中国石油大学过程控制课件08-1 纯滞后过程控制与预测控制

1、纯滞后过程控制主要内容n问题引出nSmith 补偿器n改进Smith 补偿器n内模控制的结构n实际内模控制器n内模控制仿真常规 PID 控制系统pGcase1：;1100 . 1)(4spessGcase2：;1100 . 1)(10spessG比例积分控制器会发生什么情况？常规PID控制仿真case1：41.0( )101spGsescase2：101.0( )101spGses怎么办？主要内容n问题引出nSmith 纯滞后补偿器n改进Smith 补偿器n内模控制的结构n实际内模控制器n内模控制仿真Smith预估控制器( )cG s( )ppk gspse( )D s( )Y s( )Y s

2、( )R s( )cG s( )ppk gspse( )D s( )Y s( )Y s( )R s( )( )( )( )1( )( )ppcppck gs G sY sR sk gs G s( )( )( )1( )( )ppppck gsY sD sk gs G sSmith预估补偿原理关键是内部模型！( )cG s( )ppk g spse( )D s( )Y s( )Y s( )R s( )cG s( )psppk gs e( )sG s( )R s( )U s( )D s( )Y s( )Y s+-Smith预估补偿原理( )cG s( )psppk gs e( )sG s( )R

3、s( )U s( )D s( )Y s( )Y s+-( )( )( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )( )ppsppscppcsppcppsck gs eG sG sk gs G sY sR sk gs G sk gs eG sG s( )( )( )psppppsk gsk gs eG s( )( ) 1pssppG sk gseSmith预估补偿器( )( ) 1pssppG sk gse( )cG s( )psppk gs e( ) 1psppk gse( )R s( )U s( )D s( )Y s( )Y s+-( )cG s( )psppk gs e( )

4、1psppk gse( )R s( )U s( )D s( )Y s( )Y s+-( )cG s( )psppk gs e( ) 1psppk gse( )R s( )U s( )D s( )Y s( )Y s+-Smith预估补偿器Smith预估控制器( )cG s( )psppk gs e( )ppk gs( )R s( )U s( )D s( )Y s( )Y s+-+-pse+PID控制器单回路与Smith控制的对比仿真10se10se仿真：模型一致的情况Kc= 1.1Ti = 20Kc= 10Ti = 1单回路PIDSmith预估对比仿真（续）10se8se仿真：模型不一致的情况模

5、型无偏差模型有偏差主要内容n问题引出nSmith 纯滞后补偿器n改进Smith 补偿器n内模控制的结构n实际内模控制器n内模控制仿真改进的Smith预估控制器( )cGs( )psppk gs e( ) 1psppk gse( )R s( )U s( )D s( )Y s( )Ys+-理想Smith预估器改进Smith预估器11)(sTsGff性能n稳定性优于原方案n对模型精度要求降低nPI调节器按模型完全正确去整定n整定Tf主要内容n问题引出nSmith 纯滞后补偿器n改进Smith 补偿器n内模控制的结构n实际内模控制器n内模控制仿真基本内模控制结构内模控制器 不是PID控制器( )cG

6、s 如何构成的？( )cG s( )cG s( )pG s( )mGs( )dG s( )Y s( )D s( )U s( )R s( )eD s内模控制器( )cG s( )pG s( )mGs( )dG s( )Y s( )D s( )U s( )R s( )eD s1( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cmdcpcmG s GsGsY sD sG s GsG s Gs( )0Y s 情况情况I ：R(s) = 0, D(s) = 幅值为1的阶跃干扰 1( )( )cmG sGs内模控制器( )cG s( )pGs( )mGs( )dGs( )Y s( )D s( )U

7、 s( )R s( )eD s( )( )( )( )1( )( )( )( )pccpcmGs G sY sR sG s GsG s Gs( )( )Y sR s情况情况II ：D(s) = 0, R(s) 01( )( )cmG sGs内模控制的闭环传递函数( )( )( ) 1( )( )( )( )( )1( )( )( )1( )( )( )pcdcmcpmcpmGs G sGsG s GsY sR sD sG sGsGsG sGsGs由基本的内模控制结构图，可得：( )cG s( )pGs( )mGs( )dGs( )Y s( )D s( )U s( )R s( )eD s1( )

8、( )cmG sGs主要内容n问题引出nSmith 纯滞后补偿器n改进Smith 补偿器n内模控制的结构n实际内模控制器n内模控制仿真实际内模控制器1( )( )cmG sGs( )1msmmmK eGsT s控制器是内模的逆！是否可以实现？1( )msmcmT seG sK纯超前环节分子阶次比分母高结论：结论：理想控制器不可实现！理想控制器不可实现！实际内模控制器1( )( )cmG sGs1231( )11mmmmmKT sGsT sT s控制器是内模的逆！是否可以实现？23111( )1mmcmmT sT sG sKT s如果为负，不稳定控制器分子阶次比分母高结论：结论：理想控制器不可实

9、现！理想控制器不可实现！用计算机很容易实现！实际内模控制器1cmKK根据以上的结论，我们来设计实际的内模控制器。首先将内部模型分为静态部分和动态部分：控制器动态近似为模型动态的逆！1( )cmggs如何实现近似？实际的内模控制器由过程模型除去不可逆部分后剩余部分的逆构成，即实际内模控制器( )( )( )mmmgsgs gs将模型的动态部分进行因式分解：不可逆部分，包括所有的纯滞后和右半平面零点可逆部分，剩余的环节111( )( )( )cmmmG sKgsGs实际内模控制器111( )( )( )cmmmG sKgsGs1231( )11mmmmmKT sGsT sT s23111( )1mmcmmT sT sG sKT s分子阶次比分母高怎么办？加入一个静态增益为1的低通滤波器f实际内模控制器( )cG s( )fGs( )pGs( )mGs( )dGs( )Y s( )D s( )U s( )R s( )eD s1( )1frfGsT s设为希望的闭环函数 使分母的阶次不小于分子的阶次主要内容n问题引出nSmith 纯滞后补偿器n改进Smith 补偿器n内模控制的结构n实际内模控制器n内模控制仿真内模