过程控制课件第六章

第六章利用补偿原理提高系统的控制品质§6-1概述§6-2前馈控制系统

§6-3大迟延系统§6-4非线性增益补偿系统第六章利用补偿原理

§6-2前馈控制系统

（FeedforwardControlSystem）一、基本概念二、静态前馈三、动态前馈四、前馈——反馈控制系统五、多变量前馈控制系统六、比例滞后控制系统七、工程实现问题§6-2前馈控制系统§6-3大迟延系统一、概述二、采用补偿原理克服大迟延的影响三、史密斯预估器的几种改进方案四、其他时滞补偿控制系统（一）观测补偿控制（二）预估校正控制系统五、非线性增益补偿系统§6-3大迟延系统§6-1概述例：换热器出口温度的反馈控制系统原料进料量变化（扰动）温度变化形成偏差调节作用改变调节阀开度改变加热量变换温度恢复反馈控制按偏差调节，是闭环控制，可克服多种不同干扰，常用控制规律PID，调节不及时。§6-1概述例：换热器出口温度的反馈控制系统原料进料量§6-1概述例：换热器出口温度的前馈控制系统进料量变化温度变化温度不变调节作用改变阀开度改变前馈控制按扰动调节，是开环控制，知能克服一种干扰，用前馈控制规律，调节及时。温度反向变化扰动通道前馈通道§6-1概述例：换热器出口温度的前馈控制系统进料量温度有偏差才控制不能事先规定调节器的输出反馈控制的缺点：设计控制器Gf(s)，使则D的变化与Y无关。不变性原理：被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关。有偏差才控制反馈控制的缺点：设计控制器Gf(s)，使则D的变工程实际中几种不变性（1）绝对不变性：（2）误差不变性：（3）稳态不变性：（4）选择不变性：对主要扰动不变性被控对象中的存在内部扰动（调节量）和外部扰动工程实际中几种不变性（1）绝对不变性：（2）误差不变性：（3过程控制课件第六章例汽包水位控制当Gff(s)G0(s)=-Gd(s)时蒸汽扰动对水位的影响消除把Gff(s)

称为前馈控制器一、基本概念Gc1(s)Gp(s)-rHDΔwGd(s)++KvGc2(s)Gff(s)-例汽包水位控制当Gff(s)G0(s)=-Gd(s)时一定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。由不变性原理得则前馈调节器算法为定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿对象前馈控制器uD1

Di

Dn……y前馈控制系统……前馈控制分静态和动态前馈两类。对象前馈控制器uD1Di二、静态前馈定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态前馈。即基于稳态不变性原理设前馈广义对象传函为扰动通道传函为前馈调节器传函为二、静态前馈定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行。（1）简单情况：若已知静态前馈控制器为：前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行。（1）简单情况：例如：列管换热器控制换热器热平衡方程为：为定压比热容为汽化潜热前馈控制的目的为：常数（2）复杂情况：按过程的物质或能量平衡方程计算补偿校正值。静态前馈控制器例如：列管换热器控制换热器热平衡方程为：为定压比热容为汽化潜方法二换热器热平衡方程为：则从静态考虑只画出静态放大系数即可，可求出则可求出静态前馈放大系数为方法二换热器热平衡方程为：则从静态考虑只画出静态放大系数即可前馈控制装置中静态前馈增益的整定方法一♠测得广义对象的控制通道和扰动通道的放大系数♠根据定义计算出静态前馈当大系数，并实施方法二♠线不接入反馈，扰动变化一个阶跃量ΔF♠PI反馈控制使测量值恢复到原稳态值♠得反馈调节器的输出变化量为Δu♠则静态前馈放大系数为前馈控制装置中静态前馈增益的整定方法一♠测得广义对象的控制三、动态前馈静态前馈kFF动态前馈G'FF(s)扰动通道传函为前馈调节器传函为设前馈广义对象传函为三、动态前馈静态前馈kFF动态前馈G'FF(s)扰动通道传扰动D扰动输出调节输出系统输出动态前馈要消除的面积动态前馈产生的面积动态前馈G′FF(s)的图示说明：静态前馈控制KFFGp(s)GF(s)D++Y扰动D扰动输出调节输出系统输出动态前馈要消除的面积动态前馈产动态前馈控制器（补偿器）讨论：（1）T0=TF，则若动态前馈为纯迟延可实现；若动态前馈为纯提前不可实现。扰动D结论：选择调节通道时应选择迟延短的和时间常数小的通道。G`FF(s)G0(s)GF(s)YD动态前馈控制器（补偿器）讨论：（1）T0=TF，则若动态前馈T0>TF前馈控制器呈现超前特性T0<TF前馈控制器呈现滞后特性T0=TF前馈控制器呈现比例特性（2）τ

