过程控制系统大时延控制系统课件

过程控制系统过程控制系统大时延控制系统大时延控制系统张清东，张晓峰张清东，张晓峰公共邮箱：公共邮箱：PC_ 密密 码：码：processcontrol个人邮箱：个人邮箱：8/5/20241过程控制系统张清东，张晓峰8/20/20231冷轧厚度反馈控制系统冷轧厚度反馈控制系统（FB-AGC）h1hh0l压下缸带钢+-测厚仪厚度反馈控制器压下位置控制器S-+IS8/5/20242冷轧厚度反馈控制系统（FB-AGC）h1hh0l压下缸带钢第一节第一节 概述概述1偏差控制偏差控制2尝试控制尝试控制生产的强化和生产的强化和设备的大型化设备的大型化控制性能要控制性能要求越来越高求越来越高提出了提出了反馈控制反馈控制大延迟多大延迟多干扰系统干扰系统特特殊殊规规律律和和措措施施控控制制理理论论的的不不变变性性原原理理8/5/20243第一节 概述1偏差控制生产的强化和控制性能要提出了控制理论的不变性原理控制理论的不变性原理定义：控制系统的被调量与扰动量无关，或定义：控制系统的被调量与扰动量无关，或在一定准确度下无关。在一定准确度下无关。U(s)Y(s)D1(s)D2(s)Dn(s).设被控对象受到干扰信号设被控对象受到干扰信号Di(t)的作用，则被调量的作用，则被调量的不变性表示为：的不变性表示为：当当 Di(t)0 则则 y(t)=C即被调量与干扰独立无关。即被调量与干扰独立无关。不变性是一种不变性是一种理想状态，实理想状态，实际应用不能完际应用不能完全实现，因此全实现，因此提出了以下几提出了以下几种不变性：种不变性：8/5/20244控制理论的不变性原理定义：控制系统的被调量与扰动量无关，或在绝对不变性是指对象在扰动作用下，绝对不变性是指对象在扰动作用下，被调量在整个过程中始终保持不变，即被调量在整个过程中始终保持不变，即调节过程的动态偏差均为零。调节过程的动态偏差均为零。由于被控对象的动态描述精度的限由于被控对象的动态描述精度的限制和实现扰动补偿装置的困难，一般工制和实现扰动补偿装置的困难，一般工程上是无法实现的。程上是无法实现的。1)绝对不变性绝对不变性8/5/20245绝对不变性是指对象在扰动作用下，被调量在整个过程中始终保持不它是指准确度有一定限制的不变性，即它是指准确度有一定限制的不变性，即与绝对不变性存在一定误差与绝对不变性存在一定误差，也称，也称不变不变性。可表示为性。可表示为:Di(t)0 时时 则则|y(t)-C|工程应用上反馈控制就是工程应用上反馈控制就是不变性。不变性。2)误差不变性误差不变性8/5/20246它是指准确度有一定限制的不变性，即与绝对不变性存在一定误差被调量在稳态工况下与扰动量无关。即被调量在稳态工况下与扰动量无关。即在扰动下动态偏差不为零，而在稳态下偏差在扰动下动态偏差不为零，而在稳态下偏差为零。它用于控制要求不高的场合。为零。它用于控制要求不高的场合。3)稳态不变性稳态不变性8/5/20247被调量在稳态工况下与扰动量无关。即在扰动下动态偏差不为零，而被调量往往受到若干个干扰的作用，系被调量往往受到若干个干扰的作用，系统采用被调量对其中几个主要的干扰实现不统采用被调量对其中几个主要的干扰实现不变性称选择不变性。这种方法既能减少补偿变性称选择不变性。这种方法既能减少补偿装置、节省投资又能达到对主要干扰的不变装置、节省投资又能达到对主要干扰的不变性。性。4)选择不变性选择不变性8/5/20248被调量往往受到若干个干扰的作用，系统采用被调量对其中几个主要大延迟系统大延迟系统工业生产工业生产过程迟过程迟延延容积迟容积迟延延纯迟纯迟延延扰动不能扰动不能及时反映及时反映控制到达被控制到达被控量延迟控量延迟明显的超调明显的超调长调节时间长调节时间 1 1 概述概述 8/5/20249大延迟系统工业生产过程迟延容积迟延纯迟延扰动不能及时反映控制大时延控制系统大时延控制系统特点：特点：当测量信号达到控制器,执行机构接受信号后立即动作,也需要经过纯迟延时间 以后,才波及到被控量（即在时间在时间 范围内，被控量完全范围内，被控量完全没有影响没有影响）,使之受到控制。