過(guò)程控制第六章-利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的課件

第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)11/25/20221過(guò)程控制第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的11/23/2022§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對(duì)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(guò)程響應(yīng)時(shí),反饋控制難以得到好的效果．(穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性,快速性)干擾多：準(zhǔn)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(diǎn)(PID控制)①原理簡(jiǎn)單,使用方便,不需知道對(duì)象的確切模型②適應(yīng)性強(qiáng)③魯棒性強(qiáng),

控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)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(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)不變的性能11/25/20222過(guò)程控制§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對(duì)象呈現(xiàn)大遲延,上述幾類問(wèn)題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：①反饋控制是一種偏差控制,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(kāi)始動(dòng)作。②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(shè)定值一致為止,它是以嘗試法來(lái)進(jìn)行控制的,是一種原始的控制方法．問(wèn)題:是否可以在偏差產(chǎn)生前(擾動(dòng)發(fā)生但還未影響到輸出量)就讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作出反應(yīng),通過(guò)對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)抵消其影響,從而使被控對(duì)象不受干擾的影響.這就是前饋控制(FFC),它是一種按干擾進(jìn)行控制的開(kāi)環(huán)控制方式.11/25/20223過(guò)程控制上述幾類問(wèn)題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：例2換熱器控制(用蒸汽Q對(duì)物料F進(jìn)行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定)方案1----反饋控制缺點(diǎn)：對(duì)干擾的響應(yīng)不夠及時(shí)，總是偏差出現(xiàn)后才開(kāi)始調(diào)節(jié)．按偏差大小進(jìn)行控制的．Fe調(diào)節(jié)閥θ1被調(diào)量:換熱器出口溫度θ1主要干擾:換熱器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)θr—θ1

閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖F(s)Qe信號(hào)流向反饋前饋11/25/20224過(guò)程控制例2換熱器控制(用蒸汽Q對(duì)物料F進(jìn)行加熱,保持出料口物料方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進(jìn)行調(diào)節(jié)．Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)θ1前饋控制系統(tǒng)方框圖Qθ1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++FQ優(yōu)點(diǎn)：對(duì)干擾直接進(jìn)行控制，控制比反饋及時(shí)干擾F

