推斷控制PPT課件

1、 對(duì)于不可測(cè)擾動(dòng)的推斷控制是美國(guó)學(xué)者CBBrosilow等于1978年提出來(lái)的。它利用過(guò)程的輔助輸出，如溫度、壓力、流量等測(cè)量信息，來(lái)推斷不可直接測(cè)量的擾動(dòng)對(duì)過(guò)程主要輸出（如產(chǎn)品質(zhì)量、成分等）的影響。然后基于這些推斷估計(jì)量來(lái)確定控制輸入，以消除不可直接測(cè)量的擾動(dòng)對(duì)過(guò)程主要輸出的影響，改善控制品質(zhì)。 11.1簡(jiǎn)單的推斷控制 假若不可測(cè)的被控變量，只需要采用可測(cè)的輸入變量或其余輔助變量即可推算出來(lái)，這是推斷控制中最簡(jiǎn)單的情況，習(xí)慣上稱這種系統(tǒng)為“采用計(jì)算指標(biāo)的控制系統(tǒng)”, 例如精餾塔的內(nèi)回流控制、熱焓控制、濕含量控制等等。第1頁(yè)/共30頁(yè) 11-2 推斷控制系統(tǒng) 由于過(guò)程的主要輸出y(s)是不易測(cè)

2、量的被控變量，因此引入易測(cè)量的過(guò)程輔助輸出(s)。它們與不可直接測(cè)量擾動(dòng)u(s)以及控制輸入m(s)的關(guān)系可描述為 y(s)=C(s)m(s)+B(s)u(s) (11-7) (s) = P(s)m(s)+ A(s)u(s) (11-8)設(shè)定值Yd(s)估計(jì)器A(s)輔助輸出(s)不可測(cè)擾動(dòng)u(s)Y(s)主要輸出推斷控制G1(s)E(s)P(s)C(s)P(s)B(s)估計(jì)模型控制輸入m(s)過(guò)程第2頁(yè)/共30頁(yè) 11.2.1信號(hào)分離 引入估計(jì)模型 ，將不可測(cè)擾動(dòng)u(s)對(duì)(s)的影響分離出來(lái)，若 =P(s)，則送入估計(jì)器E(s)的信號(hào)為 (11-9) 從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)分離。)(sP)(sP)

3、()()()()()(susAsmsPss第3頁(yè)/共30頁(yè) 11.2.2 估計(jì)器E(s) 估計(jì)器用于估計(jì)不可直接測(cè)量擾動(dòng)對(duì)過(guò)程主要輸出y(s)的影響，由于估計(jì)器的輸入信號(hào)為A(s)u(s)，設(shè)估計(jì)器為 E(s)=B(s)A-1(s) (11-10) 或采用最小二乘估計(jì)器 E(s)=B(s)(AT(s)A(s)-1 AT(s) (11-11) 則估計(jì)器輸出為 (s)=E(s)A(s)u(s)=B(s)u(s) (11-12) 它等于不可直接測(cè)量擾動(dòng)u(s)對(duì)過(guò)程主要輸出y(s) 的影響估計(jì)值。第4頁(yè)/共30頁(yè) 11.2.3推斷控制器GI(s) 它的設(shè)計(jì)應(yīng)能使系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值變化具有良好的跟蹤性能，對(duì)

4、外界擾動(dòng)具有良好的抗干擾能力，由圖11-7可知 y(s)=C(s)GI(s)yd(s)-B(s)u(s)+B(s)u(s) (11-13) 因此當(dāng)推斷控制器GI(s)設(shè)計(jì)為 GI(s)=C-1(s) (11-14) 或 GI(s)=CT(s)(C(s)CT(s)-1 時(shí)，在不可直接測(cè)量擾動(dòng)u(s)作用下，主要輸出y(s)=0，而在設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，y(s)=yd(s)。第5頁(yè)/共30頁(yè) 然而對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)式(11-14)有時(shí)難于實(shí)現(xiàn)(受元器件的物理約束)，為此需加入濾波器F(s)，即 GI(s)=C-1(s)F(s) (11-15) 或者 GI(s)=CT(s)(C(s)CT

