第二篇83章ppt课件.ppt

《第二篇83章ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二篇83章ppt课件.ppt（75页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、过程控制系统及工程,信息学院自动化系：孙洪程 Email:S,第8章 非线性控制系统,第二篇 先进控制系统,非线性控制系统,8.1 线性过程的非线性控制 8.2 非线性过程的非线性控制 8.3 位式控制,第8章,教学进程,8.1,线性过程的非线性控制,过程本身是非线性的，引入非线性单元或规律用以补偿。,两类非线性控制系统： 过程是线性的，为了满足某种特殊要求而引入的非线性控制规律；,8.1,线性过程的非线性控制,液位的非线性控制,8.1.1,（1）实现均匀控制,采用带不灵敏区的非线性控制规律,不灵敏区内，控制器增益比较小，即对偏差不灵敏。 液位偏差在不灵敏区小范围波动时，控制器输出变化很小，控

2、制阀动作很小 液位有小波动，流量也有小的波动均匀控制 系统的组成可采用单回路或串级结构 P190 图8-2 （A）、（B）, 不灵敏区内以PV代替SP，因此，不灵敏区成为“死区”，不灵敏区外，和B型一样,液位的非线性控制,8.1.1,（2）非线性控制器类型, PI、PID型，不灵敏区内只是增益K发生变化A型, PI型，K和Ti同时起作用B型,作为液位均匀控制器，其不灵敏区以外的控制作用要大些，迅速拉回到不灵敏区内； 不灵敏区的宽度要略小于工艺允许波动范围，使得液位超出不灵敏区后有一定的控制过程 不灵敏区内的KC的大小与不灵敏区宽度综合考虑,参数整定要注意的问题：,B型的控制效果好些 图8-3

3、采用选择性控制系统实现非线性的均匀控制,LC,正作用,正作用,高位继动器,低位继动器,正作用,高选器,低选器,Fi,气开,Fo,液位的非线性控制还可采用变增益 的非线性控制器。 是：控制器的增益或积分时间与输入偏差以一定关系连续地变化，例如控制器的增益KC及积分时间Ti与液位偏差以一个指数关系连续地变化，同时增益和积分时间之间为使系统值恒定，保证Ti 、KC恒定。偏差与KC、Ti间的关系可用下式表示：,变结构控制（VSS） 逻辑单元根据系统的要求和特点，选择运算规律,输入偏差,VSS采用计算机实现容易，简单的可以采用仪表的一些计算单元完成 图8-5 一个简单的变结构控制器 对于高阶系统的控制效

4、果好于一般PID控制器,开关,PI,过程,8.2,非线性过程的非线性控制,pH控制的非线性控制,8.2.1,有些非线性特性严重的过程，必须采用非线性控制,典型的非线性过程 图8-9 在PH值为7附近非线性畸变严重，斜率非常大，普通PID控制器难于控制 PH控制在工业应用很多，如污水处理过程,C试剂/升溶液,pH,11 10 9 8 7 6 5 4 3,50 40,30 20,10 0,（1）带不灵敏区的非线性控制 在PH=7附近实施不灵敏区的控制作用 关键：不灵敏区的宽度、不灵敏区内的增益，参数整定时试凑 （2）自适应PH值控制 PH值变化曲线，会由于在废水中添加了弱酸或碱，有所改变,10 8

5、 6 4 2,10 8 6 4 2,0 1 2 3 4 5,0 1 2 3 4 5,引如自适应控制器，感测系统的响应，判别系统的控制状态,非线性控制器,自适应控制器,不灵敏区宽度,ph,到控制阀,非线性控制器，根据PH控制系统的响应，输出信号去设定非线性控制器的不灵敏区的宽度 除此之外，PH值还可以采用智能控制（实际上也是非线性控制）,反应器的非线性控制,8.2.2,图8-14 间歇反应器反应温度控制 非线性串级控制器，变增益非线性控制器,图8-15,8.3,位式控制,位式控制的改进及其发展,8.3.1,较为古老的控制方式，继电器型控制，输出不连续控制信号 缺点：产生不衰减的振荡环,（1）一般

