过程控制工程_8-13非线性控制系统

过程控制系统及工程第8章非线性控制系统第二篇先进控制系统非线性控制系统8.1线性过程的非线性控制8.2非线性过程的非线性控制8.3位式控制第8章教学进程8.1线性过程的非线性控制过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律用以补偿。两类非线性控制系统：过程是线性的，为了满足某种特殊要求而引入的非线性控制规律；8.1线性过程的非线性控制液位的非线性控制8.1.1（1）实现均匀控制采用带不灵敏区的非线性控制规律不灵敏区内，控制器增益比较小，即对偏差不灵敏。液位偏差在不灵敏区小范围波动时，控制器输出变化很小，控制阀动作很小液位有小波动，流量也有小的波动——均匀控制系统的组成可采用单回路或串级结构P190图8-2（A）、（B）③不灵敏区内以PV代替SP，因此，不灵敏区成为“死区”，不灵敏区外，和B型一样液位的非线性控制8.1.1（2）非线性控制器类型①PI、PID型，不灵敏区内只是增益K发生变化——A型②PI型，K和Ti同时起作用——B型①作为液位均匀控制器，其不灵敏区以外的控制作用要大些，迅速拉回到不灵敏区内；②不灵敏区的宽度要略小于工艺允许波动范围，使得液位超出不灵敏区后有一定的控制过程③不灵敏区内的KC的大小与不灵敏区宽度综合考虑参数整定要注意的问题：液位的非线性控制8.1.1液位的非线性控制8.1.1B型的控制效果好些图8-3采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制LC正作用正作用高位继动器低位继动器正作用高选器低选器Fi气开Fo液位的非线性控制8.1.1)/100(25)25ln1(0PBKeKKecKeoiKeTT25)25ln1(液位的非线性控制还可采用变增益的非线性控制器。是：控制器的增益或积分时间与输入偏差以一定关系连续地变化，例如控制器的增益KC及积分时间Ti与液位偏差以一个指数关系连续地变化，同时增益和积分时间之间为使系统ζ值恒定，保证Ti、KC恒定。偏差与KC、Ti间的关系可用下式表示：线性过程的其它非线性控制8.1.2变结构控制（VSS）逻辑单元根据系统的要求和特点，选择运算规律开关元件运算单元执行装置过程逻辑单元输出uK1GA()2S×TPK2Ti/s√()()2+1-1upePė输入偏差线性过程的其它非线性控制8.1.2VSS采用计算机实现容易，简单的可以采用仪表的一些计算单元完成图8-5一个简单的变结构控制器对于高阶系统的控制效果好于一般PID控制器开关PI过程8.2非线性过程的非线性控制pH控制的非线性控制8.2.1有些非线性特性严重的过程，必须采用非线性控制典型的非线性过程图8-9在PH值为7附近非线性畸变严重，斜率非常大，普通PID控制器难于控制PH控制在工业应用很多，如污水处理过程C试剂/升溶液pH1110987654350403020100（1）带不灵敏区的非线性控制在PH=7附近实施不灵敏区的控制作用关键：不灵敏区的宽度、不灵敏区内的增益，参数整定时试凑（2）自适应PH值控制PH值变化曲线，会由于在废水中添加了弱酸或碱，有所改变pH控制的非线性控制8.2.1108642108642012345012345pH控制的非线性控制8.2.1引如自适应控制器，感测系统的响应，判别系统的控制状态非线性控制器自适应控制器不灵敏区宽度ph到控制阀pH控制的非线性控制8.2.1非线性控制器，根据PH控制系统的响应，输出信号去设定非线性控制器的不灵敏区的宽度除此之外，PH值还可以采用智能控制（实际上也是非线性控制）反应器的非线性控制8.2.2图8-1525（1+b|eM|）KSeMeSTJTRTR给定主控制器×副过程主过程－－图8-14间歇反应器反应温度控制非线性串级控制器，变增益非线性控制器8.3位式控制位式控制的改进及其发展8.3.1较为古老的控制方式，继电器型控制，输出不连续控制信号缺点：产生不衰减的振荡环（1）一般的改善方法合理选择中间区，或采用多位式控制，以减小振荡的幅值。