利用補(bǔ)償原理提高系統(tǒng)109年.ppt

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,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),一、 反饋控制,1)反饋控制的特點(diǎn) ： 基于偏差來(lái)消除偏差； “不及時(shí)”的控制 ； 存在穩(wěn)定性問題； 對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用； 控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。,二、前饋思想 在擾動(dòng)還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動(dòng)的影響。,例1 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)后才開始調(diào)節(jié)按偏差大小進(jìn)行控制的 e調(diào)節(jié)閥1,被調(diào)量: 換熱器出口溫度1 主要干擾: 換熱器的物料量F,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),1,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1,蒸汽量,物料量,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:,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,三、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,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,(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)過渡過程中始終保持不變, 調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.即Y(s)/D(s) = 0,（調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零，”理想情況“）。,(2) 誤差不變性 準(zhǔn)確度有一定限制的不變性可表示為：,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,(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,6-2 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),一 基本概念,u = f(r, D1,D2,Dn),D1，Dn為可測(cè)擾動(dòng)；u，y分別為被控對(duì)象的操作變量與受控變量。,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,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)過程產(chǎn)生更大動(dòng)態(tài)偏差,調(diào)節(jié) 過程加長(zhǎng),假水位: 鍋爐蒸汽負(fù)荷突然,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,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).,G=f(D, r),2、前饋控制方案,前饋控制與反饋控制的比較,(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),(2) 前饋控制屬于開環(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,前饋控制與反饋控制的比較,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,不重過程,例4 列管換熱器控制,1) 生產(chǎn)過程 2) 調(diào)節(jié)量 ( 2 ) 3) 擾動(dòng)量 ( Q, 1, p ) 4) 熱平衡方程及控制算法,無(wú)論Q, 1如何變化，總有D=kQ( 2r- 1), Q, 1的擾動(dòng)都能由蒸汽流量D立即進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫秸羝髁康慕o定值D*=kQ( 2r- 1).,5) 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,6) 參數(shù)對(duì)控制的影響,QD 2rD 1D ,k對(duì)出口溫度2的影響：,通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差, k過小，D的減小過小,殘差為正 k過大，D的減小過大，殘差為負(fù) k適當(dāng)，D的減小與Q的減小匹配，殘 差為0,7) 前饋控制與常規(guī)PID空制的比較,(a) PID控制過程,(b) 靜態(tài)前饋控制過程, 前饋控制比PID空制及時(shí)，能更早地校正偏差 前饋控制超調(diào)量小 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流量后，蒸汽也會(huì)自動(dòng)關(guān)斷,8) 靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn), 負(fù)荷變化時(shí)都有一段動(dòng)態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時(shí)溫度誤差 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 -料液流量Q -蒸汽流量D -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,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)償通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過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。,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),沒有補(bǔ)償器時(shí), 擾動(dòng)量D只通過Gd(s)影響Y,即,有了補(bǔ)償器后，擾動(dòng)量D同時(shí)還通過補(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：,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,擾動(dòng)D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(d-p)的一個(gè)瞬變過程. 要進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償, 需要把前饋信號(hào)推遲d-p,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TdTp),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,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 過程的動(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。 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程的特點(diǎn)：, 擾動(dòng)通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近 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? 按過程的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的靜態(tài)前饋控制裝置則保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。