(17)--5.4 先进控制系统-时滞补偿控制.ppt

过程控制工程“Process Control Engineering”第五章先进控制系统本章目录CONTENS1预测控制系统2解耦控制系统3软测量和推断控制4时滞补偿控制5智能控制6间歇过程的控制4时滞补偿控制时滞与时间常数用用过程时滞过程时滞 和过程惯性时间常数和过程惯性时间常数T T之比之比/T T衡量过程时滞衡量过程时滞的影响的影响u过程的过程的/T0.5时，称该过程是具有时，称该过程是具有大时滞大时滞的过程。采用常规控制系统常的过程。采用常规控制系统常常较难奏效常较难奏效。可采用各种可采用各种补偿补偿或者或者先进控制先进控制方案，来方案，来减小或补偿时滞减小或补偿时滞造成的造成的不利影响不利影响时滞造成控制系统控制品质变差的原因时滞造成控制系统控制品质变差的原因是时滞使闭环特征方程成为是时滞使闭环特征方程成为超越方程超越方程。即闭环特征方程成为即闭环特征方程成为：Smith预估补偿控制预估补偿控制-基本原理基本原理使含时滞系统组成的闭环系统，其闭环特征方程不含时滞项使含时滞系统组成的闭环系统，其闭环特征方程不含时滞项添添加加一一个个预预估估补补偿偿器器GK(s)，为为使使闭闭环环特特征征方方程不含时滞项程不含时滞项就能使闭环特征方程成为：就能使闭环特征方程成为：1+Gc(s)Gp(s)=0，即，即不含不含时滞项时滞项相当于把相当于把Gp(s)作为对象，用作为对象，用Gp(s)的输出作为反馈信号，从而使反馈信号相的输出作为反馈信号，从而使反馈信号相应地提前了应地提前了时刻，因此，这种控制称为时刻，因此，这种控制称为预估补偿控制预估补偿控制经过预估补偿后，经过预估补偿后，闭环特征方程闭环特征方程中中不含时滞项不含时滞项，因此，因此，消除时滞对控制品质消除时滞对控制品质的影响的影响Smith预估补偿控制预估补偿控制-注意事项注意事项前提：前提：过程动态模型，即过程传递函数和时滞时间等过程动态模型，即过程传递函数和时滞时间等已知，并有足够精确度已知，并有足够精确度闭环特征方程成为闭环特征方程成为Gp(s)和和表示实际过程，用表示实际过程，用 表示过程模型表示过程模型过程模型与真实过程完全一致过程模型与真实过程完全一致，Smith预估补偿控制才能实现预估补偿控制才能实现完全补偿完全补偿模型误差越大模型误差越大，预估补偿效果越差预估补偿效果越差适应性：适应性：按某一工作点设计按某一工作点设计。工况变化工况变化，引起实际过程的时滞变化或时间常，引起实际过程的时滞变化或时间常数、增益等变化时，数、增益等变化时，Smith预估补偿的效果会变差预估补偿的效果会变差参数整定参数整定：控制器控制器Gc(s)参数整定参数整定：与无时滞系统控制器参数基本一致与无时滞系统控制器参数基本一致。但但增益增益可稍取小些，可稍取小些，积分时间积分时间稍取大些稍取大些预估补偿器预估补偿器GK(s)的参数整定的参数整定：严格严格按按照照 确定确定内模控制内模控制-结构和特点结构和特点结构结构：增加一个内部模型增加一个内部模型GM(s)e-s，采用内模控制器，采用内模控制器GIMC(s)一旦实际对象与内部模型精确一致，则反馈信息直接反映外部干扰。一旦实际对象与内部模型精确一致，则反馈信息直接反映外部干扰。内模控制器等内模控制器等效于前馈控制器。效于前馈控制器。