哈工大过程控制课件第六章

第六章利用补偿原理提高系统的控制品质§6-1概述§6-2前馈控制系统§6-3大迟延系统§6-4非线性增益补偿系统§6-2前馈控制系统（FeedforwardControlSystem）一、基本概念二、静态前馈三、动态前馈四、前馈——反馈控制系统五、多变量前馈控制系统六、比例滞后控制系统七、工程实现问题§6-3大迟延系统一、概述二、采用补偿原理克服大迟延的影响三、史密斯预估器的几种改进方案四、其他时滞补偿控制系统（一）观测补偿控制（二）预估校正控制系统五、非线性增益补偿系统§6-1概述例：换热器出口温度的反馈控制系统原料进料量变化（扰动）温度变化形成偏差调节作用改变调节阀开度改变加热量变换温度恢复反馈控制按偏差调节，是闭环控制，可克服多种不同干扰，常用控制规律PID，调节不及时。进料出料进料出料§6-1概述例：换热器出口温度的前馈控制系统进料量变化温度变化温度不变调节作用改变阀开度改变前馈控制按扰动调节，是开环控制，知能克服一种干扰，用前馈控制规律，调节及时。温度反向变化扰动通道前馈通道有偏差才控制不能事先规定调节器的输出反馈控制的缺点：设计控制器Gf(s)，使则D的变化与Y无关。Gp(s)Gc(s)KvGd(s)RD-++YGp(s)Gf(s)KvGd(s)D++Y0)()()(sGsGKsGdpvf不变性原理：被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关。工程实际中几种不变性（1）绝对不变性：（2）误差不变性：（3）稳态不变性：（4）选择不变性：对主要扰动不变性被控对象中的存在内部扰动（调节量）和外部扰动U(s)D1(s)D2(s)Dn(s)Y(s)时当0)(tDi0)(ty时当0)(tDi0)(ty时当0)(tDi)(ty时当0)(tDi0)(limtytn21i,,,例汽包水位控制当Gff(s)G0(s)=-Gd(s)时蒸汽扰动对水位的影响消除把Gff(s)称为前馈控制器一、基本概念LCWDFCFCFGc1(s)Gp(s)-rHDΔwGd(s)++KvGc2(s)Gff(s)-定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。由不变性原理得0)()()()()(0sFsGsGsGsYFFF则前馈调节器算法为)()()(0sGsGsGFFF对象前馈控制器uD1DiDn……y前馈控制系统……前馈控制分静态和动态前馈两类。二、静态前馈定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态前馈。即基于稳态不变性原理时当0)(tDi0)(limtytsesTKsG01)(000设前馈广义对象传函为扰动通道传函为前馈调节器传函为sFFFFesTKsG1)(sFF0FFFFesTsTKKsGsGsG)(00011)()()(进料出料前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行。（1）简单情况：sesTKsG01)(000sFFFFesTKsG1)(若已知静态前馈控制器为：00)(000011)()()(KKesTsTKKsGsGsGFssFFs0FsFF0F)(QcD12prsH例如：列管换热器控制换热器热平衡方程为：pc为定压比热容为汽化潜热sH前馈控制的目的为：常数（2）复杂情况：按过程的物质或能量平衡方程计算补偿校正值。