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1、第六章 利用补偿原理 提高系统的控制品质 Date1过程控制 6-1 概述 2) 反馈控制系统的不足 在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希 望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果(稳 定性,准确性,快速性) 一、 反馈控制 1)反馈控制的特点 ： 基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ； 存在稳定性问题； 对各种扰动均有校正作用； 控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。 Date2过程控制 二、前馈思想 在扰动还未影响输出以前，直接改变 操作变量，以使输出不受或少受外部扰 动的影响。 Date3过程控制 例1 换热器控制 (用蒸汽Q对物料F进行加热,保持出
2、料口物 料温度稳定) 方案1-反馈控制 缺点： 对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节按偏差大小进 行控制的 e调节阀1 被调量: 换热器出口温度1 主要干扰: 换热器的物料量F Gc(s)Gv(s)G(s) Gm(s) r 1 闭环控制系统方框图 F(s) Q e Date4过程控制 方案2-前馈控制 控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节 Gff(s) Gv(s) GPD(s) GPC(s) F(s) 1 前馈控制系统方框图 Q 1 Gff(s)Gv(s)GPC(s) GPD(s) + + F Q 优点： 对干扰直接进行控制，控制比反馈 及时 干扰F 调节阀1
3、蒸汽量 物料量 Date5过程控制 系统传递函数为 ： 系统对于干扰F实现完全补偿的 条件是: Gff(s) Gv(s)GPC(s) GPD(s) + + 1F Q 前馈控制的理论基础是不变性原理，或称为扰动 补偿理论 Date6过程控制 三、不变性原理三、不变性原理: : 控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下 无关，也就是被调量完全独立或基本独立 设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调量y(t)的不变 性可表示为： 即被调量y(t)与干扰Di(t)独立无关 在应用不变性原理时,由于各种原因,不可能完全实现上 式所规定的y(t)与Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之 间的
4、不变性程度，提出了几种不变性 Date7过程控制 (1) 绝对不变性 对象在扰动Di(t)作用下, 被调量y(t)在整个过渡过程中始 终保持不变, 调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.即 Y(s)/D(s) = 0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想 情况“）。 (2) 误差不变性 准确度有一定限制的不变性可表示为： 允许存在一定的误差, 在工程上容易实现, 而且生产中也不 会有绝对不变性的要求, 所以应用广泛. 如反馈控制从理论 上应该属于误差不变性 Date8过程控制 (3) 稳态不变性 在干扰Di(t)作用下, 被调量的动态偏差不为零, 而稳态 偏差为零, 被调量在稳态工况下与扰动
5、量无关. (4) 选择不变性 系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性. 减 少了补偿装置, 节省投资又能达到对主要干扰的不变性 Date9过程控制 6-2 前馈控制系统 对象 前馈 控制器 设定值 r 调节量 y D1 D2 Dn 被调量 前馈控制系统 前馈控制是以不变性原理为理论基础的一种控制方 法.它把影响过程的主要因素测量出来, 连同设定值一起 , 用来计算正确的输出,以适应当前的状态 一 基本概念 u = f(r, D1,D2,Dn) D1，Dn 为可测扰动；u ，y分别为被控 对象的操作变 量与受控变量 。 Date10过程控制 例3 锅筒锅炉的水位控制 锅炉的水位控制系统 生产
6、过程：给水G经锅炉加热产生蒸汽输出 被调量: 锅炉水位H,保持恒定 扰动: 负荷(蒸汽D)扰动, 给水扰动. 控制方案： 1. 串级控制(反馈控制) 2. 前馈控制 Date11过程控制 1. 串级空制 缺点： 1. 对扰动的响应不够及时 2. 如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求,水位H波动大 3. 负荷对水位的影响存在假水位现象,调节过程产生更大动态偏差,调节 过程加长 主调 节器 副调 节器 调节阀管路锅炉 压力变送器 液位变送器 给水 扰动 负荷 扰动 r H G(s)D(s) 假水位: 锅炉蒸汽负荷突然,气压,水的沸点,水汽混合物体积,则此时 水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而
7、上升反之一样 Date12过程控制 主调 节器 副调 节器 调节阀管路锅炉 压力变送器 液位变送器 给水 扰动 负荷 扰动 r H G(s)D(s) 如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负 荷量,就能解决负荷扰动大,控制不及时的缺点. Date13过程控制 锅炉 D DT 开方器 LT LC 阀 QC DT 开方器 h IG*IG ID +- If 蒸汽 负荷 给水G 锅炉水位前馈控制系统 I G=f(D, r) 2、前馈控制方案 Date14过程控制 前馈控制与反馈控制的比较 前 馈馈 控 制 反 馈馈 控 制 扰动扰动 可测测，但不要求被控量可 测测 被控量直接可测测 超前调节调
8、节 ，可实现实现 系统输统输 出的 不变变性（但存在可实现问题实现问题 ） 按偏差控制，存在偏差才能调节调节 ，（滞后调节调节 ） 开环调节环调节 ，无稳稳定性问题问题闭环调节闭环调节 ，存在稳稳定性问题问题 系统仅统仅 能感受有限个可测扰动测扰动系统统可感受所有影响输输出的扰动扰动 对对于干扰扰与控制通道的动态动态 模 型，要求已知而且准确 对对通道模型要求弱，大多数情况 无需对对象模型 对时变对时变 与非线线性对对象的适应应性 弱 对时变对时变 与非线线性对对象的适应应性 与鲁鲁棒性强 Date15过程控制 (1) 前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的 ，如果控制作用恰倒好处,一般比反馈控