内模控制器的被控对象内模控制器的被控对象：实际对象与内部模型之差实际对象与内部模型之差特点特点：稳定性稳定性：内模控制器的实际对象与内部模型相等时，其闭环特征方程不含时滞项，消除了时内模控制器的实际对象与内部模型相等时，其闭环特征方程不含时滞项，消除了时滞对控制品质的影响。其闭环稳定的充分条件与开环稳定条件相同。因此，对开环不稳定系滞对控制品质的影响。其闭环稳定的充分条件与开环稳定条件相同。因此，对开环不稳定系统不能用内模控制使其闭环稳定。对开环稳定系统，控制器稳定才能使组成的内模控制系统统不能用内模控制使其闭环稳定。对开环稳定系统，控制器稳定才能使组成的内模控制系统稳定稳定无余差无余差：当内部模型稳态增益与控制器稳态增益当内部模型稳态增益与控制器稳态增益之积等于之积等于1 1，则对设定和干扰的阶跃变化，该系统，则对设定和干扰的阶跃变化，该系统可无余差可无余差内模控制内模控制-仿真研究仿真研究结构结构：内模控制内模控制-改进型改进型理想内模控制系统中增加两个滤波器理想内模控制系统中增加两个滤波器Gf(s)和和Gr(s)。常常选用选用一阶惯性环节一阶惯性环节作为滤波器作为滤波器系统的闭环特征方程是系统的闭环特征方程是适应性强适应性强：对内部模型失配时对内部模型失配时具有良好的适应能力，具有较具有良好的适应能力，具有较强的鲁棒性强的鲁棒性无余差无余差：可消除余差可消除余差增益自适应补偿控制增益自适应补偿控制结构：结构：将将SmithSmith预估补偿控制系统中的减法器用除法器代替，加法器用乘预估补偿控制系统中的减法器用除法器代替，加法器用乘法器代替，并增加一阶微分环节法器代替，并增加一阶微分环节一阶微分环节一阶微分环节作为作为识别器识别器，其微分时间与过程时滞相，其微分时间与过程时滞相等，使过程输出比模型输出提前等，使过程输出比模型输出提前时间进入乘法器时间进入乘法器。乘法器乘法器将未经时滞的模型输出与识别器输出相乘，作将未经时滞的模型输出与识别器输出相乘，作为控制器的测量信号，为控制器的测量信号，它它表示模型输出与过程输出之表示模型输出与过程输出之间的差值，用于间的差值，用于自动调整预估模型的增益自动调整预估模型的增益。预估模型与实际过程的动态特性预估模型与实际过程的动态特性有误差有误差，例如，对象增益从例如，对象增益从K Kp p增到增到K Kp p+K Kp p，则除法器输出，则除法器输出变化量为变化量为（K Kp p+K Kp p）/K Kp p，如果实际过程参数未变化，则识别器的微分不起作用，识别器，如果实际过程参数未变化，则识别器的微分不起作用，识别器输出变化仍为输出变化仍为（K Kp p+K Kp p）/K Kp p，乘法器输出变化为，乘法器输出变化为（K Kp p+K Kp p）G GMM (s s)，即，即反馈量的变化量反馈量的变化量是是 K Kp p，这相当于预估模型增益变化，这相当于预估模型增益变化 K Kp p。因此，对象增益变化后，补偿器的预估模型自动。因此，对象增益变化后，补偿器的预估模型自动适应该变化，发生相同变化，即补偿器预估模型适应该变化，发生相同变化，即补偿器预估模型能够进行完全补偿能够进行完全补偿观测补偿控制观测补偿控制-基本原理基本原理结构：结构：通过观测器输出与系统输出之差进行通过观测器输出与系统输出之差进行闭环校正闭环校正，获得系统状态变，获得系统状态变量量观测值观测值考虑模型失配和测量噪声的影响，采用闭环校正，考虑模型失配和测量噪声的影响，采用闭环校正，因此，模型成为因此，模型成为：状态变量的误差矢量状态变量的误差矢量：其解为其解为状态变量的状态变量的误差矢量误差矢量与与输入变量输入变量u无关。