工业过程控制全套教学教程整套课件全书电子教案全套电子讲义.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,过程控制工程绪论,“Process Control Engineering”,教学要求,了解控制系统的设计目的，掌握控制系统方块图描述法,掌握过程对象的建模方法,掌握,PID,类常规控制策略，能够结合具体的工业过程设计合理的控制方案,掌握控制系统的分析方法,了解先进控制算法，掌握其设计思想、概念、特点及适用场合,课程考核与参考资料,考核,：,平时成绩,50%,包括出勤、平时练习、综合练习等；期末考试（闭卷）,50%,主要参考资料：,1,、王树青等编著，工业过程控制工程,.,北京：化学工业出版社，,2002.12,2,、金以慧主编，过程控制,.,北京：清华大学出版社，,1993.04,答疑：,周一下午,2:30-5:00;,地点：工控所老楼,403,（助教：覃旭松）,本章要求,了解控制系统的设计目的,结合具体对象，掌握单回路控制系统的方块图描述法，并掌握方块图中线与方框图的物理意义,掌握过程控制中的常用术语（中英文）,了解控制系统的主要分类与设计过程,能够结合具体对象，了解控制系统的组成,控制系统的由来,传感测量器：液位计,+,人眼,控制器：大脑,执行机构：手,+,手动阀,差压传感变送器,电动调节器,自动调节阀,液位控制系统的组成与方块图,问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？,热交换器的温度控制系统,热交换器温度控制系统方块图,一般的单回路控制系统,被控变量,：温度、压力、流量、液位或料位、成分与物性等六大参数；,过程控制系统的重要术语,被控变量,/,受控变量,/,过程变量,（,Controlled Variable-CV,Process Variable-PV,）,设定值,/,给定值,(Setpoint-SP,Setpoint Value-SV),操纵变量,/,操作变量,(Manipulated Variable,MV),扰动,/,扰动变量,(Disturbance Variable,DV),对控制器而言，测量,/,测量信号,(Measurement),，控制,/,控制信号,/,控制变量（,Control Variable,）,控制系统的目标,过程控制系统的目标,：,在扰动存在的情况下，通过调节操纵变量使被控变量保持在其设定值。,应用过程控制系统的主要原因：,（,1,）,安全性：,确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；,（,2,）,稳定性,：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；,（,3,）,经济性,：实现效益最大化或成本最小化。,控制系统的分类,定值控制（,Regulatory Control,“调节控制”）与伺服控制（,Servo Control,“跟踪控制”）,对照举例：连续过程与间歇过程（,Batch Processes,）或飞行控制。,前馈控制（,Feedforward Control,）与反馈控制（,Feedback Control,）,对照举例：热交换器的出口温度控制。,前馈与反馈控制系统举例,控制系统的分类（续）,开关量控制（,Switch Control,）与连续量控制（,Continuous Control,）,举例：空调器的控制,连续时间控制（,Continuous-Time Control,）与离散时间控制（,Discrete-Time Control,也称“采样控制”,/“,数字控制”）,举例：计算机控制系统,多变量控制与单变量多回路控制,线性控制与非线性控制等,控制系统的设计与实施,确定控制目标：,依据生产过程安全性、经济性与稳定性的要求，针对具体工业对象确定控制目标；,选择被控变量：,选择与控制目标直接或间接相关的可测量参数作为控制系统的被控变量；,选择操作变量：,从所有可操作变量中选择合适的操作变量，要求对被控变量的调节作用尽可能大而快；,确定控制方案：,当被控变量与操作变量多于,1,个时，既可以直接用,MIMO,（,多输入多输出）控制方案；也可以将系统分解成几个,SISO,（,单输入单输出）子系统再进行设计（当然这里存在最佳分解问题）。,控制系统的设计与实施（续）,调节阀的选择,：,根据被控变量与操作变量的工艺条件及对象特性，选择合适大小与流量特性的调节阀；,控制算法的选择,：,依据控制方案选择合适的控制算法。通常对于,SISO,系统，,PID,控制算法能满足大部分情况；而对于,MIMO,系统，可采用的控制算法很多，但一般都需要对象模型，仅适用于计算机控制系统。,控制系统的调试和投用,：,控制系统安装完毕后，按控制要求检查和调整各控制仪表和设备的工作状况,(,包括控制器参数的在线整定,),，依次将其投入运行。