6、的改善方法 合理选择中间区，或采用多位式控制，以减小振荡的幅值。,（2）控制作用的改进 脉冲宽度调制，输出变成一系列的方波，方波宽度受输入偏差的调制，提高方波变化的频率，接近连续控制，可消除振荡。 时间比例式脉冲输出的平均值与偏差e成正比,图8-16 控制特性近似为PID,（3）带模型反馈的位式控制 双位式控制器、模型和被控设备，控制 器与模型组成反馈回路,图8-19 使用模型的开关控制,属于一种最优控制，时间最优控制，可以通过最优控制理论进行推导,关键：开关时间的计算,（1）手动Bang-Bang控制 操作人员根据开关时间计算公式求出切换时间，手动 控制阀门,（2）自动Bang-Bang控制

7、 快速调节器,通过状态反馈，得到开关函数，决定控制作用，以实现时间最优控制,图8-22,过程控制系统及工程,信息学院自动化系：李大字 Email:,第9章 纯滞后补偿控制系统,新型控制系统,9. 1 纯滞后补偿原理 9.2 纯滞后补偿控制的效果 9.3 史密斯补偿的实现,第9章,教学进程,9.1,纯滞后补偿原理,控制通道的纯滞后对控制品质影响非常不利 如何对纯滞后进行处理,设计一个补偿器，使并联后的等效传递函数消除纯滞后 Smith补偿器,纯滞后补偿的效果,9.2,系统方块图整理后，实际上把纯滞后环节提到了控制回路之外。 纯滞后对控制品质没有影响，与没有纯滞后的控制效果一样，只是过渡过程有一个

8、滞后。 Smith补偿器的加入，提高了控制品质。,GC(s),GP (s)e-s,G(s),R,图9-3,史密斯补偿的实现,9.3,Smith补偿器的实现是关键。 原始补偿器中含有纯滞后环节，模拟仪表很难实现（计算机实现容易） 一般采用纯滞后的近似模型来模拟纯滞后环节。 帕德一阶、二阶方程 P208 式9-4 9-7 这样，就可以采用物理装置实现 转化为 图9-11 求得：,特征方程中不包含纯滞后环节，控制品质提高。,史密斯补偿的计算机实现,一阶滞后对象的纯滞后补偿器电路图,产生纯滞后信号的方法,存储单元法 为了形成滞后L的信号，需在内存中开辟L+1个存储单元，以存储P(k)的历史数据。,多项

9、式近似原理 计算e-s时，可将其按幂级数展开为,解耦控制系统,10. 1 关联系统解耦条件 10.2 解耦控制方案 10.3 解耦控制应用实例,第10章,教学进程,10,解耦控制系统,解耦控制设计控制系统，消除系统之间耦合,关联系统解耦条件,10.1,方法：在相互关联的系统中增加一个解耦装置（解耦矩阵F（S），使对象的传递矩阵与解耦装置矩阵的乘积为对角阵。,条件：广义对象的传递矩阵G（S）必须是对角阵,GC1（s）,GC2（s）,P1(s),P2（s）,F11（s）,F22（s）,P1(s),P2(s),G11（s）,G22（s）,F12(s),F21(s),G12(s),G21(s),Y1（

10、s）,Y2（s）,R1,R2,关联系统解耦条件,10.1,方案一 设置对角阵元素为原对象传递矩阵的主对角元素。 方案二 设置对角阵为单位阵。 方案三 设置对角阵元素为其它形式。 优点：完全消除关联，完全解耦，理想解耦 缺点：模型复杂，仪表实现困难,解耦控制方案,10.2,（1）理想解耦,G（S）与F（S）的乘积必须为对角阵,（2）简化解耦,解耦控制方案,10.2,选择一种简化的解耦模型,F（S）的某两个元素固定为1。而且，这两个1不能处于 一个控制器的输出端。如改用简化解耦，解耦装置模 型可以有下面四种不同的形式。,a),b),对于a) 求得：,d),c),精馏塔两端温度控制方案 ：,解耦控制

11、应用实例,10.3,通过塔顶温度控制保证顶部产品的质量，操纵变量为回流量L；塔底产品的质量通过对塔底温度的控制来保证，控制质量为再沸器的加热蒸气量W。塔顶和塔底产品的质量（组分）分别以Y1和Y2表示。 显然，在这一控制方案中，系统间的关联是不容忽视的。并可以通过计算机分别进行未经解耦和简化解耦的模拟实验。,按计算指标及推断控制系统,11. 1 按计算指标的控制系统 11.2 推断控制系统,第11章,教学进程,11,按计算指标及推断控制系统,按计算指标的控制系统,11.1,有些情况，控制指标不能直接测量出来，因此只能通过一些可测量的变量，通过计算获得控制指标，再进行控制按计算指标的控制系统,（1