調(diào)節(jié)閥θ1蒸汽量物料量信號(hào)流向信號(hào)流向11/25/20225過(guò)程控制方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對(duì)于干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1FQ前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理,或稱為擾動(dòng)補(bǔ)償理論—11/25/20226過(guò)程控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對(duì)于干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:Gff(不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無(wú)關(guān)或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨(dú)立或基本獨(dú)立．(1)絕對(duì)不變性對(duì)象在擾動(dòng)Di(t)作用下,被調(diào)量y(t)在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中始終保持不變,調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.實(shí)際中難以達(dá)到：對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不可能絕對(duì)精確；擾動(dòng)補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)上的困難．理想的控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)被控對(duì)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(dú)立無(wú)關(guān)．在應(yīng)用不變性原理時(shí),由于各種原因,不可能完全實(shí)現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨(dú)立無(wú)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．11/25/20227過(guò)程控制不變性原理:(1)絕對(duì)不變性設(shè)被控對(duì)象受到干擾Di(t)的(2)誤差不變性準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)量無(wú)關(guān).(4)選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對(duì)其中幾個(gè)主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變性.減少了補(bǔ)償裝置,節(jié)省投資又能達(dá)到對(duì)主要干擾的不變性．允許存在一定的誤差,在工程上容易實(shí)現(xiàn),而且生產(chǎn)中也不會(huì)有絕對(duì)不變性的要求,所以應(yīng)用廣泛.如反饋控制從理論上應(yīng)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．11/25/20228過(guò)程控制(2)誤差不變性(3)穩(wěn)態(tài)不變性(4)選擇不變性允許存§6-2前饋控制系統(tǒng)對(duì)象前饋控制器設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2D3被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它把影響過(guò)程的主要因素測(cè)量出來(lái),連同設(shè)定值一起,用來(lái)計(jì)算正確的輸出,以適應(yīng)當(dāng)前的狀態(tài)．無(wú)論干擾何時(shí)出現(xiàn),都立即開(kāi)始校正,使擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)很完善的控制,即使是難控過(guò)程,其性能也僅受測(cè)量和計(jì)算精度的限制．一基本概念u=f(r,D1,D2,D3)11/25/20229過(guò)程控制§6-2前饋控制系統(tǒng)對(duì)象前饋設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2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(guò)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(dòng):負(fù)荷(蒸汽D)擾動(dòng),給水?dāng)_動(dòng).控制方案：1.串級(jí)控制(反饋控制)2.前饋控制11/25/202210過(guò)程控制例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程：給水G經(jīng)1.串級(jí)空制缺點(diǎn)：1.對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)不夠及時(shí)2.如果負(fù)荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動(dòng)大．3.負(fù)荷對(duì)水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過(guò)程產(chǎn)生更大動(dòng)態(tài)偏差,調(diào)節(jié)過(guò)程加長(zhǎng)．假水位:鍋爐蒸汽負(fù)荷突然(出汽)↑,氣壓↓,水的沸點(diǎn)↓,水汽混合物體積↑,則此時(shí)水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升．反之一樣．負(fù)荷擾動(dòng)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐流量變送器液位變送器給水?dāng)_動(dòng)rHG(s)D(s)液位-流量串級(jí)控制11/25/202211過(guò)程控制1.串級(jí)空制缺點(diǎn)：假水位:鍋爐蒸汽負(fù)荷突然(出汽)↑,氣主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水?dāng)_動(dòng)負(fù)荷擾動(dòng)rHG(s)D(s)如果直接以負(fù)荷的擾動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負(fù)荷量,就能解決負(fù)荷擾動(dòng)大,控制不及時(shí)的缺點(diǎn).采用前饋控制:把影響過(guò)程的主要擾動(dòng)因素預(yù)先測(cè)量出來(lái),根據(jù)對(duì)象的物質(zhì)(或能量)平衡條件,計(jì)算出適應(yīng)該擾動(dòng)的調(diào)節(jié)量進(jìn)行控制。只要干擾出現(xiàn),立即進(jìn)行校正,使得擾動(dòng)在影響被調(diào)量之間就被抵消.11/25/202212過(guò)程控制主調(diào)副調(diào)調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水?dāng)_動(dòng)負(fù)荷擾動(dòng)r鍋爐DDT開(kāi)方器LTΣLC閥QCDT開(kāi)方器ΣhIG*IGID+-If蒸汽負(fù)荷給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)IＬG=f(D,r)11/25/202213過(guò)程控制鍋爐DDT開(kāi)方器LTΣLC閥QCDT開(kāi)方器ΣhIG*IG前饋控制的特點(diǎn)(1)前饋控制是按干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時(shí)．控制類型控制的依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差e被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制干擾量的大小干擾量偏差出現(xiàn)前(2)前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(3)前饋控制使用的是依對(duì)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(cè)但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著,反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合(2)當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng),由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí),可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng).11/25/202214過(guò)程控制前饋控制的特點(diǎn)控制類型控制的依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)控制作用的發(fā)二靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償,此時(shí),前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù),而與時(shí)間因子無(wú)關(guān).對(duì)控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過(guò)程．例4列管換熱器控制1)生產(chǎn)過(guò)程換熱器料液Q,θ1θ2D加熱蒸汽P找出主要擾動(dòng)列出平衡方程具體實(shí)現(xiàn)2)調(diào)節(jié)量(θ2)3)擾動(dòng)量(Q,θ1,p)4)前饋控制設(shè)計(jì)思路:◆主要擾動(dòng)料液流量Q料液入口溫度θ111/25/202215過(guò)程控制二靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償,此◆平衡方程11/25/202216過(guò)程控制◆平衡方程11/23/202216過(guò)程控制換熱器θTΣXQ

θ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器前饋補(bǔ)償器調(diào)節(jié)器閥管道換熱器壓力變送器Qθ1Dθ2D*θ2r5)前饋控制算法與對(duì)象數(shù)學(xué)模型關(guān)系:從本質(zhì)上講,算法就是數(shù)學(xué)模型Qθ1Dθ2r

數(shù)學(xué)模型Qθ1Dθ2r前饋控制算法◆實(shí)現(xiàn)D=kQ(θ2r-θ1)無(wú)論Q,θ1如何變化,總有D=kQ(θ2r-θ1),Q,θ1的擾動(dòng)都能由蒸汽流量D立即進(jìn)行補(bǔ)償．得到蒸汽流量的給定值D*=kQ(θ2r-θ1).11/25/202217過(guò)程控制換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ6)參數(shù)對(duì)控制的影響Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D

