第二篇8-13章.ppt

過(guò)程控制系統(tǒng)及工程 信息學(xué)院自動(dòng)化系 孫洪程Email Sunhc 第8章非線性控制系統(tǒng) 第二篇先進(jìn)控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng) 8 1線性過(guò)程的非線性控制8 2非線性過(guò)程的非線性控制8 3位式控制 第8章 教學(xué)進(jìn)程 8 1 線性過(guò)程的非線性控制 過(guò)程本身是非線性的 引入非線性單元或規(guī)律用以補(bǔ)償 兩類(lèi)非線性控制系統(tǒng) 過(guò)程是線性的 為了滿(mǎn)足某種特殊要求而引入的非線性控制規(guī)律 8 1 線性過(guò)程的非線性控制 液位的非線性控制 8 1 1 1 實(shí)現(xiàn)均勻控制 采用帶不靈敏區(qū)的非線性控制規(guī)律 不靈敏區(qū)內(nèi) 控制器增益比較小 即對(duì)偏差不靈敏 液位偏差在不靈敏區(qū)小范圍波動(dòng)時(shí) 控制器輸出變化很小 控制閥動(dòng)作很小液位有小波動(dòng) 流量也有小的波動(dòng) 均勻控制系統(tǒng)的組成可采用單回路或串級(jí)結(jié)構(gòu)P190圖8 2 A B 不靈敏區(qū)內(nèi)以PV代替SP 因此 不靈敏區(qū)成為 死區(qū) 不靈敏區(qū)外 和B型一樣 液位的非線性控制 8 1 1 2 非線性控制器類(lèi)型 PI PID型 不靈敏區(qū)內(nèi)只是增益K發(fā)生變化 A型 PI型 K和Ti同時(shí)起作用 B型 作為液位均勻控制器 其不靈敏區(qū)以外的控制作用要大些 迅速拉回到不靈敏區(qū)內(nèi) 不靈敏區(qū)的寬度要略小于工藝允許波動(dòng)范圍 使得液位超出不靈敏區(qū)后有一定的控制過(guò)程 不靈敏區(qū)內(nèi)的KC的大小與不靈敏區(qū)寬度綜合考慮 參數(shù)整定要注意的問(wèn)題 B型的控制效果好些圖8 3采用選擇性控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非線性的均勻控制 LC 正作用 正作用 高位繼動(dòng)器 低位繼動(dòng)器 正作用 高選器 低選器 Fi 氣開(kāi) Fo 液位的非線性控制還可采用變?cè)鲆娴姆蔷€性控制器 是 控制器的增益或積分時(shí)間與輸入偏差以一定關(guān)系連續(xù)地變化 例如控制器的增益KC及積分時(shí)間Ti與液位偏差以一個(gè)指數(shù)關(guān)系連續(xù)地變化 同時(shí)增益和積分時(shí)間之間為使系統(tǒng) 值恒定 保證Ti KC恒定 偏差與KC Ti間的關(guān)系可用下式表示 變結(jié)構(gòu)控制 VSS 邏輯單元根據(jù)系統(tǒng)的要求和特點(diǎn) 選擇運(yùn)算規(guī)律 輸入偏差 VSS采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)容易 簡(jiǎn)單的可以采用儀表的一些計(jì)算單元完成圖8 5一個(gè)簡(jiǎn)單的變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)于高階系統(tǒng)的控制效果好于一般PID控制器 開(kāi)關(guān) PI 過(guò)程 8 2 非線性過(guò)程的非線性控制 pH控制的非線性控制 8 2 1 有些非線性特性嚴(yán)重的過(guò)程 必須采用非線性控制 典型的非線性過(guò)程圖8 9在PH值為7附近非線性畸變嚴(yán)重 斜率非常大 普通PID控制器難于控制PH控制在工業(yè)應(yīng)用很多 如污水處理過(guò)程 C試劑 升溶液 pH 11109876543 5040 3020 100 1 帶不靈敏區(qū)的非線性控制在PH 7附近實(shí)施不靈敏區(qū)的控制作用關(guān)鍵 不靈敏區(qū)的寬度 不靈敏區(qū)內(nèi)的增益 參數(shù)整定時(shí)試湊 2 自適應(yīng)PH值控制PH值變化曲線 會(huì)由于在廢水中添加了弱酸或堿 有所改變 108642 108642 012345 012345 引如自適應(yīng)控制器 感測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng) 判別系統(tǒng)的控制狀態(tài) 非線性控制器 自適應(yīng)控制器 不靈敏區(qū)寬度 ph 到控制閥 非線性控制器 根據(jù)PH控制系統(tǒng)的響應(yīng) 輸出信號(hào)去設(shè)定非線性控制器的不靈敏區(qū)的寬度除此之外 PH值還可以采用智能控制 實(shí)際上也是非線性控制 