第二篇8-13章.ppt

过程控制系统及工程 信息学院自动化系 孙洪程Email Sunhc 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 8 1线性过程的非线性控制8 2非线性过程的非线性控制8 3位式控制 第8章 教学进程 8 1 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用以补偿 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而引入的非线性控制规律 8 1 线性过程的非线性控制 液位的非线性控制 8 1 1 1 实现均匀控制 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 液位偏差在不灵敏区小范围波动时 控制器输出变化很小 控制阀动作很小液位有小波动 流量也有小的波动 均匀控制系统的组成可采用单回路或串级结构P190图8 2 A B 不灵敏区内以PV代替SP 因此 不灵敏区成为 死区 不灵敏区外 和B型一样 液位的非线性控制 8 1 1 2 非线性控制器类型 PI PID型 不灵敏区内只是增益K发生变化 A型 PI型 K和Ti同时起作用 B型 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 使得液位超出不灵敏区后有一定的控制过程 不灵敏区内的KC的大小与不灵敏区宽度综合考虑 参数整定要注意的问题 B型的控制效果好些图8 3采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制 LC 正作用 正作用 高位继动器 低位继动器 正作用 高选器 低选器 Fi 气开 Fo 液位的非线性控制还可采用变增益的非线性控制器 是 控制器的增益或积分时间与输入偏差以一定关系连续地变化 例如控制器的增益KC及积分时间Ti与液位偏差以一个指数关系连续地变化 同时增益和积分时间之间为使系统 值恒定 保证Ti KC恒定 偏差与KC Ti间的关系可用下式表示 变结构控制 VSS 逻辑单元根据系统的要求和特点 选择运算规律 输入偏差 VSS采用计算机实现容易 简单的可以采用仪表的一些计算单元完成图8 5一个简单的变结构控制器对于高阶系统的控制效果好于一般PID控制器 开关 PI 过程 8 2 非线性过程的非线性控制 pH控制的非线性控制 8 2 1 有些非线性特性严重的过程 必须采用非线性控制 典型的非线性过程图8 9在PH值为7附近非线性畸变严重 斜率非常大 普通PID控制器难于控制PH控制在工业应用很多 如污水处理过程 C试剂 升溶液 pH 11109876543 5040 3020 100 1 带不灵敏区的非线性控制在PH 7附近实施不灵敏区的控制作用关键 不灵敏区的宽度 不灵敏区内的增益 参数整定时试凑 2 自适应PH值控制PH值变化曲线 会由于在废水中添加了弱酸或碱 有所改变 108642 108642 012345 012345 引如自适应控制器 感测系统的响应 判别系统的控制状态 非线性控制器 自适应控制器 不灵敏区宽度 ph 到控制阀 非线性控制器 根据PH控制系统的响应 输出信号去设定非线性控制器的不灵敏区的宽度除此之外 PH值还可以采用智能控制 实际上也是非线性控制 反应器的非线性控制 8 2 2 图8 14间歇反应器反应温度控制非线性串级控制器 变增益非线性控制器 图8 15 8 3 位式控制 位式控制的改进及其发展 8 3 1 较为古老的控制方式 继电器型控制 输出不连续控制信号缺点 产生不衰减的振荡环 1 一般的改善方法合理选择中间区 或采用多位式控制 以减小振荡的幅值 2 控制作用的改进脉冲宽度调制 输出变成一系列的方波 方波宽度受输入偏差的调制 提高方波变化的频率 接近连续控制 可消除振荡 时间比例式 脉冲输出的平均值与偏差e成正比 图8 16控制特性近似为PID 3 带模型反馈的位式控制双位式控制器 模型和被控设备 控制器与模型组成反馈回路 图8 19使用模型的开关控制 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 关键 开关时间的计算 1 手动Bang Bang控制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 2 自动Bang Bang控制快速调节器 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 图8 22 