,举例：精馏塔控制系统,控制目标,CV、MV,选择,控制系统,调试与投用,控制方案,控制算法,常用控制算法,PID,类,（,包括：单回路,PID、,串级、前馈、均匀、比值、分程、选择或超驰控制等），,特点：,主要适用于,SISO,系统、基本上不需要对象的动态模型、结构简单、在线调整方便。,APC,类,（先进控制方法，包括：解耦控制、内模控制、预测控制、自适应控制等），,特点：,主要适用于,MIMO,或大纯滞后,SISO,系统、需要动态模型、结构复杂、在线计算量大。,过程控制与其它相关学科,习题,p.18,习题,2-4,PID,反馈控制器,(PID Feedback Controllers),200,4/02/25,上一讲内容回顾,了解典型工业过程的动态特性类型；,掌握简单被控过程的机理建模方法；,掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；,掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。,习题,2-4,讨论,对于如图所示的加热炉温度控制系统，试,(1),指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与控制目标,;,(2),画出,该系统的方块图,；,(3),选择控制阀的“气开,-,气关”形式,;,(4),指出该控制系统的“广义对象”及物理意义。,温度控制系统方块图,1,特点,：各环节均用实际仪表、设备或装置来表示，被控对象用,受控设备,来表示，不反映操纵变量、干扰对被控变量的影响关系。,温度控制系统方块图,2,特点,：采用传递函数与环节名称混合表示，对象用被控过程的动态特性来表示。,温度控制系统方块图,3,特点,：对象用被控过程的动态特性来表示，其中除控制通道外，所有干扰对被控变量的影响只用一个输出扰动来近似。当然，各环节可以只用传递函数来表示。,广义对象的阶跃响应测试,“广义对象”的输入：,u,，,输出为,T,m,。,若机理建模有难度，就可采用常用的响应测试法.,对象特性的阶跃响应测试,假设温度测量变送器的量程为,200 400,对象特性可用以下一阶,+,纯滞后来表示,试确定其,K,p,T,p,。,对象特性参数的确定,假设温度测量变送器的量程为,200 400,。,本讲基本要求,掌握仿真系统,SimuLink,的使用方法,;,掌握,单回路,控制器“正反作用”的选择原则；,掌握单回路控制系统的常用性能指标；,掌握,PID,控制律的意义及与控制性能的关系。,仿真系统,SimuLink,的使用入门,假设控制输入,u,(,t,),与干扰输入,d,(,t,),均为阶跃信号，要求显示输入对被控变量,y,(,t,),及其测量,z,(,t,),的动态响应。,仿真系统,SimuLink,的使用技巧,熟悉与掌握系统所提供的,SimuLink,常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；,掌握,SimuLink,运行数据与,Matlab,数据平台的联结，以及,Matlab,常用的作图方法；,掌握子系统的封装技术（包括外观设计、参数设置、注释等）；,掌握自定义模块的运行机制、设计方法与封装技术。,控制器的“正反作用”选择问题,问题：如何构成一个负反馈控制系统？,控制器的“正反作用”选择,定义：,当被控变量的,测量值,增大时，控制器的输出也增大，则该控制器为“正作用”；否则，当,测量值,增大时，控制器输出反而减少，则该控制器为“反作用”。,选择要点：,使控制回路成为“负反馈”系统。选择方法为：,（1）,假设检验法,，先假设控制器的作用方向，再检查控制回路能否成为“负反馈”系统；,（2）,回路判别法,，先画出控制系统的方块图，并确定回路除控制器外的各环节作用方向，再确定控制器的正反作用。,控制器的作用方向选择：假设检验法,根据控制阀的“气开气关”的选择原则，该阀应选“气开阀”，即：,u,R,f,.(Why?),假设温度控制器为正作用，即：,T,m,u,；则,结论,：该控制器的作用方向不能为正作用，而应为反作用,.,控制器的作用方向选择：回路判别法,回路判别法的要点：,（,1,）反馈回路中负增益环节（包括比较器）数为奇数；,（,2,）对控制器而言，“正作用”是指,T,m,u,。,控制系统的性能评价,仿真程序见,./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl,讨论：如何评价或比较不同控制系统的性能？,控制系统常用的性能指标,稳态余差：,衰减比：,振荡周期,T,，,调节时间t,s,.,上升时间,t,r,峰值时间,t,p,.,纯比例控制器,控制器增益,K,c,或比例度对系统性能的影响,：,增益,K,c,的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降（,当系统稳定时,，调节频率提高、最大偏差下降）；,仿真结果参见,./Simulation/PIDControl/PControlLoop.mdl,比例增益对控制性能的影响,比例积分控制器,积分时间,T,i,对系统性能的影响,引入积分作用的根本目的是为了消除稳态,余差,，但使,控制系统的稳定性下降,。