反應(yīng)器的非線性控制 8 2 2 圖8 14間歇反應(yīng)器反應(yīng)溫度控制非線性串級(jí)控制器 變?cè)鲆娣蔷€性控制器 圖8 15 8 3 位式控制 位式控制的改進(jìn)及其發(fā)展 8 3 1 較為古老的控制方式 繼電器型控制 輸出不連續(xù)控制信號(hào)缺點(diǎn) 產(chǎn)生不衰減的振蕩環(huán) 1 一般的改善方法合理選擇中間區(qū) 或采用多位式控制 以減小振蕩的幅值 2 控制作用的改進(jìn)脈沖寬度調(diào)制 輸出變成一系列的方波 方波寬度受輸入偏差的調(diào)制 提高方波變化的頻率 接近連續(xù)控制 可消除振蕩 時(shí)間比例式 脈沖輸出的平均值與偏差e成正比 圖8 16控制特性近似為PID 3 帶模型反饋的位式控制雙位式控制器 模型和被控設(shè)備 控制器與模型組成反饋回路 圖8 19使用模型的開(kāi)關(guān)控制 屬于一種最優(yōu)控制 時(shí)間最優(yōu)控制 可以通過(guò)最優(yōu)控制理論進(jìn)行推導(dǎo) 關(guān)鍵 開(kāi)關(guān)時(shí)間的計(jì)算 1 手動(dòng)Bang Bang控制操作人員根據(jù)開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)算公式求出切換時(shí)間 手動(dòng)控制閥門(mén) 2 自動(dòng)Bang Bang控制快速調(diào)節(jié)器 通過(guò)狀態(tài)反饋 得到開(kāi)關(guān)函數(shù) 決定控制作用 以實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)控制 圖8 22 過(guò)程控制系統(tǒng)及工程 信息學(xué)院自動(dòng)化系 李大字Email lidz 第9章純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) 新型控制系統(tǒng) 9 1純滯后補(bǔ)償原理9 2純滯后補(bǔ)償控制的效果9 3史密斯補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 第9章 教學(xué)進(jìn)程 9 1 純滯后補(bǔ)償原理 控制通道的純滯后對(duì)控制品質(zhì)影響非常不利如何對(duì)純滯后進(jìn)行處理 設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償器 使并聯(lián)后的等效傳遞函數(shù)消除純滯后Smith補(bǔ)償器 純滯后補(bǔ)償?shù)男Ч?9 2 系統(tǒng)方塊圖整理后 實(shí)際上把純滯后環(huán)節(jié)提到了控制回路之外 純滯后對(duì)控制品質(zhì)沒(méi)有影響 與沒(méi)有純滯后的控制效果一樣 只是過(guò)渡過(guò)程有一個(gè)滯后 Smith補(bǔ)償器的加入 提高了控制品質(zhì) GC s GP s e s G s R 圖9 3 史密斯補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn) 9 3 Smith補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵 原始補(bǔ)償器中含有純滯后環(huán)節(jié) 模擬儀表很難實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)容易 一般采用純滯后的近似模型來(lái)模擬純滯后環(huán)節(jié) 帕德一階 二階方程P208式9 4 9 7這樣 就可以采用物理裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為圖9 11求得 特征方程中不包含純滯后環(huán)節(jié) 控制品質(zhì)提高 史密斯補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 一階滯后對(duì)象的純滯后補(bǔ)償器電路圖 產(chǎn)生純滯后信號(hào)的方法 存儲(chǔ)單元法為了形成滯后L的信號(hào) 需在內(nèi)存中開(kāi)辟L 1個(gè)存儲(chǔ)單元 以存儲(chǔ)P k 的歷史數(shù)據(jù) 多項(xiàng)式近似原理計(jì)算e s時(shí) 可將其按冪級(jí)數(shù)展開(kāi)為 解耦控制系統(tǒng) 10 1關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件10 2解耦控制方案10 3解耦控制應(yīng)用實(shí)例 第10章 教學(xué)進(jìn)程 