利用補償原理提高系統(tǒng)的.ppt

1、1,第六章 利用補償原理提高系統(tǒng)的 控制品質(zhì),2,6-1 概述,2) 反饋控制系統(tǒng)的不足,在被控對象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的過程響應時,反饋控制難以得到好的效果(穩(wěn)定性,準確性,快速性),干擾多：準確性難以保證，存在多種殘差 遲延：快速性降低,例1 純遲延系統(tǒng)的快速性分析,1) 反饋控制的優(yōu)點(PID控制),原理簡單, 使用方便,不需知道對象的確切模型 適應性強 魯棒性強, 控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感,魯棒性:控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時仍可使品質(zhì)指標不變的性能,3,上述幾類問題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：, 反饋控制是一種偏差控制

2、, 系統(tǒng)在控制中必定存在偏差, 因此不能得到完 善的控制效果, 而且調(diào)節(jié)器總是在偏差出現(xiàn)后才開始動作。 反饋控制器不能事先規(guī)定它的輸出值，而只是改變它的輸出值直到被調(diào)量 與設定值一致為止,它是以嘗試法來進行控制的,是一種原始的控制方法,問題: 是否可以在偏差產(chǎn)生前 (擾動發(fā)生但還未影響到輸出量) 就讓調(diào)節(jié)機構(gòu)作出反應, 通過對干擾進行補償來抵消其影響, 從而使被控對象不受干擾的影響. 這就是前饋控制(FFC), 它是一種按干擾進行控制的開環(huán)控制方式.,4,例2 換熱器控制(用蒸汽Q對物料F進行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定),方案1-反饋控制,缺點： 對干擾的響應不夠及時，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)

3、節(jié)按偏差大小進行控制的 Fe調(diào)節(jié)閥1,被調(diào)量: 換熱器出口溫度1 主要干擾: 換熱器的物料量F,信號流向,反饋,前饋,5,方案2-前饋控制,控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進行調(diào)節(jié),1,優(yōu)點： 對干擾直接進行控制，控制比反饋及時 干擾F 調(diào)節(jié)閥1,蒸汽量,物料量,信號流向,信號流向,6,系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：,系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是:,前饋控制的理論基礎是不變性原理, 或稱為擾動補償理論,7,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)，也就是被調(diào)量完全獨立或基本獨立,(1) 絕對不變性 對象在擾動Di(t)作用下, 被調(diào)量y(t)在整個過渡過程中

4、始終保持不變, 調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零. 實際中難以達到：對象的動態(tài)特性不可能絕對精確；擾動補償裝置實現(xiàn)上的困難理想的控制標準,設被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為:,即被調(diào)量y(t)與干擾Di(t)獨立無關(guān),在應用不變性原理時,由于各種原因,不可能完全實現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種不變性,8,(2) 誤差不變性 準確度有一定限制的不變性可表示為:,(3) 穩(wěn)態(tài)不變性 在干擾Di(t)作用下, 被調(diào)量的動態(tài)偏差不為零, 而穩(wěn)態(tài)偏差為零, 被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān).,(4) 選擇不變

5、性 系統(tǒng)中被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性. 減少了補償裝置, 節(jié)省投資又能達到對主要干擾的不變性,允許存在一定的誤差, 在工程上容易實現(xiàn), 而且生產(chǎn)中也不會有絕對不變性的要求, 所以應用廣泛. 如反饋控制從理論上應該屬于誤差不變性,帶積分環(huán)節(jié)的反饋控制屬于穩(wěn)態(tài)不變性,9,6-2 前饋控制系統(tǒng),前饋控制是以不變性原理為理論基礎的一種控制方法.它把影響過程的主要因素測量出來, 連同設定值一起, 用來計算正確的輸出,以適應當前的狀態(tài),無論干擾何時出現(xiàn), 都立即開始校正, 使擾動在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉. 從理論上講, 前饋控制可是實現(xiàn)很完善的控制, 即使是難控過程, 其性能也僅受測量和計算

6、精度的限制,一 基本概念,u = f(r, D1,D2,D3),10,例3 鍋筒鍋爐的水位控制,鍋爐的水位控制系統(tǒng),生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽輸出,被調(diào)量: 鍋爐水位H, 保持恒定,擾動: 負荷(蒸汽D)擾動, 給水擾 動.,控制方案： 1. 串級控制(反饋控制) 2. 前饋控制,11,1. 串級空制,缺點： 1. 對擾動的響應不夠及時 2. 如果負荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動大 3. 負荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差,調(diào)節(jié) 過程加長,假水位: 鍋爐蒸汽負荷突然(出汽),氣壓,水的沸點,水汽混合物體積,則此時水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而

7、上升反之一樣,12,如果直接以負荷的擾動來調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負荷量,就能解決負荷擾動大,控制不及時的缺點.,采用前饋控制: 把影響過程的主要擾動因素預先測量出來, 根據(jù)對象的物質(zhì)(或能量)平衡條件, 計算出適應該擾動的調(diào)節(jié)量進行控制。只要干擾出現(xiàn), 立即進行校正, 使得擾動在影響被調(diào)量之間就被抵消.,13,G=f(D, r),14,前饋控制的特點 (1) 前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時,(2) 前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng),(3) 前饋控制使用的是依對象特性而定的專用控制器,(4) 一種前饋控制作用只能克服一種干擾,(1) 系統(tǒng)中存在著可測但不

