过程控制课件第六章利用补偿原理提高系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 利用补偿原理,提高系统的控制品质,6-1 概述,2) 反馈控制系统的不足,在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果(稳定性,准确性,快速性),一、 反馈控制,1)反馈控制的特点 ：,基于偏差来消除偏差；,“不及时”的控制 ；,存在稳定性问题；,对各种扰动均有校正作用；,控制规律通常是,P,、,PI,、,PD,或,PID,等典型规律。,二、前馈思想,在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。,例1 换热器控制(用蒸汽Q对物料F进行加热,保持出料口物料温度稳定),方案1-反馈控制,缺点：,对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节,按偏差大小进行控制的 e,调节阀,1,被调量: 换热器出口温度,1,主要干扰: 换热器的物料量F,G,c,(s),G,v,(s),G(s),G,m,(s),r,1,闭环控制系统方框图,F(s),Q,e,方案2-前馈控制,控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节,G,ff,(s),Gv(s),G,PD,(s),G,PC,(s),F(s),1,前馈控制系统方框图,Q,1,G,ff,(s),G,v,(s),G,PC,(s),G,PD,(s),+,+,F,Q,优点：,对干扰直接进行控制，控制比反馈及时,干扰,F, 调节阀,1,蒸汽量,物料量,系统传递函数为：,系统对于干扰F实现完全补偿的条件是:,G,ff,(s),G,v,(s),G,PC,(s),G,PD,(s),+,+,1,F,Q,前馈控制的理论基础是,不变性原理,，或称为,扰动补偿理论,三、不变性原理:,控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关，也就是被调量完全独立或基本独立,设被控对象受到干扰D,i,(t)的作用，则被调量y(t)的不变性可表示为：,即被调量y(t)与干扰D,i,(t)独立无关,在应用不变性原理时,由于各种原因,不可能完全实现上式所规定的y(t)与Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种不变性,(1) 绝对不变性,对象在扰动D,i,(t)作用下, 被调量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变, 调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.,即,Y,(,s,)/,D,(,s,) = 0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。,(2) 误差不变性,准确度有一定限制的不变性可表示为：,允许存在一定的误差, 在工程上容易实现, 而且生产中也不会有绝对不变性的要求, 所以应用广泛. 如反馈控制从理论上应该属于误差不变性,(3) 稳态不变性,在干扰D,i,(t)作用下, 被调量的动态偏差不为零, 而稳态偏差为零, 被调量在稳态工况下与扰动量无关.,(4) 选择不变性,系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性. 减少了补偿装置, 节省投资又能达到对主要干扰的不变性,6-2 前馈控制系统,对象,前馈,控制器,设定值,r,调节量,y,D1,D2,Dn,被调量,前馈控制系统,前馈控制是以,不变性原理为理论基础,的一种控制方法.它把影响过程的主要因素测量出来, 连同设定值一起, 用来计算正确的输出,以适应当前的状态,一 基本概念,u = f(r, D1,D2,Dn),D,1,，,，,D,n,为可测扰动；,u,，,y,分别为被控对象的操作变量与受控变量。,例3 锅筒锅炉的水位控制,锅炉的水位控制系统,生产过程：给水G经锅炉加热产生蒸汽输出,被调量: 锅炉水位H,保持恒定,扰动: 负荷(蒸汽D)扰动, 给水扰动.,控制方案：,1. 串级控制(反馈控制),2. 前馈控制,1. 串级空制,缺点：,1. 对扰动的响应不够及时,2. 如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求,水位H波动大,3. 负荷对水位的影响存在假水位现象,调节过程产生更大动态偏差,调节,过程加长,主调,节器,副调,节器,调节阀,管路,锅炉,压力变送器,液位变送器,给水扰动,负荷扰动,r,H,G(s),D(s),假水位: 