QCDTDTθT×k∑θ2r+-QDθ1料液QCDTDTθTQCFCDTFT2DTFT1TTTθ2加热蒸汽srpDHcQ)(12静态前馈控制器)(Q12rk12pscQHD)(12sppFFFHcQDKKF方法二换热器热平衡方程为：spDHcQ)(12则从静态考虑只画出静态放大系数即可，可求出pspcQHDK2p2sFcQHDQK2则可求出静态前馈放大系数为DQθ2θ1θ2DQ前馈控制装置中静态前馈增益的整定方法一♠测得广义对象的控制通道和扰动通道的放大系数♠根据定义计算出静态前馈当大系数，并实施方法二♠线不接入反馈，扰动变化一个阶跃量ΔF♠PI反馈控制使测量值恢复到原稳态值♠得反馈调节器的输出变化量为Δu♠则静态前馈放大系数为FuFFFpFFFKKF三、动态前馈静态前馈kFF动态前馈G'FF(s)sesTKsG01)(000扰动通道传函为前馈调节器传函为sFFFFesTKsG1)(sFFsFF0FFFFF0FesTsTKKesTsTKKsGsGsG1111)()()(00)(00设前馈广义对象传函为扰动D扰动输出调节输出系统输出动态前馈要消除的面积动态前馈产生的面积动态前馈G′FF(s)的图示说明：静态前馈控制KFFGp(s)GF(s)D++Y动态前馈控制器（补偿器）讨论：（1）T0=TF，则若动态前馈为纯迟延可实现；若动态前馈为纯提前不可实现。扰动D结论：选择调节通道时应选择迟延短的和时间常数小的通道。sFFFFesTsTsG)(0011)(sFFFesG)(0)(0F0FG`FF(s)G0(s)GF(s)YDT0TF前馈控制器呈现超前特性11)(0sTsTsGFFFT0TF前馈控制器呈现滞后特性T0=TF前馈控制器呈现比例特性uftT0=TFT0TFT0TF（2）τ0=τF，则G`FF(s)G0(s)GF(s)YD扰动D一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用11)(21sTsTsGFF12ff1+TsG(s)1+Ts当T1=Tp，T2=Td，为完全动态补偿；T1、T2为其他值对系统的影响如下：动态前馈补偿器的参数T1和T2的整定Gff(s)Gp(s)Gd(s)D四、前馈—反馈控制使可测扰动对系统没有影响或影响很小；对系统的稳定性没有影响。前馈控制的优点：反馈控制的优点：任何扰动对系统的影响均可消除；系统准确性高。对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；控制器和对象参数变化影响系统的准确性。前馈控制的缺点：反馈控制的缺点：有偏差才控制不能事先规定调节器的输出将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短（1）前馈作用和反馈作用相加的前馈——反馈控制系统仅考虑扰动的影响，可得)()()()]()()()([)(0sGsDsGsDsGsGsYsYFFFcGc(s)G0(s)-rYDGF(s)+GFF(s)+Gc(s)G0(s)-rYDGF(s)+GFF(s)+)()(1)()()()()(00sGsGsGsGsGsDsYcFFF若系统完全补偿，则有0)()(sDsY)()()(0sGsGsGFFF0)()()(0sGsGsGFFF完全补偿条件不变这是最常见的前馈——反馈控制系统结构例如加热炉温度控制系统原料流量是主要扰动，将其作为前馈信号，与调节器输出信号相加后作为调节阀的控制信号。从安全角度考虑选择调节阀为气开式。Kp2为正，Kc2为正，GC2选反作用。Kp1为正，Kc1为正，GC1选反作用。原料量增加，温度下降，KF为负，因Kp1为正，故KFF为正。偏置量B补偿正常运行时原料流量F的输出值KFF流量。（2）前馈作用和反馈作用相乘的前馈——反馈控制系统该控制系统实质是比值控制系统，但控制目的不同，一个流量是扰动量，另一个是调节量比值控制系统两个流量都是调节操纵量。前馈控制采用静态前馈时与变比值控制系统有相同的结构。五、多变量前馈控制系统当被控对象的扰动不止一个，且变化幅值都比较大比较频繁，可采用多输入单输出的多变量前馈控制系统。当被控对象是多输入多输出过程，为了克服相互之间的耦合影响，用多输入多输入的多变量前馈控制系统进行解耦控制。如液位串级控制系统引入进料量的前馈控制，则组成比例——滞后控制系统。