4复杂控制系统.ppt
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1、,一、前馈反馈控制技术 二、双重控制 三、浮动塔压控制系统 四、均匀控制系统 五、精馏塔的控制,第四章 复杂 控制技术,前馈反馈控制技术 一、反馈控制和前馈控制的特点 二、不变性原理与前馈控制器 三、前馈控制的几种结构形式,第四章 复杂控制技术(一),前面各部分讨论的控制系统,都是带有反馈的闭环系统。当被控系统受到扰动后,必须等到被控参数出现偏差,控制器才有动作,以补偿扰动对控制参数的影响。,若能在扰动出现时就进行控制,而不是等到偏差发生后再进行控制,这样就能更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制就是依据这个思路提出来的。,反馈控制的特点,例如图所示为换热器温度控制系统原理框图。图中:Q2
2、为热流体温度;Q1为冷流体温度,q为流体的流量,qD为蒸汽的流量,pD为蒸汽的压力,kv为调节阀开度。,一、反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点,上图中,当扰动(物料流量q,入口温度q1,蒸汽压力pD)发生后,引起:,一、反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点,一 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点,反馈控制的特点为:,反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差出现,也就没有控制作用。无论扰动发生在那里,总要等到引起被控量发生偏差后,调节器才动作。故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生,是一种相对“不及时”的控制。,前馈控制的特点,例换热器前馈控制。如果该系统中物料流量q
3、是被控量q2的主要扰动。如果q变化频繁且幅值大,对出口温度q2的影响最大。这时可考虑采用前馈控制。,一、反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点,前馈控制器“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”,又称前馈控制为“扰动补偿”。扰动发生后,前馈控制器“及时”动作,对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。前馈控制属于开环控制。因此只要系统中各环节是稳定的,则控制系统必然稳定。一条前馈只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正作用,而对系统中的其它扰动无校正作用。前馈控制器的控制律有时较复杂。,一、反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点,1、不变性原理:控制系统的被控量与扰动量完全无关,或在一定的准
4、确度下无关。,按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度,有绝对不变性、e不变性和稳态不变性等几种不变性类型。,二、不变性原理与前馈控制器设计-不变性原理,绝对不变性:指系统在扰动f(t)的作用下,被控参数y(t)在整个过程中始终保持不变。即e动e静0。如下图所示。,图中;f(t)为扰动,y1(t)为由扰动引起的被控参数的变化。y2(t)为前馈控制器对被控参数的影响。y(t)为被控参数的实际变化量。y(t)=y1(t)+y2(t)=0,二、不变性原理与前馈控制器设计,e不变性:指系统在扰动f(t)的作用下,被控参数y(t)的偏差小于一个很小的e值。即|y(t)|e,当f(t)不为零时。,稳态不
5、变性:指系统在扰动f(t)的作用下,虽然被控参数y(t)的动态偏差不为零,但其静态偏差恒为零,即:,二、不变性原理与前馈控制器设计,二、不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器,前馈控制器的典型结构,图中,Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数;Dn(s)是前馈控制器的传递函数;G(s)被控对象的传递函数。n为可测不可控的干扰;y为被控参数;假定u10,有:,整理得:,二、不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构,根据绝对不变性原理:,由此得到前馈控制器传递函数为:,也可由e不变性或稳态不变性原理来设计前馈控制器。(略),二、不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构,三、前馈控制
6、的几种结构形式-静态和动态前馈控制系统,前馈反馈控制系统,(一)前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制;完全补偿难以实现。(1)难以准确地掌握过程扰动通道和控制通道Gn(s)和G(s)的特性。有些过程对象常含有非线性特性,在不同的工况下,动态性能参数将变化,单一的前馈模型难以适应。(2)有些前馈模型Dn(s)难以实现,只能用计算机完成。(3)一个扰动需要一个测量变送装置,干扰多时,造成控制系统庞大。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,(二)前馈反馈控制系统 为了解决上述前馈控制的局限性,吸收前馈控制对扰动的补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用的优点,可组成前
