第六章 复杂过程控制系统

1、第六章第六章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 Wangyu Process Control System本章主要内容本章主要内容1 1、 大滞后补偿控制大滞后补偿控制2 2 、比值控制、比值控制3 3 、多变量解耦控制、多变量解耦控制Wangyu Process Control System6-1 6-1 大滞后补偿控制大滞后补偿控制Wangyu Process Control System概述概述延时函数延时函数00 ttx1 ttx1 Wangyu Process Control System(1) (1) 带传输过程带传输过程由于物料传输所引起的纯滞后传输滞后由于物料传输所引起的纯滞后

2、传输滞后概述概述Wangyu Process Control SystemtCtCtrtr连续轧钢过程：测厚仪通常安装在平整机出口一定距离的位置上。连续轧钢过程：测厚仪通常安装在平整机出口一定距离的位置上。执行器安装在轧钢机上，用来调整压下量。执行器安装在轧钢机上，用来调整压下量。 ( (2) 2) 连续轧钢过程连续轧钢过程概述概述Wangyu Process Control System( (3) 3) 蒸汽加热器流体加热过程蒸汽加热器流体加热过程概述概述Wangyu Process Control System大滞后补偿控制系统特点大滞后补偿控制系统特点 被控量不能及时反映系统所承受的扰动

3、。被控量不能及时反映系统所承受的扰动。 过程通常会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。过程通常会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。 /T /T大于大于0.30.3，称该过程是大滞后过程。，称该过程是大滞后过程。 滞后过程会降低整个控制系统的稳定性。滞后过程会降低整个控制系统的稳定性。概述概述Wangyu Process Control System大滞后补偿控制方案大滞后补偿控制方案l 改进型常规控制：改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。具有通用性广等特点，目前较常用。 l 预估补偿：预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响

4、， 但需被控过程的精确模型，工程上往往难以但需被控过程的精确模型，工程上往往难以 实现。实现。l 采样控制：采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影 响较大。响较大。l 其他：其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。概述概述Wangyu Process Control System（一）、微分先行控制方案（一）、微分先行控制方案 是一种比较简单、工程上易实现、又能满足一定控制是一种比较简单、工程上易实现、又能满足一定控制 质量要求的控制方案。质量要求的控制方案。 是能够按被控参数变化速度的大小来校正

5、被控参数的是能够按被控参数变化速度的大小来校正被控参数的 偏差。偏差。 对降低超调量具显著的效果。对降低超调量具显著的效果。常规大滞后补偿控制方案常规大滞后补偿控制方案Wangyu Process Control System 常规常规PIDPID控制系统控制系统PI+DPI+D微分先行控制系统微分先行控制系统D+PID+PI常规大滞后补偿控制方案常规大滞后补偿控制方案Wangyu Process Control System1(1)(1)( )(1)( )( )(1)(1)scIDsIocIDk T sT seY sX sT sWsk T sTe)2() 1)(1()()()(1sDIcoI

6、sIesTsTkssWTseTsFsY常规常规PIDPID控制系统控制系统常规大滞后补偿控制方案常规大滞后补偿控制方案Wangyu Process Control System)4() 1)(1()()()(1sDIcoIsIesTsTkssWTseTsFsY微分先行较常规微分先行较常规PIPID D少了一个零点少了一个零点Z=1/TZ=1/TD D , , 故超调量要小一些。故超调量要小一些。 微分先行控制系统微分先行控制系统1(1)( )(3)( )( )(1)(1)scIsIocIDk T seY sX sT sWsk T sTe常规大滞后补偿控制方案常规大滞后补偿控制方案Wangyu

7、Process Control System（二）、中间反馈控制方案（二）、中间反馈控制方案 使控制系统闭环传递函数极点位置发生变化，从使控制系统闭环传递函数极点位置发生变化，从 而使超调量大大下降，控制质量得到改善。而使超调量大大下降，控制质量得到改善。 微分作用是独立的，能及时起校正作用微分作用是独立的，能及时起校正作用。 常规大滞后补偿控制方案常规大滞后补偿控制方案Wangyu Process Control System（三）控制效果比较：（三）控制效果比较： （1 1）在给定值变化时，无论是微分先行方案，或中间反馈控制案，）在给定值变化时，无论是微分先行方案，或中间反馈控制案，其控制

