第6讲复杂控制策略

过程控制系统主讲人：钱艳平2010.092过程控制策略开关（ON/OFF）控制PID控制PID控制算法、数字PID算法PID改进算法复杂过程控制串级控制、前馈控制、解耦控制等先进过程控制（APC）预测控制、智能控制等3第六讲复杂控制策略6.1串级控制6.2前馈及时滞控制6.3解耦控制6.4比值控制6.5均匀及超驰控制6.6分程控制46.1串级控制6.1.1引言温度单回路控制系统：若温度变化较大，如何解决？TTTC饱和蒸汽加热物料56.1.1引言人工控制的解决办法仿照人工操作，不仅观察容器内的温度，还要观察入口蒸汽流量！温度低，则开大蒸汽阀门；若蒸汽流量不够，及时再开大阀门，直到得到希望的温度为止。若不观察蒸汽流量量，只开大或关小阀门的，则很有可能调节过头或感觉不及时！这其实就是过程控制中所谓的“串级控制”思想。TTTC66.1.1引言温度串级控制解决方案TTTCTTFTFCTC76.1.1引言温度串级控制解决方案与单回路控制相比，增加了一个流量计和一个流量控制器。温度控制器流量控制器调节阀管路容器流量计温度设定温度温度计入口流量干扰干扰TTFTFCTC86.1.2串级控制结构及特点（一）串级控制的结构96.1.2串级控制结构及特点（二）串级控制的特点1、串级控制系统有主、副两个闭合回路。主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。2、副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。106.1.3串级控制性能分析及仿真（一）串级控制性能分析1、增强系统的抗干扰能力串级控制系统的副环能够有效地克服二次扰动的影响。116.1.3串级控制性能分析及仿真（一）串级控制性能分析2、改善对象动态特性，提高系统的工作频率串级控制系统的副环具有较快的响应速度，提高了系统的工作效率。126.1.4串级控制设计（二）主、副对象的时间常数匹配1、若副回路设计得太大，主、副对象时间常数比较接近，易引起“共振”问题。2、串级控制系统的主、副回路既独立又密切相关。136.1.4串级控制设计（三）主副控制器控制规律的选择主控制器一般选PI或PID控制规律；副控制器一般选P或PI控制规律：对于温度副回路过程，若采用积分，会减弱副回路的快速作用；但对流量副回路过程常采用PI规律。作为随动环节，由于给定值经常变化，显然不宜引入微分规律。若确需引入，可采用微分先行规律。146.1.4串级控制设计（四）串级控制系统投运先副回路，后主回路；副回路或主回路投运步骤与单回路相同。无扰动切换。156.1.4串级控制设计（五）串级控制系统参数整定串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主控制器的输出变化即可。在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定方式。166.1.4串级控制设计（五）串级控制系统参数整定整定步骤:断开主回路，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副控制器的整定参数值。闭合主回路，将副回路作为一个等效环节，按单回路整定方法，求取主控制器的整定参数值。176.1.5串级控制应用实例主要应用场合：用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后；用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动；用于克服被控过程的非线性。186.1.5串级控制应用实例在冶金行业选矿工艺中，大量使用矿石破碎机对矿石进行破碎。破碎系统的主体设备是破碎机，要求给矿料位稳定。196.1.5串级控制应用实例下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系统中的一个主要扰动。若仅以机腔料位作为被控参数构成单回路控制系统，当扰动发生后，由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，单回路控制系统往往会引起很大的超调，甚至振荡。206.1.5串级控制应用实例为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统。216.1.5串级控制应用实例主控制器（料位控制器）采用PI规律，反作用；副控制器（矿量控制器）采用PI规律，反作用。投运：先皮带秤、料位计投运；手动操纵电液推杆控制下矿量；稳定运行一段时间后无扰动切换，并整定。226.2前馈及时滞控制前馈控制结构、原理及特点静态前馈、动态前馈前馈-反馈复合控制系统时间滞后控制系统Smith预估补偿方案采样控制方案236.2.1前馈控制（一）引言原油加热炉出口温度的控制若原油流量是主要扰动，那么该如何处理？T1TT2C燃料原油T1CT2T原油是生产负荷！不可调节。246.2.1前馈控制人工控制的基本思想（1）若原油流量不可调节，而扰动幅度又大，则可测量原油流量，据此及时调节燃料阀门的开度，以减少对出口温度的影响。（2）这就是所谓“前馈控制（FeedForward）”的基本思想：若无法控制此扰动，则测量它，且不等扰动影响到被控量就提前及时调节。控制算法（大脑）燃料量调节阀原油管路、加热炉d燃料管路、加热炉25（二）前馈控制的结构前馈控制器；过程控制通道传递函数；过程扰动通道传递函数。)(sGff)(sGp)(sGd开环结构)(sGd)(sGff)(sGp)(sY)(sD26（三）前馈控制设计原理1、“不变性”原理在扰动作用下，使控制系统的被控量与扰动作用完全无关（或在一定准确度下无关）。)(tD)(tD27（三）前馈控制设计原理2、前馈控制器由不变性原理,前馈控制器是由过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：)()()(sGsGsGpdff)(sGd)(sGff)(sGp)(sY)(sD28（三）前馈控制设计原理3、前馈控制的必要条件“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能按受的信号。“不可控”：指这些扰动量不可以通过控制回路予以控制。如之前的生产负荷。