过程控制—复杂控制系统
合集下载
过程控制--复杂控制串级控制系统与均匀控制系统 ppt课件
出料 水温度变化 →釜壁温度变 化 → 反应釜温度变化
控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 → 冷却剂流 量变化 → 夹套内冷却剂温 度变化 → 釜壁温度变化 → 反应釜温度变化
ppt课件
17
解决方法
夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
假设液位测量范围为Hmax， 进出流量的测量范围均为
Qmax，则广义对象特性可
LC
表示成
副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响；
由于
D2' (s)
1
D2 (s) 1+ Gc2GvGp2Gm2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
ppt课件
25
反应器温度的串级控制响应
ppt课件
26
串级控制系统的特点（2）
振”（系统稳定性
进料 越差）。
ppt课件
38
串级系统副调节器选型
副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一 般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快 速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能 力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗 干扰能力。
修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将
控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 → 冷却剂流 量变化 → 夹套内冷却剂温 度变化 → 釜壁温度变化 → 反应釜温度变化
ppt课件
17
解决方法
夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
假设液位测量范围为Hmax， 进出流量的测量范围均为
Qmax，则广义对象特性可
LC
表示成
副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响；
由于
D2' (s)
1
D2 (s) 1+ Gc2GvGp2Gm2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
ppt课件
25
反应器温度的串级控制响应
ppt课件
26
串级控制系统的特点（2）
振”（系统稳定性
进料 越差）。
ppt课件
38
串级系统副调节器选型
副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一 般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快 速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能 力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗 干扰能力。
修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将
过程控制技术-第五章 复杂控制系统
5 复杂控制系统
5.1串级控制系统 5.1串级控制系统
串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多 的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简 单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级 控制系统
5 复杂控制系统
5.1.1组成原理 5.1.1组成原理 加热炉是工业生产中常用的设备之一。工艺要 求被加热物料的温度为某一定值。
图5-10
5 复杂控制系统
② 使副对象包含适当多的扰动，实际上是副被 控变量选择的问题。副被控变量越靠近主被控 变量，它包含的扰动量越多，但同时通道变长， 滞后增加；副被控变量越靠近操纵变量，它包 含的扰动越少，通道越短。因此，要选择一个 适当位置，使副对象在包含主要扰动的同时， 能包含适当对的扰动，从而使副环的控制作用 得以更好地发挥。
5 复杂控制系统
（2） 主、副控制器控制规律的选择 在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用 是不同的。主控制器起定值控制作用。副控制 器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本 出发点。
5 复杂控制系统
5 复杂控制系统