5、(s)-1F(s) 在此條件下，系統(tǒng)的主要輸出y(s)為： y(s)=F(s)yd(s)+I-F(s)B(s)u(s) (11-16)第6頁(yè)/共30頁(yè) 對(duì)于單輸入單輸出系統(tǒng)，濾波器可選用 F(s)= 式中T為時(shí)間常數(shù),它的選擇直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。很顯然，加入濾波器F(s)之后，要實(shí)現(xiàn)設(shè)定值變化的動(dòng)態(tài)跟蹤以及不可直接測(cè)量擾動(dòng)的完全動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是不可能的。但從式(11-16)可見：只要濾波器的穩(wěn)態(tài)放大倍數(shù)為1，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能就能夠得到保證，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)差控制。 圖11-7所示推斷控制，其實(shí)質(zhì)是估計(jì)出不可測(cè)的擾動(dòng)以實(shí)現(xiàn)前饋性質(zhì)的控制。從這個(gè)意義上講它是開環(huán)的。 ntsTse) 1(第7頁(yè)/共30頁(yè)

6、必須說(shuō)明，推斷控制系統(tǒng)的成功與否，在于是否有可靠的不可測(cè)變量（輸出）估計(jì)器，而這又取決于對(duì)過(guò)程的了解程度。如果過(guò)程模型A(s),B(s) P(s)和C(s)很精確，就能得到理想的估計(jì)器，從而實(shí)現(xiàn)完善的控制。當(dāng)過(guò)程模型只是近似知道時(shí)，推斷控制的控制品質(zhì)將隨過(guò)程模型的精度不同而不同。由于推斷控制是基于模型的控制，要獲得精確過(guò)程模型的難度較大，所以這類推斷控制應(yīng)用不多。 第8頁(yè)/共30頁(yè) 11.3推斷反饋控制系統(tǒng) 單純的推斷控制系統(tǒng)是一種開環(huán)系統(tǒng)，在可能的條件下，推斷控制常與反饋控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，以構(gòu)成推斷反饋控制系統(tǒng)。估計(jì)器A(s)輔助輸出(s)不可測(cè)擾動(dòng)u(s)Y(s)Yd(s)G1(s)E(s

7、)P(s)C(s)P(s)B(s)估計(jì)模型過(guò)程GL(s)Gc(s)Gm(s)第9頁(yè)/共30頁(yè) 在圖11-8中，雖然認(rèn)為過(guò)程主要輸出y是可直接測(cè)量的，但由于往往需要采用成分分析儀器，故實(shí)際測(cè)量滯后較大。 在推斷反饋控制系統(tǒng)中，考慮反饋回路中含有較大的測(cè)量滯后Gm(s)，因此反饋控制部分的設(shè)計(jì)應(yīng)做特殊的考慮，而推斷控制部分的設(shè)計(jì)與前述方法一致。 首先，與前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一樣，為了消除模型不準(zhǔn)確以及其他擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)偏差，所引入的反饋控制部分應(yīng)該具有較慢的控制作用，因此反饋控制器Gc(s)宜采用較大的積分時(shí)間和較大的比例度，或者采用純積分控制器。 其次，在設(shè)定值變化時(shí)，推斷控制部分由于GI(

8、s)C(s)=I，故具有很快的響應(yīng)速度，而反饋控制部分由于過(guò)程主要輸出的測(cè)量滯后很大，加之采用了較大積分時(shí)間的反饋控制器，故其響速度通常很慢。為了保證兩個(gè)控制系統(tǒng)與設(shè)定值變化的響應(yīng)相匹配，則在反饋控制部分引入了均衡環(huán)節(jié)GL(s)，以調(diào)整反饋控制部分的響應(yīng)速率。 第10頁(yè)/共30頁(yè) 均衡環(huán)節(jié)GL(s)的設(shè)計(jì)可依據(jù)下述原理： y(s)=C(s)GI(s)yd(s)+Gc(s)(GL(s)yd(s)-Gm(s)y(s) (11-18) y(s)=I+C(s)Gc(s)Gm(s)-1C(s) GI(s)+C(s)Gc(s)GL(s)yd(s) (11-19) 如果 GL(s)=Gm(s)C(s) GI

