单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 利用补偿原理提高系统的,控制品质,1,6-1,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,),干扰多：准确性难以保证，存在多种残差,迟延：快速性降低,例,1,纯迟延系统的快速性分析,1),反馈控制的优点,(PID,控制,),原理简单,使用方便,不需知道对象的确切模型,适应性强,鲁棒性强,控制品质对被控对象特性的变化不敏感,鲁棒性,:,控制系统在其特性或参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能,2,上述几类问题用反馈控制难以得到好的控制品质，其原因可归纳为：,反馈控制是一种,偏差控制,系统在控制中必定存在偏差,因此不能得到完,善的控制效果,而且调节器总是在,偏差出现后,才开始动作反馈控制器不能事先规定它的输出值，而只是改变它的输出值直到被调量,与设定值一致为止,它是以,尝试法,来进行控制的,是一种原始的控制方法,问题,:,是否可以在,偏差产生前,(,扰动发生但还未影响到输出量,),就让调节机构作出反应,通过对干扰进行补偿来抵消其影响,从而使被控对象不受干扰的影响,.,这就是,前馈控制,(FFC),它是一种,按干扰进行控制的开环控制方式,.,3,例,2,换热器控制,(,用蒸汽,Q,对物料,F,进行加热,保持出料口物料温度稳定,),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,F,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,G,c,(s),G,v,(s),G(s),G,m,(s),r,1,闭环控制系统方框图,F(s),Q,e,信号流向,反馈,前馈,4,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,G,ff,(s),Gv(s),G,PD,(s),G,PC,(s),F(s),1,前馈控制系统方框图,Q,1,G,ff,(s),G,v,(s),G,PC,(s),G,PD,(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,蒸汽量,物料量,信号流向,信号流向,5,系统传递函数为：,系统对于干扰,F,实现完全补偿的条件是,:,G,ff,(s),G,v,(s),G,PC,(s),G,PD,(s),+,+,1,F,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,6,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,(,1),绝对不变性,对象在扰动,D,i,(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,.,实际中难以达到：对象的动态特性不可能绝对精确；扰动补偿装置实现上的困难理想的控制标准,设被控对象受到干扰,D,i,(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,D,i,(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不变性程度，提出了几种不变性,7,(2),误差不变性,准确度有一定限制的不变性可表示为,:,(3),稳态不变性,在干扰,D,i,(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,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,带积分环节的反馈控制属于稳态不变性,8,6-2,前馈控制系统,对象,前 馈,控制器,设定值,r,调节量,y,D1,D2,D3,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,无论干扰何时出现,都立即开始校正,使扰动在影响到被调量之前就被抵消掉,.,从理论上讲,前馈控制可是实现很完善的控制,即使是难控过程,其性能也仅受测量和计算精度的限制,一 基本概念,u=f(r,D1,D2,D3),9,例,3,锅筒锅炉的水位控制,锅炉的水位控制系统,生产过程：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,10,1.,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,假水位,:,锅炉蒸汽负荷突然,(,出汽,),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，反而上升反之一样,负荷扰动,主调,节器,副调,节器,调节阀,管路,锅炉,流量变送器,液位变送器,给水扰动,r,H,G(s),D(s),液位,-,流量串级控制,11,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,.,采用前馈控制,:,把影响过程的主要扰动因素预先测量出来,根据对象的物质,(,或能量,),平衡条件,计算出适应该扰动的调节量进行控制。
只要干扰出现,立即进行校正,使得扰动在影响被调量之间就被抵消,.,12,锅炉,D,DT,开方器,LT,LC,阀,QC,DT,开方器,h,I,G,*,I,G,I,D,+,-,I,f,蒸汽负荷,给水,G,锅炉水位前馈控制系统,I,G=f(D,r),13,前馈控制的特点,(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,一般比反馈控制,及时,控制类型,控制的依据,检测的信号,控制作用的发生时间,反馈控制,被控变量的偏差,e,被控变量,偏差出现后,前馈控制,干扰量的大小,干扰量,偏差出现前,(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,(1),系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著,反馈控制达不到质量要求时前馈控制系统的应用场合,(2),当控制系统的控制通道滞后时间较长,由于反馈控制不及时影响控制质量时,可采用前馈或前馈反馈控制系统,.,14,二 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,换热器,料液,Q,1,2,D,加热蒸汽,P,找出主要扰动,列出平衡方程,具体实现,2),调节量,(,2,),3),扰动量,(,Q,1,p),4),前馈控制设计思路,:,主要扰动,料液流量,Q,料液入口温度,1,15,平衡方程,16,换热器,T,X,Q,1,2r,1,+,-,k,QC,DT,DT,D*,D,D,2,静态前馈补偿器,前馈补,偿器,调节,器,阀,管道,换热器,压力,变送器,Q,1,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,实现,D=kQ(,2r-,1),无论,Q,1,如何变化,总有,D=kQ(,2r,-,1,),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,).,17,6),参数对控制的影响,Q,D,2r,D,1,D,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,欠补偿,k,过大,D,的减小过大,过补偿,k,适当,D,的减小与,Q,的减小匹配,残差为,0,换热器,T,X,Q,1,2r,1,+,-,k,QC,DT,DT,D*,D,D,2,静态前馈补偿器,料液流量,蒸汽流量,18,7),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,19,8),静态前馈控制缺点,(1),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,(2),如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同,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,D=kQ(,2r,-,1,),20,三 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,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G,ff,(s),G,v,(s),G,PC,(s),G,PD,(s),+,+,1,扰动,F,Q,扰动通道,调节通道,21,1.,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,G,d,(s),影响,Y,即,有了补偿器后,扰动量,D,同时还通过补偿通道,G,ff,(s)G,v,(s)G,p,(s),来影响被调量,Y,则,根据不变性原理,有,补偿器传递函数为,：,G,v,(s),G,ff,(s),补偿器,m,调节阀,G,p,(s),D,Y(s),扰,动,被调量,G,d,(s),扰动通道,调节通道,22,假定扰动通道传递函数,G,d,(s),和调节通道传递函数,G,p,(s),均为纯迟延,且为,调节阀特性,G,v,(s)=k,v,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,G,ff,(s),G,v,(s),G,P,(s),G,D,(s),+,+,Y(s),D,23,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,即,:,G,ff,(s),Kv,e,-,ps,e,-,ds,+,+,Y(s),D,G,ff,(s)=-1/K,v,*e,-(,d-,p,)s,D,t,0,y,t,p,d,y,0,t,24,如果,G,d,(s),和,G,p,(s),分别是时间常数为,T,d,和,T,p,的一阶惯性环节，控制仍设置为静态前馈控制，使,G,ff,(s)=-1/k,则有,(,假定,T,d,T,p,),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,y,t,G,ff,(s),Kv,1/(T,p,s+1),1/(T,d,s+1),+,+,Y(s),D,25,2.,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。