当,积分作用,过,强,时,（即,T,i,过小,），,可能使,控制系统,不,稳定,。,仿真结果参见,./Simulation/PIDControl/PILoop.mdl,积分作用对控制性能的影响,理想的比例积分微分控制器,微分时间,T,d,对系统性能的影响,微分作用的增强（即,T,d,增大），从理论上讲使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对象，需要引入测量信号的平滑滤波；而微分作用主要适合于特性,一阶,滞后较大的广义对象，如温度、成份等。,微分作用对控制性能的影响,问题：控制作用的变化过大，对噪声敏感，如何克服？,实际的比例积分微分控制器,其中,A,d,为微分增益,SimuLink,结构,:,PID,控制系统仿真举例,仿真结果参见,./Simulation/PIDControl/PIDLoop.mdl,结论,讨论仿真系统,SimuLink,的使用方法,;,介绍了,单回路,控制器“正反作用”的选择原则；,描述了单回路系统的常用性能指标；,通过仿真讨论了,PID,控制律的意义及与控制性能的关系。,思考题,对于一般的自衡过程，分析采用纯比例控制器存在稳态余差的原因；,引入积分作用可消除稳态余差的原因分析，以及为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？,引入微分作用可提高控制系统的稳定性，但为什么实际工业过程中应用并不多？,如何确定,PID,参数？,过程动态特性建模与分析,（,Process Characteristics,）,200,4/02/15,上一讲内容回顾,控制系统的设计目的,单回路控制系统的组成、方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义,过程控制中的常用术语（中英文）,控制系统的主要分类与设计过程,复习题,对于如图所示的压力控制系统，假设贮罐温度不变，主要干扰为,P,1,、,P,2,。试指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与被控对象，并画出该系统的方块图。,本讲基本要求,了解典型工业过程的动态特性类型；,掌握简单被控过程的机理建模方法；,掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；,掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。,单回路控制系统组成,被控对象动态建模方法,机理建模,原理,：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。,特点,：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。,测试建模,原理,：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。,特点,：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。,对象机理建模举例,#1,（,p,.28,）,物料平衡方程,：,流体运动方程,：,讨论问题,：,（,1,）线性化的意义？如何线性化？（,2,）如何用,Matlab,或,SimuLink,表示该过程？（参见,SimulationProcessModel LevelProcess01.mdl,）,对象机理建模举例,#2,物料平衡方程,：,流体运动方程,：,仿真参见,ProcessModel LevelProcess02.mdl,问题,：状态方程？线性化？,机理建模举例,#3,：,非自衡过程,物料平衡方程：,气动调节阀的结构,u,(,t,)：,控制器输出,(420,mA,或 010,mA DC)；,p,c,：,调节阀气动控制信号；,l,：,阀杆相对位置；,f,：,相对流通面积；,q,：,受调节阀影响的管路相对流量。,阀门的,“,气开,”,与,“,气关,”,1.气开阀与气关阀,*气开阀：,p,c,f,(“,有气则开”),*气关阀：,p,c,f,(“,有气则关”),无气源(,p,c,=0),时,，,气开阀全关，气关阀全开。,2.气开阀与气关阀的选择原则,*若无气源时,，,希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。,调节阀的结构特性,调节阀结构特性,：阀芯与阀座间的节流面积和阀门开度之间的函数关系。,f,为相对节流面积；,l,为相对开度：,线性阀,（线1）：,等百分比阀或称对数阀,（线2）：,调节阀的工作流量特性分析,阀阻比,S,100,：,调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即,调节阀工作流量特性（续线性阀的特性变异,对数阀的特性变异,调节阀流量特性总结,线性阀：,在理想情况下，调节阀的放大增益,K,v,与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即,K,v,随着开度的增大而显著下降。