锅炉蒸汽负荷突然,气压,水的沸点,水汽混合物体积,则此时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升反之一样,主调,节器,副调,节器,调节阀,管路,锅炉,压力变送器,液位变送器,给水扰动,负荷扰动,r,H,G(s),D(s),如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负荷量,就能解决负荷扰动大,控制不及时的缺点.,锅炉,D,DT,开方器,LT,LC,阀,QC,DT,开方器,h,I,G,*,I,G,I,D,+,-,I,f,蒸汽负荷,给水G,锅炉水位前馈控制系统,I,G=f(D, r),2、前馈控制方案,前馈控制与反馈控制的比较,前,馈,控,制,反,馈,控,制,扰动可测，但不要求被控量可测,被控量直接可测,超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）,按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）,开环调节，无稳定性问题,闭环调节，存在稳定性问题,系统仅能感受有限个可测扰动,系统可感受所有影响输出的扰动,对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确,对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型,对时变与非线性对象的适应性弱,对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强,(1) 前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，如果控制作用恰倒好处,一般比反馈控制及时,(2) 前馈控制属于开环控制系统,(3) 前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器.,(4) 一种前馈控制作用只能克服一种干扰,前馈控制与反馈控制的比较,二、 静态前馈控制,系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿,此时,前馈控制器的输出是输入量的函数, 而与时间因子无关.对控制要求不是很高,只关心结果,不重过程,例4 列管换热器控制,1) 生产过程,2) 调节量 (,2,),3) 扰动量 (,Q,1, p ),4) 热平衡方程及控制算法,换热器,料液,Q,1,2,D,加热蒸汽,无论Q,1,如何变化，总有D=kQ(,2r,-,1,), Q,1,的扰动都能由蒸汽流量D立即进行补偿得到蒸汽流量的给定值D*=kQ(,2r,-,1,).,前馈补,偿器,调节,器,阀,管道,换热器,压力,变送器,Q,1,D,2,D*,2r,5) 前馈控制算法与对象数学模型关系:从本质上讲,算法就是数学模型,Q,1,D,2r,数学模型,Q,1,D,2r,前馈控制算法,换热器,T,X,Q,1,2r,1,+,-,k,QC,DT,DT,D*,D,D,2,静态前馈补偿器,6) 参数对控制的影响,Q,D,2r,D,1,D,k对出口温度,2,的影响：,通过调整k值可以调整出口温度与设定值的残差, k过小，D的减小过小,残差为正, k过大，D的减小过大，残差为负, k适当，D的减小与Q的减小匹配，残,差为0,换热器,T,X,Q,1,2r,1,+,-,k,QC,DT,DT,D*,D,D,2,静态前馈补偿器,料液流量,蒸汽流量,7) 前馈控制与常规PID空制的比较,(,a) PID控制过程,(b) 静态前馈控制过程, 前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差, 前馈控制超调量小, 前馈控制作用时间短.,静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断,8) 静态前馈控制缺点, 负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时温度误差, 如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同,就有可能出现残差.,右图中曲线,-料液流量Q,-蒸汽流量D,-按静态前馈控制时Q 料液出口温度变化曲线.存在一段时间较小的偏差,是由于扰动通道和调节通道之间对象动态特性不同所引起的动态偏差.静态前馈补偿不能解决,从理论上说，按静态模型设计的前馈控制装置可以保证静态偏差为零，但无法干预动态偏差的发生,三 动态前馈控制,动态前馈控制的作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并使他们的符号相反，便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响,G,ff,(s),G,v,(s),G,PC,(s),G,PD,(s),+,+,1,扰动F,Q,动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同.动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数, 而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。,1. 动态补偿器的设计,扰动量-D(s),被调量-Y(s),没有补偿器时, 扰动量D只通过G,d,(s)影响Y,即,G,v,(s),G,ff,(s),补偿器,m,调节阀,G,p,(s),D,Y(s),扰,动,被调量,G,d,(s),有了补偿器后，扰动量D同时还通过补偿通道G,ff,(s)G,v,(s)G,p,(s)来影响被调量Y,则,根据不变性原理, 有,补偿器传递函数为,：,假定扰动通道传递函数G,d,(s)和调节通道传递函数G,p,(s)均为纯迟延, 且为,调节阀特性G,v,(s)=k,v, 则在扰动D作用下，进行静态前馈控制，静态前馈装置只需实现,此时只能保证稳态时对扰动的补偿,G,ff,(s),G,v,(s),G,P,(s),G,D,(s),+,+,Y(s),D,D,t,0,y,t,p,d,扰动D的变化引起被调量持续时间为(,d,-,p,)的一个瞬变过程. 