x5计算机控制策略与实现

1、1过程控制过程控制 Process Control 下篇下篇 计算机控制技术计算机控制技术 第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现内蒙古科技大学信息工程学院测控技术与仪器专业内蒙古科技大学信息工程学院测控技术与仪器专业2本章要求本章要求基本要求：基本要求：掌握串级、前馈控制策略的计算机掌握串级、前馈控制策略的计算机实现方法；了解其它计算机控制策略。实现方法；了解其它计算机控制策略。重点：重点：串级控制策略的计算机实现方法串级控制策略的计算机实现方法3本章提要本章提要 数字数字PID控制算法及其扩展是目前计算机控制算法及其扩展是目前计算机控制系统中最常用的一种控制策略，对于一般控制

2、系统中最常用的一种控制策略，对于一般控制对象可以达到较为满意的控制效果。但是控制对象可以达到较为满意的控制效果。但是对于一些有特殊控制要求或具有复杂对象特性对于一些有特殊控制要求或具有复杂对象特性的系统则难以满足要求。为此，必须采用复杂的系统则难以满足要求。为此，必须采用复杂控制策略。控制策略。 本章主要介绍几种常用的行之有效的新型本章主要介绍几种常用的行之有效的新型控制策略及其实施技术。控制策略及其实施技术。4第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制 5.2 前馈控制前馈控制 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制 5.4 超驰控制超驰控制5 串级控制是在单回

3、路串级控制是在单回路PID控制基础上首先发展控制基础上首先发展起来的一种控制方式。是改善系统控制质量的一种起来的一种控制方式。是改善系统控制质量的一种极为有效的控制方案，并且得到了广泛的应用。详极为有效的控制方案，并且得到了广泛的应用。详细内容已在上篇过程控制中讲授。细内容已在上篇过程控制中讲授。第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制5.1 串级控制串级控制主要特点：主要特点：1 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；2 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速 反应能

4、力；反应能力；3 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一 定的适应能力。定的适应能力。6例：反应釜温度与夹套温度串级控制示意图为例：反应釜温度与夹套温度串级控制示意图为第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制7第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制串级控制系统的一般结构框图串级控制系统的一般结构框图 主回路主回路-定值控制定值控制副回路副回路-随动控制随动控制8第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制计算机串级控制计算机串级控制 串

5、级控制系统中主回路的响应速度慢，副回路串级控制系统中主回路的响应速度慢，副回路的响应速度快，计算机控制一般采用异步采样控制，的响应速度快，计算机控制一般采用异步采样控制，即主回路的采样控制周期即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期是副回路采样控制周期T2的整数倍，通常的整数倍，通常T1 3T2，以避免主副回路之间，以避免主副回路之间发生干扰和共振。若采用同步采样控制，即主副回发生干扰和共振。若采用同步采样控制，即主副回路的采样控制周期相同，此时应以副回路为准。路的采样控制周期相同，此时应以副回路为准。9第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制1.主

6、回路和副回路同步采样控制主回路和副回路同步采样控制串级控制的计算顺序是先主回路后副回路，计算步骤：串级控制的计算顺序是先主回路后副回路，计算步骤：（1）计算主回路的偏差）计算主回路的偏差)()()(111kykrke（2）计算主调节器的增量输出）计算主调节器的增量输出)1()()()()(11111111kekeKkeKkeKkuDIP.,/,/) 1()()(111111111微分系数积分系数；TTKKTTKKkekekedPDiPI式中式中10第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制（3）计算主调节器的位置输出）计算主调节器的位置输出)() 1()(1

7、11kukuku也可采用下列改进算法：也可采用下列改进算法：)()()()() 1()(111111kukukukukuku改进算法：改进算法：限定主调节器输出变化幅度，目的是防止副回路限定主调节器输出变化幅度，目的是防止副回路设定值的变化过于激烈而使系统工作不平稳。参数设定值的变化过于激烈而使系统工作不平稳。参数 是是根据具体对象确定的系数。根据具体对象确定的系数。,. 1（4）计算副回路的偏差）计算副回路的偏差)()()(212kykuke11第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制（5）计算副调节器的增量输出）计算副调节器的增量输出)1()()()(

