)PIry微分先行控制dGp(s)PIry中間反饋控制某大遲延對象不同控制方案仿真結(jié)果方案PID微分先行中間反饋超調(diào)量調(diào)節(jié)時間0.2890.1620.13325min28min21min2采用補償原理克服大遲延的影響Gc(S)R(s)Y(s)+++-U(s)Y'(s)史密斯預估控制原理圖史密斯預估控制原理通過加補償器使被延遲的被調(diào)量超前反映。即：整理得史密斯預估器為：Gc(S)R(s)Y(s)++-U(s)Y'(s)++-D(s)由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)特征方程不純含遲延項，因此消除了純遲延對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。史密斯控制框圖Gc(S)R(s)Y(s)++-U(s)Y'(s)++-D(s)定值擾動R常規(guī)PID系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出負荷擾動D常規(guī)PID系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出例6-2史密斯預估控制雖然對定值擾動有很好的控制效果，然而對其他擾動控制效果變差，而且當預估器模型不準確時，控制效果也變差（P141）。史密斯預估器的幾種改進方案實現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補償器Gc(S)R(s)Y(s)++-U(s)Y'(s)++-D(s)Gf(S)-方案一上式分子項為0，可使系統(tǒng)完全不受擾動D的影響。顯然只要取再看：系統(tǒng)對R的響應為1，完全跟蹤設定值。方案二Gc(S)R(s)Y(s)+-U(s)Y'(s)D(s)1+