8、过程的品质均优于常规其控制过程的品质均优于常规PIDPID，尤其在减小超调量方面效果更佳。尤其在减小超调量方面效果更佳。 （2 2）但仍然存在较大的超调，响应速度均很慢，不能满足高控制精）但仍然存在较大的超调，响应速度均很慢，不能满足高控制精度的要求。度的要求。常规大滞后补偿控制方案常规大滞后补偿控制方案Wangyu Process Control System方案二方案二 大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制SmithSmith预估补偿方案：预估补偿方案：n 预先估计出被控过程动态模型；预先估计出被控过程动态模型；n 将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行将预估器

9、并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行 补偿，力图将被延迟了时间补偿，力图将被延迟了时间 的被控量提前送入调节器。的被控量提前送入调节器。n 调节器能提前动作，通过补偿装置理论上可消除纯滞后特性在调节器能提前动作，通过补偿装置理论上可消除纯滞后特性在 闭环中的影响。闭环中的影响。 引入引入SmithSmith预估补偿器的目的是使调节器预估补偿器的目的是使调节器WWc c(s(s) )所控制的等效所控制的等效对象中能消除纯滞后部分，对象中能消除纯滞后部分， 即：即：Wo(s)eWo(s)e-s-s+ + Ws(sWs(s)= )= Wo(sWo(s) ) 大滞后过程的预估补偿控制大滞后过

10、程的预估补偿控制Wangyu Process Control SystemSmithSmith预估补偿控制系统原理图：预估补偿控制系统原理图：大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制Wangyu Process Control System比较单回路控制系统：比较单回路控制系统： 00( )( )( )( )1( )( )scscW s W s eY sX sW s W s e scfesWsWsWsFsY)()(1)()()(0传递函数（随动特性与抗扰动性能）传递函数（随动特性与抗扰动性能） 结论：结论：由于纯滞后的存在，闭环系统的品质大大恶化。若能将由于纯滞后的存在，闭环系统的品质

11、大大恶化。若能将W W0 0(s)(s) 与纯滞后分开，作为输出信号的反馈信号，可提高控制品质。与纯滞后分开，作为输出信号的反馈信号，可提高控制品质。 预估补偿装置预估补偿装置Wo(s)(1-eWo(s)(1-e-s-s ) )大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制Wangyu Process Control System史密斯补偿环节：史密斯补偿环节： PIDPID控制器控制器SmithSmith预估器预估器等效图：等效图： 控制器接受的测量信号比实际检测到的被控量提前了时间控制器接受的测量信号比实际检测到的被控量提前了时间 ，是一个对被控量的预估器。，是一个对被控量的预估器。缺点

12、：预估器需要知道被控过程的精确的数学模型，且对模型的误差十分敏感。缺点：预估器需要知道被控过程的精确的数学模型，且对模型的误差十分敏感。 大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制Wangyu Process Control System例题例题 有一个一阶加纯滞后过程，有一个一阶加纯滞后过程，1001( )101sG ses若若采用采用PIPI控制，则具有最佳整定参数的控制器控制，则具有最佳整定参数的控制器算式为算式为)2011 ( 1 . 1)(ssGc在在经过经过smithsmith补偿后补偿后重新整定控制器参数为重新整定控制器参数为)11 (10)(ssGc调节作用加强。调节作用

13、加强。大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制Wangyu Process Control SystemSmith预估补偿控制实施若干问题1 1、必须知道动态模型，且模型与真实过程一致才有效、必须知道动态模型，且模型与真实过程一致才有效2 2、过程模型只能近似代表真实过程，因此存在误差、过程模型只能近似代表真实过程，因此存在误差3 3、由于纯滞后为指数函数，模型纯滞后时间的真实、由于纯滞后为指数函数，模型纯滞后时间的真实 性非常重要性非常重要4 4、若过程的纯滞后由于物料流动引起的，则纯滞后、若过程的纯滞后由于物料流动引起的，则纯滞后 时间是变化的时间是变化的5 5、参数整定问题、参数

