第六章 利用补偿原理提高系统的.ppt

1 第六章利用补偿原理提高系统的控制品质 2 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 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 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 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 3 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被调量 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 使被控对象不受干扰影响 这就是前馈控制 FeedforwardControl FFC 它是一种按干扰进行控制的开环控制 反馈控制是一种偏差控制 系统在控制中必定存在偏差 因此不能得到完美的控制效果 调节器总是在偏差出现后才开始动作 4 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 信号流向 反馈 前馈 主要干扰 换热器的物料量F 5 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 对干扰直接进行控制 控制比反馈及时干扰F 调节阀 1 行调节 优点 什么是干扰 6 系统传递函数为 系统对于干扰F实现完全补偿的条件是 前馈控制的理论基础是不变性原理 或称为扰动补偿理论 7 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不变性程度 提出了几种不变性 8 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 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 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 2 误差不变性 不变性 9 3 稳态不变性 4 选择不变性 带积分环节的反馈控制属于稳态不变性 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量无关 系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性 主要干扰 次要干扰 减少了补偿装置 节省投资又能达到对主要干扰的不变性 10 6 2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 它测量出影响过程的主要扰动因素 连同设定值一起 计算出适应扰动的调节量并进行控制 无论干扰何时出现 系统都立即开始校正 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 11 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 12 1 串级空制 2 如果负荷变化幅度大而频繁 难满足要求 水位波动大 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 动态偏差 调节过程加长 缺点 1 对扰动的响应不够及时 3 负荷对水位的影响存在假水位现象 调节过程产生更大 13 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 前馈控制 预先测量出过程的主要扰动因素 由对象的 物质或能量 平衡条件 计算出抵消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 14 15 16 前馈控制的特点 2 前馈控制属于开环控制系统 与反馈控制根本区别 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 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 17 前馈控制系统的应用场合 1 系统中存在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 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 18 二静态前馈控制 系统只需在稳定工况下对干扰量进行补偿 控制器的输出是输入量的函数 与时间因子无关 对控制要求不高 只关心结果 不重过程 例4列管换热器控制 1 生产过程 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 19 平衡方程 20 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 21 5 前馈控制算法与对象数学模型关系 从本质上讲 前馈控制算法就是过程的数学模型 D cpQ 2r 1 Hs 22 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 23 7 前馈控制与常规PID控制效果的比较 a PID控制过程 b 静态前馈控制过程 前馈控制比PID控制及时 能更早地 前馈控制超调量小 前馈控制作用时间短 校正偏差 静态前馈控制除了较高的精度外 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 24 8 静态前馈控的制缺点 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 D kQ 2r 1 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 料液流量Q 蒸汽流量D 静态前馈控制 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 动态不平衡区 25 三动态前馈控制 动态前馈控制器在任何时刻均能实现对干扰的补偿 选择合适的控制规律 使干扰经过调节通道和对象扰动通道的动态特性完全一致 符号相反 便可达到对干扰的完全补偿 动态前馈与静态前馈的结构相同 控制规律不同 动态前馈控制器的输出不仅是干扰量的函数 也是时间的函数 动态前馈的校正作用使被控量的静态和动态误差都接近或等于零 26 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 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 来影响被调量Y 则 根据不变性原理 