过程控制课件--第六章利用补偿原理提高系统-PPT文档资料
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允许存在一定的误差, 在工程上容易实现, 而且生产中也不会有绝对不变 性的要求, 所以应用广泛. 如反馈控制从理论上应该属于误差不变性．
(3) 稳态不变性 在干扰Di(t)作用下, 被调量的动态偏差不为零, 而稳态偏差为零, 被调量在 稳态工况下与扰动量无关.
当 D i( t) 0 时 , y ( ) 0 ,e s s r y ( ) 0
15.12.2020
过程控制
11
r
主调
节器
副调 节器
给水 扰动
G(s)
D(s)负 扰荷 动
调节阀
管路
锅炉 H
压力变送器
液位变送器
如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负荷量,就能解决 负荷扰动大,控制不及时的缺点.
15.12.2020
过程控制
12
D
ID
开方器
DT
IG*IDIL5.0
Σ IG* QC IG 开方器
(1) 绝对不变性
对象在扰动Di(t)作用下, 被调量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变, 调 节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.
实际中难以达到：对象的动态特性不可能绝对精确；扰动补偿装置实现 上的困难．
15.12.2020
过程控制
7
(2) 误差不变性 准确度有一定限制的不变性．可表示为：
当 D i(t)0 时 ， |y(t)|
G P D (s ) G ff(s )G V (s )G P C (s ) 0
Gff
(s) GPD(s) GV(s)GPC(s)
前馈控制的理论基础是不变性原理，或称为扰动补偿理论
15.12.2020
过程控制
6
不变性原理:
控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关，也就是被 调量完全独立或基本独立．
(4) 选择不变性
系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性. 减少了补偿装置, 节省 投资又能达到对主要干扰的不变性．
15.12.2020
过程控制
8
§6-2 前馈控制系统
D1 D2 D3
一 基本概念
前馈控制是以不变性原理为 理论基础的一种控制方法.它 把影响过程的主要因素测量 出来, 连同设定值一起, 用来 计算正确的输出,以适应当前 的状态．
设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调量y(t)的不变性可表示为：
当 D i( t ) 0 时 ， 仍 有 y ( t ) 0 ( i 1 ,2 ,. . . n )
即被调量y(t)与干扰Di(t)独立无关． 在应用不变性原理时,由于各种原因,不可能完全实现上式所规定的y(t)与 Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种 不变性．
r 前馈 设定值 控制器
调节量 μ
对象
前馈控制系统
y 被调量
无论干扰何时出现, 都立即开始校正, 使扰动在影响到被调量之前就被抵 消掉. 从理论上讲, 前馈控制可是实现很完善的控制, 即使是难控过程,其 性能也仅受测量和计算精度的限制．
u = f(r, D1,D2,D3)
15.12.2020
过程控制
干扰多：准确性难以保证，存在多种残差 迟延：快速性降低
15.12.2020
过程控制
2
3)反馈控制的特点 ： ✓基于偏差来消除偏差； ✓“不及时”的控制 ； ✓存在稳定性问题； ✓对各种扰动均有校正作用； ✓控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。
问题:
是否可以在偏差产生前 (扰动发生但还未影响到输出量) 就 让调节机构作出反应,通过对干扰进行补偿来抵消其影响,从 而使被控对象不受干扰量的影响.这就是前馈控制(FFC),它 是一种按干扰进行控制的开环控制方式.
15.12.2020
过程控制
3
例1 换热器控制 (用蒸汽Q对物料F进行加热,保持出料口物料温度稳定) 被调量: 换热器出口温度θ1 主要干扰: 换热器的物料量F
方案1----反馈控制
θr
e
Gc(s)
—
F(s)
Gv(s) Q
G(s) θ1
Gm(s)
闭环控制系统方框图
缺点：
对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节．按偏差大小进行 控制的． e调节阀θ1
9
例3 锅筒锅炉的水位控制
生产过程：给水G经锅炉加热 产生蒸汽输出 被调量: 锅炉水位H,保持恒定
扰动: 负荷(蒸汽D)扰动, 给水扰 动.