8、可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著, 反饋控制達不到質(zhì)量要求時。,前饋控制系統(tǒng)的應用場合,(2) 當控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長,由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時,可采用前饋或前饋反饋控制系統(tǒng).,15,二 靜態(tài)前饋控制,系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償,此時,前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù), 而與時間因子無關(guān). 對控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過程,例4 列管換熱器控制,1) 生產(chǎn)過程,找出主要擾動列出平衡方程具體實現(xiàn),2) 調(diào)節(jié)量 ( 2 ),3) 擾動量 ( Q, 1, p ),4) 前饋控制設計思路:,主要擾動,料液流量Q,料液入口溫度1,16,平衡方

9、程,17,5) 前饋控制算法與對象數(shù)學模型關(guān)系:從本質(zhì)上講, 算法就是數(shù)學模型,實現(xiàn) D=kQ(2r- 1),無論Q, 1如何變化, 總有D=kQ(2r- 1), Q, 1的擾動都能由蒸汽流量D立即進行補償?shù)玫秸羝髁康慕o定值D*=kQ(2r- 1).,18,6) 參數(shù)對控制的影響,QD 2rD 1D ,k對出口溫度2的影響：,通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設定值的殘差, k過小, D的減小過小, 欠補償 k過大, D的減小過大, 過補償 k適當,D的減小與Q的減小匹配, 殘差為0,19,7) 前饋控制與常規(guī)PID空制的比較,(a) PID控制過程,(b) 靜態(tài)前饋控制過程, 前饋控制比PID

10、空制及時，能更早地校正偏差 前饋控制超調(diào)量小 前饋控制作用時間短. 靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強的自身平衡傾向如料液沒流量后，蒸汽也會自動關(guān)斷,20,8) 靜態(tài)前饋控制缺點,(1) 負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時溫度誤差 (2) 如果負荷情況與當初調(diào)整系統(tǒng)時的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差.,右圖中曲線 -料液流量Q -蒸汽流量D -按靜態(tài)前饋控制時Q 料液出口溫度變化曲線.存在一段時間較小的偏差,是由于擾動通道和調(diào)節(jié)通道 之間對象動態(tài)特性不同所引起的動態(tài)偏差.靜態(tài)前饋補償不能解決 從理論上說，按靜態(tài)模型設計的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無法干

11、預動態(tài)偏差的發(fā)生,D=kQ(2r- 1),21,三 動態(tài)前饋控制,動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補償. 通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇, 使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致, 并使他們的符號相反,便可達到控制作用完全補償干擾對被控變量的影響,動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同.動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù), 而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。,22,1. 動態(tài)補償器的設計,擾動量-D(s) 被調(diào)量-Y(s),沒有補償器時,

12、 擾動量D只通過Gd(s)影響Y,即,有了補償器后, 擾動量D同時還通過補償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被調(diào)量Y, 則,根據(jù)不變性原理, 有,補償器傳遞函數(shù)為：,23,假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延, 且為,調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv, 則在擾動D作用下，進行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實現(xiàn),此時只能保證穩(wěn)態(tài)時對擾動的補償,24,擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為(d-p)的一個瞬變過程. 要進行動態(tài)補償, 需要把前饋信號推遲d-p,即:,Gff(s)=-1/Kv*e-(d- p)s,25,如果Gd(s)和Gp(s)分別是時間常數(shù)為Td和Tp

13、的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k, 則有,(假定TdTp),當t+時,limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個通道時間常數(shù)不同, 出現(xiàn)了動態(tài)偏差,26,2. 簡單的動態(tài)補償器：導前-滯后環(huán)節(jié),1) 按不變性原理實現(xiàn)完全補償只有理論意義,實際上是不可能實現(xiàn)的 過程的動態(tài)特性難以測準，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負荷下動態(tài)特性變化很大。 寫出的補償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn),2) 可以采用前饋控制的過程的特點：, 擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近 如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近,在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實現(xiàn)部分補償通常采用簡單

14、的導前-滯后裝置作為動態(tài)補償器就可以滿足要求其傳遞函數(shù)為：,其增益為1, 只起動態(tài)補償?shù)淖饔? 由靜態(tài)前饋裝置保持靜態(tài)準確性。,1導前時間；2滯后時間,27,利用導前-滯后補償器進行前饋控制時,要實現(xiàn)補償,在它的輸入和輸出函數(shù)間的累積面積應該與未經(jīng)補償?shù)倪^程響應曲線相匹配(大小相等, 符號相反),那么響應曲線的凈增面積為零,28,經(jīng)過補償后輸入和輸出之間的累積面積為：,未經(jīng)動態(tài)補償?shù)捻憫€的累積面積為：,則要使補償后響應曲線的凈增面積為零，可以使得：,29,換熱器前饋控制系統(tǒng)方框圖,換熱器在前饋和反饋控制下的響應曲線,前饋控制的優(yōu)越性: 與反饋控制相比,控制質(zhì)量好，而且不會出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中