12、）精馏塔内回流控制系统,内回流：精馏塔内上一层塔盘向下一层塔盘流下的流体流量。 内回流稳定是保证塔良好操作的一个重要因素 一般希望内回流稳定或者按一定的规律变化,内回流和外回流的关系： P224 图11-1 Li = Lo +L ToH - TR变化不大时，可以由 Lo 代替Li，否则，需要内回流控制,按计算指标的控制系统,11.1,VR TOH LO, TR V2 Li,实现内回流的方法 内回流难于直接测量和控制，通过建立内回流和其它可测量的数学模型，计算内回流，进而实现内回流控制,内回流计算的数学模型： P224 式11-3，可计算内回流 仪表实现内回流控制系统：P225 图11-2 完成

13、 式11-3的计算 已经形成专用仪表装置。,按计算指标的控制系统,11.1,（2）热焓控制系统,按计算指标的控制系统,11.1,热焓控制目的 热焓单位重量/体积的物料所积存的热量 精馏塔操作，热焓是一个主要干扰 单相进料，温度与热焓为单值关系， 可用图11-3的控制方案 混合进料，温度与热焓不是单值关系，需要进行热焓控制 热焓运算的数学模型及实施框图,（2）热焓控制系统,按计算指标的控制系统,11.1,TC,F,图11-3,控制系统：输出变量、外部扰动有可测和不可测的两类,可测输出,组成反馈控制系统,可测扰动,组成前馈控制系统,都不可测,推断控制,推测不可测被控变量,反馈推断控制,推测不可测扰

14、动变量,前馈推断控制,前提条件：过程数学模型已知，其精度直接影响控制精度,（1）反馈推断控制,被控量Y不可测、辅助量Z可测，扰动D不可测,各通道数学模型已知,建立Y和Z的数学关系 式,构成反馈推断控制系统,（2）前馈性质推断控制,被控变量Y及扰动D都不可测，借助于辅助可测量Z组成推断控制,估计器,信号分离,推断控制器,按Z变换设计的控制系统,12. 1 最小拍控制算法 12.2 大林控制算法 12.3 采样控制系统,第12章,教学进程,数字控制系统,12,按z变换设计的控制系统,根据控制系统性能指标Y(z)/R(z)可以设计数字控制器Gc(z)或控制算法U(z),数字控制器：,最小拍控制算法,

15、12.1,控制思想：在给定R变化下，Y要在最短时间内复现R 没有纯滞后情况下： Y(k)=R(k-1) , Y(z)/R(z)=z-1 有纯滞后情况下： Y(k)=R(k-N-1) , Y(z)/R(z)=z-1-N 求得控制器,缺点：易产生较大的振荡，并且，算法中没有可调参数。,大林（Dahlin）控制算法,12.2,对于在最小拍控制算法的改进，使输出达到给定值的时间放得稍长一些，减轻Y的振荡。 即： R为阶跃变化，R（S）=1/S 离散化，求Y（Z），再求R（Z），求出Y（Z）/R（Z） P236 式12-19 代入，得大林算法：,例子：P236 大林算法存在负实数极点，控制器对阶跃输入响

16、应会有跳跃现象，需要改进。 改进方法，见P237239,大林（Dahlin）控制算法,12.2,分析：,T,q,0,趋于最小拍算法;,T,q1,控制趋于平缓,，振荡减弱,T是可以进行调整的参数,采样控制系统,12.3,（1）数字式采样控制系统,模仿人工控制：操作一步，观察一步,处理具有大滞后的过程控制问题， 常规PID反馈控制品质不好 （得不到及时的反馈控制信息）,如：Y（Z）/R（Z）=Z-n 在脉冲输入信号作用下，输出经过n个采样周期后回到给定值。 对于具有纯滞后特性的系统，输出至少要经过时间之后，才能复现输入信号，因此，要适当选择n。n=1即为最小拍控制。,采样控制系统,12.3,根据对

17、闭环系统动态品质的要求 可以设计数字控制器,为采样控制输出的一般形式。,采样控制系统,12.3,（2）模拟式采样控制系统,采样控制也可以由专用的模拟式采样控制器来完成。模拟式采样控制器一般具有PI控制规律，但是在每一个采样周期内只让积分作用导通一个很短的时间，然后就把它切断。到下一个采用周期时再让积分作用导通一个很短的时间，然后又把它切断。如此循环工作下去达到采样控制的目的。结果既能够发挥积分作用消除余差的效果，又能够克服因对象纯滞后的存在，不能及时反馈控制效果信息而导致控制器输出过头的弊端。,模型预测控制,13. 1 模型算法控制 13.2 动态矩阵控制,第13章,教学进程,13,预测控制系