位式控制的改进及其发展8.3.1ėė（2）控制作用的改进脉冲宽度调制，输出变成一系列的方波，方波宽度受输入偏差的调制，提高方波变化的频率，接近连续控制，可消除振荡。时间比例式——脉冲输出的平均值与偏差e成正比1121sTKsTKT2T1e-c图8-16控制特性近似为PID（3）带模型反馈的位式控制双位式控制器、模型和被控设备，控制器与模型组成反馈回路位式控制的改进及其发展8.3.1sTeApspp1sTeAmsmm1uR_c图8-19使用模型的开关控制Bang-Bang控制8.3.2属于一种最优控制，时间最优控制，可以通过最优控制理论进行推导关键：开关时间的计算（1）手动Bang-Bang控制操作人员根据开关时间计算公式求出切换时间，手动控制阀门（2）自动Bang-Bang控制快速调节器Bang-Bang控制8.3.2通过状态反馈，得到开关函数，决定控制作用，以实现时间最优控制GpSx1σ(x1，x2)y=x1非线性函数发生器快速调节器χ2=χ1.u（3）自适应Bang-Bang控制Bang-Bang控制8.3.2Bang-Bang控制器过程自适应开关计算机yu图8-21（4）复式时间最优的Bang-Bang控制Bang-Bang控制8.3.2采样r(n),y(n)PID算式Bang-Bang算式|r(n)—y(n)|→|e(n)||e(n)|＜a？否启动送输出通道图8-22（5）Bang-Bang控制的一种高级形式Bang-Bang控制8.3.2过程控制系统及工程信息学院自动化系：李大字Email:[e-mail]第9章纯滞后补偿控制系统新型控制系统9.1纯滞后补偿原理9.2纯滞后补偿控制的效果9.3史密斯补偿的实现第9章教学进程9.1纯滞后补偿原理控制通道的纯滞后对控制品质影响非常不利如何对纯滞后进行处理spesG)()(sG设计一个补偿器，使并联后的等效传递函数消除纯滞后Smith补偿器)()()(sGsGesGpsp)1)(()(spesGsG纯滞后补偿的效果9.2系统方块图整理后，实际上把纯滞后环节提到了控制回路之外。纯滞后对控制品质没有影响，与没有纯滞后的控制效果一样，只是过渡过程有一个滞后。Smith补偿器的加入，提高了控制品质。GC(s)GP(s)e-τsGτ(s)R图9-3史密斯补偿的实现9.3Smith补偿器的实现是关键。原始补偿器中含有纯滞后环节，模拟仪表很难实现（计算机实现容易）一般采用纯滞后的近似模型来模拟纯滞后环节。帕德一阶、二阶方程P208式9-4~9-7这样，就可以采用物理装置实现转化为图9-11求得：)()(1)()()()(sGsGesGsGsRsYpcspc)()(1)]1)(()(1)[()()(sGsGesGsGsGsFsYpcspcf特征方程中不包含纯滞后环节，控制品质提高。史密斯补偿的计算机实现一阶滞后对象的纯滞后补偿器电路图产生纯滞后信号的方法•存储单元法为了形成滞后L的信号，需在内存中开辟L+1个存储单元，以存储P(k)的历史数据。•多项式近似原理计算e-τs时，可将其按幂级数展开为2)21(1ses解耦控制系统10.1关联系统解耦条件10.2解耦控制方案10.3解耦控制应用实例第10章教学进程10解耦控制系统Gc1(s)Gc2(s)R1R2Y1(s)Y2(s))()()()()()()()(212221121121sPsPsGsGsGsGsYsY)()()(sPsGsY解耦控制—设计控制系统，消除系统之间耦合P1（s）P2（s）G22（s）G11（s）G12(s)G21(s)关联系统解耦条件10.1方法：在相互关联的系统中增加一个解耦装置（解耦矩阵F（S）），使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵的乘积为对角阵。