14、整定问题大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制Wangyu Process Control System方案三方案三 大滞后过程的采样控制大滞后过程的采样控制“调一下，等一等调一下，等一等”的办法的办法p 当调节器输出达一定时间后，就不再增加（或减小）了，而是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保持此值（保持的时间与纯滞后时间0 0相等或再稍长些），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；直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；p 根据偏差的大小再决定下一步的控制动作核心思想是避免调节根据偏差的大小再

15、决定下一步的控制动作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。器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。p 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。控制带来的不利影响。p 注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。 大滞后过程的采样控制大滞后过程的采样控制Wangyu Process Control System采样控制系统框图采样控制系统框图大滞后过程的采样控制大滞后过程的采样控制Wangyu Process Control Sy

16、stem加热炉温度预估补偿控制加热炉温度预估补偿控制 大滞后控制系统工业应用举例大滞后控制系统工业应用举例Wangyu Process Control System通过实验测得加热炉的数学模型为通过实验测得加热炉的数学模型为8009.9( )1201seW ss温度传感器与变送器的数学模型为温度传感器与变送器的数学模型为0.107( )101mWss则广义被控对象的数学模型为则广义被控对象的数学模型为80101.06( )( )( )(1201)(101)smeW sW s Wsss10101sse 9011.06( )1201seW ss/90/1200.750.3T大滞后控制系统工业应用举

17、例大滞后控制系统工业应用举例Wangyu Process Control System大滞后控制系统工业应用举例大滞后控制系统工业应用举例加热炉温度加热炉温度SmithSmith预估补偿系统框图预估补偿系统框图Wangyu Process Control System作业作业 4-19，4-22 Wangyu Process Control System6-2 6-2 比值控制系统比值控制系统Wangyu Process Control System概述概述 在现代工业生产过程中，经常要求两种或多种物料在现代工业生产过程中，经常要求两种或多种物料成一定比例关系混合或进行化学反应，一旦比例失调，

18、成一定比例关系混合或进行化学反应，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。成环境污染，甚至产生生产事故。 燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比 例混合后送入炉膛。例混合后送入炉膛。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合制药生产中要求药物和注入剂按比例混合造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆 量和水量比例。量和水量比例。Wangyu Process Control System示例示例例例1 1 某厂

19、生产中需要连续使用某厂生产中需要连续使用6 68 8NaOHNaOH溶液。溶液。如图所示，一般情况电化厂提供的如图所示，一般情况电化厂提供的3030液体液体NaOHNaOH 浓度比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要浓度比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要原因是入口碱和水的流量变化。原因是入口碱和水的流量变化。6 68 8NaOHNaOH混混 合合 器器30%30%NaOHNaOHHH2 2OO方案方案1 1：按反馈控制原理，设：按反馈控制原理，设 计单回路控制系统计单回路控制系统被控变量：被控变量： 出口浓度出口浓度控制变量：控制变量：水（或碱）流量水（或碱）流量问题：浓度信号难以

20、获取，即问题：浓度信号难以获取，即使可以获得，但系统测量变送使可以获得，但系统测量变送及控制通道滞后较大及控制通道滞后较大TTTTTCTCTrTrWangyu Process Control System示例示例混混 合合 器器6 68 8NaOHNaOH30%30%NaOHNaOHHH2 2OO方案方案2 2：若：若NaOHNaOH流量变化流量变化 时时 ，水也能按比例变，水也能按比例变 化，可以达到对出口化，可以达到对出口 浓度的完全补偿浓度的完全补偿入口入口30 NaOH和和H2O的质量的质量流量之比为流量之比为1：41：2.75，则，则可以满足出口浓度达到可以满足出口浓度达到68Wan

