过程控制及系统2.ppt

上海大学硕士学位论文答辩 主讲：孙鑫 Email:xsun@staff.shu.edu.cn 第七章 复杂控制系统 提 要 串级控制系统： 串级控制系统的组成、工作过程、特点、应用范围、设计、控制器的选型和参数整定 比值控制系统： 比值控制系统的组成原理、比值控制系统的设计和控制器参数的整定 均匀控制系统 前馈控制系统 自治控制系统 6.2 前馈控制系统 反馈控制系统的优缺点： 优点：反馈控制是按照偏差来控制的，不论是什么干扰引起被控量的变化，控制器均可根据偏差来进行控制。 缺点：由于对象总存在一定的滞后惯性，从扰动作用出现到形成偏差需要时间；从偏差产生到偏差信号遍历整个反馈环路产生控制作用去抵消干扰作用的影响又需要时间。即控制作用总是不及时的，反馈控制无法将扰动克服在被控量偏离其给定值之前，限制了控制质量的进一步提高。 反馈控制系统构成一闭环系统，信号的传递要经过闭环中的所有贮能元件，因而包含着内在的不稳定因素。 6.2 前馈控制系统 不变性原理： 控制理论中提出的不变性原理在各种特殊调节规律的发展中得到了较充分的应用。 不变性原理：是指控制系统的被控量与扰动量绝对无关或者在一定准确度下无关，也即被控量完全独立或基本独立。 6.2 前馈控制系统 几种不变性： 绝对不变性： 指对象在扰动作用下，被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，即调节过程的动态偏差与静态偏差均为零。 误差不变性： 指准确度有一定限制的不变性，或说与绝对不变性存在一定误差ε的不变性，又称为ε不变性。 6.2 前馈控制系统 稳态不变性： 指被控量在稳态工况下与扰动量无关，即在干扰的作用下，被控量的动态偏差不为零，而其稳态误差等于零。 选择不变性： 若系统采用了被控量对其中几个主要的干扰实现不变性就称为选择不变性。 此法既能减少补偿装置、节省投资又能达到对主要干扰的不变性，是有发展前途的方法。 基于不变性原理组成的控制系统称为前馈控制系统。 6.2 前馈控制系统 前馈控制的工作原理： 前馈控制又称扰动补偿，是基于不变性原理的。 按照引起被控量变化的干扰大小进行控制。在前馈控制系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚出现而能测出时，控制器就可发出控制信号使控制量作相应的变化，使两者抵消于被控量发生偏差之前。 前馈控制对于干扰的克服比反馈控制快。 6.2 前馈控制系统 例：换热器前馈控制： 6.2 前馈控制系统 采用前馈控制的工作过程： 根据被加热的液体流量Q的测量信号来控制调节阀，当发生Q的扰动后，可根据流量的变化来控制调节阀的开度，这样可以在出口温度还未变化时就将液体流量的扰动补偿了。其系统框图。 6.2 前馈控制系统 扰动作用到被控量y之间存在两个传输通道： 干扰通过干扰通道进入系统影响被控量； 干扰通过测量装置和补偿器产生调节作用，再经过对象的控制通道影响被控量。 控制作用与干扰作用对被控量的影响是相反的。于是在一定的条件下有可能使补偿通道的作用很好地抵消扰动对被控量的影响，使被控量不随扰动变化。 实现补偿的条件：要十分精确的测出扰动量和知道对象的动态特性。 6.2 前馈控制系统 反馈控制系统中：信号的传递形成一个闭环系统；有稳定性问题。 前馈控制中：则是一个开环系统，因输出的被控量不反过来影响补偿器的输出；不存在稳定性问题；补偿量的设计主要考虑取得最好的补偿效果。理想情况下，把补偿器设计成能达到完全补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控量始终保持不变，这样实现了不变性原理。 6.2 前馈控制系统 6.2 前馈控制系统 6.2 前馈控制系统 前馈控制系统的形式： 静态前馈：当干扰通道和控制通道的动态特性相同时： 6.2 前馈控制系统 动态前馈： 要求前馈控制的输出不仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数。 根据不变性原理，前馈控制的控制规律为： 6.2 前馈控制系统 控制通道的传递函数为： 6.2 前馈控制系统 6.2 前馈控制系统 前馈控制的局限性： 如果前馈控制装置能精确实现 传递函数，那么扰动对被控量的影响将等于零，实现了完全不变性原理。 6.2 前馈控制系统 前馈控制的局限性在于： 实现完全补偿在很多情况下只有理论意义，实际上做不到； 在工业对象中扰动的因素很多，不可能对每个扰动加一套前馈控制装置去一一补偿；只是选择一两个主要干扰予以补偿。 将前馈控制与反