第6讲复杂控制策略

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第6讲复杂控制策略
6.1.3 串级控制性能分析及仿真
n （一）串级控制性能分析
u 1、增强系统的抗干扰能力
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串级控制系统的副环能够有效地克服二 次扰动的影响。
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6.1.3 串级控制性能分析及仿真
n （一）串级控制性能分析
u 2、改善对象动态特性，提高系统的工作频率
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6.1.4 串级控制设计
n （四）串级控制系统投运
u 先副回路，后主回路； u 副回路或主回路投运步骤与单回路相同。 u 无扰动切换。
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6.1.4 串级控制设计
n （五）串级控制系统参数整定
u 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。
u 属于开环控制方式。准确地说，应称之为前馈补偿！ u 完全补偿难以满足，因为：
n 要准确掌握扰动通道 及控制通道特性 是 不容易的；
n 即使前馈模型 能准确求出，有时工程上也难 以实现；
n 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；
n 有一些扰动无法在线测量！
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（二）采样控制方案
n 2、采样控制的特点
u 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。
u 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。
u 需注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。
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（三）几点说明
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2020/11/26
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过程控制策略
n 开关（ON/OFF）控制 n PID控制
u PID控制算法、数字PID算法 u PID改进算法
n 复杂过程控制
u 串级控制、前馈控制、解耦控制等
n 先进过程控制（APC）
u 预测控制、智能控制等
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u 预估补偿方案； u 采样控制方案。
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（一）Smith预估补偿
n 1、基本原理
u 一种以模型为基础的预估补偿控制方法； u 预先估计出被控过程动态数学模型； u 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。
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u “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。
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4、前馈控制与反馈控制比较
控制依据 控制作用 发生时间 控制结构
校正范围
反馈控制
前馈控制
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。
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。
n 3、前馈反馈控制系统的设计原则
u 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；
u 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。
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（六）前馈控制设计举例
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（六）前馈控制设计举例
n 2、动态前馈
u 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。
u 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：
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（五）前馈-反馈复合控制系统
n 1、前馈控制的局限性
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（二）前馈控制的结构
开环结构
u 前馈控制器； u 过程控制通道传递函数； u 过程扰动通道传递函数。
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（三）前馈控制设计原理
n 1、“不变性”原理
u 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）。
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n （一）串级控制的结构
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6.1.2 串级控制结构及特点
n （二）串级控制的特点
u 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。
u 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。
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（一）Smith预估补偿
n 2、Smith预估补偿结构
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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。
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（一）Smith预估补偿
n 3、Smith预估补偿的不足
u Smith预估器在应用中很不尽如人意，主要原因： n 需要确知被控对象的精确数学模型。 n 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！ n 只能用于线性定常系统。 n 对负载扰动无所助益。
u 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。
u 在工程实践中，串级控制系统采用先副后主的整定 方式。
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6.1.4 串级控制设计
n （五）串级控制系统参数整定
u 整定步骤: n 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。 n 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。
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6.2.2 时滞控制
n 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。
n 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。
n 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：
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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。
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6.1.4 串级控制设计
n （二）主、副对象的时间常数匹配
u 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。
u 2、串级控制系统的主、副回路既独立又密切相关。
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（一）Smith预估补偿
n 4、Smith预估补偿的改进
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（二）采样控制方案
n 1、基本原理
u “调一下，等一等”（Wait and See)的办法: n 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； n 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。
n （一）引言
u 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？
T1C T1T
T2C
原油是生产 负荷！不可
调节。
T2T
燃料
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原油
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6.2.1 前馈控制
u 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 （Feed Forward）”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。
扰动发生后，前馈控制器 “及时”动作。
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。
可消除被包围在闭环内的一切 只对被前馈的扰动有校正作
扰动对被控量的影响。
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 取决于过程扰动通道与控制
规律。
通道特性之比。
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推杆控制下矿量；稳定运行一段时间后无扰动 切换，并整定。
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6.2 前馈及时滞控制
n 前馈控制
u 结构、原理及特点 u 静态前馈、动态前馈 u 前馈-反馈复合控制系统
n 时间滞后控制系统
u Smith预估补偿方案 u 采样控制方案
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6.2.1 前馈控制
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6.1.5 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。
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6.1.5 串级控制应用实例
n 主控制器（料位控制器）采用PI规律，反作用； n 副控制器（矿量控制器）采用PI规律，反作用。 n 投运：先皮带秤、料位计投运；手动操纵电液
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第六讲 复杂控制策略
n 6.1 串级控制 n 6.2 前馈及时滞控制 n 6.3 解耦控制 n 6.4 比值控制 n 6.5 均匀及超驰控制 n 6.6 分程控制
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6.1 串级控制
6.1.1 引言 温度单回路控制系统：
饱和蒸汽
若温度变化较大， 如何解决？
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加热物料
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6.1.1 引言
n 人工控制的解决办法
u 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！
u 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。
u 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！
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（五）前馈-反馈复合控制系统
n 2、前馈-反馈复合控制系统
u 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；
u 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。
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（五）前馈-反馈复合控制系统
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6.1.5 串级控制应用实例
n 主要应用场合：
u 用于克服被控过程较大的容量滞后或纯滞后； u 用于抑制变化剧烈而且幅度较大的扰动； u 用于克服被控过程的非线性。
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6.1.5 串级控制应用实例
n 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。
n 破碎系统的主体 设备是破碎机， 要求给矿料位稳 定。
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6.1.5 串级控制应用实例
n 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。
n 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。
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6.1.4 串级控制设计
n （三）主副控制器控制规律的选择
u 主控制器一般选PI或PID控制规律； u 副控制器一般选P或PI控制规律：
n 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。
n 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。
n 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。
n 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。
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（四）静态前馈与动态前馈
n 1、静态前馈
u 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：
u 或者，系统在稳态工况下被控量与扰动无关：
u 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：
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（四）静态前馈与动态前馈
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（三）前馈控制设计原理
n 2、前馈控制器
u 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：
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（三）前馈控制设计原理
n 3、前馈控制的必要条件
u “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。
u 这其实就是过程控制中所谓的“串级控制”思想。
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6.1.1 引言
温度串级控制解决方案
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6.1.1 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。
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6.1.2 串级控制结构及特点