（1） 串级控制系统的构成原理 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5-3所 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5 示。 以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量， 构成一个简单控制系统，称为副控制系统或副环。 以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被 控对象的输出信号，构成一个控制系统，称为主控制系统 或主回路。 主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制 器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输 入信号。如图5 入信号。如图5-2、5-3所示。
5 复杂控制述两种方案的优点， 选取炉出口温度为被控参数，选择炉膛温度为 中间辅助变量，把炉出口温度控制器的输出作 为炉膛温度控制器的设定值构成了图5 和图5 为炉膛温度控制器的设定值构成了图5-2和图53所示的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系 统。这样扰动f 统。这样扰动f2（t）、f3（t）对炉出口温度的 ）、f 影响主要由炉膛温度控制器T 影响主要由炉膛温度控制器T2构成的控制回路 来克服，扰动f 来克服，扰动f1（t）对炉出口温度的影响由炉 出口温度控制器T 出口温度控制器T1构成的控制回路来消除。
复杂过程控制系统--串级控制
W *02 (s)W01 (s) Y1 (s) = F2 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Company Logo
对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Y1 (s)/X 1 (s) WC1 (s)W'02 (s) QC2 (s) = = = WC1 (s)WC2 (s)WV (s) Y1 (s)/F2 (s) W *02 (s)
Company Logo
(三)对一次扰动有较好的克服能力
对串级控制系统： Y1 (s)
W01 (s) = F1 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Байду номын сангаас
抗扰动能力：
Y1 (s)/X 1 (s) QC1 (s) = = WC1 (s)W'02 (s) Y1 (s)/F1 (s)
Company Logo
(一)改善了被控过程的动态特性
Company Logo
副回路闭环传递函数
WC2 (s)WV (s)W02 (s) Y2 (s) W02 (s) = = X 2 (s) 1+ WC2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
'
设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2， ' Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 ' K02 W02 (s) = ' T02 s + 1 ' 式中 K 02 ----等效被控过程的放大系数 ' T02 ----等效被控过程的时间常数
复杂过程控制系统
EXIT
第14页
过程控制及仪表
2．相对增益
在多变量过程控制系统中，虽然变量间相互关联，然而 总有一个操纵变量对某一被控变量旳影响是最基本旳， 对其他被控变量旳影响是次要旳，这就是操纵变量与被 控变量间旳搭配关系，也就是常说旳变量配对。
相对增益便是用来衡量一种选定旳操纵变量与其配正 确被控变量间相互影响旳尺度。
EXIT
第13页
过程控制及仪表
该系统中被控变量有两个，分别是塔顶温度T1 和塔底 温度T2；操作变量也有两个，即加热蒸汽流量Q2和回流 Q3。
T1C为塔顶温度控制器，其输出P1控制回流控制阀， 控制塔顶旳回流量，实现对塔顶温度T1旳控制。
T2C为塔底温度控制器，其输出P2控制再沸器加热蒸 汽控制阀，控制加热蒸汽流量Q2，实现对塔底温度T2旳 控制。
EXIT
第20页
过程控制及仪表
2．教授系统旳特点
教授系统经过移植到计算机内旳相应知识，模拟人类教 授旳推理决策过程。这一人工智能处理措施与常规旳软 件程序相比，具有如下旳明显特征：
1）教授系统是一种知识信息处理系统。 2）教授系统具有高度灵活旳问题求解能力。
3）教授系统具有启发性和透明性。
EXIT
第4页
EXIT
过程控制及仪表
根据其设计原理和构造旳不同，主要涉及： 增益调度自适应控制; 模型参照自适应控制系统; 自校正控制系统等。
EXIT
第5页
过程控制及仪表
1．增益调度自适应控制
这是一种最为简朴旳自适应控制系统，主要经过监测 过程旳运营条件来变化控制器旳参数，以此补偿系统 受环境等条件变化而造成对象参数变化旳影响，故称 为增益调度自适应控制。
第21页
过程控制及仪表
第8章YANG复杂过程控制系统
为了方便研究将被 控制对象的特性分 为静态和动态两部 分，以下解耦方法 主要研究系统的静 态特性！
耦合程度的度量方法
1)第一放大系数——开环增益
u1
K11 g11
K 21 g 21 K12 g12
y1 k11 u1
u2 const
K 22 g 22
各个系统处于开环状态，此时给u1加入扰动则y1和y2都发生 变化，则相应的变化增益为 yi Kij |uk const ,k 1,2 n,k j u j