条件：广义对象的传递矩阵G（S）必须是对角阵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）R1R2关联系统解耦条件10.1●方案一设置对角阵元素为原对象传递矩阵的主对角元素。●方案二设置对角阵为单位阵。●方案三设置对角阵元素为其它形式。优点：完全消除关联，完全解耦，理想解耦缺点：模型复杂，仪表实现困难解耦控制方案10.2（1）理想解耦G（S）与F（S）的乘积必须为对角阵（2）简化解耦解耦控制方案10.2选择一种简化的解耦模型F（S）的某两个元素固定为1。而且，这两个1不能处于一个控制器的输出端。如改用简化解耦，解耦装置模型可以有下面四种不同的形式。a)112112FF212211FFb)对于a)求得：1)()()()(1)(22211112sGsGsGsGsFd)c)112211FF111211FF精馏塔两端温度控制方案：解耦控制应用实例10.3通过塔顶温度控制保证顶部产品的质量，操纵变量为回流量L；塔底产品的质量通过对塔底温度的控制来保证，控制质量为再沸器的加热蒸气量W。塔顶和塔底产品的质量（组分）分别以Y1和Y2表示。显然，在这一控制方案中，系统间的关联是不容忽视的。并可以通过计算机分别进行未经解耦和简化解耦的模拟实验。按计算指标及推断控制系统11.1按计算指标的控制系统11.2推断控制系统第11章教学进程11按计算指标及推断控制系统按计算指标的控制系统11.1有些情况，控制指标不能直接测量出来，因此只能通过一些可测量的变量，通过计算获得控制指标，再进行控制——按计算指标的控制系统（1）精馏塔内回流控制系统①内回流：精馏塔内上一层塔盘向下一层塔盘流下的流体流量。内回流稳定是保证塔良好操作的一个重要因素一般希望内回流稳定或者按一定的规律变化②内回流和外回流的关系：P224图11-1Li=Lo+ΔLToH-TR变化不大时，可以由Lo代替Li，否则，需要内回流控制按计算指标的控制系统11.1VRTOHLO,TRV2Li③实现内回流的方法内回流难于直接测量和控制，通过建立内回流和其它可测量的数学模型，计算内回流，进而实现内回流控制内回流计算的数学模型：P224式11-3，可计算内回流仪表实现内回流控制系统：P225图11-2完成式11-3的计算已经形成专用仪表装置。按计算指标的控制系统11.1（2）热焓控制系统按计算指标的控制系统11.1①热焓控制目的热焓——单位重量/体积的物料所积存的热量精馏塔操作，热焓是一个主要干扰单相进料，温度与热焓为单值关系，可用图11-3的控制方案混合进料，温度与热焓不是单值关系，需要进行热焓控制②热焓运算的数学模型及实施框图（2）热焓控制系统按计算指标的控制系统11.1TCF图11-3推断控制系统11.2控制系统：输出变量、外部扰动有可测和不可测的两类Gd2可测扰动……不可测扰动……可测输出操纵变量不可测输出：：：：推断控制系统11.2可测输出组成反馈控制系统可测扰动组成前馈控制系统都不可测推断控制推测不可测被控变量反馈推断控制推测不可测扰动变量前馈推断控制前提条件：过程数学模型已知，其精度直接影响控制精度Gd1Gd2GP1GP2duYZ推断控制系统11.2（1）反馈推断控制被控量Y不可测、辅助量Z可测，扰动D不可测各通道数学模型已知建立Y和Z的数学关系式构成反馈推断控制系统推断控制系统11.2（2）前馈性质推断控制被控变量Y及扰动D都不可测，借助于辅助可测量Z组成推断控制GP1Gd1Gd2GP2G(s)U(s)Y(s)D(s)Z(s))(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(12sGsEsGsEsGPP)(ˆ)(ˆ)(ˆ21sGsGsEdd推断控制系统11.2)()()()()()(1)(21sEsUsEsGsZsGsUPPGc(s)GP1(s)Gd1(s)Gd2(s)GP2(s))(sE)(2sGpGc(s)GP1(s)Gd1(s)Gd2(s