8、)(22222222kekeKkeKkeKkuDIP.,/,/) 1()()(222222222微分系数积分系数；TTKKTTKKkekekedPDiPI式中式中（6）计算副调节器的位置输出）计算副调节器的位置输出)() 1()(222kukuku每个采样周期计算一次，并将副调节器的输出送每个采样周期计算一次，并将副调节器的输出送D/A转换器，转换器，经经D/A转换成模拟信号驱动执行机构，去控制被控对象。当转换成模拟信号驱动执行机构，去控制被控对象。当执行机构可接受数字信号时，则可不必进行执行机构可接受数字信号时，则可不必进行D/A转换，直接转换，直接将将u2(k)送往执行机构。送往执行机构。

9、12第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制串级同步采样控制算法流程图串级同步采样控制算法流程图计算机串级控计算机串级控制的主、副调制的主、副调节器也可采用节器也可采用改进型的改进型的PID算算法。法。13第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制2.主回路和副回路异步采样控制主回路和副回路异步采样控制 许多串级控制系统中主控对象和副控对象的许多串级控制系统中主控对象和副控对象的特性相差悬殊，因此，主、副回路根据各自对象特性相差悬殊，因此，主、副回路根据各自对象特性选择相应的采样控制周期，称为异步采样控特性选择相应的采样

10、控制周期，称为异步采样控制。通常取主控采样时间制。通常取主控采样时间T1=MT2,(M为大于等于为大于等于3的整数）的整数）,T2为副回路采样周期。异步采样控制为副回路采样周期。异步采样控制算法流程如图。算法流程如图。14第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.1 串级控制串级控制串级异步采样控制算法流程串级异步采样控制算法流程15第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制 前馈补偿控制是根据扰动不变性原理设计的，前馈补偿控制是根据扰动不变性原理设计的，它可以在偏差产生之前通过前馈补偿环节抵消扰动它可以在偏差产生之前通过前馈补偿环节抵消扰动

11、产生的不良影响。只有补偿环节算法选择得当，对产生的不良影响。只有补偿环节算法选择得当，对扰动的补偿可以达到很高的精度。前馈控制在工业扰动的补偿可以达到很高的精度。前馈控制在工业自动控制系统中获得了广泛应用。自动控制系统中获得了广泛应用。5.2 前馈控制前馈控制16第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制完全补偿的条件：完全补偿的条件：0)(, 0)(zYzN静态前馈：静态前馈：fPCPNffKzGzGzG)()()(动态前馈：动态前馈：)()()(zGzGzGPCPNff1.计算机前馈控制计算机前馈控制17第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实

12、现 5.2 前馈控制前馈控制换热器静态前馈控制换热器静态前馈控制21()srFkF18第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制换热器静态前馈控制换热器静态前馈控制+动态补偿动态补偿19第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统（FFC-FBC)()()(zGzGzGPCPNff前馈控制算式前馈控制算式20第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制前馈前馈-串级控制系统串级控制系统21第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制

13、前馈控制前馈前馈-串级控制系统方框图串级控制系统方框图2( )PGs)()()(zGzGzGPCPNff前馈控制算式前馈控制算式22第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制2.计算机前馈控制算法计算机前馈控制算法)()()(zGzGzGPCPNff实现完全补偿的前馈控制器为实现完全补偿的前馈控制器为设对象干扰通道和控制通道的传递函数分别为设对象干扰通道和控制通道的传递函数分别为111( )1sPCKGseTs222( )1sPNKGseT s12( )1( )( )( )( )1fsPNffmPCGsTsM zGsKeN zGsT s 2211;mfKKK

14、 式中：23第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.2 前馈控制前馈控制12( )1( )( )( )( )1fsPNffmPCGsTsM sGsKeN sGsT s 对应的微分方程为对应的微分方程为21()( )( )()fmfdn tdm tTm tKTn tdtdt离散化得离散化得21()(1)( )(1)( )()ffmfn kkn kkm km kTm kKTn kkTT /()ffkT取整式中：式中：123( )(1)()(1)ffm ka m ka n kka n kk211123222;.mmTTTTaaKaKTTTTTT式中：式中：前馈控制算式前馈控制算式2