要进行动态补偿, 需要把前馈信号推迟,d,-,p,如果G,d,(s)和G,p,(s)分别是时间常数为T,d,和T,p,的一阶惯性环节，控制仍设置为静态前馈控制，使G,ff,(s)=-1/k, 则有,(假定T,d,T,p,),当t,+时,limy(t)=0,静态误差为零.由于两个通道时间常数不同，出现了动态偏差,D,t,0,y,t,Td,Tp,0,2. 简单的动态补偿器：导前-滞后环节,1) 按不变性原理实现完全补偿只有理论意义,实际上是不可能实现的, 过程的动态特性难以测准，而且具有不可忽视的非线性，特别是在不同负荷下动态特性变化很大。, 写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现,2) 可以采用前馈控制的过程的特点：, 扰动通道和调节通道的传递函数性质相近, 如果有纯迟延，在数值上比较接近,在大多数情况下，只需要考虑主要的惯性环节，即实现部分补偿通常采用简单的导前-滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函数为：,其增益为1, 只起动态补偿的作用. 按过程的静态模型设计的静态前馈控制装置则保持静态准确性。,1,导前时间；,2,滞后时间,G,ff,(s),D,M(s),d(t),t,t,m(t),1,2,1,2,1,0.3,控制系统中的大时延能导致系统的稳定性下降，甚至不稳定。,6-3 大迟延系统,克服纯延时的几种常见方案,改进型常规控制：,具有通用性广等特点，目前较常用。,预估补偿：,原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响，但前提是具有被控过程的精确模型，工程上往往难以实现。,采样控制：,成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。,其他：,大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。,微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值，因而克服动态超调的作用有限。,一、改进型常规控制方案,微分先行控制方案,微分环节的输出包括被控参数及其变化速度值，因而克服动态超调的作用强。,中间微分控制方案,只在动态过程中起调节作用。,三种控制方案在,设定值,扰动下过渡过程的比较见右图。,微分先行、中间反馈控制方案简单易行，且对降低超调量有显著的效果。,不能克服滞后,二、Smith预估补偿控制方案,1957年 史密斯（O.J.M.Smith）提出了一种,以模型为基础,的预估器补偿控制方法.,设计思想:,预先估计出过程在基本扰动作用下的动态响应,然,后由预估器进行补偿,试图使被延时了的被控量,超前反馈到控制器,使控制器提前动作,从而大大降,低超调量,并加速调节过程。,可见控制器的输出需要经过时间才起作用,为了使控制器的输出信号与反馈信号Y（S）之间无延时，必须满足：,整个系统的闭环传递函数为：,显然，在系统的闭环特征方程中，已不再包含纯滞后环节，因此采用Smith预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。传递函数分子上的纯滞后环节表明被控量的响应比设定值滞后时间。,例：已知某过程控制系统如图：,返回,三、采样控制方案,“调一下，等一等”的办法；,当调节器输出达一定时间后，就不再增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间与纯滞后时间,0,相等或再稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；,根据偏差的大小再决定下一步的控制动作。,采样控制方案,核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。,无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后对控制带来的不利影响。,注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。,6-4 非线性增益补偿系统,一 概述,1.非线性增益对控制系统的影响,线性系统的特征是可以应用线性叠加原理，非线性系统不能应用.,使系统动态品质变坏,稳定性分析复杂,可能出现自激振荡,2. 非线性因素的存在形式,典型非线性特性,用以实现控制的仪表或执行机构中包含的非线性,常见的有继电特性,死区,饱和(限幅),间隙,摩擦等, 对象的变增益特性,对象的增益在很多情况下不是常数,而是负荷,调节量等因素的非线性函数,二 、对象静态非线性特性的补偿,严格地说, 大部分工业过程的静态特性都具有非线性特性, 其增益随负荷,被调量,调节量等变化.在非线性影响严重时, 要对其进行补偿.,补偿原理:,设法使系统中某一环节具有与对象增益相反的非线性特性,使之与原来的非线性特性相补偿,最后使系统的开环增益保持不变,校正成一个线性系统.即,K,c,*K,v,*K,p,*K,m,=常数,补偿方法：,1) 采用阀门特性,利用阀门增益的非线性特性,如等百分比,快开特性.,2) 利用变增益调节器,3) 利用函数变换器及各种运算单元,对于变化多端的非线性特性,只使用变增益调节器来补偿是比较粗糙的.函数变换器和各种运算单元经过计算,调整和组合可以实现各种复杂形状的曲线,能够较精确地进行补偿,4) 利用计算机进行补偿,谢谢大家！,