↓k對(duì)出口溫度θ2的影響：通過(guò)調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差①k過(guò)小,D的減小過(guò)小,欠補(bǔ)償②k過(guò)大,D的減小過(guò)大,過(guò)補(bǔ)償③k適當(dāng),D的減小與Q的減小匹配,殘差為0換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器料液流量蒸汽流量11/25/202218過(guò)程控制6)參數(shù)對(duì)控制的影響Q↑D↑k對(duì)出口溫度θ2的影響：通過(guò)7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過(guò)程(b)靜態(tài)前饋控制過(guò)程①前饋控制比PID空制及時(shí)，能更早地校正偏差②前饋控制超調(diào)量小③前饋控制作用時(shí)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(qiáng)的自身平衡傾向．如料液沒(méi)流量后，蒸汽也會(huì)自動(dòng)關(guān)斷．11/25/202219過(guò)程控制7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過(guò)程(8)靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn)(1)負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過(guò)程，表現(xiàn)為瞬時(shí)溫度誤差(2)如果負(fù)荷情況與當(dāng)初調(diào)整系統(tǒng)時(shí)的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差.右圖中曲線①----料液流量Q↑②----蒸汽流量D↑③----按靜態(tài)前饋控制時(shí)Q↑料液出口溫度變化曲線.存在一段時(shí)間較小的偏差,是由于擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道之間對(duì)象動(dòng)態(tài)特性不同所引起的動(dòng)態(tài)偏差.靜態(tài)前饋補(bǔ)償不能解決．從理論上說(shuō)，按靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無(wú)法干預(yù)動(dòng)態(tài)偏差的發(fā)生．D=kQ(θ2r-θ1)11/25/202220過(guò)程控制8)靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn)(1)負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過(guò)三動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的補(bǔ)償.通過(guò)合適的前饋控制規(guī)律的選擇,使干擾經(jīng)過(guò)前饋控制器至被控變量這一通道的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全一致,并使他們的符號(hào)相反,便可達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響．動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。

Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1擾動(dòng)FQ擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道11/25/202221過(guò)程控制三動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)1.動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)擾動(dòng)量----D(s)被調(diào)量----Y(s)沒(méi)有補(bǔ)償器時(shí),擾動(dòng)量D只通過(guò)Gd(s)影響Y,即有了補(bǔ)償器后,擾動(dòng)量D同時(shí)還通過(guò)補(bǔ)償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來(lái)影響被調(diào)量Y,則根據(jù)不變性原理,有補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為：Gv(s)Gff(s)補(bǔ)償器m調(diào)節(jié)閥μGp(s)DY(s)擾動(dòng)被調(diào)量Gd(s)擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道11/25/202222過(guò)程控制1.動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)擾動(dòng)量----D(s)沒(méi)有補(bǔ)償器時(shí),假定擾動(dòng)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(dòng)D作用下，進(jìn)行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實(shí)現(xiàn)此時(shí)只能保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償．Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)++Y(s)D11/25/202223過(guò)程控制假定擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均擾動(dòng)D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(τd-τp)的一個(gè)瞬變過(guò)程.要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,需要把前饋信號(hào)推遲τd-τp,即:Gff(s)Kve-τpse-τds++Y(s)DGff(s)=-1/Kv*e-(τd-τp)sDt0ytτpτdy0t11/25/202224過(guò)程控制擾動(dòng)D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(τd-τp)的一個(gè)瞬變過(guò)程如果Gd(s)和Gp(s)分別是時(shí)間常數(shù)為Td和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k,則有(假定Td>Tp)當(dāng)t+∞時(shí),limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個(gè)通道時(shí)間常數(shù)不同,出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偏差．Dt0ytTdTp0ytGff(s)Kv1/(Tps+1)1/(Tds+1)++Y(s)D11/25/202225過(guò)程控制如果Gd(s)和Gp(s)分別是時(shí)間常數(shù)為Td和Tp的一階慣2.簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償只有理論意義,實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的．①過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性難以測(cè)準(zhǔn)，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負(fù)荷下動(dòng)態(tài)特性變化很大。②寫出的補(bǔ)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(guò)程的特點(diǎn)：①擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近②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(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償．通常采用簡(jiǎn)單的導(dǎo)前---滯后裝置作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器就可以滿足要求．其傳遞函數(shù)為：其增益為1,只起動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔?由靜態(tài)前饋裝置保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。τ1—導(dǎo)前時(shí)間；τ2—滯后時(shí)間11/25/202226過(guò)程控制2.簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2利用導(dǎo)前---滯后補(bǔ)償器進(jìn)行前饋控制時(shí),要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,在它的輸入和輸出函數(shù)間的累積面積應(yīng)該與未經(jīng)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程響應(yīng)曲線相匹配(大小相等,符號(hào)相反),那么響應(yīng)曲線的凈增面積為零．11/25/202227過(guò)程控制Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)曲線的累積面積為：則要使補(bǔ)償后響應(yīng)曲線的凈增面積為零，可以使得：d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2Dt0ytTdTp011/25/202228過(guò)程控制經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)曲線換熱器ΣkQ

θ1

θ2rθ1+-xD*

θ2前饋控制PI閥p+-料液蒸汽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(yīng)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(huì)出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問(wèn)題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測(cè)量信號(hào).11/25/202229過(guò)程控制換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PI閥四前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準(zhǔn)確性難保證要達(dá)到高度的靜態(tài)準(zhǔn)確性,需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,精確的測(cè)量?jī)x表和計(jì)算裝置,而且,模型中的系數(shù)也可能隨運(yùn)行條件而變化．2)前饋控制是針對(duì)具體的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)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(lái),構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng).既利用了前饋控制作用及時(shí)的特點(diǎn),又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和對(duì)被調(diào)量實(shí)現(xiàn)反饋檢驗(yàn)的長(zhǎng)處．3)對(duì)被調(diào)量無(wú)檢驗(yàn)11/25/202230過(guò)程控制四前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準(zhǔn)確Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)前饋－反饋控制系統(tǒng)方框圖