也就是说，总迟延总迟延较大，导致控制作用不及时较大，导致控制作用不及时；迟延过程产生较明显的超调量和较长的调节较明显的超调量和较长的调节时间时间，使过渡过程变坏，降低系统的稳定性过渡过程变坏，降低系统的稳定性。具有纯迟延过程被公认为较难控制的过程。8/5/202410大时延控制系统特点：8/20/202310对于控制要求不太苛刻、具有大迟延的过程，可对于控制要求不太苛刻、具有大迟延的过程，可利用常规控制器适应强、调整方便等特点，在常利用常规控制器适应强、调整方便等特点，在常规规 PID控制基础上，采用变形的控制基础上，采用变形的PID控制算法，控制算法，并对系统进行整定，满足生产过程的要求。并对系统进行整定，满足生产过程的要求。一般情况下，当纯时延时间一般情况下，当纯时延时间 与过程的时间常数与过程的时间常数 T T 之比大于之比大于0.30.3的过程认为是具有大迟延的过程。时延的过程认为是具有大迟延的过程。时延现象越突出，系统越不稳定。现象越突出，系统越不稳定。8/5/202411对于控制要求不太苛刻、具有大迟延的过程，可利用常规控制器适应迟延系统迟延系统分类分类纯迟纯迟延延时间与时间与时间常数之比时间常数之比大大迟迟延延过过程程一一般般迟迟延延过过程程增加增加更明显的超调更明显的超调和长调节时间和长调节时间严重影响生严重影响生产和安全产和安全控控制制方方案案常规控制常规控制预估补偿预估补偿补偿控制补偿控制工艺控制工艺控制8/5/202412迟延系统纯迟延时间与大迟延过程一般迟延过程增加更明显的超调严l压下缸带钢测厚仪前馈式厚度控制器厚差计算HactHref移位寄存器HSS冷轧厚度前馈控制系统冷轧厚度前馈控制系统（FF-AGC）8/5/202413l压下缸带钢测厚仪前馈式厚度厚差计算HactHref移位寄存前馈控制系统前馈控制系统系统对全部或部分干扰具有系统对全部或部分干扰具有不变性不变性按照扰动进行补偿的开环系统。按照扰动进行补偿的开环系统。补偿原理补偿还可以改变系统的动态特性：补偿还可以改变系统的动态特性：补偿器补偿器原系统对象原系统对象新系统对象新系统对象设计新的装置或系统，以消除系统干扰的影响设计新的装置或系统，以消除系统干扰的影响或者使系统易于分析和控制。或者使系统易于分析和控制。1 1补偿控制补偿控制8/5/202414前馈控制系统系统对全部或部分干扰具有不变性按照扰2常规控制常规控制微分先行控制方案微分先行控制方案复习：复习：PID PID控制器中微分作用的特点？控制器中微分作用的特点？8/5/2024152常规控制复习：PID控制器中微分作用的特点？8/20常规PID控制系统中，微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值，因此微分环节不能真正不能真正起到对被控参数变化变化速度进行校正速度进行校正的目的，克服动态超调的克服动态超调的作用有限作用有限,因此因此微分调节只能起辅助的调节作用微分调节只能起辅助的调节作用,它可以它可以与其它调节动作结合成与其它调节动作结合成PD和和PID调节动调节动作作。8/5/202416常规PID控制系统中，微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算微分先行PID控制系统框图8/5/202417微分先行PID控制系统框图8/20/202317图2-6-2 中间微分反馈控制系统框图常规控制方案中间微分控制方案中间微分控制方案与微分先行控制方案类似，将微分环节放在反馈回路中，与微分先行控制方案类似，将微分环节放在反馈回路中，以改善系统的控制质量以改善系统的控制质量8/5/202418图2-6-2 中间微分反馈控制系统框图常规控制方案与微分8/5/2024198/20/202319某大时延系统采用常规PID、微分先行和中间微分反馈控制方案效果比较可见：可见：p微分先行和中间微分反馈控制方案均能有效克服超调现象有效克服超调现象，改改善了过程动态特性，善了过程动态特性，且无需特殊设备，具有一定使用价值；p无论采用何种方案，被控量均存在较大的超调，且响应速度很均存在较大的超调，且响应速度很慢，难以满足控制精度要求高的场合慢，难以满足控制精度要求高的场合，必须采用其他控制手段。