10 解耦控制系統(tǒng) 解耦控制 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 消除系統(tǒng)之間耦合 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件 10 1 方法 在相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中增加一個(gè)解耦裝置 解耦矩陣F S 使對(duì)象的傳遞矩陣與解耦裝置矩陣的乘積為對(duì)角陣 條件 廣義對(duì)象的傳遞矩陣G S 必須是對(duì)角陣 GC1 s GC2 s P1 s P2 s F11 s F22 s P 1 s P 2 s G11 s G22 s F12 s F21 s G12 s G21 s Y1 s Y2 s R1 R2 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)解耦條件 10 1 方案一設(shè)置對(duì)角陣元素為原對(duì)象傳遞矩陣的主對(duì)角元素 方案二設(shè)置對(duì)角陣為單位陣 方案三設(shè)置對(duì)角陣元素為其它形式 優(yōu)點(diǎn) 完全消除關(guān)聯(lián) 完全解耦 理想解耦缺點(diǎn) 模型復(fù)雜 儀表實(shí)現(xiàn)困難 解耦控制方案 10 2 1 理想解耦 G S 與F S 的乘積必須為對(duì)角陣 2 簡(jiǎn)化解耦 解耦控制方案 10 2 選擇一種簡(jiǎn)化的解耦模型 F S 的某兩個(gè)元素固定為1 而且 這兩個(gè)1不能處于一個(gè)控制器的輸出端 如改用簡(jiǎn)化解耦 解耦裝置模型可以有下面四種不同的形式 a b 對(duì)于a 求得 d c 精餾塔兩端溫度控制方案 解耦控制應(yīng)用實(shí)例 10 3 通過(guò)塔頂溫度控制保證頂部產(chǎn)品的質(zhì)量 操縱變量為回流量L 塔底產(chǎn)品的質(zhì)量通過(guò)對(duì)塔底溫度的控制來(lái)保證 控制質(zhì)量為再沸器的加熱蒸氣量W 塔頂和塔底產(chǎn)品的質(zhì)量 組分 分別以Y1和Y2表示 顯然 在這一控制方案中 系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)是不容忽視的 并可以通過(guò)計(jì)算機(jī)分別進(jìn)行未經(jīng)解耦和簡(jiǎn)化解耦的模擬實(shí)驗(yàn) 按計(jì)算指標(biāo)及推斷控制系統(tǒng) 11 1按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng)11 2推斷控制系統(tǒng) 第11章 教學(xué)進(jìn)程 11 按計(jì)算指標(biāo)及推斷控制系統(tǒng) 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 有些情況 控制指標(biāo)不能直接測(cè)量出來(lái) 因此只能通過(guò)一些可測(cè)量的變量 通過(guò)計(jì)算獲得控制指標(biāo) 再進(jìn)行控制 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 1 精餾塔內(nèi)回流控制系統(tǒng) 內(nèi)回流 精餾塔內(nèi)上一層塔盤(pán)向下一層塔盤(pán)流下的流體流量 內(nèi)回流穩(wěn)定是保證塔良好操作的一個(gè)重要因素一般希望內(nèi)回流穩(wěn)定或者按一定的規(guī)律變化 內(nèi)回流和外回流的關(guān)系 P224圖11 1Li Lo LToH TR變化不大時(shí) 可以由Lo代替Li 否則 需要內(nèi)回流控制 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 VRTOHLO TRV2Li 實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流的方法內(nèi)回流難于直接測(cè)量和控制 通過(guò)建立內(nèi)回流和其它可測(cè)量的數(shù)學(xué)模型 計(jì)算內(nèi)回流 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流控制 內(nèi)回流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 P224式11 3 可計(jì)算內(nèi)回流儀表實(shí)現(xiàn)內(nèi)回流控制系統(tǒng) P225圖11 2完成式11 3的計(jì)算已經(jīng)形成專(zhuān)用儀表裝置 