θ2r+-++++Dθ2典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)干擾通道前饋補(bǔ)償通道反饋通道系統(tǒng)的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動(dòng)控制的結(jié)合，也稱為復(fù)合控制系統(tǒng)．前饋－反饋控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)完全補(bǔ)償?shù)臈l件與前饋控制時(shí)完全相同,反饋回路中加入前饋控制對(duì)反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來(lái)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(zhǔn)確性(殘差)總能夠滿足要求．11/25/202231過(guò)程控制Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)前饋－反饋控制系統(tǒng)換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p++--前饋控制器:Q,θ1D*反饋控制:其他干擾,補(bǔ)償前饋控制不準(zhǔn)確引起的偏差．換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)11/25/202232過(guò)程控制換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p前饋－反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：1)增加了反饋回路，簡(jiǎn)化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對(duì)主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)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)負(fù)荷或工況變化時(shí),對(duì)象特性也要變化,可由反饋控制加以補(bǔ)償,具有一定的自適應(yīng)能力．11/25/202233過(guò)程控制前饋－反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：1)增加了反饋回路，簡(jiǎn)化了前饋控制系§6-3大遲延系統(tǒng)1)遲延的形式2)遲延對(duì)控制系統(tǒng)的影響①容積遲延②純遲延純遲延的存在,使被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng),使過(guò)程產(chǎn)生超調(diào),延長(zhǎng)了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起生產(chǎn)事故,危及人身和設(shè)備安全．具有純遲延的過(guò)程被公認(rèn)為較難控制的過(guò)程,其難控程度隨著純遲延τ的增加而增加3)大遲延純遲延時(shí)間τ與過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T之比大于0.3,即τ/T>0.311/25/202234過(guò)程控制§6-3大遲延系統(tǒng)1)遲延的形式2)遲延對(duì)控制系統(tǒng)的影當(dāng)τ/T增加時(shí),過(guò)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(yán)重時(shí)危及設(shè)備和人身安全．4)大遲延對(duì)控制系統(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(yīng)性強(qiáng),調(diào)整方便的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)仔細(xì)個(gè)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(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)控制方案．微分先行，中間反饋微分先行:只對(duì)測(cè)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(shè)定值與測(cè)量值的比較點(diǎn)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(shè)定值或測(cè)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(shí),設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩.為了不受這種限制,可以只對(duì)測(cè)量值起微分作用,而測(cè)量值一般是不會(huì)突然變化的.對(duì)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(yīng)速度慢.如果在控制精度要求很高的場(chǎng)合,不能滿足要求,需要采取其他控制手段,如補(bǔ)償控制.11/25/202235過(guò)程控制當(dāng)τ/T增加時(shí),過(guò)程的相位滯后增加,增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引二采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響在大遲延系統(tǒng)中采用的補(bǔ)償方法不同于前饋補(bǔ)償,它是按照過(guò)程的特性設(shè)想出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中,以補(bǔ)償過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性.這種補(bǔ)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(yù)估補(bǔ)償方法是得到廣泛應(yīng)用的一種方案.Gc(s)Gp(s)Gs(s)R(s)U(s)Y(s)Y’(s)-++史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖Gs(s)Kpgp(s)e-τs史密斯補(bǔ)償控制器的實(shí)現(xiàn)-+史密斯預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù)11/25/202236過(guò)程控制二采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響在大遲延系統(tǒng)中采用的補(bǔ)償方法史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的效果1)在設(shè)定值擾動(dòng)時(shí),能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,減小超調(diào)量.例6-2(P139)2)對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)無(wú)效果,并且會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定.3)加入史密斯預(yù)估器后系統(tǒng)魯棒性降低.(PID控制系統(tǒng)承受對(duì)象參數(shù)變化能力比帶史密斯補(bǔ)償器的系統(tǒng)強(qiáng))(PID控制系統(tǒng)對(duì)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能精度要求不高,史密斯補(bǔ)償方案對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性精確度要求高)11/25/202237過(guò)程控制史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的效果1)在設(shè)定值擾動(dòng)時(shí),能夠縮短控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化對(duì)史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的影響①在模型精確時(shí),史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好,ITAE小,即調(diào)節(jié)時(shí)間短,超調(diào)量小.②模型參數(shù)變化時(shí),PID控制品質(zhì)較穩(wěn)定,其ITAE變化緩慢,而史密斯補(bǔ)償控制的ITAE隨對(duì)象參數(shù)變化出現(xiàn)大幅度變化.說(shuō)明史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)魯棒性較差.③模型難以精確時(shí),選取的K偏小,T偏大,τ偏大對(duì)史密斯控制品質(zhì)影響小.11/25/202238過(guò)程控制動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化對(duì)史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的影響①在模型精確時(shí),三史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案11/25/202239過(guò)程控制三史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案11/23/202239過(guò)程控制§6-4非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)一概述1.非線性增益對(duì)控制系統(tǒng)的影響線性系統(tǒng)的特征是可以應(yīng)用線性疊加原理，非線性系統(tǒng)不能應(yīng)用①使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞②穩(wěn)定性分析復(fù)雜③可能出現(xiàn)自激振蕩11/25/202240過(guò)程控制§6-4非線性增益補(bǔ)償系統(tǒng)一概述1.非線性增益對(duì)控制系統(tǒng)2.非線性因素的存在形式①典型非線性特性用以實(shí)現(xiàn)控制的儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)中包含的非線性,常見(jiàn)的有繼電特性,死區(qū),飽和(限幅),間隙,摩擦等②對(duì)象的變?cè)鲆嫣匦詫?duì)象的增益在很多情況下不是常數(shù),而是負(fù)荷,調(diào)節(jié)量等因素的非線性函數(shù)．11/25/202241過(guò)程控制2.非線性因素的存在形式①典型非線性特性②對(duì)象的變?cè)鲆嫣囟?duì)象靜態(tài)非線性特性的補(bǔ)償嚴(yán)格地說(shuō),大部分工業(yè)過(guò)程的靜態(tài)特性都具有非線性特性,其增益隨負(fù)荷,被調(diào)量,調(diào)節(jié)量等變化.在非線性影響嚴(yán)重時(shí),要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償.補(bǔ)償原理:設(shè)法使系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)具有與對(duì)象增益相反的非線性特性,使之與原來(lái)的非線性特性相補(bǔ)償,最后使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益保持不變,校正成一個(gè)線性系統(tǒng).即

