過(guò)程控制-復(fù)雜控制系統(tǒng)課件

第六章 利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)§6-1概述§6-2前饋控制系統(tǒng)

§6-3大遲延系統(tǒng)§6-4非線(xiàn)性增益補(bǔ)償系統(tǒng)（自學(xué)）§6-1概述反饋控制原理：按嘗試法根據(jù)偏差進(jìn)行控制有偏差才控制不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出Gc(s)KvGp(s)-r+yDGd(s)++反饋控制的缺點(diǎn)：KvGp(s)yDGd(s)++Gff(s)設(shè)計(jì)控制器Gff(s)，使Gff(s)KvGp(s)+Gd(s)=0。則擾動(dòng)D的變化與輸出Y無(wú)關(guān)。工程實(shí)際中幾種不變性（1）絕對(duì)不變性：（2）誤差不變性：（3）穩(wěn)態(tài)不變性：（4）選擇不變性：對(duì)主要擾動(dòng)不變性不變性原理：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)。即：U(s)Y(s)D1(s)Di(s)Dn(s)被控對(duì)象中的內(nèi)部擾動(dòng)（調(diào)節(jié)量）和外部擾動(dòng)§6-2前饋控制系統(tǒng)

基本概念靜態(tài)前饋動(dòng)態(tài)前饋前饋——反饋控制系統(tǒng)HWD汽包水位控制例Gc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)當(dāng)Gff(s)Gp(s)=-Gd(s)時(shí)，蒸汽擾動(dòng)對(duì)水位的影響消除。把Gff(s)稱(chēng)為前饋控制器。，定義：基于不變性原理的控制稱(chēng)為前饋控制。是一種按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制，不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1基本概念定義：基于不變性原理的控制系統(tǒng)稱(chēng)為前饋控制系統(tǒng)。是一種按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)象前饋控制器μD1DiDn……y前饋控制系統(tǒng)2靜態(tài)前饋定義：保證在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動(dòng)作用的前饋稱(chēng)為靜態(tài)前饋。即基于穩(wěn)態(tài)不變性原理前饋控制器的設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況進(jìn)行簡(jiǎn)單情況：HWDGc1(s)KvGp(s)-rHDΔw+Gd(s)Gff(s)Gc2(s)若靜態(tài)前饋控制器為：復(fù)雜情況：靜態(tài)前饋控制器的設(shè)計(jì)是按過(guò)程的物質(zhì)或能量平衡方程計(jì)算補(bǔ)償校正值。列管換熱器控制換熱器熱平衡方程為：為定壓比熱容為汽化潛熱那么前饋控制器為：常數(shù)QCDTDTθT×k∑θ2r+-QDθ2θ1料液加熱蒸汽靜態(tài)前饋控制器3動(dòng)態(tài)前饋若靜態(tài)前饋kff動(dòng)態(tài)前饋G'ff(s)Gff(s)Gp(s)Gd(s)DKffGp(s)Gd(s)D擾動(dòng)D擾動(dòng)輸出調(diào)節(jié)輸出系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)前饋要消除的面積動(dòng)態(tài)前饋產(chǎn)生的面積動(dòng)態(tài)前饋G‘ff(s)的圖示說(shuō)明：靜態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制器（補(bǔ)償器）討論：（1）Tp=Td，則若動(dòng)態(tài)前饋為純遲延可實(shí)現(xiàn)；若動(dòng)態(tài)前饋為純提前不可實(shí)現(xiàn)。擾動(dòng)DGff(s)Gp(s)Gd(s)D由此可得到：在選擇調(diào)節(jié)通道時(shí)應(yīng)選擇遲延短的和時(shí)間常數(shù)小的通道。（2）τp=τd，則若Tp=Td,若Tp>Td,若Tp<Td,為超前補(bǔ)償特性為滯后補(bǔ)償特性為比例環(huán)節(jié)擾動(dòng)DGff(s)Gp(s)Gd(s)D一般對(duì)象的純遲延并不明顯，因此動(dòng)態(tài)前饋常采用1）前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制。----只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。反饋控制是閉環(huán)控制。----即使各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，也不能保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。2）前饋控制是“基于干擾來(lái)消除干擾對(duì)被控量的影響”。----通過(guò)前饋控制器的補(bǔ)償作用及時(shí)抑制干擾對(duì)被控變量的影響。反饋控制是“基于偏差來(lái)消除偏差”。----當(dāng)干擾引起被控變量產(chǎn)生偏差后才能產(chǎn)生控制作用。3）前饋控制器的控制規(guī)律取決于過(guò)程特性，是一個(gè)專(zhuān)用控制器。反饋控制系統(tǒng)中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。4）前饋控制只能抑制可測(cè)不可控的干擾對(duì)被控變量的影響。反饋控制則對(duì)包含在其回路中的多種干擾都具有抑制作用。3、前饋控制系統(tǒng)---特點(diǎn)4、前饋控制系統(tǒng)---局限性1）只能克服可測(cè)不可控的干擾，對(duì)不可測(cè)干擾無(wú)法實(shí)現(xiàn)前饋控制。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在著很多干擾。針對(duì)每個(gè)干擾設(shè)置一套前饋控制器，系統(tǒng)復(fù)雜且投資增加，是不現(xiàn)實(shí)的。2）前饋控制器的調(diào)節(jié)規(guī)律取決于過(guò)程的干擾通道特性和控制通道特性。準(zhǔn)確掌握上述特性是困難的，前饋控制器難以獲得；工程上難于實(shí)現(xiàn)。被控過(guò)程的非線(xiàn)性，使其動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，原有前饋控制器不再