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 9 1纯滞后补偿原理9 2纯滞后补偿控制的效果9 3史密斯补偿的实现 第9章 教学进程 9 1 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Smith补偿器 纯滞后补偿的效果 9 2 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 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 Smith补偿器的加入 提高了控制品质 GC s GP s e s G s R 图9 3 史密斯补偿的实现 9 3 Smith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 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 帕德一阶 二阶方程P208式9 4 9 7这样 就可以采用物理装置实现转化为图9 11求得 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 一阶滞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 10 1关联系统解耦条件10 2解耦控制方案10 3解耦控制应用实例 第10章 教学进程 10 解耦控制系统 解耦控制 设计控制系统 消除系统之间耦合 关联系统解耦条件 10 1 方法 在相互关联的系统中增加一个解耦装置 解耦矩阵F S 使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵的乘积为对角阵 条件 广义对象的传递矩阵G S 必须是对角阵 GC1 s GC2 s P1 s P2 s F11 s F22 s P 1 s P 2 s G11 s G22 s F12 s F21 s G12 s G21 s Y1 s Y2 s R1 R2 关联系统解耦条件 10 1 方案一设置对角阵元素为原对象传递矩阵的主对角元素 方案二设置对角阵为单位阵 方案三设置对角阵元素为其它形式 优点 完全消除关联 完全解耦 理想解耦缺点 模型复杂 仪表实现困难 解耦控制方案 10 2 1 理想解耦 G S 与F S 的乘积必须为对角阵 2 简化解耦 解耦控制方案 10 2 选择一种简化的解耦模型 F S 的某两个元素固定为1 而且 这两个1不能处于一个控制器的输出端 如改用简化解耦 解耦装置模型可以有下面四种不同的形式 a b 对于a 求得 d c 精馏塔两端温度控制方案 解耦控制应用实例 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 11 1按计算指标的控制系统11 2推断控制系统 第11章 教学进程 11 按计算指标及推断控制系统 按计算指标的控制系统 11 1 有些情况 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 再进行控制 按计算指标的控制系统 1 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流体流量 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 内回流和外回流的关系 P224图11 1Li Lo LToH TR变化不大时 可以由Lo代替Li 否则 需要内回流控制 按计算指标的控制系统 11 1 VRTOHLO TRV2Li 实现内回流的方法内回流难于直接测量和控制 通过建立内回流和其它可测量的数学模型 计算内回流 进而实现内回流控制 内回流计算的数学模型 P224式11 3 可计算内回流仪表实现内回流控制系统 P225图11 2完成式11 3的计算已经形成专用仪表装置 按计算指标的控制系统 11 1 2 热焓控制系统 按计算指标的控制系统 11 1 热焓控制目的热焓 单位重量 体积的物料所积存的热量精馏塔操作 热焓是一个主要干扰单相进料 温度与热焓为单值关系 可用图11 3的控制方案混合进料 温度与热焓不是单值关系 需要进行热焓控制 热焓运算的数学模型及实施框图 2 热焓控制系统 按计算指标的控制系统 11 1 TC F 图11 3 控制系统 输出变量 外部扰动有可测和不可测的两类 可测输出 组成反馈控制系统 可测扰动 组成前馈控制系统 都不可测 推断控制 推测不可测被控变量 