,对数阀：,在理想情况下，调节阀的放大增益,K,v,随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，,K,v,渐近于常数。,调节阀流量特性的选择原则,选择原则：,仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0.60,以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。,热平衡方程：,K,p,：,控制通道增益,“,广义对象”的概念,“广义对象”的特点,特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；,（2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于,测试其动态特性；,（3）只关心某些特定的输入输出变量。,“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*,典型自衡工业对象,的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,y,min,y,max,为CV的测量范围；,u,min,u,max,为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。,“广义对象”动态特性的矩形脉冲响应测试法,SISO,对象模型构造与动态响应仿真参见,ProcessModelOpenLoopResp.mdl,过程控制广义对象动态特性分类,自衡过程（,Self-Regulating Processes,）,(1),无振荡的自衡过程,(2),有振荡的自衡过程,非自衡过程（,Non-Self-Regulating Processes,）,(1),无振荡的非自衡过程,(2),有振荡的非自衡过程,(3),具有反向特性的非自衡过程,无振荡自衡过程模型,无振荡非自衡过程模型,具有反向特性的非自衡过程模型,工业过程控制对象的特点,除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；,对象动态特性存在不同程度的纯迟延；,对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；,被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。,结 论,介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；,讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；,讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法；,列举了工业过程的典型动态特性类型与通道模型。,习题,1.p.37,习题,3-4,2.p.38,习题,3-8,（若可能，请用,Matlab,作图）,3.p.58,习题,4-9,PID,控制器的参数整定与应用问题,200,4/03/08,上一讲内容回顾,讨论仿真系统,SimuLink,的使用方法,;,介绍了,单回路,控制器“正反作用”的选择原则；,描述了单回路系统的常用性能指标；,通过仿真讨论了,PID,控制律的意义及与控制性能的关系。,控制器的“正反作用,”,选择,问题:,如何选择控制阀的 “气开气关”？,如何选择温度控制器的正反作用，以使闭环系统为负反馈系统？,PID,控制器的物理意义讨论,对于一般的自衡过程，当设定值或扰动发生阶路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳态余差？,引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？,引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业过程中应用并不多？,本讲基本要求,了解,PID,控制规律的选取原则,掌握,单回路,PID,控制器的参数整定方法,了解,PID,控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,了解,PID,参数的自整定方法。,控制器增益,K,c,或比例度,增益,K,c,的增大（或比例度下降），使系统的调节作用增强，但稳定性下降；,积分时间,T,i,积分作用的增强（即,T,i,下降），使系统消除余差的能力加强，但控制系统的稳定性下降；,微分时间,T,d,微分作用增强（即,T,d,增大），,可,使系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但,对,高频噪声起放大作用,，,主要适合于特性滞后较大的广义对象，如温度,对象,等,。