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 2 熱焓控制系統(tǒng) 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 熱焓控制目的熱焓 單位重量 體積的物料所積存的熱量精餾塔操作 熱焓是一個(gè)主要干擾單相進(jìn)料 溫度與熱焓為單值關(guān)系 可用圖11 3的控制方案混合進(jìn)料 溫度與熱焓不是單值關(guān)系 需要進(jìn)行熱焓控制 熱焓運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型及實(shí)施框圖 2 熱焓控制系統(tǒng) 按計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng) 11 1 TC F 圖11 3 控制系統(tǒng) 輸出變量 外部擾動(dòng)有可測(cè)和不可測(cè)的兩類(lèi) 可測(cè)輸出 組成反饋控制系統(tǒng) 可測(cè)擾動(dòng) 組成前饋控制系統(tǒng) 都不可測(cè) 推斷控制 推測(cè)不可測(cè)被控變量 反饋推斷控制 推測(cè)不可測(cè)擾動(dòng)變量 前饋推斷控制 前提條件 過(guò)程數(shù)學(xué)模型已知 其精度直接影響控制精度 1 反饋推斷控制 被控量Y不可測(cè) 輔助量Z可測(cè) 擾動(dòng)D不可測(cè) 各通道數(shù)學(xué)模型已知 建立Y和Z的數(shù)學(xué)關(guān)系式 構(gòu)成反饋推斷控制系統(tǒng) 2 前饋性質(zhì)推斷控制 被控變量Y及擾動(dòng)D都不可測(cè) 借助于輔助可測(cè)量Z組成推斷控制 估計(jì)器 信號(hào)分離 推斷控制器 按Z變換設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 12 1最小拍控制算法12 2大林控制算法12 3采樣控制系統(tǒng) 第12章 教學(xué)進(jìn)程 數(shù)字控制系統(tǒng) 12 按z變換設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 根據(jù)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)Y z R z 可以設(shè)計(jì)數(shù)字控制器Gc z 或控制算法U z 數(shù)字控制器 最小拍控制算法 12 1 控制思想 在給定R變化下 Y要在最短時(shí)間內(nèi)復(fù)現(xiàn)R沒(méi)有純滯后情況下 Y k R k 1 Y z R z z 1有純滯后情況下 Y k R k N 1 Y z R z z 1 N求得控制器 缺點(diǎn) 易產(chǎn)生較大的振蕩 并且 算法中沒(méi)有可調(diào)參數(shù) 大林 Dahlin 控制算法 12 2 對(duì)于在最小拍控制算法的改進(jìn) 使輸出達(dá)到給定值的時(shí)間放得稍長(zhǎng)一些 減輕Y的振蕩 即 R為階躍變化 R S 1 S離散化 求Y Z 再求R Z 求出Y Z R Z P236式12 19代入 得大林算法 例子 P236大林算法存在負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn) 控制器對(duì)階躍輸入響應(yīng)會(huì)有跳躍現(xiàn)象 需要改進(jìn) 改進(jìn)方法 見(jiàn)P237 239 大林 Dahlin 控制算法 12 2 分析 T q 0 趨于最小拍算法 T q 1 控制趨于平緩 振蕩減弱 T是可以進(jìn)行調(diào)整的參數(shù) 采樣控制系統(tǒng) 12 3 1 數(shù)字式采樣控制系統(tǒng) 模仿人工控制 操作一步 觀察一步 處理具有大滯后的過(guò)程控制問(wèn)題 常規(guī)PID反饋控制品質(zhì)不好 得不到及時(shí)的反饋控制信息 如 Y Z R Z Z n在脈沖輸入信號(hào)作用下 輸出經(jīng)過(guò)n個(gè)采樣周期后回到給定值 對(duì)于具有純滯后特性的系統(tǒng) 輸出至少要經(jīng)過(guò)時(shí)間 之后 才能復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào) 因此 要適當(dāng)選擇n n 1即為最小拍控制 采樣控制系統(tǒng) 12 3 根據(jù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求可以設(shè)計(jì)數(shù)字控制器 為采樣控制輸出的一般形式 采樣控制系統(tǒng) 12 3 2 模擬式采樣控制系統(tǒng) 采樣控制也可以由專(zhuān)用的模擬式采樣控制器來(lái)完成 模擬式采樣控制器一般具有PI控制規(guī)律 但是在每一個(gè)采樣周期內(nèi)只讓積分作用導(dǎo)通一個(gè)很短的時(shí)間 然后就把它切斷 到下一個(gè)采用周期時(shí)再讓積分作用導(dǎo)通一個(gè)很短的時(shí)間 然后又把它切斷 如此循環(huán)工作下去達(dá)到采樣控制的目的 結(jié)果既能夠發(fā)揮積分作用消除余差的效果 又能夠克服因?qū)ο蠹儨蟮拇嬖?