当系统稳定条件满足时无关。当系统稳定条件满足时，趋于零，状态估计值与系统状态值相等，该系统的稳定性可通过趋于零，状态估计值与系统状态值相等，该系统的稳定性可通过M的选择来满足的选择来满足 观测补偿控制观测补偿控制-增广状态反馈观测增广状态反馈观测增广状态反馈观测器结构增广状态反馈观测器结构：为使状态估计值与系统状态值相等，为使状态估计值与系统状态值相等，添加积分环节添加积分环节根据根据状态反馈可任意进行闭环极点配置状态反馈可任意进行闭环极点配置，因此，可，因此，可调整调整K1、K2，满足，满足闭环极点任闭环极点任意配置的要求意配置的要求，使，使闭环系统稳定闭环系统稳定。例如，状态反馈矩阵。例如，状态反馈矩阵K=0 K2；可使；可使系统稳定系统稳定，且对阶跃输入且对阶跃输入u u和和y y均使状态变量收敛于稳态，并满足均使状态变量收敛于稳态，并满足 。即。即无余差无余差观测补偿控制观测补偿控制-方案一方案一结构结构：添加添加预估观测器预估观测器 和和副控制器副控制器闭环特征方程闭环特征方程应用条件应用条件：Gk(s)的模的模足够足够小小。使。使1+Gk(s)G0(s)1 1+Gk(s)Gm(s)1 特点特点：对扰动影响无调节作用对扰动影响无调节作用主要用于主要用于随动控制系统随动控制系统观测补偿控制观测补偿控制-方案二方案二结构结构：添加添加预估观测器预估观测器 、副控制器副控制器 和和扰动检测环节扰动检测环节闭环特征方程闭环特征方程判别点判别点 轨线轨线 不被频率曲线所包围，则系统稳定不被频率曲线所包围，则系统稳定扰动完全补偿条件扰动完全补偿条件：1+Gk(s)Gm(s)-GF Gc(s)Gm(s)=0特点特点：稳定性优于单回路反馈控制系统。可对扰动实施前馈补偿稳定性优于单回路反馈控制系统。可对扰动实施前馈补偿观测补偿控制观测补偿控制-方案三方案三结构结构：添加添加 、和和 、闭环特征方程闭环特征方程应用条件应用条件：满足满足Gk(s)模足够小，则：模足够小，则：1+Gc(s)Gm(s)GR0扰动完全补偿条件扰动完全补偿条件为：为：1+Gk(s)Gm(s)(GR-GF)Gc(s)Gm(s)=0 特点特点：增加增加GR的选择，改善的选择，改善系统系统稳定性稳定性可对扰动实施可对扰动实施前馈前馈补偿补偿观测补偿控制观测补偿控制-注意事项注意事项观测器的选择观测器的选择：常用常用一阶惯性环节一阶惯性环节或或比例环节比例环节实现。观测器实现。观测器时间常数时间常数应应比对象时间常数大，比对象时间常数大，增益增益应尽可能与对象增益保持一致应尽可能与对象增益保持一致方案二方案二，根据扰动完全补偿条件确定观测器，根据扰动完全补偿条件确定观测器控制器的选择控制器的选择：主、副控制器主、副控制器常用常用选用比例积分控制器选用比例积分控制器实现。实现。控制器的作用方式应相同，从稳定性出发，满足控制器的作用方式应相同，从稳定性出发，满足Kk Km 0方案二方案二，采用，采用纯比例控制器纯比例控制器控制器的控制器的参数整定参数整定：主控制器主控制器参数根据无时滞的过程参数整定，并适当参数根据无时滞的过程参数整定，并适当减小增益和加大积分时间减小增益和加大积分时间方案一和三，应满足方案一和三，应满足Gk(s)的模足够小的模足够小。