,PID参数对控制性能的影响,工业,PID,控制器的选择,*1,：当工业对象具有较大的滞后时，可引入微分作用；但如果测量噪声较大，则应先对测量信号进行一阶或平均滤波。,讨论：,选择原则分析。,PID,工程整定法1-经验法,针对被控变量类型的不同，选择不同的,PID参数初始值，投运后再作调整。尽管简单，但即使对于同一类型的被控变量，如温度系统，其控制通道的动态特性差别可能很大，因而经验法属最为“粗糙”的整定法。,（具体整定参数原则见,p.,6,5,表,5,.3,-,1,）,工程整定法2-临界比例度法,步骤：,（1）先将切除,PID,控制器中的积分与微分作用，取比例增益,K,C,较小值，并投入闭环运行；,（2）将,K,C,由小到大变化，对应于某一,K,C,值作小幅度的设定值阶跃响应，直至产生等幅振荡；,（3）设等幅振荡时振荡周期为,T,cr,、,控制器增益,K,cr,，,再根据控制器类型选择以下,PID,参数,。,控制规律,K,c,T,i,T,d,P,05,K,cr,PI,0.45,K,cr,0.83,T,cr,PID,0.6,K,cr,0.5,T,cr,0.12,T,cr,单回路,PID,参数整定仿真举例,SimuLink,仿真,程序,参见,.,PIDControlPID,L,oop,.mdl）,工程整定法3-响应曲线法*,临界比例度法的局限性：,生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正常操作范围内的等幅振荡。,响应曲线法,PID,参数整定步骤：,（1）在手动状态下，改变控制器输出（通常采用阶跃 变化），记录被控变量的响应曲线；,（2）由开环响应曲线获得单位阶跃响应曲线，并求取 “广义对象”的近似模型与模型参数；,（3）根据控制器类型与对象模型，选择,PID,参数并投 入闭环运行。在运行过程中，可对增益作调整。,“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*,典型自衡工业对象,的阶跃响应,对象的近似模型：,对应参数见左图，而增益为：,y,min,y,max,为CV的测量范围；,u,min,u,max,为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。,Ziegler-Nichols,参数整定法*,特点：,适合于存在明显纯滞后的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应曲线可用“一阶+纯滞后”来近似,。,整定公式：,响应曲线法举例,SimuLink,仿真,程序,参见,.,PIDControl,PID,L,oop,.mdl）,假设测量范围为200 400,K,=1.75,T,=10 min,=7 min.,K,c,=0.8,T,i,=14 min,T,d,=3.5 min.,响应曲线法举例（续）,对于无显著纯滞后的自衡对象,PID,参数整定法（,1/4,准则）*,特点：,适合于纯滞后不显著的自衡对象，而且广义对象的阶跃响应为“,S”,型曲线,。,初始整定参数：,T,s,为对象开环阶跃响应的过渡过程时间。,参数调整：,将上述,PID,控制器投入“,Auto”（,自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢且无超调，则适当加大,K,C,，例如增大到原来的两倍；反之，则减小,K,C,值。,响应曲线,1/4准则法举例,SimuLink,仿真,程序,参见.,.,PIDControl,PID,Loop,.mdl,单回路系统的“积分饱和”问题,问题,：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出,y,(,t,),与设定值,y,sp,(,t,),之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出,u,(,t,),无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于,u,(,t,)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。,单回路系统积分饱和现象举例,单回路,PID,控制系统（无抗积分饱和措施）,(参见模型/,PIDControl/PidLoopwithLimit.mdl),单回路系统积分饱和,仿真结果,单回路系统的防积分饱和原理,讨论,：正常情况为标准的,PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。