0=τF

，则G`FF(s)G0(s)GF(s)YD扰动D一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用T0>TF前馈控制器呈现超前特性T0<TF前馈控制器呈现滞后当T1=Tp，T2=Td，为完全动态补偿；T1、T2为其他值对系统的影响如下：动态前馈补偿器的参数T1和T2的整定Gff(s)Gp(s)Gd(s)D当T1=Tp，T2=Td，为完全动态补偿；动态前馈补偿器的参四、前馈—反馈控制使可测扰动对系统没有影响或影响很小；对系统的稳定性没有影响。前馈控制的优点：反馈控制的优点：任何扰动对系统的影响均可消除；系统准确性高。对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；控制器和对象参数变化影响系统的准确性。前馈控制的缺点：反馈控制的缺点：有偏差才控制不能事先规定调节器的输出将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短四、前馈—反馈控制使可测扰动对系统没有影响或影响很小；前馈控（1）前馈作用和反馈作用相加的前馈——反馈控制系统仅考虑扰动的影响，可得若系统完全补偿，则有完全补偿条件不变（1）前馈作用和反馈作用相加的前馈——反馈控制系统仅考虑扰动这是最常见的前馈——反馈控制系统结构例如加热炉温度控制系统原料流量是主要扰动，将其作为前馈信号，与调节器输出信号相加后作为调节阀的控制信号。从安全角度考虑选择调节阀为气开式。Kp2为正，Kc2为正，GC2选反作用。Kp1为正，Kc1为正，GC1选反作用。原料量增加，温度下降，KF为负，因Kp1为正，故KFF为正。偏置量B补偿正常运行时原料流量F的输出值KFF流量。这是最常见的前馈——反馈控制系统结构例如加热炉温度控制系统原（2）前馈作用和反馈作用相乘的前馈——反馈控制系统该控制系统实质是比值控制系统，但控制目的不同，一个流量是扰动量，另一个是调节量比值控制系统两个流量都是调节操纵量。前馈控制采用静态前馈时与变比值控制系统有相同的结构。（2）前馈作用和反馈作用相乘的前馈——反馈控制系统五、多变量前馈控制系统当被控对象的扰动不止一个，且变化幅值都比较大比较频繁，可采用多输入单输出的多变量前馈控制系统。当被控对象是多输入多输出过程，为了克服相互之间的耦合影响，用多输入多输入的多变量前馈控制系统进行解耦控制。如液位串级控制系统引入进料量的前馈控制，则组成比例——滞后控制系统。六、比例滞后控制系统五、多变量前馈控制系统当被控对象的扰动不止一个，且变七、前馈系统设计应注意的问题（一）前馈扰动量的选择♠扰动必须是可测的♠如果扰动可控，则直接采用反馈来控制，

即前馈控制的扰动量是不可控或不宜控制的；

♠前馈对单一扰动有效，因此选择主要扰动前馈；

扰动变化频繁、变化幅值大，常规方式难控；♠为克服其他扰动，常采用前馈——反馈控制系统

静态前馈易实现，常与反馈结果；动态前馈不宜实现，较少采用；♠主要扰动无法落在串级控制系统的副回路时采用。七、前馈系统设计应注意的问题（一）前馈扰动量的选择（二）前馈方式的选择采用静态前馈干扰能很快克服，可不用前馈对象反应较慢，用动态前馈前馈（三）偏置量的设置偏置量的值等于正常工况下扰动变量符号应抵消该正常工况下的输出，即（二）前馈方式的选择采用静态前馈干扰能很快克服，可不用前馈对（四）前馈控制规律的实现♠DCS有前馈补偿模块，例如Honeywell的PIDFF♠静态前馈装置可用放大环节；动态前馈装置可用超前-滞后环节，如Honeywell的VDTLDLG、Foxboro的LLAG和DTIME串接、ABB的REG。♠专门的前馈补偿器，实现前馈补偿功能♠时滞可通过计算机内存的内容进行移位来实现（四）前馈控制规律的实现♠DCS有前馈补偿模块，例如Ho（五）运行注意问题♠从安全角度出发应在动态前馈加输出限幅♠一般采用静态前馈加反馈控制方式♠动态前馈参数整定不匹配时控制效果更差♠前馈控制系统投运时先投反馈后投前馈（五）运行注意问题♠从安全角度出发应在动态前馈加输出限（六）前馈通道中非线性环节的处理扰动一般是流量，如不加开方器，则Gm是非线性的，将在GFF中引入非线性，KFF将随流量而改变，故作为前馈信号的流量测量应加开放器；如果是其他类型的非线性前馈信号也须线性化处理，从而保证输出与扰动变量成线性关系。例如，热电阻非线性处理，PH值信号的非线性处理等。（六）前馈通道中非线性环节的处理扰动一般是流量，如一、概述大迟延对象：τ/T>0.3控制难度大：超调量大，调节时间长（一）时滞对控制质量的影响1.时滞τ

