常用高性能過控系統(tǒng)

常用高性能過控系統(tǒng)第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一第六章常用高性能過控系統(tǒng)一串級控制系統(tǒng)二前饋控制系統(tǒng)三大時延過程的補償控制第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)例：化學反應釜溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)干擾

進料方面：進料量，進料溫度，進料化學成分等。以上干擾統(tǒng)稱為F1

冷卻水方面：冷卻水溫度，冷卻水壓力。以上干擾稱為F2反應釜溫度控制系統(tǒng)第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一控制系統(tǒng)實例假設冷卻水的壓力升高！冷卻水流量↑＝＞夾套溫度↓夾套溫度↓（傳熱）＝＞釜壁溫度↓釜壁溫度↓（傳熱）＝＞介質溫度↓介質溫度↓（調節(jié)）＝＞閥門開度↓閥門開度↓（節(jié)流）＝＞冷水流量↓問題：調節(jié)滯后很大，效果不好！第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一改進后控制系統(tǒng)結構

為了及時發(fā)現(xiàn)來自冷卻水方面的干擾，可以用一個溫度傳感器測量對冷卻水參數(shù)變化比較敏感的夾套溫度。

如果如圖所示用T2T和T2C構成夾套溫度控制自系統(tǒng)就可以有效抑制來自冷卻水方面的干擾。能否在反應釜溫度降低前提前關小閥門？串級控制系統(tǒng)第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的結構

TC1

稱為“主調節(jié)器”；TC2稱為”副調節(jié)器”。F1稱為“一次擾動”；F2稱為“二次擾動”。第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的標準結構對外環(huán)來講，操作量（控制量）為夾套溫度！對內環(huán)來講，被控量為夾套溫度，操作量為閥門開度！副回路相當于一個

“偽執(zhí)行器”第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制效果分析控制效果分析理想效果第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一控制效果分析我們把作為衡量系統(tǒng)性能的標準，其值越大系統(tǒng)性能越好考慮都采用純比例則第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一控制效果對比如不采用串級控制由于所以串級控制系統(tǒng)性能更好第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗一（單回路系統(tǒng)性能）實驗１第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗一（單回路系統(tǒng)性能）系統(tǒng)給定值擾動曲線（S1）第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗一（單回路系統(tǒng)性能）系統(tǒng)F2干擾擾動曲線（S2）第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗二（串級系統(tǒng)性能）實驗2第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗二（串級系統(tǒng)性能）系統(tǒng)給定值擾動曲線（S5）與單回路相比系統(tǒng)過渡過程加快第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗二（串級系統(tǒng)性能）系統(tǒng)F2干擾擾動曲線（S3）與單回路相比系統(tǒng)最大偏差明顯減小第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗結果分析為何系統(tǒng)的給定值擾動的過渡過程也加快？把副回路看作一個等效過程為簡化分析取第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗結果分析第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一實驗三（分析實驗）對比實驗（S6）副對象的慣性明顯減小第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(1)對進入副回路的干擾有很強的抑制能力系統(tǒng)時間常數(shù)的減小導致工作頻率提高，同時由于時間常數(shù)的減小，可提高控制器增益進一步提高工作頻率(2)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(3)對負荷或操作條件的變化有較強的適應能力。第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(4)消除非線性環(huán)節(jié)第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的設計1)副回路的設計與副參數(shù)的選擇a)副參數(shù)必須是物理可測。b)必須使副回路包含被控過程中變化劇烈、頻繁且幅度大的主要干擾，并力求包含更多的干擾?？刂葡到y(tǒng)抑止F2干擾比抑止F1干擾的能力強！第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一

a）：燃料油壓力為主要干擾；b）：燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾當串級控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時，有串級控制系統(tǒng)的設計c)副參數(shù)的選擇應使主、副被控過程的時間常數(shù)適當錯開。副回路的時間常數(shù)不能太大，調節(jié)通道盡可能短。第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一假設

為常量頻率的比值大于3，時常的比值在3～10范圍內選擇。串級控制系統(tǒng)的設計第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的設計c)副參數(shù)的選擇應使主、副被控過程的時間常數(shù)適當錯開。副回路的時間常數(shù)不能太大，調節(jié)通道盡可能短。