有 补偿器传递函数为 27 假定扰动通道和调节通道传递函数Gd s 和Gp s 均为纯迟延 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 y 0 y t 0 28 扰动D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 调节通道 扰动通道 29 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 控制仍设置为静态前馈控制 使Gff s 1 k 则有 假定Td Tp 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 30 根据不变性原理 要实现动态补偿 则有 导前 滞后环节 31 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 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 过程的动态特性难以测准 而且具有不可忽视的非线性 写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现 能实现的 特别是在不同负荷下动态特性变化很大 32 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 由静态前馈装置保持静态准确性 由补偿后干扰通道和补偿通道关系有 1 导前时间 2 滞后时间 1 Tp 2 Td 33 换热器前馈控制系统方框图 换热器在前馈和反馈控制下的响应曲线 前馈控制的优越性 与反馈控制相比 控制质量好 而且不会出现闭环控制系统中存在的稳定性问题 在前馈控制系统中还不需要被调量的测量信号 34 四前馈 反馈控制系统 前馈控制系统的不足之处 1 静态准确性难保证 2 前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的 一种前馈控制作用 可以将前馈控制和反馈控制结合起来 构成前馈 反馈控制系统 既利用了前馈控制作用及时的特点 又保持了反馈控制能克服多个扰动和对被调量实现反馈检验的长处 3 对被调量无检验 要达到高度的静态准确性 需要有准确的数学模型 精确的测量仪表和计算装置 而且 模型中的系数也可能随运行条件而变化 只能克服一种干扰 35 典型的前馈 反馈控制系统 干扰通道 前馈补偿通道 反馈通道 系统的校正作用 Gc s Gff s 控制系统是偏差控制和扰动控制的结合 也称为复合控制系统 前馈 反馈控制系统对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完全相同 反馈回路中加入前馈控制对反馈调节器所需要整定的参数带来的变化不大 但是反馈调节器所需完成的工作量大大减小 而被调量的静态准确性 残差 总能够满足要求 36 前馈控制器 反馈控制 其他干扰 补偿前馈控制不准确引起的偏差 Q 1 D 37 前馈 反馈控制的优点 1 增加了反馈回路 简化了前馈控制系统 只需要对主要干扰进行前馈补偿 其他干扰可由反馈控制予以校正 2 反馈回路的存在 降低了前馈控制模型的精度要求 3 负荷或工况变化时 对象特性也要变化 可由反馈控制加以补偿 具有一定的自适应能力 38 6 3大迟延系统 2 迟延的形式 3 迟延对控制系统的影响 容积迟延 纯迟延 纯迟延的存在 使被调量不能及时反映系统所承受的扰动 使过程产生超调 延长了系统的调节时间 引起系统的不稳定 严重时会引起生产事故 危及人身和设备安全 具有纯迟延的过程被公认为较难控制的过程 其难控程度随着纯迟延 的增加而增加 1 大迟延 纯迟延时间 与过程的时间常数T之比大于0 3 即 T 0 3 39 4 解决方法 改进型常规控制 具有通用性广等特点 目前较常用 预估补偿 原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响 但前提是具有被控过程的精确模型 工程上往往难以实现 采样控制 成本较低 但干扰加入的时刻对控制效果影响较大 其他 大林算法 卡尔曼预估算法 灰色预测控制等 克服纯延时的几种常见方案 40 2 利用常规调节器适应性强 调整方便的特点 经过仔细个别的调整 在控制要求不太苛刻的情况下 满足生产的要求 1 在常规控制的基础上改动控制方案 微分先行 中间反馈 微分先行 只对测量值起微分作用的控制算法 微分环节接在反馈通道中 位于设定值与测量值的比较点之前 故称微分先行 在通常的PD或PID控制算法中 微分控制作用是与偏差的变化速度成正比的 不论设定值或测量值突然变化 微分控制作用十分猛烈 因此 采用通常的PD或PID控制算法时 设定值的调整必须比较和缓 为了不受这种限制 可以只对测量值起微分作用 而测量值一般是不会突然变化的 对象一般都具有惯性 一改进型常规控制 41 中间反馈控制方框图 三种控制方案在设定值扰动下过渡过程的比较见右图 微分先行和中间反馈控制方案简单易行 对降低超调量 缩短调节时间有一定效果 两方案都具有较大超调量 响应速度慢 如果在控制精度要求很高的场合 不能满足要求 需要采取其他控制手段 如补偿控制 42 二采用补偿原理克服大迟延的影响 大迟延系统采用的补偿方法不同于前馈补偿 它按照过程的特性设想出一种模型加入到反馈控制系统中 以补偿过程的动态特性 这种补偿反馈因构成模型的方法不同而形成不同的方案 史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的一种方案 Gs s 史密斯预估补偿器传递函数 43 Smith补偿系统分析 消除了大迟延对系统过渡过程的影响 使调节过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样 只是在时间坐标上向后推迟了一个时间 44 可以推导出系统的闭环传递函数为 可见随动控制经预估补偿 其特征方程中已消去了e s项 即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响 传递函数分子上的纯滞后环节表明被控量的响应比设定值滞后时间 45 史密斯预估补偿器的效果 1 设定值扰动时 能缩短控制系统的调节时间 减小超调量 例6 2 P139 2 对负荷扰动无效果 并且会引起系统的不稳定 3 加入史密斯预估器后系统鲁棒性降低 PID控制系统承受对象参数变化能力比带史密斯补偿器的系统强 PID控制系统对过程的动态性能精度要求不高 史密斯补偿方案对过程动态特性精确度要求高 46 动态特性参数变化对史密斯补偿控制系统的影响 在模型精确时 史密斯补偿控制系统的控制质量好 ITAE小 即调节时间短 超调量小 模型参数变化时 PID控制品质较稳定 其ITAE变化缓慢 而史密斯补偿控制的ITAE随对象参数变化出现