则 GD (s) G0 (s)diagg Pii (s)
1
即
GD (s) G0 (s)diagg Pii (s)
1
1 adjG0 ( s)diagg Pii ( s) G0 ( s)
0 g022 (s) g012 (s) g P11 (s) 0 g ( s) g ( s) g ( s ) 011 P 22 021 g011 (s) g022 (s) g012 (s) g021 (s)
T2C输出 T1C输出 T2
Qs
T1 T 进料F 精 馏 塔
T1 C
回流罐
回流QL
塔顶产品QD
T2 C
T2 T
回流量QL T1
蒸汽QS
u2
再沸器
塔底产品QW
精馏塔温度控制系统
实例3：流量与 压力耦合控制
干扰使压力升高→通过调 节→开大阀1的开度，增加 旁路回流量，减小排出量， 迫使压力回到给定值上； 同时，压力的升高→调节 阀2前后的压差增大，导致 流量增大。 此时，通过流量控制回 路，关小调节阀2的阀门开 度，迫使阀后流量回到给定 值上。由于阀后流量的减小 又将引起阀前压力的增加。 结果导致系统无法工作。
第7章 复杂过程控制系统
1
r
冷却水(F2)
出料
①进料流量、进料入口温度 及其化学成分，表示为Fl； ②冷却水的入口温度和阀前 压力，表示为 F2。
2
连续反应釜单回路温度控制系统
F2 Tr 温度检测变送单元 控制器 执行器 夹套 釜壁
F1 釜 T1
连续反应釜单回路温度控制系统框图
问题： 来自于冷却水的干扰F2会使夹套温度T2很快 发生变化 ，怎样及时抑制干扰F2对反应温 度T2的影响 ？ 关键： 把T2的变化及时检测到并加以控制，就可以 使调节阀尽早动作。
G02 ( s ) K 02 T02 s 1
Gc2 (s) Kc2 Gv (s) Kv Gm2 (s) Km2
' K K K ( T s 1) K ' c2 v 02 02 G02 ( s) ' 02 1 Kc2 Kv K02 Km2 (T02 s 1) T02 s 1
令
2 可写成标准形式： s 2 20 s 0 0
当 0 1 时
2 ' 1 ( T T 2 01 02 ) 串 =0 1- = ' 2 T01T02
' 而对于单回路： 单 0
'2 1 (T01 T02 ) '2 1 2 ' T01T02
23
2．两步整定法
1）在工况稳定、主副回路闭合的情况下，主控制器采 用纯比例控制，且比例度置于100%，用衰减曲线法（ 如n=4:1）整定副控制器参数，求得副控制器在4:1衰 减过程下的比例度δ2s和衰减振荡周期T2s。 2）将副控制器的比例度置为δ2s，把副回路等效成主 回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器参数， 求得主控制器的比例度δ1s和衰减振荡周期T1s。 3）根据求得的δ2s、T2s、δ1s、T1s，按经验公式计 算出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间 。 4）按照先副后主、先比例后积分再微分的次序将系 统投入运行，并观察过渡过程曲线，必要时进行适 当的调整，直到系统的控制质量符合要求为止。
r
冷却水(F2)
出料
①进料流量、进料入口温度 及其化学成分，表示为Fl； ②冷却水的入口温度和阀前 压力，表示为 F2。
2
连续反应釜单回路温度控制系统
F2 Tr 温度检测变送单元 控制器 执行器 夹套 釜壁
F1 釜 T1
连续反应釜单回路温度控制系统框图
问题： 来自于冷却水的干扰F2会使夹套温度T2很快 发生变化 ，怎样及时抑制干扰F2对反应温 度T2的影响 ？ 关键： 把T2的变化及时检测到并加以控制，就可以 使调节阀尽早动作。
G02 ( s ) K 02 T02 s 1
Gc2 (s) Kc2 Gv (s) Kv Gm2 (s) Km2
' K K K ( T s 1) K ' c2 v 02 02 G02 ( s) ' 02 1 Kc2 Kv K02 Km2 (T02 s 1) T02 s 1
令
2 可写成标准形式： s 2 20 s 0 0
当 0 1 时
2 ' 1 ( T T 2 01 02 ) 串 =0 1- = ' 2 T01T02
' 而对于单回路： 单 0
'2 1 (T01 T02 ) '2 1 2 ' T01T02
23
2．两步整定法
1）在工况稳定、主副回路闭合的情况下，主控制器采 用纯比例控制，且比例度置于100%，用衰减曲线法（ 如n=4:1）整定副控制器参数，求得副控制器在4:1衰 减过程下的比例度δ2s和衰减振荡周期T2s。 2）将副控制器的比例度置为δ2s，把副回路等效成主 回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器参数， 求得主控制器的比例度δ1s和衰减振荡周期T1s。 3）根据求得的δ2s、T2s、δ1s、T1s，按经验公式计 算出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间 。 4）按照先副后主、先比例后积分再微分的次序将系 统投入运行，并观察过渡过程曲线，必要时进行适 当的调整，直到系统的控制质量符合要求为止。
复杂过程控制系统--串级控制专业教学
1.燃料压力、热值变化f2(t)和烟筒抽力变化f3(t) ----二次扰动或副回路扰动