15、4第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制 在工业生产过程中，被控对象除了具有容量在工业生产过程中，被控对象除了具有容量滞后外，不少工业对象存在着纯滞后时间。具有滞后外，不少工业对象存在着纯滞后时间。具有纯滞后的过程被公认为是较难控制的过程，其难纯滞后的过程被公认为是较难控制的过程，其难控程度随着纯滞后时间占整个动态过程的份额增控程度随着纯滞后时间占整个动态过程的份额增加而增加。一般认为，纯滞后时间与过程的时间加而增加。一般认为，纯滞后时间与过程的时间常数之比若大于常数之比若大于0.3，则说该过程是具有大纯滞后，则说该过程是具有大纯滞后的工艺过程。

16、的工艺过程。 对于大纯滞后对象，常规对于大纯滞后对象，常规PID控制很难获得良控制很难获得良好的控制品质。因而成为一个重要的研究课题好的控制品质。因而成为一个重要的研究课题. 人人们也提出了不少控制方法。其中们也提出了不少控制方法。其中, Smith预估控制预估控制是一种应用较多较为有效的控制方法。是一种应用较多较为有效的控制方法。5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制25第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制设对象特性为设对象特性为1. Smith预估控制的基本原理预估控制的基本原理sPPCesGsG)()(系统的闭环传递函数为系统的闭环传递函数为s

17、PCsPCesGsGesGsGsRsYsG)()(1)()()()()(由于由于G(s) 的分母中包含有纯滞后环节，从而降的分母中包含有纯滞后环节，从而降低了系统的稳定性。若滞后足够大低了系统的稳定性。若滞后足够大,则系统将是则系统将是不稳定的，这就是大纯滞后过程难控的本质。不稳定的，这就是大纯滞后过程难控的本质。单回路控制系统单回路控制系统26第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制为了改善大纯滞后对象的控制质量，引入一个为了改善大纯滞后对象的控制质量，引入一个与对象并联的补偿器，称为与对象并联的补偿器，称为Smith预估器预估器 。)(sG则则

18、)()()()( sGesGsUsYsP为了补偿对象的纯滞后，要求为了补偿对象的纯滞后，要求)()()()()( sGsGesGsUsYPsP)1)()(sPesGsG27第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制带带Smith预估器的系统框图预估器的系统框图化化简简28第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制sPCPCsPCsPCsPCsPCesGsGsGsGesGsGesGsGesGsGesGsGsRsY)()(1)()()1)()(1)()(1)1)()(1)()()()(系统在给定值系统在给定值R

19、作用下的闭环传递函数为作用下的闭环传递函数为在系统的特征方程中已不包含滞后项，说明系统在系统的特征方程中已不包含滞后项，说明系统已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响。已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响。29第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制当大纯滞后系统采用计算机控制时当大纯滞后系统采用计算机控制时, 需将模拟需将模拟Smith预估控制器离散化为数字预估控制器离散化为数字Smith预估控预估控制器，即求出制器，即求出Smith预估控制算法。预估控制算法。2. Smith预估控制算法预估控制算法假设假设1)(1sTKsGPP则则)()()1

20、(1)1)()(1sUsYesTKesGsGCsPsP30第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.3 大纯滞后控制大纯滞后控制)()()1 (1)1)()(1sUsYesTKesGsGCsPsP利用后向差分变换法可得上式的差分算式利用后向差分变换法可得上式的差分算式)()() 1()(LnunubnaynyCCGC(s)一般采用一般采用PID控制算式，根据上式和控制算式，根据上式和PID的的差分算式，可以编制差分算式，可以编制Smith补偿控制的程序。补偿控制的程序。111;.1/1/PKabLT TT TT式中：式中：31第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现

21、 5.4 超驰控制超驰控制5.4 5.4 超驰控制（选择性控制）超驰控制（选择性控制）生产保护性措施生产保护性措施 硬保护措施硬保护措施软保护措施（软保护措施（超驰控制超驰控制）l 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统l 连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统l 混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统321. 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统 开关型选择性控制系统一般都用作系统的限值保护。开关型选择性控制系统一般都用作系统的限值保护。 正常工况下正常工况下（液位低于（液位低于75%）：裂解气出口温度控制系统）：裂解气出口温度控制系统非正常工况非正常工况（液位高达（液位高达75%