9、(s) 則式(11-19)就化簡(jiǎn)為： y(s)=C(s)GI(s)yd(s) (11-20) 回顧推斷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，可知 GI(s)C(s)=I，故y(s)=yd(s)，這與單純推斷控制系統(tǒng)在設(shè)定值變化時(shí)的響應(yīng)是一致的，故均衡環(huán)節(jié)通常送為： GL(s)=Gm(s)C(s) GI(s) (11-21) 第11頁(yè)/共30頁(yè) 11.4輸出可測(cè)條件下的推斷控制 推斷控制最初是為了解決主要輸出不可測(cè)和擾動(dòng)不可測(cè)的問(wèn)題而提出來(lái)的，其基本思想后來(lái)又被廣泛用于輸出可測(cè)而擾動(dòng)不可測(cè)的情況，構(gòu)成輸出可測(cè)條件下的推斷控制。第12頁(yè)/共30頁(yè) 11.4.1系統(tǒng)組成 在輸出可測(cè)，而擾動(dòng)不可測(cè)的情況下，推斷控制系統(tǒng)

10、簡(jiǎn)化成圖11-9所示結(jié)構(gòu)。這里不需要二次輸出，也不需要估計(jì)器。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅需要一個(gè)估計(jì)模型 。 圖11-9輸出可測(cè)條件下的推斷控制 sCB(s)GI(s)C(S)U(s)Yd(s)(sCY(s)第13頁(yè)/共30頁(yè) 由圖11-9可得系統(tǒng)輸出 (11-22) 控制器 ，濾波器F(s)的設(shè)計(jì)原則同式（11-17）。當(dāng) 就是說(shuō)，在模型準(zhǔn)確的情況下，輸出響應(yīng)與輸出不可測(cè)情況下的推斷控制一樣。 sUsCsCsGsCsGsBsYsCsCsGsCsGsYIIdII111 sUsBsFsYsFsYd1 sCsC sCsFsGI/第14頁(yè)/共30頁(yè) 11.4.2模型誤差對(duì)系統(tǒng)性能的影響 設(shè) ，則系統(tǒng)輸出 因

11、為濾波器的靜態(tài)增益F(0)=1，在設(shè)定值階躍作用下，系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)增益偏差為 在階躍不可測(cè)擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)偏差為 sCsC sUsBsCsCsCsFsFsYsCsCsCsFsCsCsFsYd/11/1/ 00 Y 00/00/0100CCCCYYd第15頁(yè)/共30頁(yè) 從上面的分析可以得到一個(gè)很有用的結(jié)論，即不管模型有什么樣的誤差，系統(tǒng)輸出總是穩(wěn)態(tài)無(wú)偏的。這種系統(tǒng)為什么能有這樣好的穩(wěn)態(tài)性能呢？將圖11-9重新安排，如圖11-10所示。B(s)GI(s) C(S)U(s)Yd(s)Y(s)(sC圖11-10等效反饋控制器第16頁(yè)/共30頁(yè) 圖中虛線框內(nèi)的部分相當(dāng)于一個(gè)反饋控制器，其等效傳

12、遞函數(shù)為 因?yàn)闉V波器的靜態(tài)增益F(0)=1，故在穩(wěn)態(tài)時(shí)，等效反饋控制器在理論上具有無(wú)窮大的增益。這就是這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)能消除穩(wěn)態(tài)偏差的原因。 sFsCsFsCsGsGII11第17頁(yè)/共30頁(yè) 圖11-9所示的推斷控制系統(tǒng)，無(wú)論在設(shè)定值作用還是不可測(cè)擾動(dòng)作用下，其穩(wěn)態(tài)性能不受模型誤差的影響。從克服擾動(dòng)影響的角度，它可以看成是前饋-反饋控制的一種延伸和發(fā)展。與前饋-反饋控制相比，它具有如下特點(diǎn)： 不要求擾動(dòng)是可測(cè)量的； 只需要建立控制通道的模型，而無(wú)需建立擾動(dòng)通道的模型。而且前饋控制只對(duì)特定的擾動(dòng)有效，推斷控制則不然； 可調(diào)參數(shù)少。 第18頁(yè)/共30頁(yè) 11.5應(yīng)用實(shí)例 11.5.1脫丁烷塔的