对系统稳定性的影响♠τ增加频率特性改变稳定性变差♠τ增加剪切频率下降，低频干扰会使系统不稳定；♠τ增加临界放大倍数下降，调节器增益下调，品质变差；§6-3大迟延系统一、概述大迟延对象：τ/T>0.3（一）时滞对控制质量的影2.时滞τ

对动态指标的影响♠τ的存在使得调节器的输出不能及时改变；简单解决办法：微分先行、中间反馈、滞后补偿等♠τ的存在使开环系统相位滞后增加，动态特性变差，超调量增加，调节时间加长，衰减率下降有时滞的系统输出有时滞时的调节器输出无时滞的系统输出无时滞时的调节器输出2.时滞τ对动态指标的影响♠τ的存在使得调节器的输两种控制方式下对扰动的响应相同。（二）微分先行将PD移至反馈通道，对输出进行微分，则反馈量不再是被调量，而是输出经比例微分运算后的值。两种控制方式下对扰动的响应相同。（二）微分先行两种控制方式下对给定的响应不同。两种控制方式下对给定的响应不同。则在低频段静态增益相同，稳态精度相同；较PID控制下少了一个零点，二者频率特性之比为对任意频率，有PID的增益大于微分先行的，故动态偏差大，超调量大，由此看出微分现象可有效的减少给定变化下的超调。PID先行则在低频段静态增益相同，稳态精度相同；较PID控制下少了一个（三）中间反馈稳态时dc/dt=0，只有PI输出（三）中间反馈稳态时dc/dt=0，只有PI输出从动态特性比较分子相同，分母不同，中间反馈TDs的引入使得系统的极点距离虚轴远、实轴近。从动态特性比较分子相同，分母不同，中间反馈TDs的引入使得系当τ较小时，可近似为解得相应的极点分别为若已知广义对象为若已知广义对象为当τ较小时，可近似为解得相应的极点分别为若已知广义对某大迟延对象不同控制方案仿真结果方案PID微分先行中间反馈超调量调节时间0.2890.1620.13325min28min21min某大迟延对象不同控制方案仿真结果方案PID微分先行中间反馈超二、采用补偿原理克服大迟延的影响加补偿器预估对象的模型，产生超前的作用，使调节器提前动作，减小大滞后对系统的影响。整理得史密斯预估器为：实现纯滞后的完全补偿二、采用补偿原理克服大迟延的影响加补偿器预估对补偿后的闭环系统

则等效的带纯滞后补偿器的调节器传递函数为补偿后的闭环系统则等效的带纯滞后补偿器的调节器传递函数为给定值变化RPID控制输出史密斯预估控制输出Gsc(s)rctdct

特征方程不含纯迟延项，因此消除了纯迟延对系统固有特性的影响。但对负荷扰动的改善作用不大。负荷扰动DPID控制输出史密斯预估控制输出给定值变化RPID控制输出史密斯预估控制输出Gsc(s)rc史密斯预估控制对定值扰动有很好的控制效果，对其他扰动控制效果变差，且当预估器模型不准确时，控制效果也变差。三、史密斯预估器的几种改进方案完全抗干扰的带史密斯补偿器的控制器传函为（一）完全抗干扰的史密斯补偿器史密斯预估控制对定值扰动有很好的控制效果，对其可得：若满足：则有：可得：若满足：则有：则可得增加的补偿器传函为：则闭环传函为：由此可见该补偿装置不仅对干扰完全补偿，而且对给定值实现了理想的跟踪。则可得增加的补偿器传函为：则闭环传函为：由此（二）内膜控制(InternalModelControl，简称IMC)过程模型为GM(s)，内膜控制器为理想的内膜控制器可根据模型与过程完全匹配得到。若过程为模型为则有（二）内膜控制(InternalModelControl且可物理实现，则过程和模型一致时，则不仅能够消除扰动对系统输出的影响，且能保证无差。1.对偶稳定性史密斯预估控制是一个特例。内膜控制特点：把对象数学模型引入控制回路中若Gm=Go，则简化为♠内膜控制稳定的充要条件是闭环特征根在单位圆内♠当G0稳定，当Gc稳定，则内幕控制系统稳定称为内模控制系统的对偶稳定性♠当G0

