过程控制工程8-13非线性控制系统

《过程控制工程8-13非线性控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制工程8-13非线性控制系统（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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 非线性控制系统非线性控制系统 8.1 8.1 线性过程的非线性控制线性过程的非线性控制 8.2 8.2 非线性过程的非线性控制非线性过程的非线性控制 8.3 8.3 位式控制位式控制 第第 8 8 章章 教学进程教学进程 8.18.1线性过程的非线性控制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过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律 用以补偿。用以补偿。 两类非线性控制系统：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；而引入的非线性控制

2、规律； 8.18.1线性过程的非线性控制线性过程的非线性控制 液位的非线性控制液位的非线性控制8.1.1 8.1.1 （1 1）实现均匀控制）实现均匀控制 采用带不灵敏区的非线性控制规律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。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，控制阀动作很小很小，控制阀动作很小 液位有小波动，流量也有小的波动液位有小波动，流量也有小的波动均匀控制均匀控制 系统的组成可采用单回路或串级结构系统的组成可采用单回路或串级结构 P190

3、 P190 图图8-2 8-2 （A A ）、（）、（B B） 不灵敏区内以不灵敏区内以PVPV代替代替SPSP，因此，不灵敏区成为，因此，不灵敏区成为“ “死区死区 ” ”，不灵敏区外，和，不灵敏区外，和B B型一样型一样 液位的非线性控制液位的非线性控制8.1.1 8.1.1 （2 2）非线性控制器类型）非线性控制器类型 PI PI、PIDPID型，不灵敏区内只是增益型，不灵敏区内只是增益KK发生变化发生变化AA型型 PI PI型，型，KK和和TiTi同时起作用同时起作用BB型型 作为液位均匀控制器，其不灵敏区以外的控制作用要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

4、不灵敏区内；大些，迅速拉回到不灵敏区内； 不灵敏区的宽度要略小于工艺允许波动范围，使得液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位超出不灵敏区后有一定的控制过程 不灵敏区内的不灵敏区内的KCKC的大小与不灵敏区宽度综合考虑的大小与不灵敏区宽度综合考虑 参数整定要注意的问题： 液位的非线性控制液位的非线性控制8.1.1 8.1.1 液位的非线性控制液位的非线性控制8.1.1 8.1.1 B B型的控制效果好些型的控制效果好些 图图8-3 8-3 采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制 LC T1 e - c 图图8-1

5、6 8-16 控制特性近似为控制特性近似为PIDPID （3 3）带模型反馈的位式控制）带模型反馈的位式控制 双位式控制器、模型和被控设备，控制双位式控制器、模型和被控设备，控制 器与模型器与模型 组成反馈回路组成反馈回路 位式控制的改进及其发展位式控制的改进及其发展8.3.1 8.3.1 u R _ c 图图8-19 8-19 使用模型的开关控制使用模型的开关控制 Bang-Bang Bang-Bang 控制控制8.3.28.3.2 属于一种最优控制，时间最优控制，可以通过最优控制属于一种最优控制，时间最优控制，可以通过最优控制 理论进行推导理论进行推导 关键：开关时间的计算关键：开关时间的

6、计算 （1 1）手动）手动Bang-BangBang-Bang控制控制 操作人员根据开关时间计算公式求出切换时间，手动操作人员根据开关时间计算公式求出切换时间，手动 控制阀门控制阀门 （2 2）自动）自动Bang-BangBang-Bang控制控制 快速调节器快速调节器 Bang-Bang Bang-Bang 控制控制8.3.28.3.2 通过状态反馈，得到开关函数，决定控制作用，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以实现时间最优控制 Gp S x1 (x1，x2) y = x1 非线性函数发生器 快速调节器 2= 1 . u （3 3）自适应）自适应Bang-Ban

7、gBang-Bang控制控制 Bang-Bang Bang-Bang 控制控制8.3.28.3.2 Bang-Bang 控制器 过程 自适应开 关计算机 y u 图图8-21 8-21 （4 4）复式时间最优的）复式时间最优的 Bang-BangBang-Bang控制控制 Bang-Bang Bang-Bang 控制控制8.3.28.3.2 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 图图8-228-22 （5 5）Bang-BangBang-Bang控制的一种高级形式控制的一种高级形式 Bang-Ban

8、g Bang-Bang 控制控制8.3.28.3.2 过程控制系统及工程 信息学院自动化系：李大字 Email:lidz 第9章 纯滞后补偿控制系统 新型控制系统新型控制系统 9. 19. 1 纯滞后补偿原理 纯滞后补偿原理 9.2 9.2 纯滞后补偿控制的效果纯滞后补偿控制的效果 9.3 9.3 史密斯补偿的实现史密斯补偿的实现 第第 9 9 章章 教学进程教学进程 9.19.1纯滞后补偿原理纯滞后补偿原理 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如何对纯滞后进行处理 设计一个补偿器，使并联后的等效传递函数消除纯滞后设计一个补偿器，使