13、推斷控制 脫丁烷塔共有十六塊塔板，進(jìn)料共有5個(gè)組分（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷）。進(jìn)料板是第八塊塔板（自上而下計(jì)數(shù)），且為飽和液體進(jìn)料。塔頂控制指標(biāo)是丁烷濃度，而塔底是丙烷濃度。采用在線分析儀表不僅價(jià)格昂貴，而且測(cè)量滯后較大，很難滿足實(shí)時(shí)控制要求，主要擾動(dòng)是進(jìn)料中各組分的變化。實(shí)際是一種輸出和擾動(dòng)不可測(cè)過(guò)程，為此采用推斷控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。第19頁(yè)/共30頁(yè) 通過(guò)機(jī)理模型與測(cè)試相結(jié)合得到了如下線性化模型： 式中：Y（S）=Y1（S） Y2（S）T U（S）=U1（S） U2（S）T D（S）=d1（S） d2（S） d3（S） d4（S） d5（S）T)()()()()()()()()(

14、)(SDSASUSPSSDSBSUSCSY1700768.118015. 01750305. 0170173. 0)(SSSSSC第20頁(yè)/共30頁(yè)130099. 01300029. 0140045. 01130259. 01150174. 0185002. 01800043. 01700199. 0172163. 0172188. 0)(SSSSSSSSSSSBTSSSSSS)()()()()()(5432118032. 017868. 017015. 317526.2512547.5017546. 017010. 116545. 417092.3515002.4215 . 160. 413

15、96. 31547. 011043.161528.181575. 41863. 31523. 411291.1511229.111509. 61859. 31528. 51978. 91999. 7)(SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSA第21頁(yè)/共30頁(yè) 在此y1為塔頂丁烷濃度，y2為塔底丙烷濃度，二者均認(rèn)為是不可測(cè)輸出；1、2、3、4、5是輔助變量，分別是第1、3、8、14、16塊塔板溫度；u1是回流量，u2是再沸器汽化率，u1和u2是操縱變量；d1d5是進(jìn)料中5個(gè)組分，是不可測(cè)擾動(dòng)。TSSSSSSSSSSSP17046. 317082. 611830. 21579. 3

16、1470. 21670 .301650 .3613020. 811580. 91847. 7)(第22頁(yè)/共30頁(yè) 在此討論塔頂丁烷控制。對(duì)此多元精餾塔進(jìn)行分析與仿真，可以知道4最能反映塔頂丁烷成分變化。故在推斷控制中選擇第14板上溫度4作為輔助輸出，這樣只要用一個(gè)回流量來(lái)控制。故 Y(S)=y1(S)， B(S)=b11(S) b12(S) b13(S) b14(S) b15(S)， A(S)=a41(S) a42(S) a43(S) a44(S) a45(S)， U(S)=u1(S)， C(S)=C11(S)， P(S)=P4(S)。第23頁(yè)/共30頁(yè) 這是一個(gè)多輸入單輸出系統(tǒng)，將其簡(jiǎn)化為

17、單輸入單輸出系統(tǒng)。因?yàn)閭鬟f函數(shù)a41(S) a45(S)和b11(S) b15(S)中時(shí)間常數(shù)相差不大，所構(gòu)成傳遞函數(shù)a(S)和b(S)，其增益和時(shí)間常數(shù)分別為a4i(S)和b1i(S)的算術(shù)平均 ， 因此可得出估計(jì)器 若取濾波器 則推斷控制器GI（S）為：16639.14)(SSa1760649. 0)(SSb1S761S660045. 0)S(a)S(b)S(E1S101S7078. 5)S(c)S(F)S(G11I1101)(SSF第24頁(yè)/共30頁(yè) 此推斷控制系統(tǒng)，在進(jìn)料丁烷含量階躍變化10%時(shí)，采用推斷控制，第14板溫度反饋控制和成分分析儀反饋控制的響應(yīng)曲線如圖11-12所示中1、2

18、、3。從中可以看出推斷控制具有較好動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 圖11-12脫丁烷塔塔頂丁烷濃度響應(yīng)曲線第25頁(yè)/共30頁(yè) 11.5.2.丙烯精餾塔的非線性推斷控制系統(tǒng) 某大型氣體分餾裝置的丙烯丙烷精餾塔,其產(chǎn)品為聚合級(jí)丙烯,要求丙烯純度99.6%,同時(shí)要求塔底丙烯含量5%。 通過(guò)對(duì)嚴(yán)格氣液平衡模型的簡(jiǎn)化和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試得到 塔頂,底丙烯純度 (摩爾分?jǐn)?shù)):TTTxD2222122949. 31867033. 0448686. 1826378. 11360013. 01160085. 05643. 11sRsPT22220078. 0189401. 1007033. 0037014. 0TTTxB1470003. 012700043. 0s