Gc中有一个不稳定，则内幕控制系统稳定且可物理实现，则过程和模型一致时，则不仅能够消除扰动对系统输2.理想控制器♠当GM=Gp

，当GM逆可求且可实现，则可设计此时，Y(s)=R(s)，即干扰D(s)不影响Y(s)♠内模控制在模型匹配，控制器是模型的逆时，是理想控制器3.无余差且系统稳定则阶跃输入下输出无差。如果GF(s)且闭环稳定，则定常干扰下输出无差。2.理想控制器♠当GM=Gp，当GM逆可求且可实现，R.F.Giles和T.M.Bartley在1977年提出：在Smith预估补偿控制系统中，用乘法器代替加法器，除法器代替减法器，并增加一个微分器，则得到自适应预估补偿控制系统（三）增益自适应补偿控制1.增益自适应补偿原理R.F.Giles和T.M.Bartley2.增益自适应补偿控制系统分析因则从而可求得系统闭环传函为2.增益自适应补偿控制系统分析因则从而可求得系统闭环传函为若取则有3.增益自适应补偿控制特点：♠

引入乘法器和除法器使系统呈非线性，即某一负荷下系统运行稳定，在另一负荷下系统可能不稳定；♠

当模型匹配时，系统闭环特征方程中不含时滞项，但开环增加了一个零点，系统稳定性有所提高。若取则有3.增益自适应补偿控制特点：♠引入乘法器和除Smith预估补偿控制实施时注意的问题♠被控对象模型求取：参见建模♠时滞的实现：☆仪表实现：用Pade近似公式☆计算机实现：用内存单元移位一阶：二阶：♠参数的整定：即带补偿器的控制器模型参数的整定，与对象参数匹配。Smith预估补偿控制实施时注意的问题♠被控对象模型求取：（一）观测补偿控制四、其他时滞补偿控制系统1.工作原理J.E.Marshall和L.D.Durbin等在1975～1981年提出：通过观测补偿器预估系统的输出，使系统的闭环特征方程同无时滞时系统的闭环特征方程相同。2.观测补偿控制系统分析（一）观测补偿控制四、其他时滞补偿控制系统1.工作原理则闭环特征方程为，即不含时滞项。如取GM(s)=G0(s)，则系统与Smith预估补偿系统相同。3.工程实施注意问题♠观测补偿器GM(s)一般采用比例或一阶环节，且KM=K0♠Gc1(s)和Gc2(s)一般采用比例积分，且Gc1(s)以GM(s)为对象整定，Gc2(s)的比例度和积分时间取大些。

则闭环特征方程为，即不含时滞项。如取GM(s)=G0(s)（二）预估校正控制系统1.工作原理2.观测补偿控制系统分析预估调节器预估系统的稳态输入，校正调节器对稳态输入进行微调，使等效特征方程与时滞无关。（二）预估校正控制系统1.工作原理2.观测补偿控则闭环特征方程为，即不含时滞项。如取GM(s)=G0(s)，则系统与Smith预估补偿系统相同。3.工程实施注意问题♠观测补偿器GM(s)一般采用比例或一阶环节，且KM=K0♠Gc1(s)和Gc2(s)一般采用比例积分，且Gc1(s)以GM(s)为对象整定，Gc2(s)的比例度和积分时间取大些。

则闭环特征方程为，即不含时滞项。如取GM(s)=G0(s)§6-4非线性系统

非线性控制系统是包含非线性特性的空中系统。采用非线性控制系统的目的♠被控对象本身具有非线性特性，设计控制系统的目的是用非线性的器件补偿调节系统中的非线性特性，使开环系统的总特性呈现线性或近似线性的特性以满足稳定运行准则。♠控制系统中采用非线性控制规律，使控制系统变得简单或满足一定的控制要求。§6-4非线性系统（一）补偿被控对象的非线性控制方法♠当对象的非线性不严重、负荷变化较小时，对象可近似为线性对象，采用线性控制规律组成控制系统。♠对象的非线性可通过调节阀的非线性补偿时，采用调节阀的非线性流量特性补偿。♠对象的非线性不能通过调节阀的非线性补偿时，采用非线性调节规律补偿。☆