反馈推断控制 推测不可测扰动变量 前馈推断控制 前提条件 过程数学模型已知 其精度直接影响控制精度 1 反馈推断控制 被控量Y不可测 辅助量Z可测 扰动D不可测 各通道数学模型已知 建立Y和Z的数学关系式 构成反馈推断控制系统 2 前馈性质推断控制 被控变量Y及扰动D都不可测 借助于辅助可测量Z组成推断控制 估计器 信号分离 推断控制器 按Z变换设计的控制系统 12 1最小拍控制算法12 2大林控制算法12 3采样控制系统 第12章 教学进程 数字控制系统 12 按z变换设计的控制系统 根据控制系统性能指标Y z R z 可以设计数字控制器Gc z 或控制算法U z 数字控制器 最小拍控制算法 12 1 控制思想 在给定R变化下 Y要在最短时间内复现R没有纯滞后情况下 Y k R k 1 Y z R z z 1有纯滞后情况下 Y k R k N 1 Y z R z z 1 N求得控制器 缺点 易产生较大的振荡 并且 算法中没有可调参数 大林 Dahlin 控制算法 12 2 对于在最小拍控制算法的改进 使输出达到给定值的时间放得稍长一些 减轻Y的振荡 即 R为阶跃变化 R S 1 S离散化 求Y Z 再求R Z 求出Y Z R Z P236式12 19代入 得大林算法 例子 P236大林算法存在负实数极点 控制器对阶跃输入响应会有跳跃现象 需要改进 改进方法 见P237 239 大林 Dahlin 控制算法 12 2 分析 T q 0 趋于最小拍算法 T q 1 控制趋于平缓 振荡减弱 T是可以进行调整的参数 采样控制系统 12 3 1 数字式采样控制系统 模仿人工控制 操作一步 观察一步 处理具有大滞后的过程控制问题 常规PID反馈控制品质不好 得不到及时的反馈控制信息 如 Y Z R Z Z n在脉冲输入信号作用下 输出经过n个采样周期后回到给定值 对于具有纯滞后特性的系统 输出至少要经过时间 之后 才能复现输入信号 因此 要适当选择n n 1即为最小拍控制 采样控制系统 12 3 根据对闭环系统动态品质的要求可以设计数字控制器 为采样控制输出的一般形式 采样控制系统 12 3 2 模拟式采样控制系统 采样控制也可以由专用的模拟式采样控制器来完成 模拟式采样控制器一般具有PI控制规律 但是在每一个采样周期内只让积分作用导通一个很短的时间 然后就把它切断 到下一个采用周期时再让积分作用导通一个很短的时间 然后又把它切断 如此循环工作下去达到采样控制的目的 结果既能够发挥积分作用消除余差的效果 又能够克服因对象纯滞后的存在 不能及时反馈控制效果信息而导致控制器输出过头的弊端 模型预测控制 13 1模型算法控制13 2动态矩阵控制 第13章 教学进程 13 预测控制系统 预测控制基本思想 利用易于得到的工业过程脉冲响应或阶跃响应构成系统预测模型 大部分控制系统设计都要求需要准确的数学模型 对于实际工业过程很难满足 预测控制 基于对过程模型精度要求不高的思想下产生 模型算法控制 MAC 动态矩阵控制 DMC 预测控制 PC 现代控制理论 基于状态空间 如最优控制 极点配置等 应用航空航天 理想环境 工业过程控制 基于模型预测 预测控制石油 化工 发电等 先进控制算法 工业过程特点 数学模型的非精确性不确定性 随机性 参数时变性多变量系统控制算法的可实施性历史 脉冲响应与阶跃响应 滚动 13 预测控制系统 13 预测控制系统 特点 1 模型可以通过过程实验获得 简单 2 采用了非参数卷积模型 抗干扰 鲁棒性强 3 滚动优化 弥补模型的不精确性 4 理论简单 易于推广 于是 模型输出 y k 1 g1u k g2u k 1 gNu k N 1 模型算法控制 MAC 13 1 三部分组成 内部模型 参考轨迹 控制算法 1 内部模型 系统脉冲响应模型 y i gi i 1 2 3 N gi 0 I N 由卷积公式得 y k 1 gTu gTu g1 g2 gN uT u k u k 1 u k N 1 模型算法控制 MAC 13 1 2 参考轨迹 系统输出沿着一条光滑的曲线达到给定值 减少过量的控制的引导轨迹 参考轨迹 模型算法控制 MAC 13 1 3 优化算法 根据预测输出 参考轨迹 优化目标 可求解控制量U 预测轨迹尽量靠近参考轨迹 代入预测模型 最优预测控制得 动态矩阵控制 13 2 动态矩阵控制原理与算法控制结构组成优化策略反馈校正算法设计参数选择采样周期优化时域长度控制时域程度权矩阵误差校正向量 动态矩阵控制 13 2 DMC依靠对象的阶跃响应控制结构组成预测模型 动态矩阵控制 13 2 预测模型对象的动态特性通过动态系数 a1 a2 aN 来描述 a1 a2 aN