Kc*Kv*Kp*Km=常數(shù)11/25/202242過(guò)程控制二對(duì)象靜態(tài)非線性特性的補(bǔ)償嚴(yán)格地說(shuō),大部分工業(yè)過(guò)程的靜態(tài)補(bǔ)償方法1)采用閥門特性利用閥門增益的非線性特性,如等百分比,快開(kāi)特性.2)利用變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)器3)利用函數(shù)變換器及各種運(yùn)算單元對(duì)于變化多端的非線性特性,只使用變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)器來(lái)補(bǔ)償是比較粗糙的.函數(shù)變換器和各種運(yùn)算單元經(jīng)過(guò)計(jì)算,調(diào)整和組合可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形狀的曲線,能夠較精確地進(jìn)行補(bǔ)償．4)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償．11/25/202243過(guò)程控制補(bǔ)償方法1)采用閥門特性利用閥門增益的非線性特性,如等百分

第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)11/25/202244過(guò)程控制第六章利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的11/23/2022§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對(duì)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(guò)程響應(yīng)時(shí),反饋控制難以得到好的效果．(穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性,快速性)干擾多：準(zhǔn)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(diǎn)(PID控制)①原理簡(jiǎn)單,使用方便,不需知道對(duì)象的確切模型②適應(yīng)性強(qiáng)③魯棒性強(qiáng),

控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)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(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)不變的性能11/25/202245過(guò)程控制§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對(duì)象呈現(xiàn)大遲延,上述幾類問(wèn)題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：①反饋控制是一種偏差控制,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(kāi)始動(dòng)作。②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(shè)定值一致為止,它是以嘗試法來(lái)進(jìn)行控制的,是一種原始的控制方法．問(wèn)題:是否可以在偏差產(chǎn)生前(擾動(dòng)發(fā)生但還未影響到輸出量)就讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作出反應(yīng),通過(guò)對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)抵消其影響,從而使被控對(duì)象不受干擾的影響.這就是前饋控制(FFC),它是一種按干擾進(jìn)行控制的開(kāi)環(huán)控制方式.11/25/202246過(guò)程控制上述幾類問(wèn)題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：例2換熱器控制(用蒸汽Q對(duì)物料F進(jìn)行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定)方案1----反饋控制缺點(diǎn)：對(duì)干擾的響應(yīng)不夠及時(shí)，總是偏差出現(xiàn)后才開(kāi)始調(diào)節(jié)．按偏差大小進(jìn)行控制的．Fe調(diào)節(jié)閥θ1被調(diào)量:換熱器出口溫度θ1主要干擾:換熱器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)θr—θ1

閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖F(s)Qe信號(hào)流向反饋前饋11/25/202247過(guò)程控制例2換熱器控制(用蒸汽Q對(duì)物料F進(jìn)行加熱,保持出料口物料方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進(jìn)行調(diào)節(jié)．Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)θ1前饋控制系統(tǒng)方框圖Qθ1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++FQ優(yōu)點(diǎn)：對(duì)干擾直接進(jìn)行控制，控制比反饋及時(shí)干擾F