9、并联后的等效传递函数消除纯滞后 SmithSmith补偿器补偿器 纯滞后补偿的效果纯滞后补偿的效果9.2 9.2 系统方块图整理后，实际上把纯滞后环节提到了控制系统方块图整理后，实际上把纯滞后环节提到了控制 回路之外。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。果一样，只是过渡过程有一个滞后。 SmithSmith补偿器的加入，提高了控制品质。补偿器的加入，提高了控制品质。 GC(s) GP (s)e-s G(s) R 图图9-39-3 史密斯补偿的实现史密斯补偿的实现9.3 9.3 SmithSmi

10、th补偿器的实现是关键。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（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）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。一般采用纯滞后的近似模型来模拟纯滞后环节。 帕德一阶、二阶方程帕德一阶、二阶方程 P208 P208 式式9-4 9-79-4 9-7 这样，就可以采用物理装置实现这样，就可以采用物理装置实现 转化为转化为 图图9-11 9-11 求得：求得： 特征方程中不包含纯滞后环节，控制品质提高。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史密斯补偿的计算机实现 一阶滞

11、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-s时，可将其按幂级数展开为 解耦控制系统解耦控制系统 10. 110. 1 关联系统解耦条件关联系统解耦条件 10.2 10.2 解耦控制方案解耦控制方案 10.3 10.3 解耦控制应用实例解耦控制应用实例 第第1010章章 教学进程教学进程 1010 解耦控制系统解耦控制系统 Gc1(s) Gc2(s) R1 R2 Y1(s) Y2(s) 解耦控制设计控制系统，消除系统之间耦合 P1（s） P2（s） G22（s ） G1

12、1（s ） G12(s) G21(s ) 关联系统解耦条件关联系统解耦条件10.1 10.1 方法：在相互关联的系统中增加一个解耦装置（解耦方法：在相互关联的系统中增加一个解耦装置（解耦 矩阵矩阵F F（S S），使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵的），使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵的 乘积为对角阵。乘积为对角阵。 条件：广义对象的传递矩阵条件：广义对象的传递矩阵GG（S S）必须是对角阵）必须是对角阵 GC1（s） GC2（s） P1(s) P2（s） F11（s） F22（s） P1(s) P2(s) G11（s） G22（s） F12(s) F21(s ) G12(s) G21(s ) Y1

13、（s） Y2（s） R1 R2 关联系统解耦条件关联系统解耦条件10.1 10.1 方案一方案一 设置设置对角阵元素为原对象传递矩阵的主对角元素。对角阵元素为原对象传递矩阵的主对角元素。 方案二方案二 设置对角阵为单位阵。设置对角阵为单位阵。 方案三方案三 设置对角阵元素为其它形式。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，仪表实现困难缺点：模型复杂，仪表实现困难 解耦控制方案解耦控制方案10.210.2 （1 1）理想解耦）理想解耦 GG（S S）与）与F F（S S）的乘积必须为对角阵）的乘积必须为对角阵 （2

14、 2）简化解耦）简化解耦 解耦控制方案解耦控制方案10.210.2 选择一种简化的解耦模型选择一种简化的解耦模型 F F（S S）的某两个元素固定为）的某两个元素固定为1 1。而且，这两个。而且，这两个1 1不能处于不能处于 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。型可以有下面四种不同的形式。 a) b) 对于对于a)a) 求得：求得： d) c) 精馏塔两端温度控制方案精馏塔两端温度控制方案 ： 解耦控制应用实例解耦控制应用实例10.3 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

15、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按计算指标及推断控制系统 11. 1 11. 1 按计算指标的控制系统按计算指标的控制系统 11.2 11.2 推断控制系统推断控制系统 第第1111章章 教学进程教学进程 1111按计算指标及推断控制系统按计算指标及推断控制系统 按计算指标的控制系统按计算指标的控制系统11.1 11.1 有些情况，控制指标不能直接测量出来，因此只能有些

16、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 进行控制进行控制按计算指标的控制系统按计算指标的控制系统 （1 1）精馏塔内回流控制系统）精馏塔内回流控制系统 内回流：精馏塔内上一层塔盘向下一层塔盘流下的内回流：精馏塔内上一层塔盘向下一层塔盘流下的 流体流量。流体流量。 内回流稳定是保证塔良好操作的一个重要因素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一般希望内回流稳定或者按一定的规律变化 内回流和外回流的关系内回流和外回流的关系 ： P224 P224 图图11-1 11-1 Li = Lo +L Li = Lo +L ToH - TR ToH - TR变化不大时，变化不大时， 可以由可以由 Lo Lo 代替代替LiLi，否则，