第五篇 复杂过程控制系统.ppt

人工智能 华中科技大学水电与数字化工程学院 4、前馈与反馈控制的比较 在过程受扰动的影响以后 在过程受扰动的影响以前 控制作用 超前－滞后环节 P,PI,PD,PID及开关 典型控制器 开环 闭环 控制系统组态 有时只能近似 可以和经济 控制规律的实现 被测扰动量 测量和设定之间的偏差 控制器输入 扰动量 被控变量 被测变量 不变性原理 反馈控制理论 设计原理 前馈控制 反馈控制 5、前馈控制系统的方框图 Gp(s) Gv(s) Gffc(s) Gffm(s) Gf(s) F(s) Y(s) Go(s) Gffc(s) Gf(s) Y(s) F(s) 广义被控对象 根据不变性原理，当扰动F(s)变化时，对被控量无影响，即与扰动无关，因此，有： 如果该算式可以精确实现，则扰动变化时对被控变量就无影响。 但前馈控制具有以下的不足之处： Go(s)和Gf(s)不能精确获得，或具有时变特性，使Gffc(s)不能精确实现，因此扰动影响不能完全补偿 实际工业生产过程中的扰动不止一个 有些扰动不可测量或难以测量 前馈控制对被控变量的控制效果没有检验依据 即使Go(s)和Gf(s)可以精确获得，但Gffc(s)不能物理实现，例如出现纯超前环节。 1、静态前馈控制 只能保持过程在稳态下补偿扰动作用 为了实现静态前馈控制，可以根据换热器的热量平衡关系， 求出静态前馈放大系数。 二、前馈控制系统的结构 换热器热平衡方程为： 热流量 加热蒸汽的流量和汽化热 被加热蒸汽的流量和定压比热容 物料的出口温度 、进口温度 例：换热器的流量静态前馈控制系统的设计 Ko Kffc Kf T2(s) Q(s) D(s) 也可根据图中前馈控制器 环节的输入输出关系计算得： 对于上述换热器的例子，设f为流量Q的扰动。若已知： 当流量Q单位阶跃减小，即： 扰动引起的输出量的响应为： 前馈控制引起输出量的响应为： 静态前馈控制中的动态偏差 红色曲线代表流量Q减小所引起的出口温度的响应； 蓝色曲线表示减小蒸汽量D所引起的出口温度的响应； 出口温度最终稳定在设定值上，却出现了一段时间较小的偏差如绿色曲线所示。 T2 2、动态前馈控制 Go(s) Gffc(s) Gf(s) Y(s) F(s) 根据不变性原理，可得： 设前馈广义对象和扰动通道传递函数分别为： 由于用常规仪表实施时滞项困难，有时，该项也可能为负值而使采用计算机也无法实现，因此，动态前馈算式通常采用近似式： 根据To和Tf的大小关系，动态前馈控制器的阶跃响应如图。 当ToTf时，前馈控制器呈现超前特性； 当ToTf时，前馈控制器呈现滞后特性； 当To=Tf时，前馈控制器呈现比例特性，即为静态前馈增益； 前馈控制器的阶跃响应 前馈控制实质是用前馈控制器的零点对消前馈控制通道广义对象的零点，并使前馈控制器的部分极点等于扰动传递函数的零点。 对于开环不稳定的对象，应将前馈和反馈相结合，组成前馈－反馈控制系统，否则会造成系统的不稳定。 Gc(s) Go1(s) R1 Y1 + － Go2(s) 单回路控制系统方框图 F2 F1 Gc1(s) Go1(s) R1 Y1 + － Gc2(s) Go2(s) － R2 串级控制系统方框图 F2 F1 y1(t) 串级控制系统和单回路控制系统在二次单位阶跃扰动下的响应曲线 蓝线：串级 绿线：单回路 y1(t) 串级控制系统和单回路控制系统在一次单位阶跃扰动下的响应曲线 蓝线：串级 绿线：单回路 0.13 0.34 一次扰动下的最大偏差 0.013 0.27 二次扰动下的最大偏差 0.23 0.087 系统工作频率 0 0 余差 0.75 0.75 衰减率 Kc1=8.4， Kc2=10， Ti=12.8s Kc=3.7，Ti=38s 串级控制系统 单回路控制系统 控制品质指标 串级控制的效果 1、主变量的选择 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则进行。 三、串级控制系统的设计 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计及主、副回路关系的考虑。 2、副变量的选择 副变量的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反映灵敏 副回路应包含被控对象所受到的主要扰动并包含尽可能多的扰动 应使主、副过程的时间常数适当匹配 (1)、当To1/To210时，则To2很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。 (2)、当To1/Tp23时，说明To2过大，副回路的控制作用不及时。 (3)、当To1/To2?1时，主、副回路易出现“共振效应”。这时主、副回路的动态联系十分紧密，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振