不能及時(shí)反饋控制效果信息而導(dǎo)致控制器輸出過(guò)頭的弊端 模型預(yù)測(cè)控制 13 1模型算法控制13 2動(dòng)態(tài)矩陣控制 第13章 教學(xué)進(jìn)程 13 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 預(yù)測(cè)控制基本思想 利用易于得到的工業(yè)過(guò)程脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)構(gòu)成系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型 大部分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都要求需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于實(shí)際工業(yè)過(guò)程很難滿(mǎn)足 預(yù)測(cè)控制 基于對(duì)過(guò)程模型精度要求不高的思想下產(chǎn)生 模型算法控制 MAC 動(dòng)態(tài)矩陣控制 DMC 預(yù)測(cè)控制 PC 現(xiàn)代控制理論 基于狀態(tài)空間 如最優(yōu)控制 極點(diǎn)配置等 應(yīng)用航空航天 理想環(huán)境 工業(yè)過(guò)程控制 基于模型預(yù)測(cè) 預(yù)測(cè)控制石油 化工 發(fā)電等 先進(jìn)控制算法 工業(yè)過(guò)程特點(diǎn) 數(shù)學(xué)模型的非精確性不確定性 隨機(jī)性 參數(shù)時(shí)變性多變量系統(tǒng)控制算法的可實(shí)施性歷史 脈沖響應(yīng)與階躍響應(yīng) 滾動(dòng) 13 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 13 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng) 特點(diǎn) 1 模型可以通過(guò)過(guò)程實(shí)驗(yàn)獲得 簡(jiǎn)單 2 采用了非參數(shù)卷積模型 抗干擾 魯棒性強(qiáng) 3 滾動(dòng)優(yōu)化 彌補(bǔ)模型的不精確性 4 理論簡(jiǎn)單 易于推廣 于是 模型輸出 y k 1 g1u k g2u k 1 gNu k N 1 模型算法控制 MAC 13 1 三部分組成 內(nèi)部模型 參考軌跡 控制算法 1 內(nèi)部模型 系統(tǒng)脈沖響應(yīng)模型 y i gi i 1 2 3 N gi 0 I N 由卷積公式得 y k 1 gTu gTu g1 g2 gN uT u k u k 1 u k N 1 模型算法控制 MAC 13 1 2 參考軌跡 系統(tǒng)輸出沿著一條光滑的曲線達(dá)到給定值 減少過(guò)量的控制的引導(dǎo)軌跡 參考軌跡 模型算法控制 MAC 13 1 3 優(yōu)化算法 根據(jù)預(yù)測(cè)輸出 參考軌跡 優(yōu)化目標(biāo) 可求解控制量U 預(yù)測(cè)軌跡盡量靠近參考軌跡 代入預(yù)測(cè)模型 最優(yōu)預(yù)測(cè)控制得 動(dòng)態(tài)矩陣控制 13 2 動(dòng)態(tài)矩陣控制原理與算法控制結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化策略反饋校正算法設(shè)計(jì)參數(shù)選擇采樣周期優(yōu)化時(shí)域長(zhǎng)度控制時(shí)域程度權(quán)矩陣誤差校正向量 動(dòng)態(tài)矩陣控制 13 2 DMC依靠對(duì)象的階躍響應(yīng)控制結(jié)構(gòu)組成預(yù)測(cè)模型 動(dòng)態(tài)矩陣控制 13 2 預(yù)測(cè)模型對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)動(dòng)態(tài)系數(shù) a1 a2 aN 來(lái)描述 a1 a2 aN