,单回路系统的抗积分饱和举例,(,仿真模型,参见,/,PIDControl/PidLoopwithAntiInteSatur.mdl),手自动无扰动切换问题与实现,实现方式,：,在,Auto（,自动）状态,，使手操器输出等于调节器的输出；而在,Man（,手动）,时，使调节器输出等于手操器的输出；,继电器型,PID,自整定器原理,具有继电器型非线性控制系统,问题：如何分析上述非线性系统产生等幅振荡的条件继电器输入输出信号分析,周期信号的,Fourier,级数展开,一个以,T,为周期的函数,f,(,t,),可以展开为,对齐次函数,有,假设继电器的幅值为,d,，则继电器输出的一次谐波为,继电器型控制系统等幅振荡条件,对于没有滞环的继电器非线性环节，假设该环节输入的一次谐波振幅为,a,，则,对继电器输入输出的一次谐波，其增益为,闭环继电系统临界稳定条件：,对于继电器控制器而言，其临界增益为：,临界振荡周期为,T,cr,。再由临界比例度法自动确定,PID,参数,.,继电器型,PID,自整定举例,具体参见/,PIDControl/PidLoopAutoTuning.mdl,结 论,讨论了,PID,控制规律的选取原则,详细分析了,单回路,PID,参数整定方法,介绍了,PID,控制器的“防积分饱和”与“无扰动切换”技术,分析了继电器型,PID,参数自整定原理。,练习题,对于题图,5-1,（,p.68,）所示的加热炉出口温度控制系统，假设变送器量程为,200 300,。试回答以下问题并说明理由：,（,1,）燃料控制阀选用“气开”阀还是“气关阀”？,（,2,）温度控制器该选“正作用”还是“反作用”？,（,3,）若在手动控制状态，燃料控制阀风压（或者说温度控制器输出电流）减少,3%,，炉出口温度的变化过程如题,5-8,下表格所示。请确定“广义对象”的特性参数,K,、,T,、,。,（,4,）若温度控制器采用,PID,调节器，试确定,PID,参数，并给出,SimuLink,仿真曲线（假设设定值从,270,上升至,280,）。,前馈控制系统,Feedforward Control,200,4/03/25,内 容,前馈控制的原理,非线性静态前馈控制的设计方法,前馈控制系统的动态补偿,前馈反馈控制系统,仿真举例,前馈控制的概念,D,1,，,D,n,为可测扰动；,u,，,y,分别为被控对象的操作变量与受控变量。,前馈思想,：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。,前馈控制方块图,u,(,t,)、,y,(,t,)分别,表示控制变量与被控变量；,d,(,t,),表示某一外部干扰,;,G,YD,(,s,),、,G,YC,(,s,),分别为干扰通道与控制通道的动态特性；,G,FF,(,s,),为前馈控制器的动态特性。,控制目标：,前馈不变性原理,动态不变性,：在扰动,d,(,t,),的,作用下，被控量,y,(,t,),在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动,d,(,t,),具有动态不变性,，即,Y,(,s,)/,D,(,s,)=0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。,稳态不变性,：在干扰,d,(,t,),作用下，被控量,y,(,t,),的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即,Y,(0)/,D,(0)=0，,或者说,y,(,t,),在稳态工况下与扰动量,d,(,t,),无关。,静态前馈控制,控制目标,：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。,静态前馈控制方式,：,线性静态前馈：,非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。,非线性静态前馈控制,稳态平衡关系：,讨论,:,前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响,前馈控制算法,假设,T,1,、,T,2,的测量范围为,T,1min,T,1max,、,T,2min,T,2max,R,V,、,R,F,的测量范围为,0,R,V,max,、,0,R,F,max,；而各测量信号,T,1,m,、,T,2,m,、,R,Vm,、,R,Fm,及设定值均为,0 100%.,换热器动态仿真模型,(参见模型/,FFControl/ExHeater.mdl),静态工作点,:T1=20,RF=10 T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180.T2,仪表量程为,100300,RV,仪表量程为,05 T/hr.,干扰通道纯滞后可忽略,控制通道纯滞后为,2.5 min.,换热器的静态前馈控制器,假设静态工作点为,:,T1=20,RF=10 T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180.T2,的测量仪表量程为,100 300,RV,仪表量程为,0 5 T/hr,，,T1,量程为,0 50,RF,仪表量程为,0 20 T/hr.,则其静态前馈控制算法为,换热器静态前馈控制仿真,讨论：分析稳态不变性原理以及系数,Kvm,对前馈控制性能的影响，(参见模型/,FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl),前馈控制的动态补偿,讨论,：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为,这里，,g,YD,(,s,)、,g,YC,(,s,),分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为,1。