控制方案： 1. 串级控制(反馈控制) 2. 前馈控制
Baidu Nhomakorabea
锅炉的水位控制系统
15.12.2020
过程控制
10
1. 串级空制
r
主调
节器
副调 节器
给水 扰动
G(s)
15.12.2020
过程控制
4
方案2----前馈控制
控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节．
蒸汽量
F(s)
物料量
Gff(s)
Gv(s) Q
GPD(s) θ1 GPC(s)
前馈控制系统方框图
优点：
对干扰直接进行控制，控制比反馈
及时
F
GPD(s) +θ1
干扰F 调节阀θ1
Gff(s) Gv(s) Q GPC(s) +
15.12.2020
过程控制
5
系统传递函数为：
F 1((ss))G P D (s)G ff(s)G V(s)G P C(s) F
系统对于干扰F实现完全补偿的条件是:
GPD(s) + θ1 Gff(s) Gv(s) Q GPC(s) +
F ( s ) 0 ,而 1 ( s ) 0 ,代 入 上 式 有 ：
D(s)负 扰荷 动
调节阀
管路
锅炉 H
压力变送器
液位变送器
缺点： 1. 对扰动的响应不够及时 2. 如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求,水位H波动大． 3. 负荷对水位的影响存在假水位现象,调节过程产生更大动态偏差,调节
过程加长．
假水位: 锅炉蒸汽负荷突然↑,气压↓,水的沸点↓,水汽混合物体积↑,则此 时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升．反之一样．
蒸汽 负荷
IＬ
-+
DT
Σ LC
If
给水G 阀
If IGID5.0
h 锅炉
G=f(D, r)
LT
锅炉水位前馈控制系统
精品
过程控制课件--第六章利用补偿原理 提高系 统
§6-1 概述
1) 反馈控制的优点(PID控制)
①原理简单, 使用方便,不需知道对象的确切模型 ②适应性强 ③鲁棒性强, 控制品质对被控对象特性的变化不敏感
鲁棒性:控制系统在其特性或参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能
2) 反馈控制系统的不足 在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的 过程响应时,反馈控制难以得到好的效果．(稳定性,准确性,快速性)
(3) 稳态不变性 在干扰Di(t)作用下, 被调量的动态偏差不为零, 而稳态偏差为零, 被调量在 稳态工况下与扰动量无关.
当 D i( t) 0 时 , y ( ) 0 ,e s s r y ( ) 0
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过程控制
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r
主调
节器
副调 节器
给水 扰动
G(s)
D(s)负 扰荷 动
调节阀
管路
锅炉 H
压力变送器
液位变送器
如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负荷量,就能解决 负荷扰动大,控制不及时的缺点.
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过程控制
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D
ID
开方器
DT
IG*IDIL5.0
Σ IG* QC IG 开方器
(1) 绝对不变性
对象在扰动Di(t)作用下, 被调量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变, 调 节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.