22、）：关闭控制阀，液位慢慢下降）：关闭控制阀，液位慢慢下降 当液位低于当液位低于75%时时带上限接带上限接点的液位点的液位控制器控制器电磁三通阀电磁三通阀第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制331. 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统 开关型选择性控制系统方框图开关型选择性控制系统方框图 第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制341. 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统 用信号器、切换器组成的开关型选择性控制系统用信号器、切换器组成的开关型选择性控制系统当当L75%时时, Pz0当当L75%时时, Pz

23、0.1MPa 当当Pz0时时, PyPx 当当Pz0.1MPa时时, Py0当液位低于当液位低于75%时，控制阀接受温度控制器的控制信号时，控制阀接受温度控制器的控制信号当液位高达当液位高达75%时，控制阀接受的信号为时，控制阀接受的信号为0，控制阀全关，控制阀全关第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制351. 开关型选择性控制系统开关型选择性控制系统 脱丙烷塔回流罐液位与丙二烯转化器进料脱丙烷塔回流罐液位与丙二烯转化器进料蒸发器液位开关型选择性控制系统蒸发器液位开关型选择性控制系统 正常工况正常工况（液位（液位L2低于低于75%） 回流罐液位回流罐液位

24、(L1)控制系统控制系统非正常工况非正常工况（液位（液位L2高达高达75%） 切断控制阀，液位切断控制阀，液位L2下降下降 当蒸发器液位低于当蒸发器液位低于75%时时, LC2接点断开接点断开第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制362. 连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统 例例1.锅炉燃烧系统蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统锅炉燃烧系统蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统防止脱火防止脱火A.O反作用反作用,窄比例窄比例正常情况正常情况:燃料气压力燃料气压力低于脱火压力低于脱火压力,PC1工作工作-蒸汽压力控制系统蒸汽压力控制系统非正常情况非正常情

25、况:燃料气压力燃料气压力高于脱火压力高于脱火压力, PC2工作工作-燃料气压力控制系统燃料气压力控制系统第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制372. 连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统 例例1.锅炉燃烧系统蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统锅炉燃烧系统蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统方块图蒸汽压力与燃料气压力选择性控制系统方块图第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制382. 连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统 例例2. 绿油塔液位与脱丙烷塔进料选择性控制系统绿油塔液

26、位与脱丙烷塔进料选择性控制系统正常情况正常情况:绿油塔液位绿油塔液位L高于给定值高于给定值LS,FC工作工作-进料流量控制系统进料流量控制系统非正常情况非正常情况:绿油塔液位绿油塔液位L低于下限值低于下限值LS,LC工作工作-绿油塔液位控制系统绿油塔液位控制系统窄比例窄比例正作用正作用PI反作用反作用第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制392. 连续型选择性控制系统连续型选择性控制系统 例例2. 绿油塔液位与脱丙烷塔进料选择性控制系统绿油塔液位与脱丙烷塔进料选择性控制系统绿油塔液位与脱丙烷塔进料选择性控制系统方块图绿油塔液位与脱丙烷塔进料选择性控制系统

27、方块图第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制403. 混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统 锅炉燃烧系统选择性控制系统锅炉燃烧系统选择性控制系统(防脱火、防回火防脱火、防回火) 混合型选择性控制系统中混合型选择性控制系统中,既包含有开关型选择的内容，既包含有开关型选择的内容，又包含有连续型选择的内容。又包含有连续型选择的内容。 连续型连续型防脱火防脱火开关型开关型防回火防回火带下限接点带下限接点当燃气压力当燃气压力低于下限值低于下限值时，关闭控时，关闭控制阀，防止制阀，防止“回火回火”第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制413. 混合型选择性控制系统混合型选择性控制系统 混合型选择性控制系统方块图混合型选择性控制系统方块图第第5章章 计算机控制策略与实现计算机控制策略与实现 5.4 超驰控制超驰控制42超驰控制由超驰控制由“预测事故预测事故逻辑判断逻辑判断自动取代自动取代”三个基本环节组成。三个基本环节组成。 超驰控制系统方块图超驰控制系