,非线性系统的动态前馈补偿,对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：,其中,对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。动态前馈补偿的一般形式为,前馈控制与反馈控制的比较,前 馈 控 制,反 馈 控 制,扰动可测，但不要求被控量可测,被控量直接可测,超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）,按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）,开环调节，无稳定性问题,闭环调节，存在稳定性问题,系统仅能感受有限个可测扰动,系统可感受所有影响输出的扰动,对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确,对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型,对时变与非线性对象的适应性弱,对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强,换热器的前馈反馈控制方案1,换热器的前馈反馈控制方案2,特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。,换热器反馈控制系统举例,(参见模型/,FFControl/ExHeaterPID.mdl),换热器前馈反馈控制系统,#1,(参见模型/,FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl),换热器前馈反馈控制系统,#2,(参见模型/,FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl),结 论,引入前馈控制的可能应用场合：,（1）主要被控量不可测；,（2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重，常规反馈控制系统难以满足要求。,应用前馈控制的前提条件：,（1）主要干扰可测；,（2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；,（3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。,练习题,下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。,（1）工艺介质流量,G,F,与蒸汽阀前压力,P,V,均比较稳定；,（2）介质流量,G,F,比较稳定，但压力,P,V,波动较大；,（3）蒸汽压力,P,V,比较稳定，但介质流量,G,F,波动较大。,比值控制,Ratio Control,2004/03/28,比值控制内容,比值控制问题的由来；,常用的比值控制方案与系统结构；,流量比值与比值器参数的关系；,变比值控制系统的特点与应用场合；,仿真举例,溶液配制问题,问题：,当NaoH用量,Q,B,变化时，调整稀释水量,Q,A,以使稀释液NaoH的浓度为68%左右。,解决方案,：,（1）出口浓度控制；,（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。,一般的比值控制问题,要求,：,Q,A,/,Q,B,=,K,AB,（比值系数）而,Q,B,为主动流量，,Q,A,为可控量，要求设计一控制系统通过调节,Q,A,以实现上述比值控制目标。,比值控制系统方案,1,稳态条件,:,I,A,=,K,1,I,B,假设流量测量变送环节为线性对象（对于用孔板测量的信号须经开方运算）。,比值控制方案,2,稳态条件,:,K,2,I,A,=,I,B,比值控制系统方案,3,稳态条件,:,K,3,=,I,A,/,I,B,存在问题,：物料,A,的流量回路存在非线性，当物料,B,的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。,比值控制的逻辑提降量,功能,:,(1),正常工况下实现锅炉蒸汽压力对燃料流量的串级控制，以及燃料与空气流量的比值控制,(2),提负荷时先提空气，而降负荷时先降燃料量。,分析要点：正常工况时，,换热器出口温度变比值串级控制系统,系统功能,：,（,1,）变比值串级？,（,2,）变增益串级？,（,3,）前馈反馈串级,控制？