调整调整副控制器副控制器参数使副回路出现参数使副回路出现临界阻尼的过渡过程临界阻尼的过渡过程方案二方案二，根据不变性原理确定副控制器参数，根据不变性原理确定副控制器参数时滞补偿控制时滞补偿控制-Smith预估补偿控制预估补偿控制设计示例设计示例精馏塔塔顶成分精馏塔塔顶成分Smith预估补偿控制预估补偿控制用用回流量回流量控制控制塔顶成分塔顶成分，采用，采用PI控制控制塔顶成分阶跃下降塔顶成分阶跃下降1%1%，及进料，及进料F变化变化22%时，系统在时，系统在PI控制和控制和Smith预估预估补偿控制时的系统输出补偿控制时的系统输出如图如图Smith预估补偿控制的控制效果比预估补偿控制的控制效果比PI控制的控制效果要好，控制的控制效果要好，Smith预估补预估补偿控制对随动控制有更好控制效果偿控制对随动控制有更好控制效果时滞补偿控制时滞补偿控制-增益自适应控制增益自适应控制设计示例设计示例过热器温度过热器温度增益自适应控制增益自适应控制主汽温度作为主被控变量，将二级减温器出口温度作为副被控变量组主汽温度作为主被控变量，将二级减温器出口温度作为副被控变量组成成串级控制系统串级控制系统主控制回路采用主控制回路采用增益自适应控制增益自适应控制。模型采用。模型采用一阶惯性环节一阶惯性环节，即，即：微分环节的微分时间等于其时滞时间。操纵变量是减温水量微分环节的微分时间等于其时滞时间。操纵变量是减温水量。从静态看从静态看，发电机功率在，发电机功率在0%100%范围内波动时，过热汽温度稳态偏范围内波动时，过热汽温度稳态偏差差不超过不超过2。负荷波动时，动态偏差。负荷波动时，动态偏差不超过不超过5。从动态看从动态看，在额定压力和负荷下，主汽温度设定温度下降，在额定压力和负荷下，主汽温度设定温度下降6,减温水可减温水可迅速在迅速在1min内减小内减小0.6t。同时，主汽温度在。同时，主汽温度在5min内达到设定值内达到设定值。时滞补偿控制时滞补偿控制-观测补偿控制观测补偿控制设计示例设计示例合成氨生产过程中合成氨生产过程中氢氮比氢氮比的的观测补偿控制观测补偿控制采用修改的观测补偿控制方案三采用修改的观测补偿控制方案三以循环氢中氢含量作为被控变量，以进合成塔氮气流量为操纵变量，以循环氢中氢含量作为被控变量，以进合成塔氮气流量为操纵变量，组组成改进型观测补偿控制系统成改进型观测补偿控制系统过程输出与模型输出之差作为前馈信号，经过程输出与模型输出之差作为前馈信号，经G GA A (s s)后，引入到主控制器后，引入到主控制器闭环特性方程为闭环特性方程为：1+Gk(s)Gm(s)+Gc(s)Gm(s)GR1+GA(s)+Gc(s)Gp(s)e-sGk(s)Gm(s)-GA(s)=0合适选择合适选择Gk(s)、Gm(s)和和GA后，可使后，可使Gk(s)Gm(s)-GA0闭环特性方程闭环特性方程近似近似为为：1+Gk(s)Gm(s)+Gc(s)Gm(s)GR(1+GA)=0氢氮比的合格率氢氮比的合格率从手动时的从手动时的50%50%上升到上升到自动时的自动时的90%90%。在水洗气量阶跃变。在水洗气量阶跃变化化15%15%时仍有很强抗干扰能力。时仍有很强抗干扰能力。合成塔压力降低，合成塔运行稳定，产品产量和质量得到提高合成塔压力降低，合成塔运行稳定，产品产量和质量得到提高l时滞补偿控制基本概念时滞补偿控制基本概念lSmith预估补偿控制预估补偿控制l内模控制内模控制l增益自适应控制增益自适应控制l观测补偿控制基本原理观测补偿控制基本原理l观测补偿控制三方案观测补偿控制三方案l时滞补偿控制系统设计示例时滞补偿控制系统设计示例本节本节重点重点