調(diào)節(jié)閥θ1蒸汽量物料量信號(hào)流向信號(hào)流向11/25/202248過(guò)程控制方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對(duì)于干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1FQ前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理,或稱為擾動(dòng)補(bǔ)償理論—11/25/202249過(guò)程控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對(duì)于干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:Gff(不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動(dòng)量絕對(duì)無(wú)關(guān)或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨(dú)立或基本獨(dú)立．(1)絕對(duì)不變性對(duì)象在擾動(dòng)Di(t)作用下,被調(diào)量y(t)在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中始終保持不變,調(diào)節(jié)過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.實(shí)際中難以達(dá)到：對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不可能絕對(duì)精確；擾動(dòng)補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)上的困難．理想的控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)被控對(duì)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(dú)立無(wú)關(guān)．在應(yīng)用不變性原理時(shí),由于各種原因,不可能完全實(shí)現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨(dú)立無(wú)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．11/25/202250過(guò)程控制不變性原理:(1)絕對(duì)不變性設(shè)被控對(duì)象受到干擾Di(t)的(2)誤差不變性準(zhǔn)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(dòng)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(dòng)量無(wú)關(guān).(4)選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對(duì)其中幾個(gè)主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變性.減少了補(bǔ)償裝置,節(jié)省投資又能達(dá)到對(duì)主要干擾的不變性．允許存在一定的誤差,在工程上容易實(shí)現(xiàn),而且生產(chǎn)中也不會(huì)有絕對(duì)不變性的要求,所以應(yīng)用廣泛.如反饋控制從理論上應(yīng)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．11/25/202251過(guò)程控制(2)誤差不變性(3)穩(wěn)態(tài)不變性(4)選擇不變性允許存§6-2前饋控制系統(tǒng)對(duì)象前饋控制器設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2D3被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它把影響過(guò)程的主要因素測(cè)量出來(lái),連同設(shè)定值一起,用來(lái)計(jì)算正確的輸出,以適應(yīng)當(dāng)前的狀態(tài)．無(wú)論干擾何時(shí)出現(xiàn),都立即開(kāi)始校正,使擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)很完善的控制,即使是難控過(guò)程,其性能也僅受測(cè)量和計(jì)算精度的限制．一基本概念u=f(r,D1,D2,D3)11/25/202252過(guò)程控制§6-2前饋控制系統(tǒng)對(duì)象前饋設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2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(guò)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(dòng):負(fù)荷(蒸汽D)擾動(dòng),給水?dāng)_動(dòng).控制方案：1.串級(jí)控制(反饋控制)2.前饋控制11/25/202253過(guò)程控制例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程：給水G經(jīng)1.串級(jí)空制缺點(diǎn)：1.對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)不夠及時(shí)2.如果負(fù)荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動(dòng)大．3.負(fù)荷對(duì)水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過(guò)程產(chǎn)生更大動(dòng)態(tài)偏差,調(diào)節(jié)過(guò)程加長(zhǎng)．假水位:鍋爐蒸汽負(fù)荷突然(出汽)↑,氣壓↓,水的沸點(diǎn)↓,水汽混合物體積↑,則此時(shí)水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升．反之一樣．負(fù)荷擾動(dòng)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐流量變送器液位變送器給水?dāng)_動(dòng)rHG(s)D(s)液位-流量串級(jí)控制11/25/202254過(guò)程控制1.串級(jí)空制缺點(diǎn)：假水位:鍋爐蒸汽負(fù)荷突然(出汽)↑,氣主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水?dāng)_動(dòng)負(fù)荷擾動(dòng)rHG(s)D(s)如果直接以負(fù)荷的擾動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負(fù)荷量,就能解決負(fù)荷擾動(dòng)大,控制不及時(shí)的缺點(diǎn).采用前饋控制:把影響過(guò)程的主要擾動(dòng)因素預(yù)先測(cè)量出來(lái),根據(jù)對(duì)象的物質(zhì)(或能量)平衡條件,計(jì)算出適應(yīng)該擾動(dòng)的調(diào)節(jié)量進(jìn)行控制。只要干擾出現(xiàn),立即進(jìn)行校正,使得擾動(dòng)在影響被調(diào)量之間就被抵消.11/25/202255過(guò)程控制主調(diào)副調(diào)調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水?dāng)_動(dòng)負(fù)荷擾動(dòng)r鍋爐DDT開(kāi)方器LTΣLC閥QCDT開(kāi)方器ΣhIG*IGID+-If蒸汽負(fù)荷給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)IＬG=f(D,r)11/25/202256過(guò)程控制鍋爐DDT開(kāi)方器LTΣLC閥QCDT開(kāi)方器ΣhIG*IG前饋控制的特點(diǎn)(1)前饋控制是按干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時(shí)．控制類型控制的依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差e被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制干擾量的大小干擾量偏差出現(xiàn)前(2)前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(3)前饋控制使用的是依對(duì)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(cè)但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著,反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合(2)當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng),由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí),可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng).11/25/202257過(guò)程控制前饋控制的特點(diǎn)控制類型控制的依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)控制作用的發(fā)二靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償,此時(shí),前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù),而與時(shí)間因子無(wú)關(guān).對(duì)控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過(guò)程．例4列管換熱器控制1)生產(chǎn)過(guò)程換熱器料液Q,θ1θ2D加熱蒸汽P找出主要擾動(dòng)列出平衡方程具體實(shí)現(xiàn)2)調(diào)節(jié)量(θ2)3)擾動(dòng)量(Q,θ1,p)4)前饋控制設(shè)計(jì)思路:◆主要擾動(dòng)料液流量Q料液入口溫度θ111/25/202258過(guò)程控制二靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾量的補(bǔ)償,此◆平衡方程11/25/202259過(guò)程控制◆平衡方程11/23/202216過(guò)程控制換熱器θTΣXQ