7、馈反馈控制系统。,例炼油装置加热炉的前馈反馈控制系统。图中,q为被控量,物料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前馈控制。当qF变化时,通过FT,FFC的信号变化,从而调节阀门的开度,改变q。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,(三)典型前馈反馈控制系统结构图,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,典型前馈反馈控制系统控制效果分析(一),图(a)中前馈信号接在反馈控制器之后。可知:在扰动N(s)的作用下,系统的输出为:,上式中:右边第一项为干扰对输出量的影响,第二项为前馈校正作用,第三项为反馈校正作用。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,传递函数为:,分析(1
8、):在单纯的前馈控制时,有:,与上式相比,前馈反馈控制时干扰对被控量的影响比单纯前馈控制小 倍。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,分析(3):在反馈控制系统中,稳态精度与稳定性存在矛盾。而前馈反馈控制能在一定的程度上解决这一矛盾,提高控制品质。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,典型前馈反馈控制系统控制效果分析(二),图(b)中前馈信号接在反馈控制器之前。可知:在扰动N(s)的作用下,系统的输出为:,传递函数为:,在完全补偿条件下(绝对不变性),前馈控制器为:,三、前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统,(四)数字前馈反馈控制算法,三、前馈控制的几种结构形式-数字前
9、馈反馈控制系统,若采样周期T足够短(并设t=mT,即纯滞后时间t是采样周期T的整数倍),可对微分项离散化,得到差分方程。,三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统,三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统,(五)数字前馈反馈控制算法步骤,步骤一计算反馈控制的偏差e(k);e(k)=r(k)-y(k)步骤二计算反馈控制器(PID)的输出u1(k);,三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统,三、前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统,步骤三计算前馈控制器Dn(s)的输出un(k);,步骤四计算前馈反馈控制器的输出u(k);,(六)前馈控制系统的稳定性,前馈控制是开环
10、控制,必须要求系统中的每一个环节要稳定。对于无自平衡能力的系统,不能单独使用前馈控制。事实上,只要反馈或串级控制系统的稳定的,则相应的前馈反馈系统或前馈串级控制系统也是稳定的。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈控制系统的稳定性,(七)前馈控制的选用原则,实现前馈控制的必要条件是扰动量不可控但可测。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可接受的信号。不可测的信号不能实现前馈。不可控:指扰动量难以通过专门的控制回路予以控制。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则,扰动量变化频繁且幅度较大,在扰动量N(s)的作用下,输出量:,扰动量N(s)的幅值越大,输出量y(t)越
11、大。这时单纯使用反馈控制,动态偏差可能很大。可以考虑使用前馈控制。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则,前馈串级控制系统,在实际应用中,常采用前馈串级控制系统结构。如下图所示。,图中:D1(s)、D2(s)分别为主、副控制器传递函数;Dn(s)为前馈控制器传递函数;G1(s)、G2(s)分别为主、副对象。,三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统,前馈串级控制能及时克服进入前馈回路和串级副回路的干扰对被控量的影响,因前馈控制的输出不是直接作用于执行机构,而是补充到串级控制的副回路的给定值中,这样就降低了对执行机构动态响应性能的要求。这也是前馈反馈控制被广泛采用的原因之一。,三、
12、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统,设副回路的传递函数为W2(s)。则上图可简化为:,则:,三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统,当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时,副回路是一个快速的比例随动系统,可以近似写为:,则前馈控制器为:,根据绝对不变性原理,要求对N(s)进行完全的补偿,即Y(s)/N(s)=0,则有:,三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统,三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子),三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子),三、前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子),反馈控制和前馈控制的特点 不变性原理与前馈控制器 前馈