2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动 或主回路扰动
7
技术教育
3.一次扰动和二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反 作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门， 加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值 上。
串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主 参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制 系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要 是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。
1．副回路应包括尽可能多的扰动
副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线 性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应 能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且 幅度大的主要扰动。
❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：
QC2
(s)
=
Y1 (s)/X 1 (s) Y1(s)/F2 (s)
=
WC1 (s)W'02 (s) W *02 (s)
=
WC1
(s)WC2
(s)WV
(s)
14
技术教育
为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得 出单回路控制系统(图4—1a)输出Y(s)对输入 X(s)的传递函数。
副调节器选P控制规律：副参数的设置是为了 保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化， 允许有余差。一般不引入积分(会延长控制过程， 减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本 身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作 过大，对控制不利)。
29
2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动 或主回路扰动
7
技术教育
3.一次扰动和二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反 作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门， 加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值 上。
串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主 参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制 系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要 是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。
1．副回路应包括尽可能多的扰动
副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线 性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应 能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且 幅度大的主要扰动。
❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：
QC2
(s)
=
Y1 (s)/X 1 (s) Y1(s)/F2 (s)
=
WC1 (s)W'02 (s) W *02 (s)
=
WC1
(s)WC2
(s)WV
(s)
14
技术教育
为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得 出单回路控制系统(图4—1a)输出Y(s)对输入 X(s)的传递函数。
副调节器选P控制规律：副参数的设置是为了 保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化， 允许有余差。一般不引入积分(会延长控制过程， 减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本 身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作 过大，对控制不利)。
29
复杂控制系统课件
谢谢您的聆听
THANKS
航空航天控制系统实例
总结词
航空航天控制系统的特点是高精度、高可靠性和高度集成化。
详细描述