方案超调量调节时间/minPID0.28925微分先行0.16228中间微分反馈0.133218/5/202420某大时延系统采用可见：方案超调量调节时间/minPID0.2 3 3大迟延系统的大迟延系统的SmithSmith预估补偿控制系统预估补偿控制系统迟延迟延系统系统控制控制动作动作系统系统输出输出控制器控制器提前动作提前动作去除大的超调去除大的超调和长调节时间和长调节时间设计补偿器置设计补偿器置于反馈系统中于反馈系统中延迟延迟时间时间8/5/202421 3大迟延系统的Smith预估补偿控制系统迟延系统控制动作系 史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的方案之一。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使迟延了时间性，然后由预估器进行补偿，力图使迟延了时间 的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作从的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作从而明显地减少超调量，加速调节过程而明显地减少超调量，加速调节过程。特点特点8/5/202422 史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的方案之一。它的特点Smith预估补偿控制系统框图SmithSmith预估补偿控制系统框图预估补偿控制系统框图8/5/202423Smith预估补偿控制系统框图Smith预估补偿控制系统框图 SmithSmith预估补偿模型及实现预估补偿模型及实现8/5/202424 Smith预估补偿模型及实现8/20/2023244 4工艺控制工艺控制hi+1ViHhi第i机架第i+1机架Vi+1冷轧厚度秒流量控制冷轧厚度秒流量控制金属秒流量原理金属秒流量原理8/5/2024254工艺控制hi+1ViHhi第i机架第i+1机架Vi+1冷轧h1hh0压下缸带钢+控制算法入口带钢厚度Hv0v0*H/v1-v1反馈式秒流量反馈式秒流量AGC的控制系统的控制系统 8/5/202426h1hh0压下缸带钢+控制算法入口带钢v0v0*H/v1厚度计式厚度计式AGCAGC 测压头1/MP控制算法P/M辊缝检测h1hS01h0S压下缸带钢+-+-8/5/202427厚度计式AGC 测压头1/MP控制算法P/M辊缝检测h1hE2-7 E2-7 串级控制系统实际上就是由两台控制器串连在串级控制系统实际上就是由两台控制器串连在一起，控制一个调节阀的系统。一起，控制一个调节阀的系统。1)1)与单回路控制系统相比，前者在系统结构上具有与单回路控制系统相比，前者在系统结构上具有那些特点那些特点?2)2)前者只增加了一个测量变送元件和一个控制器，前者只增加了一个测量变送元件和一个控制器，但为什么控制效果却有显著提高呢？但为什么控制效果却有显著提高呢？作业作业4E2-8 E2-8 请说明请说明SmithSmith预估补偿控制的特点，并结合预估补偿控制的特点，并结合具体具体阅读的文献实例阅读的文献实例分析说明其如何应用于大迟延系统分析说明其如何应用于大迟延系统？(建议具体文献不少于建议具体文献不少于3 3篇篇,并只结合并只结合1 1个具体生产过个具体生产过程程)8/5/202428E2-7 串级控制系统实际上就是由两台控制器串连在一起，控制