13、控制的几种结构形式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈反馈控制系统 数字前馈反馈控制算法 数字前馈反馈控制算法步骤 前馈控制的选用原则 前馈串级控制系统,本节小结,双重控制,第四章 复杂控制技术(二),一、基本原理和结构 对于一个被控变量采用两个或两个以上的操纵变量进行控制的控制系统称为双重或多重控制系统。这类控制系统采用不止一个控制器,其中有一个控制器的输出作为另一个称为阀位控制器的测量信号。系统操纵变量的选择是从操作优化的要求综合考虑的。它既要考虑工艺的合理和经济,又要考虑控制性能的快速性。而这两者又常常在一个生产过程中同时存在。双重控制系统就是综合这些操纵变量的各自优点,克服各自的
14、弱点进行优化控制的。,图 4-1 蒸汽减压系统,高压蒸汽,低压蒸汽,V1,V2,SP,串级控制系统的框图,y2=u1,y1,r2,y,r1,图4-2 双重控制系统框图,双重控制系统使用一个变送器,两个控制器及两个控制阀。与串级控制系统相比,双重控制系统少用一个变送器多用一个控制阀。它们都有二个控制回路,但串级控制系统二者是串联的,双重控制系统中却是并联的。它们都有“急则治标,缓则治本”的功能,但解决的问题不同。,二、系统分析 从整体来看,双重控制系统仍是一个定值控制系统。但与单由主控制器、副控制器和慢响应对象组成的单回路控制系统相比,由于增加了一个具有快速响应的回路,使它具有一些特殊的功能。(
15、1).由于双回路的存在,增加了开环零点,改善了控制品质,提高了系统的稳定性。(2).双重控制系统的工作频率也得到提高。(3).动静结合,快慢结合,“急则治标,缓则治本”。这里的“快”指动态特性好,“慢指静态性能好。由于双回路的存在,使双重控制系统能先用主控制器的作用使y1尽快回复到设定值r1,保证了系统具有良好的动态响应,达到了“急则治标”的功效。同时,在偏差减小的同时,双重控制系统又充分发挥了副控制器缓慢的调节作用,并使y2回复到设定值r2,这就使系统具有较好的静态性能。由于双重控制系统较好地解决了动静的矛盾,达到了操作优化的目的。,三、系统设计与实施中的一些问题主、副操纵变量的选择主、副控
16、制器的选择 组成双重控制系统的主、副控制器均起定值调节作用。为了消除余差,主、副控制器均应选用具有积分作用的控制器,并且不加入微分作用。主、副控制器正反作用方式的选择投运和参数整定 投运方式是先主后副,即先使快响应对象切入自动,然后再切入慢响应对象。主控制器参数与快响应控制时的参数相类似,而副控制器参数选用宽比例度和大积分时间,甚至可采用纯积分作用。双重控制系统的关联 双重控制系统是一个包含两个回路的相关联的系统,但是由于该系统的两个等效时间常数相差很大,因此它们之间的动态耦合很弱。,均匀控制系统,第四章 控制技术(三),均匀控制系统,1 均匀控制问题的提出及特点2 均匀控制方案,教学进程,1
17、,均匀控制问题的提出及特点,如串联精馏塔系统,甲塔控制液位,而乙塔要控制进料量,出现矛盾,过程生产的连续性物料连续,前一设备出,后一设备进,前后设备的控制系统经常会出现不协调(矛盾)。,均匀控制目的:两参数都允许在一定范围内波动,但波动都不大,1,均匀控制问题的提出及特点,解决办法:工艺上可在两塔之间加入缓冲罐,增加投资,控制系统上解决均匀控制系统,做法:把两参数统一考虑,只设置一个控制系统,如LC,然后调整控制器参数,均匀控制系统的特点,(1)结构上无特殊性 可以是单回路,可以是串级,均匀是指控制目 的,而不是指 结构。(2)参数都要允许变化,但都要缓慢,并且要有主次(3)参数变化要限定范围
18、(非定值控制,而是定范围控制)注意:明确均匀控制意图。,1,均匀控制问题的提出及特点,均匀控制方案,常用的结构形式,(1)简单均匀控制 结构与单回路相同,在控制器参数整定上不同,较大的比例度和积分时间(弱控制作用)适用于干扰不大,要求不高的场合,图 液位和流量 I0=IL-IF+IS,稳定时,IL和IF的符号相反,抵消,IS,结构与串级系统相同,主控制器与简单均匀控制器参数设置相同。,常用的结构形式,(2)串级均匀控制,(3)双冲量均匀控制,“冲量”信号,“双冲量”一个控制器 综合两个测量信号,,控制规律的选择,不能加微分控制规律,简单均匀:控制器纯比例,或比例积分,串级均匀:主控制器纯比例,
19、或比例积分 副控制器纯比例,或比例积分,双冲量均匀:控制器比例积分,利:积分的引入对液位参数有利,液位不越限,高频噪声,弊:积分的引入对流量信号不利,平衡状态过程很短,积分饱和,参数整定,串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定,其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。,整定的原则“慢”,过渡过程不能出现振荡,根据工艺对流量和液位两个参数的要求,适当调整控制器的参数。,以保证液位不超出允许的波动范围,先设置好控制器参数。,修正控制器参数,充分利用容器的缓冲作用,使液位在最大允许的范围内波动,输出流量尽量平稳。,气体压力与流量的均匀控制,对于汽相物料,前后设备间的均匀控制一般
20、是压力和流量的串级均匀控制,,去加氢反应器,浮动塔压控制系统,第四章 复杂控制技术(四),一、浮动塔压控制的基本原理 在精馏塔的控制中,若塔压恒定,就可以单纯依据温度来间接控制产品质量。而且对于生产的平稳操作也是有利的。所以,早期的精馏塔控制中,差不多总是采用恒定塔压控制的。然而从节能的角度,从传质原理来看,这种恒定塔压控制的操作不是优化的操作。当塔压低时,混合物的相对挥发度高,为了获得相同纯度的分离效果所消耗的能量就小,或者说在相同的能耗下,精馏塔的处理量增大,产量提高。,精馏塔浮动塔压控制方案如下图所示。与常规的恒定塔压控制不同的是增加一个阀位控制器。通过VPC去调整压力控制器的设定值。,
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