非线性调节规律可在非线性调节器中实现。☆

在职能阀门定位器中实现非线性调节。☆

在DCS或计算机控制装置中实现非线性调节。（一）补偿被控对象的非线性控制方法♠当对象的非线性不严重（1）阀门非线性的补偿控制方法♠采用阀门非线性可以补偿大多数具有类似饱和非线性特性的被控对象的非线性的补偿控制方法♠少数可利用阀门快开特性补偿对象的非线性♠选择阀门流量特性的目的是用调节阀的增益来补偿对象增益的变化造成的开环增益的变化♠补偿原理：控制系统在扰动或给定值变化时，系统开环增益之积保持恒定。（1）阀门非线性的补偿控制方法♠采用阀门非线性可以补（2）非线性控制规律1.采用Shinskey提出的三段非线性控制规律2.可用非线性控制规律实现广义非线性PID控制规律可用3.智能阀门定位器采用在设定值通道中设置非性环节的方法（多折线）实现复杂的非线性控制。4.DCS或计算机控制装置实现非线性，例如神经网络可以实现任意非线性。（2）非线性控制规律1.采用Shinskey提出的三段非线（3）采用串级控制系统补偿副回路的非线性若非线性环节位于串级系统的副回路前向通道内，则可通过副回路的补偿校正作用补偿，使副回路近似为1:1环节。例如：醋酸乙烯反应器温度串级控制系统。换热器随负荷变化有明显的非线性饱和特性，以两个换热器作为串级空中系统的副被控对象，则副对象的非线性包含在内回路，组成的串级系统有较好的控制特性。（3）采用串级控制系统补偿副回路的非线性若非线（二）位式控制当控制要求不高时，采用位式调节。继电特性带死区的继电特性位式调节的输出是不连续的位式信号。♠两位式调节：输出调节信号仅有两种取值。♠三位式调节：输出调节信号仅有三种不连续取值。（二）位式控制当控制要求不高时，采用位式调节。继电特性带死区♠多位调节：多个位式调节组合的控制方式。滞环、继电特性♠时间比例调节：调节器输出是不同长度的开或关时间，用占空比衡量。占空比：调节阀全开时间与总时间（开关时间之和）的比值。死区、滞环、继电特性时间比例调节♠多位调节：多个位式调节组合的控制方式。滞环、继电特性♠（三）为满足一定的控制要求设置的非线性♠积分分离PID♠选择控制系统中选择器为一个非线性环节♠为延长调节阀的使用寿命，有些控制系统采用死区PID。（三）为满足一定的控制要求设置的非线性♠积分分离PI锅炉燃烧控制系统分析设计单元制机组热力发电过程锅炉燃烧控制系统分析设计单元制机组热力发电过程1.锅炉设备的主要控制要求♠汽包的液位、蒸汽的压力：一定范围内，适应负荷变化♠过热蒸汽温度：一定范围内♠炉膛负压：一定范围内♠燃烧完全：经济性和环保的要求♠运行安全：液位、炉膛负压、过热汽温度、蒸汽压力等在安全运行范围内1.锅炉设备的主要控制要求2.锅炉设备的主要控制系统♠给水控制系统：保持物料的平衡（给水和蒸汽）被控变量：汽包液位调节量：给水量♠锅炉燃烧的控制系统：经济性、安全性和环保要求被控变量：蒸汽压力调节量：燃料量被控变量：烟气含氧量调节量：送风量被控变量：炉膛负压调节量：引风量♠过热系统的控制系统：满足过热度、壁温等要求被控变量：过热蒸汽温度调节量：喷水量2.锅炉设备的主要控制系统3.燃烧控制的基本任务：（1）维持蒸汽压力稳定——燃料控制（2）保证燃烧过程的经济性——送风控制（3）维持炉膛压力稳定——引风控制燃烧控制系统由三个子系统构成：燃料控制、送风控制、引风控制。3.燃烧控制的基本任务：燃烧控制系统由三个子系统构成：4.汽压调节对象的动态特性μpdDpTμBpdDpT自衡对象4.汽压调节对象的动态特性μpdDpTμBpdDpT自衡5.燃料控制系统：被控变量为蒸汽压力控制系统原理图控制系统结构图串级控制5.燃料控制系统：被控变量为蒸汽压力控制系统原理图控制控制系统结构图控制系统原理图控制系统结构图控制系统原理图6.送风控制系统：被控变量为烟气含氧量控制系统原理图控制系统结构图比