过程控制工程第九章-1

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
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）
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，
Gp (s)e
s
G (s)
设计一个补偿器，使并联后的等效传递函数消除纯滞后
Gp (s)es G (s) Gp (s)
G (s) Gp (s)(1 es )
Smith补偿器
9.2
纯滞后补偿的效果 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滞后
1
Gc(s)

U(s)
GP1(s) Gd1(s)
Y(s)
信号分离 估计器 E ( s )

G p 2 ( s)
GP2(s)
D(s) Gd2(s) Z(s)
推断控制器
E (s)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

12 按z变换设计的控制系统
数字控制系统
R(s) R(z) U(z) Ys(s)
Gc(s)
H(s)
Gp(s)
Y (z)
u(k ) [a0 e(k ) a1e(k 1) a 2 e(k 2) ] [b1u(k 1) b2u(k 2) ]
为采样控制输出的一般形式。
12.3 采样控制系统
（2）模拟式采样控制系统
13 预测控制系统
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
a. b. 精馏塔进料阶跃变化引起的基础液位变化 烟道开关-〉蒸汽温度变化
13 预测控制系统
特点：
（1）
（2） （3） （4）
模型可以通过过程实验获得，简单
采用了非参数卷积模型，抗干扰，鲁棒性强 滚动优化，弥补模型的不精确性 理论简单，易于推广
13 预测控制系统
• Model Predictive Control (MPC) – regulatory controls that use an explicit dynamic model of the response of process variables to changes in manipulated variables to calculate control “moves”. • Control moves are intended to force the process variables to follow a pre-specified trajectory from the current operating point to the target. • Base control action on current measurements and future
Y2(s)
Y1 ( s) G11 ( s) Y ( s) G ( s) 2 21
G12 ( s) P 1 ( s) P ( s) G22 ( s) 2
Y ( s ) G ( s ) P( s )
解耦控制—设计控制系统，消除系统之间耦合
10.1 关联系统解耦条件
13 预测控制系统
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
– – – – material, energy balances flow dynamics physical properties (often unknown) thermodynamics
• • • •
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
G PD ( z ) Y ( z) D( z ) 1 GC ( z )GoH G PC ( z )
根据对闭环系统动态品质的要求 可以设计数字控制器 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τ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。
10.3 解耦控制应用实例
精馏塔两端温度控制方案
11 按计算指标及推断控制系统
11.1 按计算指标的控制系统 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）精馏塔内回流控制系统 ①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。
③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： P152 式9-12， 可计算内回流 仪表实现内回流控制 系统：P153 图9-13 完成 式9-12的计算 已经形成专用仪表装 置。
11.1 按计算指标的控制系统
10.2 解耦控制方案
（2）简化解耦
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。
1 F 21
F12 1
对于a 求得：
1 F ( s) G21 ( s) G22 ( s)
G12 ( s ) G11 ( s) 1
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。
•多项式近似原理 计算e-τs时，可将其按幂级数展开为
e
s

1 (1
s
2
)
2
10 解耦控制系统
R1
P1（s） G11（s）
Gc1(s)
Y1(s)
R2
Gc2(s)
G12(s) G21(s) P2（s） G22（s）
代入，得大林算法：
1 (1 q) z 1 N Gc ( z ) HG p ( z ) 1 qz 1 (1 q) z 1 N
qe
TS / T
12.2 大林（Dahlin）控制算法
分析：
T
T
q →0 q→1
趋于最小拍算法; 控制趋于平缓 ，振荡减弱
T是可以进行调整的参数 例子：P166 大林算法存在负实数极点，控制器对阶跃输入响应会 有跳跃现象，需要改进 改进方法，见P167~168
条件：广义对象的传递矩阵G（S）必须是对角阵
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。
10.1 关联系统解耦条件
P1(s)
F11（s）
P‘1(s)
G11（s）
R1
GC1（s）
F12(s) P2（s） F21(s) G12(s) G21(s)
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
史密斯补偿的计算机实现
将纯滞后补偿环节首 m(k ) + u (k ) c (k) 先分为两个环节，如图所 GP（s） 示。先计算PID控制器的 - m(k l ) e--τ s 输出u（k），再计算预估 器GP（s）的输出m（k），其中史密斯预测器的输出cτ （k）为
（2）热焓控制系统 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9-14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 ②热焓运算的数学模型及实施框图 P154
11.1 按计算指标的控制系统
（2）热焓控制系统
TC
F
11.2
推断控制系统
控制系统：输出变量、外部扰动有可测和不可测的两类
不可测扰动
可测扰动
… …
Gd2
……
：
可测输出
操 纵 变 量
：
：
：
不可测输出
11.2
推断控制系统
组成反馈控制系统 组成前馈控制系统
可测输出
可测扰动 都不可测
推断控制 反馈推断控制 前馈推断控制
推测不可测被控变量
推测不可测扰动变量
s G ( s ) G ( s ) e Y ( s) c p R(s) 1 Gc (s)G p (s) s G ( s )[ 1 G ( s ) G ( s )( 1 e )] Y ( s) f c p F (s) 1 Gc (s)G p (s)
特征方程中不包含纯滞后环节，控制品质提高。
过程控制系统及工程
第9章 纯滞后补偿控制系统
信息学院自动化系：李大字
Email:lidz@
第 章
新型控制系统
9.1 9.2 纯滞后补偿原理 纯滞后补偿控制的效果
9
9.3
史密斯补偿的实现
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
c (k ) m(k ) m(k l )
式中，l=τ / t是纯滞后折合采样周期T的倍数。 在程序中采用下面方法可得到m（k－l）：在内存中专门设置l个单元用 存放历史数据，当前采样值总是存放在第1个单元（具体做法是将历史数据 区的各单元依次右移，空出第1个单元），这样，从l号单元输出的信号就是 滞后了l个采样周期的信号m（k－l）。
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
11.1 按计算指标的控制系统
VR
②内回流和外回流的关系： P152 图9-12 Li = Lo +ΔL ToH - TR变化不大时，可 以由 Lo 代替Li，否则， 需要内回流控制