那個控制系統(tǒng)采用串級控制方法后性能改善比較明顯？第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一串級控制系統(tǒng)的設計2)主副調節(jié)器調節(jié)規(guī)律的選擇a)主調節(jié)器定值控制，所以一般選PI或PID。b)副調節(jié)器起隨動控制，一般選P或PI。3)主副調節(jié)器正反作用的選擇返回按先內環(huán)后外環(huán)的原則，在確定外環(huán)時將內環(huán)看作一個”偽執(zhí)行器“第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一正、反作用方式的選擇實例選擇步驟：工藝要求→調節(jié)閥的氣開、氣關→副調節(jié)器的正、反作用→主、副過程的正、反作用→主調節(jié)器的正、反作用。(圖6－8）燃油閥氣開，副對象為正過程，副調為反作用調節(jié)器；主對象也為正過程，主調為反作用調節(jié)器主、副調節(jié)器正、反作用方式選擇參見232頁串級控制系統(tǒng)的設計第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一c)觀察控制過程，適當調整調節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)滿足工藝要求。串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.1)一步整定法。主、副控制回路時間常數(shù)錯開的情況(T01/T02=3~10）a)將副回路置于純比例控制，由經驗設定副調節(jié)器參數(shù)b)閉合副回路，按普通單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主回路PID參數(shù)4)串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一c)按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運行，觀察修改到滿意。返回串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.2)兩步整定法。

a)工況穩(wěn)定，主副回路均閉合，用4:1的衰減比求得b)將副回路等效成一個環(huán)節(jié)，同樣的方法求得第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一按兩步整定的方法，反復試湊主副回路的PID參數(shù)！串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定4.3)逐步逼近法。主、副控制回路時間常數(shù)接近的情況第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一1.適用于容量滯后較大的過程：選容量滯后較小的輔助變量，減小時常，提高頻率。（圖6－8）2.適用于純滯后較大的過程：（圖6－9,）工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250Pa;特點：距離長，純滯后時間長。仿絲膠液壓力與壓力串級控制。串級控制系統(tǒng)的適用范圍第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一5.適用于非線性過程注意：串級控制雖然應用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點，才能收到預期的效果。4.適用于參數(shù)互相關聯(lián)的過程：3.適用于干擾變化劇烈、幅度大的過程：串級控制系統(tǒng)的適用范圍返回第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制系統(tǒng)例：換熱器溫度控制系統(tǒng)

由于反饋控制過程中不可避免的存在偏差，所以反饋控制無法實現(xiàn)完美的控制。第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一采用前饋控制的效果

由此可見前饋控制理論上可以實現(xiàn)完美的控制效果但它是一種開環(huán)控制，控制結果無法檢驗。第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制的特點前饋控制的特點1前饋控制是一種開環(huán)控制。2前饋控制是一種按干擾大小進行補償?shù)目刂啤?前饋控制器的調節(jié)規(guī)律與常規(guī)PID調節(jié)規(guī)律不同，它是一個專用控制器。4前饋控制只能抑制可測不可控的干擾。第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制的局限性前饋控制的局限性3決定前饋控制器的調節(jié)規(guī)律的是過程的動特性和

而和的精確值是很難得到的，既使能夠得到，有時也很難實現(xiàn)。

1在實際工業(yè)生產過程中，使被控參數(shù)變化的干擾是很多的，不可能針對每一個干擾設計和應用一套獨立的前饋控制器。2對不可測的干擾無法實現(xiàn)前饋控制。靜態(tài)前饋第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一前饋-反饋復合控制系統(tǒng)

在設計前饋---反饋復合控制系統(tǒng)時首先按常規(guī)方法設計反饋控制回路，然后針對系統(tǒng)中可測不可控的強干擾設計前饋控制器，構成復合控制系統(tǒng)。返回第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一純滯后概念的引入1建立被控對象的數(shù)學模型（第二章）2單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定（第五章）當時系統(tǒng)不能采用常規(guī)的PID控制

高階慣性系統(tǒng)可近似為一階慣性加純滯后系統(tǒng)第39頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一純滯后系統(tǒng)的Smith預估控制一、工業(yè)實際中的純滯后系統(tǒng)二、純滯后對系統(tǒng)性能的影響三、Smith預估控制的基本思想四、改進型Smith預估控制系統(tǒng)返回第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一例1：燃煤鍋爐中的純滯后給煤機皮帶輸煤機鍋爐給煤量第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一燃煤鍋爐中的關鍵設備給煤機皮帶輸煤機第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一給煤量第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一燃燒控制中的純滯后