六、比例滞后控制系统七、前馈系统设计应注意的问题（一）前馈扰动量的选择♠扰动必须是可测的♠如果扰动可控，则直接采用反馈来控制，即前馈控制的扰动量是不可控或不宜控制的；♠前馈对单一扰动有效，因此选择主要扰动前馈；扰动变化频繁、变化幅值大，常规方式难控；♠为克服其他扰动，常采用前馈——反馈控制系统静态前馈易实现，常与反馈结果；动态前馈不宜实现，较少采用；♠主要扰动无法落在串级控制系统的副回路时采用。（二）前馈方式的选择31700.TT.F采用静态前馈700.TTF干扰能很快克服，可不用前馈3.10FTT对象反应较慢，用动态前馈前馈（三）偏置量的设置偏置量的值等于正常工况下扰动变量符号应抵消该正常工况下的输出，即FKKBFFm（四）前馈控制规律的实现♠DCS有前馈补偿模块，例如Honeywell的PIDFF♠静态前馈装置可用放大环节；动态前馈装置可用超前-滞后环节，如Honeywell的VDTLDLG、Foxboro的LLAG和DTIME串接、ABB的REG。♠专门的前馈补偿器，实现前馈补偿功能♠时滞可通过计算机内存的内容进行移位来实现（五）运行注意问题♠从安全角度出发应在动态前馈加输出限幅♠一般采用静态前馈加反馈控制方式♠动态前馈参数整定不匹配时控制效果更差♠前馈控制系统投运时先投反馈后投前馈（六）前馈通道中非线性环节的处理扰动一般是流量，如不加开方器，则Gm是非线性的，将在GFF中引入非线性，KFF将随流量而改变，故作为前馈信号的流量测量应加开放器；如果是其他类型的非线性前馈信号也须线性化处理，从而保证输出与扰动变量成线性关系。例如，热电阻非线性处理，PH值信号的非线性处理等。一、概述大迟延对象：τ/T0.3控制难度大：超调量大，调节时间长PIDsesG)(0R(s)C(s)-D（一）时滞对控制质量的影响1.时滞τ对系统稳定性的影响♠τ增加频率特性改变稳定性变差♠τ增加剪切频率下降，低频干扰会使系统不稳定；♠τ增加临界放大倍数下降，调节器增益下调，品质变差；§6-3大迟延系统2.时滞τ对动态指标的影响♠τ的存在使得调节器的输出不能及时改变；简单解决办法：微分先行、中间反馈、滞后补偿等♠τ的存在使开环系统相位滞后增加，动态特性变差，超调量增加，调节时间加长，衰减率下降有时滞的系统输出有时滞时的调节器输出无时滞的系统输出无时滞时的调节器输出PIsesG)(0R(s)C(s)-DPDesGsTsTKesGsDsCDICs)()1)(11(1)()()(00PIDPIDsesG)(0R(s)C(s)-D两种控制方式下对扰动的响应相同。PID00)()()()1)(11(1)()()(sDsCesGsTsTKesGsDsCDICs先行sDICIsIesGsTsTKsTesGsT)()1)(1()(00（二）微分先行将PD移至反馈通道，对输出进行微分，则反馈量不再是被调量，而是输出经比例微分运算后的值。PIDsesG)(0R(s)C(s)-DesGsTsTKesGsTsTKsRsCDICsDIC)()1)(11(1)()1)(11()()(00PIDPIsesG)(0R(s)C(s)-DPDesGsTsTKesGsTKsRsCDICsIC)()1)(11(1)()11()()(00先行两种控制方式下对给定的响应不同。sDICIsDICesGsTsTKsTesGsTsTK)()1)(1()()1)(1(00sDICIsICesGsTsTKsTesGsTK)()1)(1()()1(00则在低频段静态增益相同，稳态精度相同；较PID控制下少了一个零点，二者频率特性之比为DTjjRjCjRjC1)()()()(PID先行DTjDeTarctan21对任意频率，有PID的增益大于微分先行的，故动态偏差大，超调量大，由此看出微分现象可有效的减少给定变化下的超调。C(t)t(min)4PID先行（三）中间反馈PIsesG)(0R(s)C(s)-DD+-稳态时dc/dt