294、前馈控制与反馈控制比较反馈控制前馈控制控制依据基于偏差来消除偏差。基于扰动来消除扰动对被控量的影响。控制作用发生时间总要等到引起被控量发生偏差后，控制器才动作，是一种“不及时”的控制。扰动发生后，前馈控制器“及时”动作。控制结构闭环控制。存在稳定性问题。开环控制。只要各环节稳定，则控制系统必然稳定。校正范围可消除被包围在闭环内的一切扰动对被控量的影响。只对被前馈的扰动有校正作用，具有指定性补偿局限性。控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。取决于过程扰动通道与控制通道特性之比。30（四）静态前馈与动态前馈1、静态前馈工程上要实现完全补偿是很难的，所以一般要求控制系统能在一定准确度下获得近似补偿：或者，系统在稳态工况下被控量与扰动无关：静态前馈控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式：ffpdffKsGsGsG)()()(0)(,)(tdty0)(,0)(limtdtyt31（四）静态前馈与动态前馈2、动态前馈当工艺上对控制精度要求很高，静态方案难以满足时，可考虑使用动态前馈方案。为避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖，且便于整定，根据被控过程的非周期、过阻尼特性，动态前馈系统常采用如下典型的控制规律：11)(21ssKsGffff32（五）前馈-反馈复合控制系统1、前馈控制的局限性属于开环控制方式。准确地说，应称之为前馈补偿！完全补偿难以满足，因为：要准确掌握扰动通道及控制通道特性是不容易的；即使前馈模型能准确求出，有时工程上也难以实现；对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂；有一些扰动无法在线测量！)(sGd)(sGp)(sGff33（五）前馈-反馈复合控制系统2、前馈-反馈复合控制系统将前馈和反馈结合，既利用前馈控制及时克服主要扰动，又保持反馈控制克服多个扰动的长处；复合控制降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。)(sGd)(sGff)(sGp)(sC)(sD)(sGc)(sH)(sR34（五）前馈-反馈复合控制系统3、前馈反馈控制系统的设计原则采用前馈控制主要是针对那些“可测不可控”、变化频繁且幅值较大的扰动量；工程中，一般选用静态前馈-反馈控制方案，即可得到较为满意的控制效果。35（六）前馈控制设计举例ffG36（六）前馈控制设计举例376.2.2时滞控制时间滞后是指纯滞后过程。纯滞后往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的。纯滞后极大地影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。若≥0.3，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，时滞系统的控制是世界公认的控制难题。可考虑的方案：预估补偿方案；采样控制方案。T/38（一）Smith预估补偿1、基本原理一种以模型为基础的预估补偿控制方法；预先估计出被控过程动态数学模型；预估出过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿。39（一）Smith预估补偿2、Smith预估补偿结构(s)cG(s)R(s)Y(s)pGspesG)(se)(sGp)(sY)(sD)(sU采用Smith预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。40（一）Smith预估补偿3、Smith预估补偿的不足Smith预估器在应用中很不尽如人意，主要原因：需要确知被控对象的精确数学模型。即使是最简单的一阶模型，放大系数、时间常数或纯滞后哪怕只有10%的误差，也易产生振荡！只能用于线性定常系统。对负载扰动无所助益。41（一）Smith预估补偿4、Smith预估补偿的改进(s)cG(s)R(s)Y(s)pGspesG)(se1)(sD)(sU(s)fG42（二）采样控制方案1、基本原理“调一下，等一等”（WaitandSee)的办法:当控制器输出后，一段时间内不再增加或减小，而是保持此值（保持的时间比纯滞后时间τ0稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；接着，根据偏差的大小再决定下一步控制作用的大小和方向。43（二）采样控制方案2、采样控制的特点核心思想就是避免控制器不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后的不利影响。需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。44（三）几点说明工业实际过程控制中，一旦出现了大时滞过程，要想取得满意的动静态控制效果是很难的。在进行控制系统方案设计时，应尽一切可能避免大时滞控制系统的出现。比如，在条件允许的情况下，不采用简单的单回路控制系统，而引入中间变量构成串级控制系统等。微分作用对时滞控制无能为力；所谓“先进控制”尚未见实际效果。456.3解耦控制6.3.1控制回路间的耦合（一）什么是耦合？如果需要同时控制泵出口的压力和流量，试分析两个控制系统的运行情况？466.3.1控制回路间的耦合压力控制回路PCA阀11()GsPT压力设定泵出口压力＋－流量控制回路FCB阀22()GsFT流量设定泵出口流量＋－对象12()Gs21()Gs47（二）耦合程度如何分析？1、相对增益定义相对增益λij是调节量μj相对于过程中其他调节量对被控量yi而言的增益（μj→yi）；λij定义为：ijijijqppij第一放大系数qij第二放大系数48（二）耦合程度如何分析？（１）第一放大系数pij指耦合系统中，除μj到yi通道外，其它通道全部断开时所得到的μj到yi通道的静态增益;即，除调节量μj改变了μj以外，其它调节量μk（k≠j）均不变。pij可表示为：jkkjiijyp,μj→yi的增益（仅μj→yi通道投运，其他通道不投运）49（二）耦合程度如何分析？（２）第二放大系数qij指除所观察的μj到yi通道之外，其它通道均闭合且保