航空航天控制系统的实例包括飞机和航天器的自动驾驶系统、导航系统、推进系统等。这些系统需要 精确地控制飞行姿态、速度和高度等参数，以实现安全、稳定的飞行和发射。同时，这些系统还需要 能够承受极端环境和条件下的工作，以确保飞行的安全和可靠性。
遗传算法是一种基于生物 进化原理的优化算法。
它通过模拟生物进化过程 中的基因突变、交叉和选 择等操作，来寻找最优解。
遗传算法具有全局搜索能 力强、能够处理多变量和 非线性问题等优点，但计 算量较大，需要调整的参 数也较多。
05
复杂控制系统的稳定性分析
稳定性分析的基本概念
平衡状态
系统在不受外界干扰的情 况下，能够保持不变的状态。
稳定性
系统受到外界干扰后，能 够恢复到平衡状态的性能。
线性系统与非线性系统
线性系统是指系统的输出 与输入成正比，而非线性 系统是指系统的输出与输
入不成正比。
线性系统的稳定性分析
1 2 3
劳斯-赫尔维茨准则 用于判断线性系统是否稳定的准则，通过计算系 统的特征方程的根来判断系统的稳定性。
频域分析法 通过分析系统的频率响应来研究系统的稳定性， 主要方法有Nyquist稳定判据和Bode图法。
优化算法广泛应用于控制系统设 计、信号处理、机器学习等领域。
优化算法的目标是找到使某个性 能指标达到最优的控制参数。
优化算法可以通过不同的迭代方 法来逼近最优解，如梯度下降法、 牛顿法等。
梯度下降法
梯度下降法是一种基于函数梯度的优化算 法。
它通过不断沿着函数梯度的负方向更新参 数，来逐渐逼近最优解。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
动态前馈G'ff(s)
过程控制
第二篇
复杂控制系统
动态前馈G‘ff(s)的图示说明：
扰动D
D Kff
Gd(s)
扰动输出
Gp(s)
静态前馈控制
动态前馈要 消除的面积
系统输出 调节输出
动态前馈产 生的面积
过程控制
第二篇
复杂控制系统
动态前馈控制器（补偿器）
D Gff(s)
Gff
(s)
1+ 1+
Tps Tds
2）前馈控制器的调节规律取决于过程的干扰通道特性和控制通道特性。 准确掌握上述特性是困难的，前馈控制器难以获得；工程上难于实现。 被控过程的非线性，使其动态特性发生变化，原有前馈控制器不再 适用，无法实现干扰的动态完全补偿。
前馈控制往往不能单独使用。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
4 前馈—反馈控制
使可测扰动对系统没有影响或影响很小；
F1
(s)
串级控制
前馈控制
G02 (s)
G01(s)
Y1(s) GF (s) GB (s)G0*2 (s)G01(s) 0
F1(s)
1 Gc1(s)G0*2 (s)G01(s)
G02*(s)≈1
GB
(s)
GF (s) G01 ( s )
GB
(s)
GF (s) G01 ( s)G0*2
(s)
多个变化频繁且剧烈的干扰影响，同时对被控变量的控制质量和稳定性要求较高
负荷扰动D 常规PID系统输出 史密斯控制系统输出
过程控制
第二篇
复杂控制系统
史密斯预估控制虽然对定值扰动有很好的控制效
果，然而对其他扰动控制效果变差，而且当预估器模 型不准确时，控制效果也变差（P141）。
史密斯预估器的几种改进方案
方案一
R(s) +
-
实现完全抗干扰
Gc(S)
的史密斯补偿器
Y'(s)
e-τds - + + +
由梅逊公式得到系统闭环传递函数
Y(s) R(s)
=
Gc (s)K pgp (s)e-τds 1 + Gc (s)K pgp (s)e-τds Gc (s)Kpgp (s)(1 - e-τds )
Gc (s)K pgp (s)e-τds 1 + Gc (s)Kpgp (s)
过程控制
第二篇
复杂控制系统
列管换热器控制
θ2r
+
∑ -
×
换热器热平衡方程为：
D
k QC
Qc p (2r 1 ) DH s
加热蒸汽
DT
θT DT
c p 为定压比热容
θ1 料液 Q
θ2
H
为汽化潜热
s
那么前馈控制器为： 常数
静态前馈控制器
K ff
D
cp Hs
Q(2r
1 )
kQ(2r
1 )
过程控制
系统特征方程不纯含迟延项，因此消除了纯迟延对 系统控制品质的影响。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
例6-2
R(s) + -
Gc(S)
Gp
(s)
2 e4s 4s 1
Y'(s)
D(s)
U(s)
Kpgp (s)e-τds
Y(s)
Kpgp (s)
e-τds - + + +
定值扰动R 常规PID系统输出 史密斯控制系统输出
Δw
Gc2(s) Kv
D
Gd(s) H
Gp(s)
W
当Gff(s) Gp(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。
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。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
定义：基于不变性原理的控制系统称为前馈控制系统。 是一种按扰动进行补偿的开环控制系统
Kpgp (s) = Kpgp (s)e-τds + Ksgs (s)
整理得史密斯预估器为： Ksgs (s) = Kpgp (s)(1 e-τds )