,换热器变比值串级控制仿真,(,参见模型,/FFControl/ExHeaterRatio_PID.mdl),结 论,讨论了流量比值控制问题；,介绍了常用的比值控制方案；,分析了流量比值与比值器参数的关系；,详细列举了燃烧控制中常用的逻辑提降量问题与解决方案；,简单介绍了变比值控制系统的特点与应用场合。,练习题,右图表示了,NaOH,溶液的稀释过程，输入溶液浓度为,20%,，要求进一步用清水稀释成浓度为,5%,的溶液。流量,F,1,、,F,2,的测量仪表均为线性变送器，仪表量程分别为,030T/hr,和,0120T/hr,，并采用,DDZ-,型，,K,为比值计算单元。,（,1,）求,K,值与流量比值的关系式；,（,2,）根据所描述的工艺情况，确定,K,值；,（,3,）若,F,1,的变化范围为,1020T/hr,，试求取稳态条件下,I,2,与,I,3,的变化范围（用,mA,表示）,液位均匀系统,200,4/03/21,上一讲内容回顾,介绍了串级控制系统的概念与特点；,结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；,讨论了串级控制系统的设计原则；,详细介绍了串级控制系统的参数整定过程,.,问题讨论,串级控制的概念，说明与单回路控制的区别。,以左图的反应器为例，说明引入串级控制的意义。,为什么引入串级控制可显著减少内回路的干扰，并显著提高控制系统鲁棒性？,如何选择主副控制器的控制规律，如何整定,PID,参数？,串级,PID,系统的积分饱和问题,情况1,：流量副回路出现“积分饱和”，可采用单回路抗积分饱和方法；,情况2,：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。,单回路系统的防积分饱和,方法,：正常情况为标准的,P,D,+PI,控制算法；而当出现超限时，,通过限制积分作用达到,切除积分作用,的目的,。,单回路防积分饱和方法在串级控制系统中的局限性,串级,PID,控制系统（只采取单回路抗积分饱和措施）,(参见模型/,CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl),串级系统积分饱和现象仿真,串级系统产生积分饱和的原因分析？,串级控制系统主调节器防积分饱和连接法,串级控制系统的防积分饱和,串级系统的防积分饱和方法举例,串级,PID,控制系统（采取抗积分饱和措施）,(参见模型/,CascadePID/CasPidwithAntiSatur.mdl),串级系统防积分饱和措施举例,工业,PID,控制器常用结构,功能,:,控制输出跟踪,防积分饱和,输出限幅,正反作用选择,测量值滤波,设定值变化率限幅等,.,均匀控制内容,均匀控制的概念与特点；,常见的均匀控制系统；,均匀控制系统的应用场合；,仿真举例；,结论,均匀控制问题,当塔甲的进料量变化时，希望塔甲的液位,h,(,t,),与出料,q,o,(,t,),同时平稳，以确保后续设备进料波动的减少。,这完全不同于单纯的液位控制系统（那里只关心液位的平稳，而不关注控制变量的变化情况），而要求液位与出料,同时“,均匀,”地变化。,均匀控制系统的特点,不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(,CV),与控制变量(,MV),都有平稳的要求；,为解决,CV,与,MV,都希望平稳这一对矛盾，只能要求,CV,与,MV,都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。,均匀控制指的是,控制功能,，而不是控制方案。,常用的均匀控制方案,单回路均匀控制系统,串级均匀控制系统,讨论：,两种方案有何不同？,均匀控制系统的分析,假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略,；,并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成,A,为塔底截面积,均匀控制系统的分析(续),假设液位测量范围为,H,max,，,进出流量的测量范围均为,Q,max,，则广义对象特性可表示成,其中,h,(,t,)、,q,i,(,t,)、,q,o,(,t,)分别为,液位与进出流量的归一化值。,均匀控制系统的分析(续),对于纯比例控制器,G,c,=,K,c,，,可得到的闭环特性为：,纯比例,均匀控制系统的特点,可实现进出物料的自动平衡；,当物料的平均停留时间,T,h,一定时，控制器增益,K,c,的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动范围与余差同时增大；,为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用。,均匀控制系统的,PID,参数整定,对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择,PI,规律，按单回路工程