設傳輸距離為L，皮帶速度為V，則純滯后時間為：控制量被滯后第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一例2：軋機控制中的純滯后第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一例2：軋機控制中的純滯后第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一例2：軋機控制中的純滯后傳感器軋制輥卷取機平整輥控制器執(zhí)行器傳感器的滯后導致板厚測量值被延遲了測量信號被滯后第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一純滯后系統(tǒng)的Smith預估控制一、工業(yè)實際中的純滯后系統(tǒng)二、純滯后對系統(tǒng)性能的影響三、Smith預估控制的基本思想四、改進型Smith預估控制系統(tǒng)第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一二、純滯后對系統(tǒng)性能的影響仿真實驗1被控制對象傳遞函數(shù)為：

PID控制器第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一無純滯后系統(tǒng)的響應曲線無純滯后的響應曲線無純滯后的情況下系統(tǒng)調節(jié)效果比較理想！

觀察系統(tǒng)的階躍響應曲線假設純滯后時間第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一結論：試驗1結果分析

1、純滯后的存在嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度！

2、改變PID參數(shù)后系統(tǒng)的過渡過程性能指標嚴重下降！對象有純滯后對象無純滯后60S重新整定調節(jié)器參數(shù)180S第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一純滯后環(huán)節(jié)的BODE圖

純滯后環(huán)節(jié)的滯后相角隨頻率的增加無限增大。第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一純滯后廣泛存在于過程控制系統(tǒng)中要求設計一種有效的控制方法把純滯后對系統(tǒng)的影響降低到最?。⌒〗Y純滯后

對控制系統(tǒng)性能的影響非常大

1、穩(wěn)定裕度降低。

2、控制系統(tǒng)性能變差。Smith預估控制第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一純滯后系統(tǒng)的Smith預估控制一、工業(yè)實際中的純滯后系統(tǒng)二、純滯后對系統(tǒng)性能的影響三、Smith預估控制的基本思想四、改進型Smith預估控制系統(tǒng)第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一三、預估控制的基本思想可否采用如下方法?

由于時間軸是單向的，“純超前”系統(tǒng)是不存在的，物理上不可以實現(xiàn)！

系統(tǒng)輸出不能“超前”，但是否可以預測呢？第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一Smith預估控制的基本思想利用預估模型提前預測系統(tǒng)輸出。預估模型系統(tǒng)建模重點1由于模型一樣，系統(tǒng)對于控制量的輸出也相同!第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一理想系統(tǒng)的控制效果

系統(tǒng)的輸出雖然被延遲了一段時間，但控制效果和沒有純滯后環(huán)節(jié)是一樣的。系統(tǒng)真實輸出預測模型輸出第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一Smith預估控制的基本思想問題如此簡單的解決了？預估模型該系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)？被控對象

實際上這是一個貌似閉環(huán)的開環(huán)控制系統(tǒng)，僅僅只是對控制器內部變量的局部閉環(huán)！第58頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一開環(huán)預估系統(tǒng)的問題而辨識模型難免存在誤差開環(huán)控制對模型誤差非常敏感假設：第59頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一簡單預估系統(tǒng)的問題

受模型誤差的影響，系統(tǒng)輸出必然存在控制誤差。這些誤差會在系統(tǒng)的狀態(tài)變量中累積。經過一段時間的運行可能產生很大的偏差！系統(tǒng)真實輸出預測模型輸出如何解決?第60頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一Smith預估控制系統(tǒng)

此時形成了兩個調節(jié)系統(tǒng)，一個系統(tǒng)根據(jù)預估值對對象進行調節(jié)，另一個系統(tǒng)則對誤差進行抑制。兩個系統(tǒng)共用PID調節(jié)裝置！重點2第61頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一Smith預估控制系統(tǒng)目的：使結構緊湊第62頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一Smith預估控制系統(tǒng)Smith預估控制器結論：第63頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一Smith預估控制的效果Smith預估控制在模型有差的情況下依然具有良好的調節(jié)效果！仿真實驗2第64頁，共70頁，2023年，2月20日，星期一總結：預估控制的特點與問題