21、gyu Process Control System示例示例例例2 2 某厂废水中含有碱，若直接排入河道，将严重污染某厂废水中含有碱，若直接排入河道，将严重污染环境。常用两种解决办法，一种是从废水中回收碱，另环境。常用两种解决办法，一种是从废水中回收碱，另一种是加酸中和，保证排出的废水的一种是加酸中和，保证排出的废水的PHPH值等于值等于7 7。含碱废水酸方案：当含碱废水与方案：当含碱废水与添加的酸浓度变化不添加的酸浓度变化不大时，只要保证两者大时，只要保证两者流量成比例即可。流量成比例即可。排除废水Wangyu Process Control System比值控制系统概念比值控制系统概念上述

22、两例，都是通过保持物料的流量比来保证最终的质量。上述两例，都是通过保持物料的流量比来保证最终的质量。注意：注意：保持流量比是控制手段保持流量比是控制手段保持质量是控制目的保持质量是控制目的 凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。程控制系统，统称为比值控制系统。Wangyu Process Control System比值控制系统概念比值控制系统概念主流量主流量-起主导作用物料流量；起主导作用物料流量；副流量副流量-跟随主流量而变化的物料流量；跟随主流量而变化的物料流量；比例系数比例系数 : : K=Q K=Q1 1/

23、 Q/ Q2 2比值控制系统中的概念比值控制系统中的概念比值控制方案比值控制方案开环比值控制开环比值控制单闭环比值控制单闭环比值控制双闭环比值控制双闭环比值控制变比值控制变比值控制定比值控制定比值控制Wangyu Process Control System比值控制方案比值控制方案1、开环比值控制 此系统为开环控制系统此系统为开环控制系统 副流量没有反馈校正，故副流量没有反馈校正，故 本身无抗干扰能力本身无抗干扰能力存在的问题存在的问题如下：如下： 若水流量的入口压力变若水流量的入口压力变 化，则无法保证流量的比值化，则无法保证流量的比值结论：方案结构简单，但结论：方案结构简单，但 是很少采用

24、是很少采用混混 合合 器器6 68 8NaOHNaOH30%30%NaOHNaOHHH2 2OO1 1、开环比值控制、开环比值控制FCFCFTFTWangyu Process Control System比值控制方案比值控制方案2 2、单闭环比值控制、单闭环比值控制混混 合合 器器6 68 8NaOHNaOH30%30%NaOHNaOHHH2 2OO 两种物料流量之比较为两种物料流量之比较为精确，实施方便，得到广泛精确，实施方便，得到广泛应用。应用。 主流量是可变的，则进主流量是可变的，则进入的总量是不固定的，即系入的总量是不固定的，即系统负荷是波动的。统负荷是波动的。比值控比值控制器制器流量

25、控流量控制器制器F F2 2C CRCRCF F1 1T TF F2 2T TWangyu Process Control System比值控制方案比值控制方案NaOHNaOHHH2 2OOWangyu Process Control System比值控制方案比值控制方案能克服单闭环主流量不受控的不足。能克服单闭环主流量不受控的不足。3 3、双闭环比值控制、双闭环比值控制F F2 2C CF F1 1C CRCRC去混合器去混合器NaOHNaOHHH2 2OO优点优点:F F1 1T TF F1 1T Tr r1 1Wangyu Process Control System比值控制方案比值控制

26、方案NaOHNaOHHH2 2OOWangyu Process Control System比值控制方案比值控制方案 在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个变量的变化而变化。随第三个变量的变化而变化。 为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比为了满足上述生产工艺要求，开发并应用变比值控制。值控制。 变比值控制系统变比值控制系统是一个以第三个变量为主变量是一个以第三个变量为主变量( (质量指标质量指标) )、以两个流量比为副变量的、以两个流量比为副变量的。定义定义Wangyu Process Control System比值控制方案比值控制方案W

27、angyu Process Control System6-3 6-3 多变量解耦控制多变量解耦控制Wangyu Process Control System系统关联分析系统关联分析两个阀之间相互影响着。两个阀之间相互影响着。 在一个装置或设备上，如果设置多个控在一个装置或设备上，如果设置多个控制系统，就会出现关联（耦合）现象。制系统，就会出现关联（耦合）现象。V1Wangyu Process Control System系统关联分析系统关联分析关联系统的传递函数矩阵：关联系统的传递函数矩阵：111211222122( )( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )GsGsy