实际中难以达到：对象的动态特性不可能绝对精确；扰动补偿装置实现 上的困难．
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(2) 误差不变性 准确度有一定限制的不变性．可表示为：
当 D i(t)0 时 ， |y(t)|
G P D (s ) G ff(s )G V (s )G P C (s ) 0
Gff
(s) GPD(s) GV(s)GPC(s)
前馈控制的理论基础是不变性原理，或称为扰动补偿理论
15.12.2020
过程控制
6
不变性原理:
控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关，也就是被 调量完全独立或基本独立．
(4) 选择不变性
系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性. 减少了补偿装置, 节省 投资又能达到对主要干扰的不变性．
15.12.2020
过程控制
8
§6-2 前馈控制系统
D1 D2 D3
一 基本概念
前馈控制是以不变性原理为 理论基础的一种控制方法.它 把影响过程的主要因素测量 出来, 连同设定值一起, 用来 计算正确的输出,以适应当前 的状态．
设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调量y(t)的不变性可表示为：
当 D i( t ) 0 时 ， 仍 有 y ( t ) 0 ( i 1 ,2 ,. . . n )
即被调量y(t)与干扰Di(t)独立无关． 在应用不变性原理时,由于各种原因,不可能完全实现上式所规定的y(t)与 Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种 不变性．
r 前馈 设定值 控制器
调节量 μ
对象
前馈控制系统
y 被调量
无论干扰何时出现, 都立即开始校正, 使扰动在影响到被调量之前就被抵 消掉. 从理论上讲, 前馈控制可是实现很完善的控制, 即使是难控过程,其 性能也仅受测量和计算精度的限制．
u = f(r, D1,D2,D3)
15.12.2020
过程控制
干扰多：准确性难以保证，存在多种残差 迟延：快速性降低
15.12.2020
过程控制
2
3)反馈控制的特点 ： ✓基于偏差来消除偏差； ✓“不及时”的控制 ； ✓存在稳定性问题； ✓对各种扰动均有校正作用； ✓控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。
问题:
是否可以在偏差产生前 (扰动发生但还未影响到输出量) 就 让调节机构作出反应,通过对干扰进行补偿来抵消其影响,从 而使被控对象不受干扰量的影响.这就是前馈控制(FFC),它 是一种按干扰进行控制的开环控制方式.
15.12.2020
过程控制
3
例1 换热器控制 (用蒸汽Q对物料F进行加热,保持出料口物料温度稳定) 被调量: 换热器出口温度θ1 主要干扰: 换热器的物料量F
方案1----反馈控制
θr
e
Gc(s)
—
F(s)
Gv(s) Q
G(s) θ1
Gm(s)
闭环控制系统方框图
缺点：
对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节．按偏差大小进行 控制的． e调节阀θ1
9
例3 锅筒锅炉的水位控制
生产过程：给水G经锅炉加热 产生蒸汽输出 被调量: 锅炉水位H,保持恒定
扰动: 负荷(蒸汽D)扰动, 给水扰 动.
控制方案： 1. 串级控制(反馈控制) 2. 前馈控制
Baidu Nhomakorabea
锅炉的水位控制系统
15.12.2020
过程控制
10
1. 串级空制
r
主调
节器
副调 节器
给水 扰动
G(s)
15.12.2020
过程控制
4
方案2----前馈控制
控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节．
蒸汽量
F(s)
物料量
Gff(s)
Gv(s) Q
GPD(s) θ1 GPC(s)
前馈控制系统方框图
优点：
对干扰直接进行控制，控制比反馈
及时
F
GPD(s) +θ1
干扰F 调节阀θ1
Gff(s) Gv(s) Q GPC(s) +
15.12.2020
过程控制
5
系统传递函数为：
F 1((ss))G P D (s)G ff(s)G V(s)G P C(s) F
系统对于干扰F实现完全补偿的条件是:
GPD(s) + θ1 Gff(s) Gv(s) Q GPC(s) +
F ( s ) 0 ,而 1 ( s ) 0 ,代 入 上 式 有 ：
D(s)负 扰荷 动
调节阀
管路
锅炉 H
压力变送器
液位变送器
缺点： 1. 对扰动的响应不够及时 2. 如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求,水位H波动大． 3. 负荷对水位的影响存在假水位现象,调节过程产生更大动态偏差,调节
过程加长．
假水位: 锅炉蒸汽负荷突然↑,气压↓,水的沸点↓,水汽混合物体积↑,则此 时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升．反之一样．
蒸汽 负荷
IＬ
-+
DT
Σ LC
If
给水G 阀
If IGID5.0
h 锅炉
G=f(D, r)
LT
锅炉水位前馈控制系统
精品
过程控制课件--第六章利用补偿原理 提高系 统
§6-1 概述
1) 反馈控制的优点(PID控制)
①原理简单, 使用方便,不需知道对象的确切模型 ②适应性强 ③鲁棒性强, 控制品质对被控对象特性的变化不敏感
鲁棒性:控制系统在其特性或参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能
2) 反馈控制系统的不足 在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的 过程响应时,反馈控制难以得到好的效果．(稳定性,准确性,快速性)