9、制及 时 (2) 前馈控制属于开环控制系统 (3) 前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控 制器. (4) 一种前馈控制作用只能克服一种干扰 前馈控制与反馈控制的比较 Date16过程控制 二、 静态前馈控制 系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿,此时,前馈控制器的输 出是输入量的函数, 而与时间因子无关.对控制要求不是很高,只关心结果, 不重过程 例4 列管换热器控制 1) 生产过程 2) 调节量 ( 2 ) 3) 扰动量 ( Q, 1, p ) 4) 热平衡方程及控制算法 换热器 料液 Q, 12 D 加热蒸汽 Date17过程控制 无论Q, 1如何变变化，总总有D=kQ( 2r- 1
10、), Q, 1的扰动都能由蒸汽流量D立 即进行补偿得到蒸汽流量的给定值D*=kQ( 2r- 1). 前馈补 偿器 调节 器 阀管道换热器 压力 变送器 Q1 D 2 D* 2r 5) 前馈控制算法与对象数学模型关系:从本质上讲, 算法就是数学模型 Q 1 D 2r 数学模型 Q 1 D 2r 前馈控制算法 换热器 T X Q 1 2r1 +- k QC DT DT D* D D 2 静态前馈补偿器 Date18过程控制 6) 参数对控制的影响 QD 2rD 1D k对出口温度2的影响： 通过调整k值可以调整出口温度与 设定值的残差 k过小，D的减小过小,残差为正 k过大，D的减小过大，残差为负
11、 k适当，D的减小与Q的减小匹配，残 差为0 换热器 T X Q 1 2r1 +- k QC DT DT D* D D 2 静态前馈补偿器 料液 流量 蒸汽 流量 Date19过程控制 7) 前馈控制与常规PID空制的比较 (a) PID控制过程 (b) 静态前馈控制过程 前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差 前馈控制超调量小 前馈控制作用时间短. 静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性 和很强的自身平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断 Date20过程控制 8) 静态前馈控制缺点 负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时温度误差 如果负荷情况与当初调整系统时的情
12、况不同,就有可能出现残差. 右图中曲线 -料液流量Q -蒸汽流量D -按静态前馈控制时Q 料液 出口温度变化曲线.存在一段时 间较小的偏差,是由于扰动通道 和调节通道之间对象动态特性不 同所引起的动态偏差.静态前馈 补偿不能解决 从理论上说，按静态模型设计的 前馈控制装置可以保证静态偏差 为零，但无法干预动态偏差的发 生 Date21过程控制 三 动态前馈控制 动态前馈控制的作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿通 过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这一 通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并使他们的符号 相反，便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响
13、 Gff(s)Gv(s)GPC(s) GPD(s) + + 1 扰动F Q 动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制 器的控制规律不同.动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数, 而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和 动态误差都接近或等于零。 Date22过程控制 1. 动态补偿器的设计 扰动量-D(s) 被调量-Y(s) 没有补偿器时, 扰动量D只通过Gd(s) 影响Y,即 Gv(s) Gff(s) 补偿器 m 调节阀 Gp(s) D Y(s) 扰 动 被调量 Gd(s) 有了补偿器后，扰动量D同时还通过补偿通道Gff(s)Gv(s)Gp(s
14、)来影响被 调量Y,则 根据不变性原理, 有 补偿器传递函数为： Date23过程控制 假定扰动通道传递函数Gd(s)和调节通道传递函数Gp(s)均为 纯迟延, 且为 调节阀特性Gv(s)=kv, 则在扰动D作用下，进行静态前馈控制 ，静态前馈装置只需实现 此时只能保证稳态时对扰动的补偿 Gff(s) Gv(s) GP(s) GD(s) + + Y(s)D Date24过程控制 D t 0 y t p d 扰动D的变化引起被调量持续时间为(d-p)的一 个瞬变过程. 要进行动态补偿, 需要把前馈信号 推迟d-p 如果Gd(s)和Gp(s)分别是时间常数为Td和Tp的一阶惯性环节，控制仍设 置为
15、静态前馈控制，使Gff(s)=-1/k, 则有 (假定TdTp) 当t+时,limy(t)=0,静态误差为零.由于两个通道 时间常数不同，出现了动态偏差 D t 0 y t Td Tp 0 Date25过程控制 2. 简单的动态补偿器：导前-滞后环节 1) 按不变性原理实现完全补偿只有理论意义,实际上是不可能实现的 过程的动态特性难以测准，而且具有不可忽视的非线性，特别是在不 同负荷下动态特性变化很大。 写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现 2) 可以采用前馈控制的过程的特点： 扰动通道和调节通道的传递函数性质相近 如果有纯迟延，在数值上比较接近 在大多数情况下，只需要考虑主要的惯性环节，即实现部分补偿通常 采用简单的导前-滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函 数为： 其增益为1, 只起动态补偿的作用. 按过程的静态模型设计的静态前馈控 制装置则保持静态准确性。 1导前时间；2滞后时间 Date26过程控制 Gff(s) DM(s) d(t) t t m(t) 12 12 10.3 控制系统中的大时延能导致系统的稳定性下降，甚至不稳 定。 6-3 大迟延系统 Date35过程控制 克服纯延时的几种常见方案克服纯延时的几种常见方案 改进型常规控制：改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。具有通用性广等特点，目前较常用。 预估补偿：预估补偿：原理上能消除