28、 su sY sG s U sy su sGsGs当当GG1212(s)(s)和和GG2121(s)(s)都不为零时，系统耦合都不为零时，系统耦合当当GG1212(s)(s)和和GG2121(s)(s)有一个为零时，系统半耦合有一个为零时，系统半耦合Wangyu Process Control System耦合程度分析相对增益耦合程度分析相对增益yjiujiijuyuy相对增益的大小反映了变量之间的耦合程度。相对增益的大小反映了变量之间的耦合程度。ij等于等于1 1，不存在其他通道对该通道的耦合，不存在其他通道对该通道的耦合ijij等于等于0 0，通道选择错误，通道选择错误在在0 0和和1 1

29、之间，存在耦合之间，存在耦合设过程输入设过程输入U=uU=u1 1,u,u2 2,u un n T T，输出，输出Y=yY=y1 1,y,y2 2,y yn n T T第一放大系数第一放大系数|()iijrjypurju第二放大系数第二放大系数|()iijrjyqyriuWangyu Process Control System相对增益的求法相对增益的求法以双以双输入双输出系统为例，如图所示输入双输出系统为例，如图所示y1y1y2y2u1u1u2u2k11k11k22k22k12k12k21k21该系统静态方程为该系统静态方程为22212122121111ukukyukukyWangyu Pr

30、ocess Control System相对增益的求法相对增益的求法该系统静态方程为该系统静态方程为22212122121111ukukyukuky2221122211221111kkkkkk计算得到结果计算得到结果2121122211211212kkkkkkWangyu Process Control System相对增益的求法相对增益的求法在双输入双输出情况下，注意几点：在双输入双输出情况下，注意几点：1) 1) 相对增益中，每行每列之和为相对增益中，每行每列之和为1 15 . 011如果如果5 . 05 . 05 . 05 . 0如果如果2 . 1112 . 12 . 02 . 02 .

31、 12) 2) 在相对增益阵列中所有元素为正时，称之为正耦合在相对增益阵列中所有元素为正时，称之为正耦合3) 3) 在相对增益阵中只要有一个元素为负，称之为负耦合在相对增益阵中只要有一个元素为负，称之为负耦合Wangyu Process Control System减少与解除耦合的途径减少与解除耦合的途径1 1、被控变量与控制变量之间的正确匹配、被控变量与控制变量之间的正确匹配2 2、减少控制回路、减少控制回路3 3、串接解耦控制、串接解耦控制Wangyu Process Control System解耦设计解耦设计在控制器输出端与执行器输入端之间，串接入解耦装置：在控制器输出端与执行器输入端

32、之间，串接入解耦装置：y1y2GC1(s)+_GC1(s)+_r1r2p1p2D(s)G(s)Y(sY(s)=)=G(s)D(s)P(sG(s)D(s)P(s) ) 只要能使只要能使G(s)D(sG(s)D(s) )相乘后成为对角阵，就解除耦合。相乘后成为对角阵，就解除耦合。Wangyu Process Control System解耦设计解耦设计1 1、单位矩阵法、单位矩阵法G(s)D(sG(s)D(s)=I=diag1,1,1)=I=diag1,1,1，即通过解耦，使，即通过解耦，使各个系统的对象特性成各个系统的对象特性成1:11:1比例环节。比例环节。111121112212221222

33、212211111222112( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )DsDsGsGsD sDsDsGsGsGsGsGsGsGs GsGs GsWangyu Process Control System解耦设计解耦设计2 2、对角线矩阵法、对角线矩阵法G(s)D(sG(s)D(s)=)=GGij ij(s(s) )，即通过解耦，使各个系统的对，即通过解耦，使各个系统的对象特性完全象原来的单回路控制系统一样，如下象特性完全象原来的单回路控制系统一样，如下)()()()()()()()()()()()(1)(00)()()()()()()()()()(221121111222221112212211221112221121122211211sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGSGsGsGsGsDSDsDsDsD)(00)()()(2211s