18、统,预测控制基本思想：利用易于得到的工业过程脉冲响应或阶跃响应构成系统预测模型。,大部分控制系统设计都要求需要准确的数学模型，对于实际工业过程很难满足。,预测控制，基于对过程模型精度要求不高的思想下产生。,模型算法控制（MAC）、动态矩阵控制（DMC）、 预测控制（PC）,现代控制理论（基于状态空间）：如最优控制、极点配置等 , 应用航空航天（理想环境） 工业过程控制（基于模型预测）：预测控制 石油、化工、发电等 - 先进控制算法,工业过程特点,数学模型的非精确性 不确定性、随机性、参数时变性 多变量系统 控制算法的可实施性 历史，。 脉冲响应与阶跃响应；滚动,13,预测控制系统,13,预测控

19、制系统,特点：,（1） 模型可以通过过程实验获得，简单,（2） 采用了非参数卷积模型，抗干扰，鲁棒性强,（3） 滚动优化，弥补模型的不精确性,（4） 理论简单，易于推广,于是，模型输出： y(k+1)=g1u(k)+g2u(k-1)+gNu(k-N+1),模型算法控制（MAC）,13.1,三部分组成：内部模型、参考轨迹、控制算法,（1）内部模型,系统脉冲响应模型,y(i) = gi ,i=1,2,3,N (gi=0, IN),由卷积公式得： y(k+1)=gTu,gTu= g1,g2,gN,uT= u(k),u(k-1),u(k-N+1),模型算法控制（MAC）,13.1,（2）参考轨迹,系统

20、输出沿着一条光滑的曲线达到给定值， 减少过量的控制的引导轨迹参考轨迹,模型算法控制（MAC）,13.1,（3）优化算法,根据预测输出、参考轨迹、优化目标，可求解控制量U,-预测轨迹尽量靠近参考轨迹,-代入预测模型,- 最优预测控制 得,动态矩阵控制,13.2,动态矩阵控制原理与算法 控制结构组成 优化策略 反馈校正 算法 设计参数选择 采样周期 优化时域长度 控制时域程度 权矩阵 误差校正向量,动态矩阵控制,13.2,DMC依靠对象的阶跃响应 控制结构组成 预测模型,动态矩阵控制,13.2,预测模型 对象的动态特性通过动态系数a1, a2, , aN来描述 a1, a2, , aN是阶跃响应在

21、采样时刻t=T,2T,NT的值 (ai step response coefficients) (ai+1-ai impulse response coefficients) N的选择应该使aias, (jN), as是阶跃响应终止值,动态矩阵控制,13.2,预测模型 假设t=kT,(k+1)T, (k+M-1)T 有控制增量u(k), u(k+1), ,u(k-M+1); 后面控制量不变 在采样时刻t=(k+1)T, (k+2)T, (k+P)T的值 (滚动),动态矩阵控制,13.2,优化策略 权矩阵： 期望轨迹： 优化控制变量:uM(k) 期望指标(无约束问题) ：误差小，控制量小，即,动

22、态矩阵控制,13.2,优化策略 优化控制量:uM(k),优化控制 这就是t=kT时刻解的最优控制增量序列 优化控制量: u M(k)=u (k); ; u (k+M-1) t=kT, u (k)=u (k-1)+ u (k); t=(k+1)T, u (k+1)=u (k)+ u (k+1); t=(k+M-1)T, u (k+M-1)=u (k+M-2)+ u (k+M-1); t=(k+M)T, u (k+M)=u (k+M-1); t=(k+M+1)T, u (k+M+1)=u (k+M);,动态矩阵控制,13.2,图 DMC的优化策略,3 反馈校正 原因 模型误差 非线性特性 干扰 方法 动态调整,动态矩阵控制,13.2,算法 (1) 离线计算 N; 阶跃响应系数 a1,a2,aN 优化校正参数 h1,h2,hP 优化控制参数 d1,d2,dM (2) 初始化 初始值 (3) 在线计算 Y(k)更新规律;优化控制量u (k)，u M(k),动态矩阵控制,13.2,