15、存在的穩(wěn)定性問題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測量信號.,30,四 前饋-反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng)的不足之處:,1) 靜態(tài)準確性難保證 要達到高度的靜態(tài)準確性, 需要有準確的數(shù)學模型, 精確的測量儀表和 計算裝置, 而且, 模型中的系數(shù)也可能隨運行條件而變化,2) 前饋控制是針對具體的擾動進行補償?shù)?一種前饋控制作用只能克服一 種干擾.,因此可以將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來, 構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng).既利用了前饋控制作用及時的特點, 又保持了反饋控制能克服多個擾動和對被調(diào)量實現(xiàn)反饋檢驗的長處,3) 對被調(diào)量無檢驗,31,典型的前饋反饋控制系統(tǒng),干擾通道,前饋補償通道,反饋通道,系統(tǒng)的校正作

16、用： Gc(s)+Gff(s),控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動控制的結(jié)合，也稱為復合控制系統(tǒng),前饋反饋控制系統(tǒng)對擾動完全補償?shù)臈l件與前饋控制時完全相同, 反饋回路中加入前饋控制對反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來的變化不大. 但是反饋調(diào)節(jié)器所需完成的工作量大大減小, 而被調(diào)量的靜態(tài)準確性(殘差)總能夠滿足要求,32,前饋控制器:Q, 1D*,反饋控制: 其他干擾,補償前饋控制不準確引起的偏差,換熱器前饋反饋控制系統(tǒng),33,前饋反饋控制的優(yōu)點：,1) 增加了反饋回路，簡化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對主要的干擾進行前饋補償，其他干擾可由反饋控制予以校正,2) 反饋回路的存在,降低了前饋控制模型的精度要求,3)

17、負荷或工況變化時,對象特性也要變化,可由反饋控制加以補償,具有一定的自適應能力,34,6-3 大遲延系統(tǒng),1) 遲延的形式,2) 遲延對控制系統(tǒng)的影響, 容積遲延, 純遲延,純遲延的存在, 使被調(diào)量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動, 使過程產(chǎn)生超調(diào), 延長了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴重時會引起生產(chǎn)事故,危及人身和設備安全,具有純遲延的過程被公認為較難控制的過程,其難控程度隨著純遲延的增加而增加,3) 大遲延,純遲延時間與過程的時間常數(shù)T之比大于0.3,即/T0.3,35,當/T增加時, 過程的相位滯后增加, 增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定, 嚴重時危及設備和人身安全,4) 大遲延對控制

18、系統(tǒng)產(chǎn)生的危害,5) 解決方法,1) 利用常規(guī)調(diào)節(jié)器適應性強, 調(diào)整方便的特點, 經(jīng)過仔細個別的調(diào)整, 在控制要求不太苛刻的情況下, 滿足生產(chǎn)的要求,2) 在常規(guī)控制的基礎上進行改動控制方案,微分先行，中間反饋,微分先行: 只對測量值起微分作用的控制算法. 微分環(huán)節(jié)接在反饋通道中, 位于設定值與測量值的比較點之前, 故稱微分先行. 在通常的PD或PID控制算法中, 微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的, 不論設定值或測量值的突然變化, 微分控制作用十分猛烈. 因此, 采用通常的PD或PID控制算法時, 設定值的調(diào)整必須比較和緩.為了不受這種限制, 可以只對測量值起微分作用, 而測量值一般是不

19、會突然變化的. 對象一般都具有慣性,兩種控制方案都具有較大超調(diào)量, 響應速度慢. 如果在控制精度要求很高的場合, 不能滿足要求,需要采取其他控制手段,如補償控制.,36,二 采用補償原理克服大遲延的影響,在大遲延系統(tǒng)中采用的補償方法不同于前饋補償, 它是按照過程的特性設想出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中,以補償過程的動態(tài)特性.這種補償反饋因構(gòu)成模型的方法不同而形成不同的方案. 史密斯預估補償方法是得到廣泛應用的一種方案.,Gs(s),史密斯預估補償器傳遞函數(shù),37,史密斯預估補償器的效果,1) 在設定值擾動時,能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,減小超調(diào)量.,例6-2 (P139),2) 對負荷擾動無效果,并且會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定.,3) 加入史密斯預估器后系統(tǒng)魯棒性降低. (PID控制系統(tǒng)承受對象參數(shù)變化能力比帶史密斯補償器的系統(tǒng)強)(PID控制系統(tǒng)對過程的動態(tài)性能精度要求不高,史密斯補償方案對過程動態(tài)特性精確度要求高),38,動態(tài)特性參數(shù)變化對史密斯補償控制系統(tǒng)的影響, 在模型精確時,史密斯補償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好,ITAE小,即調(diào)節(jié)時間短,超調(diào)量小., 模型參數(shù)變化時,PID控制品質(zhì)較穩(wěn)定,其ITA