θ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器前饋補(bǔ)償器調(diào)節(jié)器閥管道換熱器壓力變送器Qθ1Dθ2D*θ2r5)前饋控制算法與對(duì)象數(shù)學(xué)模型關(guān)系:從本質(zhì)上講,算法就是數(shù)學(xué)模型Qθ1Dθ2r

數(shù)學(xué)模型Qθ1Dθ2r前饋控制算法◆實(shí)現(xiàn)D=kQ(θ2r-θ1)無(wú)論Q,θ1如何變化,總有D=kQ(θ2r-θ1),Q,θ1的擾動(dòng)都能由蒸汽流量D立即進(jìn)行補(bǔ)償．得到蒸汽流量的給定值D*=kQ(θ2r-θ1).11/25/202260過(guò)程控制換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ6)參數(shù)對(duì)控制的影響Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D

↓k對(duì)出口溫度θ2的影響：通過(guò)調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差①k過(guò)小,D的減小過(guò)小,欠補(bǔ)償②k過(guò)大,D的減小過(guò)大,過(guò)補(bǔ)償③k適當(dāng),D的減小與Q的減小匹配,殘差為0換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補(bǔ)償器料液流量蒸汽流量11/25/202261過(guò)程控制6)參數(shù)對(duì)控制的影響Q↑D↑k對(duì)出口溫度θ2的影響：通過(guò)7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過(guò)程(b)靜態(tài)前饋控制過(guò)程①前饋控制比PID空制及時(shí)，能更早地校正偏差②前饋控制超調(diào)量小③前饋控制作用時(shí)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(qiáng)的自身平衡傾向．如料液沒(méi)流量后，蒸汽也會(huì)自動(dòng)關(guān)斷．11/25/202262過(guò)程控制7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過(guò)程(8)靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn)(1)負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過(guò)程，表現(xiàn)為瞬時(shí)溫度誤差(2)如果負(fù)荷情況與當(dāng)初調(diào)整系統(tǒng)時(shí)的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差.右圖中曲線①----料液流量Q↑②----蒸汽流量D↑③----按靜態(tài)前饋控制時(shí)Q↑料液出口溫度變化曲線.存在一段時(shí)間較小的偏差,是由于擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道之間對(duì)象動(dòng)態(tài)特性不同所引起的動(dòng)態(tài)偏差.靜態(tài)前饋補(bǔ)償不能解決．從理論上說(shuō)，按靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無(wú)法干預(yù)動(dòng)態(tài)偏差的發(fā)生．D=kQ(θ2r-θ1)11/25/202263過(guò)程控制8)靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn)(1)負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過(guò)三動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的補(bǔ)償.通過(guò)合適的前饋控制規(guī)律的選擇,使干擾經(jīng)過(guò)前饋控制器至被控變量這一通道的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全一致,并使他們的符號(hào)相反,便可達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響．動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。

Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1擾動(dòng)FQ擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道11/25/202264過(guò)程控制三動(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)1.動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)擾動(dòng)量----D(s)被調(diào)量----Y(s)沒(méi)有補(bǔ)償器時(shí),擾動(dòng)量D只通過(guò)Gd(s)影響Y,即有了補(bǔ)償器后,擾動(dòng)量D同時(shí)還通過(guò)補(bǔ)償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來(lái)影響被調(diào)量Y,則根據(jù)不變性原理,有補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為：Gv(s)Gff(s)補(bǔ)償器m調(diào)節(jié)閥μGp(s)DY(s)擾動(dòng)被調(diào)量Gd(s)擾動(dòng)通道調(diào)節(jié)通道11/25/202265過(guò)程控制1.動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)擾動(dòng)量----D(s)沒(méi)有補(bǔ)償器時(shí),假定擾動(dòng)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(dòng)D作用下，進(jìn)行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實(shí)現(xiàn)此時(shí)只能保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償．Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)++Y(s)D11/25/202266過(guò)程控制假定擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均擾動(dòng)D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(τd-τp)的一個(gè)瞬變過(guò)程.要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,需要把前饋信號(hào)推遲τd-τp,即:Gff(s)Kve-τpse-τds++Y(s)DGff(s)=-1/Kv*e-(τd-τp)sDt0ytτpτdy0t11/25/202267過(guò)程控制擾動(dòng)D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(τd-τp)的一個(gè)瞬變過(guò)程如果Gd(s)和Gp(s)分別是時(shí)間常數(shù)為Td和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k,則有(假定Td>Tp)當(dāng)t+∞時(shí),limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個(gè)通道時(shí)間常數(shù)不同,出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偏差．Dt0ytTdTp0ytGff(s)Kv1/(Tps+1)1/(Tds+1)++Y(s)D11/25/202268過(guò)程控制如果Gd(s)和Gp(s)分別是時(shí)間常數(shù)為Td和Tp的一階慣2.簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償只有理論意義,實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的．①過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性難以測(cè)準(zhǔn)，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負(fù)荷下動(dòng)態(tài)特性變化很大。②寫出的補(bǔ)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(guò)程的特點(diǎn)：①擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近②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(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償．通常采用簡(jiǎn)單的導(dǎo)前---滯后裝置作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器就可以滿足要求．其傳遞函數(shù)為：其增益為1,只起動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔?由靜態(tài)前饋裝置保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。τ1—導(dǎo)前時(shí)間；τ2—滯后時(shí)間11/25/202269過(guò)程控制2.簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2利用導(dǎo)前---滯后補(bǔ)償器進(jìn)行前饋控制時(shí),要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,在它的輸入和輸出函數(shù)間的累積面積應(yīng)該與未經(jīng)補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程響應(yīng)曲線相匹配(大小相等,符號(hào)相反),那么響應(yīng)曲線的凈增面積為零．11/25/202270過(guò)程控制Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)曲線的累積面積為：則要使補(bǔ)償后響應(yīng)曲線的凈增面積為零，可以使得：d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2Dt0ytTdTp011/25/202271過(guò)程控制經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)曲線換熱器ΣkQ

θ1

θ2rθ1+-xD*

θ2前饋控制PI閥p+-料液蒸汽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(yīng)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(huì)出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問(wèn)題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測(cè)量信號(hào).11/25/202272過(guò)程控制換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PI閥四前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準(zhǔn)確性難保證要達(dá)到高度的靜態(tài)準(zhǔn)確性,需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,精確的測(cè)量?jī)x表和計(jì)算裝置,而且,模型中的系數(shù)也可能隨運(yùn)行條件而變化．2)前饋控制是針對(duì)具體的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)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(lái),構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng).既利用了前饋控制作用及時(shí)的特點(diǎn),又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和對(duì)被調(diào)量實(shí)現(xiàn)反饋檢驗(yàn)的長(zhǎng)處．3)對(duì)被調(diào)量無(wú)檢驗(yàn)11/25/202273過(guò)程控制四前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準(zhǔn)確Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)前饋－反饋控制系統(tǒng)方框圖

θ2r+-++++Dθ2典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)干擾通道前饋補(bǔ)償通道反饋通道系統(tǒng)的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動(dòng)控制的結(jié)合，也稱為復(fù)合控制系統(tǒng)．前饋－反饋控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)完全補(bǔ)償?shù)臈l件與前饋控制時(shí)完全相同,反饋回路中加入前饋控制對(duì)反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來(lái)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(zhǔn)確性(殘差)總能夠滿足要求．11/25/202274過(guò)程控制Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)前饋－反饋控制系統(tǒng)換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p++--前饋控制器:Q,θ1D*反饋控制:其他干擾,補(bǔ)償前饋控制不準(zhǔn)確引起的偏差．換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)11/25/202275過(guò)程控制換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p前饋－反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：1)增加了反饋回路，簡(jiǎn)化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對(duì)主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)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)負(fù)荷或工況變化時(shí),對(duì)象特性也要變化,可由反饋控制加以補(bǔ)償,具有一定的自適應(yīng)能力．11/25/202276過(guò)程控制前饋－反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：1)增加了反饋回路，簡(jiǎn)化了前饋控制系§6-3大遲延系統(tǒng)1)遲延的形式2)遲延對(duì)控制系統(tǒng)的影響①容積遲延②純遲延純遲延的存在,使被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng),使過(guò)程產(chǎn)生超調(diào),延長(zhǎng)了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起生產(chǎn)事故,危及人身和設(shè)備安全．具有純遲延的過(guò)程被公認(rèn)為較難控制的過(guò)程,其難控程度隨著純遲延τ的增加而增加3)大遲延純遲延時(shí)間τ與過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T之比大于0.3,即τ/T>0.311/25/2022