过程控制 史密斯控制框图
第二篇
复杂控制系统
R(s) + -
Gc(S)
Y'(s)
D(s)
U(s)
Kpgp (s)e-τds
Y(s)
Kpgp (s)
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-3 大迟延系统
1 概述 2 采用补偿原理克服大迟延的影响 3 史密斯预估器的几种改进方案
过程控制
第二篇
复杂控制系统
1 概述 大迟延对象：τ/T>0.3
控制难度：超调量大，调节时间长
简单解决办法：
r PI
d
y
r
Gp(s)
PI
d
y Gp(s)
T3s + 1 T4s + 1
（3）稳态不变性：
当 Di (t)
0 时，lim t
y(t)
0
（4）选择不变性：对主要扰动不变性
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-2 前馈控制系统
1 基本概念 2 静态前馈 3 动态前馈 4 前馈——反馈控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
1 基本概念
D
H
r + - Gc1(s)
汽包水位控制例
Gff(s)
微分先行控制
K DTDs TDs + 1
中间反馈控制
过程控制
第二篇
复杂控制系统
某大迟延对象Gp
(s)
2 4s 1
e4s不同控制方案仿真结果
方案 PID 微分先行 中间反馈
超调量 0.289 0.162 0.133
调节时间 25min
28min 21min
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2 采用补偿原理克服大迟延的影响
D
H
r + - Gc1(s)
复杂控制系统
Gff(s) Gc2(s)
D
Δw Kv
Gd(s) H
Gp(s)
W
若
G d (s)
=
Kd 1 + Tds
e-τd
Gp (s)
=
1
Kp + Tps
e-τp
静态前馈控制器为：
K ff
= Kd Kp
过程控制
复杂情况：
第二篇
复杂控制系统
静态前馈控制器的设计是按过程的物质或能量平衡 方程计算补偿校正值。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
5 前馈控制系统---选用原则
1）实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测既不可控性。 2）当过程控制通道的时间常数比干扰通道的时间常数大， 且反馈控制不及时而导致控制质量较差时，选用前馈控制。 3）当主要干扰无法用串级控制使其包含在副回路内或者副 回路滞后过大时，选用前馈控制。 4）经济性原则。通常动态前馈控制器的投资高于静态前馈 控制器。若静态前馈控制能够达到工艺要求时，应采用静态 前馈控制。
Gd(s)
Gp(s)
扰 动 D
过程控制
第二篇
复杂控制系统
3、前馈控制系统---特点
1）前馈控制属于开环控制。 ----只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 ----即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。
2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 ----通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。 ----当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。
=
KpgpGc (s)(s)e-τds KpgpGc (s)(s)e-τds
1
系统对R的响应为1，完全跟踪设定值。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
方案二
R(s) + -
Gc(S)
Y'(s)
增益自适应补偿 方案
D(s)
U(s)
Kpgp (s)e-τds
Y(s)
K mgm (s)
e-τds
÷
×
1+TDs
当模型匹配时可简化为
ห้องสมุดไป่ตู้
e-(τd -τp )s
讨论：
（1）Tp=Td，则 Gff (s) e-(τd -τp )s
Gd(s)
Gp(s)
扰 动 D
若 τd τp , 动态前馈为纯迟延可实现；
若 τd τp , 动态前馈为纯提前不可实现。
由此可得到：在选择调节通道时应选
择迟延短的和时间常数小的通道。
过程控制
第二篇
复杂控制系统
D1(s) Di(s) Dn(s)
U(s)
Y(s)
当 Di (t) 0 时， y(t) 0 i 1, 2,L n
被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动
工程实际中几种不变性
（1）绝对不变性： 当 Di (t) 0 时，y(t) 0
（2）误差不变性： 当 Di (t) 0 时，y(t)
4.1前馈-反馈复合控制系统
复杂控制系统
Y (s) Gc (s)G0 (s) R(s) GF (s) GB (s)G0 (s) F (s)
1 Gc (s)G0 (s)
1 Gc (s)G0 (s)
反馈控制
前馈控制
Y (s) GF (s) GB (s)G0 (s) 0 F (s) 1 Gc (s)G0 (s)