第六章-利用补偿原理提高系统109年.ppt

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 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 例1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 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 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 1 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 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 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不变性程度 提出了几种不变性 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 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 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 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 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 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 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 G f D r 2 前馈控制方案 前馈控制与反馈控制的比较 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 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 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 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 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 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 残差为正 k过大 D的减小过大 残差为负 k适当 D的减小与Q的减小匹配 残差为0 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 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 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 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 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 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 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 利用导前 滞后补偿器进行前馈控制时 要实现补偿 在它的输入和输出函数间的累积面积应该与未经补偿的过程响应曲线相匹配 大小相等 符号相反 那么响应曲线的净增面积为零 经过补偿后输入和输出之间的累积面积为 未经动态补偿的响应曲线的累积面积为 则要使补偿后响应曲线的净增面积为零 可以使得 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 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 2 前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的 一种前馈控制作用只能克服一种干扰 前馈 反馈控制系统 将前馈和反馈结合起来 既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点 又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处 降低了系统对前馈补偿器的要求 使其在工程上更易于实现 3 属于开环控制 对被调量无检验 典型的前馈 反馈控制系统 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 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 前馈控制器 Q 1 D 反馈控制 其他干扰 补偿前馈控制不准确引起的偏差 换热器前馈 反馈控制系统 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 只需要对主要的干扰进行前馈补偿 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 实现前馈控制的必要条件是扰动量的 可测及不可控性 可测 指扰动量可以通过测量变送器 在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号 不可控 指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制 如生产中的负荷 扰动量变化频繁且幅值较大 扰动对被控量影响显著 反馈控制难以及时克服 且过程对控制精度要求十分严格的情况 前馈控制的应用场合 当控制通道与扰动通道的动态特性相近时 静态前馈 当控制通道与扰动通道的时间常数相差较大时 动态前馈 在许多工业生产过程中 例如 传送物料能量 测量成分量 皮带运输 带钢连轧机 以及多容 多种设备串联等过程 都存在较大的纯时延 例 大延时对象一般是指广义对象的时延与时间常数之比大于0 3 即 T 0 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 克服纯延时的几种常见方案 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 微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值 因而克服动态超调的作用有限 一 改进型常规控制方案 微分先行控制方案 微分环节的输出包括被控参数及其变化速度值 因而克服动态超调的作用强 中间微分控制方案 只在动态过程中起调节作用 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 中间反馈控制方案简单易行 且对降低超调量有显著的效果 不能克服滞后 二 Smith预估补偿控制方案 1957年史密斯 O J M Smith 提出了一种以模型为基础的预估器补偿控制方法 设计思想 预先估计出过程在基本扰动作用下的动态响应 然后由预估器进行补偿 试图使被延时了 的被控量超前反馈到控制器 使控制器提前动作 从而大大降低超调量 并加速调节过程 可见控制器的输出需要经过时间 才起作用 为了使控制器的输出信号与反馈信号Y S 之间无延时 必须满足 整个系统的闭环传递函数为 显然 在系统的闭环特征方程中 已不再包含纯滞后环节 因此采用Smith预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响 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 例 已知某过程控制系统如图 返回 三 采样控制方案 调一下 等一等 的办法 当调节器输出达一定时间后 就不再增加 或减小 了 而是保持此值 保持的时间与纯滞后时间 0相等或再稍长些 直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止 根据偏差的大小再决定下一步的控制动作 采样控制方案 核心思想是避免调节器进行不必要的误操作 而宁愿让控制作用弱一些 无需掌握精确的过程动态特性 就能克服被控过程中纯滞后对控制带来的不利影响 注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间 6 4非线性增益补偿系统 一概述 1 非线性增益对控制系统的影响 线性系统的特征是可以应用线性叠加原理 非线性系统不能应用 使系统动态品质变坏 稳定性分析复杂 可能出现自激振荡 2 非线性因素的存在形式 典型非线性特性用以实现控制的仪表或执行机构中包含的非线性 常见的有继电特性 死区 饱和 限幅 间隙 摩擦等 对象的变增益特性 对象的增益在很多情况下不是常数 而是负荷 调节量等因素的非线性函数 二 对象静态非线性特性的补偿 严格地说 大部分工业过程的静态特性都具有非线性特性 其增益随负