適用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)干擾的動(dòng)態(tài)完全補(bǔ)償。前饋控制往往不能單獨(dú)使用。4前饋—反饋控制使可測(cè)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響或影響很?。粚?duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒(méi)有影響。前饋控制的優(yōu)點(diǎn)：反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：任何擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響均可消除；系統(tǒng)準(zhǔn)確性高。對(duì)不可測(cè)擾動(dòng)或不明擾動(dòng)無(wú)法消除影響；控制器和對(duì)象參數(shù)變化影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。前饋控制的缺點(diǎn)：反饋控制的缺點(diǎn)：有偏差才控制不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出將前饋、反饋控制結(jié)合可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短4.1前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋控制前饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由反饋控制回路決定。加不加前饋控制器并不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.2前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)

串級(jí)控制前饋控制G02*(s)≈1多個(gè)變化頻繁且劇烈的干擾影響，同時(shí)對(duì)被控變量的控制質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高1）實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的可測(cè)既不可控性。2）當(dāng)過(guò)程控制通道的時(shí)間常數(shù)比干擾通道的時(shí)間常數(shù)大，且反饋控制不及時(shí)而導(dǎo)致控制質(zhì)量較差時(shí)，選用前饋控制。3）當(dāng)主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含在副回路內(nèi)或者副回路滯后過(guò)大時(shí)，選用前饋控制。4）經(jīng)濟(jì)性原則。通常動(dòng)態(tài)前饋控制器的投資高于靜態(tài)前饋控制器。若靜態(tài)前饋控制能夠達(dá)到工藝要求時(shí)，應(yīng)采用靜態(tài)前饋控制。5前饋控制系統(tǒng)---選用原則§6-3大遲延系統(tǒng)1概述2采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響3史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案1概述大遲延對(duì)象：τ/T>0.3控制難度：超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)簡(jiǎn)單解決辦法：dGp(s)PIry微分先行控制dGp(s)PIry中間反饋控制某大遲延對(duì)象不同控制方案仿真結(jié)果方案PID微分先行中間反饋超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間0.2890.1620.13325min28min21min2采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響Gc(S)R(s)Y(s)+++-U(s)Y'(s)史密斯預(yù)估控制原理圖史密斯預(yù)估控制原理通過(guò)加補(bǔ)償器使被延遲的被調(diào)量超前反映。即：整理得史密斯預(yù)估器為：Gc(S)R(s)Y(s)++-U(s)Y'(s)++-D(s)由梅遜公式得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)特征方程不純含遲延項(xiàng)，因此消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。史密斯控制框圖Gc(S)R(s)Y(s)++-U(s)Y'(s)++-D(s)定值擾動(dòng)R常規(guī)PID系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出負(fù)荷擾動(dòng)D常規(guī)PID系統(tǒng)輸出史密斯控制系統(tǒng)輸出例6-2史密斯預(yù)估控制雖然對(duì)定值擾動(dòng)有很好的控制效果，然而對(duì)其他擾動(dòng)控制效果變差，而且當(dāng)預(yù)估器模型不準(zhǔn)確時(shí)，控制效果也變差（P141）。史密斯預(yù)估器的幾種改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補(bǔ)償器Gc(S)R(s)Y(s)++-U(s)Y'(s)++-D(s)Gf(S)-方案一上式分子項(xiàng)為0，可使系統(tǒng)完全不受擾動(dòng)D的影響。顯然只要取再看：系統(tǒng)對(duì)R的響應(yīng)為1，完全跟蹤設(shè)定值。方案二Gc(S)R(s)Y(s)+-U(s)Y'(s)D(s)1+