,1導(dǎo)前時(shí)間；2滯后時(shí)間,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^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,經(jīng)過補(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：,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).,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.,前饋反饋控制系統(tǒng)： 將前饋和反饋結(jié)合起來(lái)，既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔眉皶r(shí)克服主要擾動(dòng)對(duì)被控量影響的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)影響的長(zhǎng)處； 降低了系統(tǒng)對(duì)前饋補(bǔ)償器的要求，使其在工程上更易于實(shí)現(xiàn)。,3) 屬于開環(huán)控制，對(duì)被調(diào)量無(wú)檢驗(yàn),典型的前饋反饋控制系統(tǒng),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-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,前饋控制器:Q, 1D*,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),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,實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量的“可測(cè)及不可控性”： “可測(cè)”：指擾動(dòng)量可以通過測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號(hào)。 “不可控”：指這些擾動(dòng)量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負(fù)荷。 擾動(dòng)量變化頻繁且幅值較大； 擾動(dòng)對(duì)被控量影響顯著，反饋控制難以及時(shí)克服，且過程對(duì)控制精度要求十分嚴(yán)格的情況。,前饋控制的應(yīng)用場(chǎng)合,當(dāng)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性相近時(shí)靜態(tài)前饋。 當(dāng)控制通道與擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)相差較大時(shí)動(dòng)態(tài)前饋。,在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如：傳送物料能量、測(cè)量成分量、皮帶運(yùn)輸、帶鋼連軋機(jī)，以及多容、多種設(shè)備串聯(lián)等過程，都存在較大的純時(shí)延。,例：,大延時(shí)對(duì)象一般是指廣義對(duì)象的時(shí)延與時(shí)間常數(shù)之比大于0.3。即/T0.3,控制系統(tǒng)中的大時(shí)延能導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至不穩(wěn)定。,6-3 大遲延系統(tǒng),克服純延時(shí)的幾種常見方案,改進(jìn)型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點(diǎn)，目前較常用。 預(yù)估補(bǔ)償：原理上能消除純延時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，但前提是具有被控過程的精確模型，工程上往往難以實(shí)現(xiàn)。 采樣控制：成本較低，但干擾加入的時(shí)刻對(duì)控制效果影響較大。 其他：大林算法、卡爾曼預(yù)估算法、灰色預(yù)測(cè)控制等。,微分環(huán)節(jié)的輸入是對(duì)偏差作了比例積分運(yùn)算后的值，因而克服動(dòng)態(tài)超調(diào)的作用有限。,一、改進(jìn)型常規(guī)控制方案,微分先行控制方案,微分環(huán)節(jié)的輸出包括被控參數(shù)及其變化速度值，因而克服動(dòng)態(tài)超調(diào)的作用強(qiáng)。,中間微分控制方案,只在動(dòng)態(tài)過程中起調(diào)節(jié)作用。,三種控制方案在設(shè)定值擾動(dòng)下過渡過程的比較見右圖。,微分先行、中間反饋控制方案簡(jiǎn)單易行，且對(duì)降低超調(diào)量有顯著的效果。,不能克服滯后,二、Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案,1957年 史密斯（O.J.M.Smith）提出了一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估器補(bǔ)償控制方法.,設(shè)計(jì)思想: 預(yù)先估計(jì)出過程在基本擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),然 后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償,試圖使被延時(shí)了的被控量 超前反饋到控制器,使控制器提前動(dòng)作,從而大大降 低超調(diào)量,并加速調(diào)節(jié)過程。,可見控制器的輸出需要經(jīng)過時(shí)間才起作用,為了使控制器的輸出信號(hào)與反饋信號(hào)Y（S）之間無(wú)延時(shí)，必須滿足：,整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：,顯然，在系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程中，已不再包含純滯后環(huán)節(jié)，因此采用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制可以消除純滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。傳遞函數(shù)分子上的純滯后環(huán)節(jié)表明被控量的響應(yīng)比設(shè)定值滯后時(shí)間。,例：已知某過程控制系統(tǒng)如圖：,返回,三、采樣控制方案,“調(diào)一下，等一等”的辦法； 當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出達(dá)一定時(shí)間后，就不再增加（或減?。┝?，而是保持此值（保持的時(shí)間與純滯后時(shí)間0相等或再稍長(zhǎng)些），直到控制作用的效果在被控量變化中反映出來(lái)為止； 根據(jù)偏差的大小再?zèng)Q定下一步的控制動(dòng)作。,采樣控制方案,核心思想是避免調(diào)節(jié)器進(jìn)行不必要的誤操作，而寧愿讓控制作用弱一些。 無(wú)需掌握精確的過程動(dòng)態(tài)特性，就能克服被控過程中純滯后對(duì)控制帶來(lái)的不利影響。 注意采樣周期的選取應(yīng)略大于過程的純滯后時(shí)間。,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.,使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞,穩(wěn)定性分析復(fù)雜,可能出現(xiàn)自激振蕩,2. 非線性因素的存在形式,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,常見的有繼電特性,死區(qū),飽和(限幅),間隙,摩擦等, 對(duì)象的變?cè)鲆嫣匦?對(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),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)過程的靜態(tài)特性都具有非線性特性, 其增益