史密斯预估控制课件.ppt
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- 史密斯 预估 控制 课件
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1、第8章基于模型的控制方法第第8章章 基于模型的控制方法基于模型的控制方法自动化自动化131-3、机电、机电131第8章基于模型的控制方法复习:复习:1.常用的数字滤波方法:常用的数字滤波方法:(1)程序判断滤波)程序判断滤波(2)中位值滤波)中位值滤波 (3)递推平均滤波)递推平均滤波(4)加权递推平均滤波)加权递推平均滤波(5)一阶滞后数字滤波)一阶滞后数字滤波 2.数字数字PID控制算式控制算式位置算式位置算式 增量算式增量算式3.数字数字PID改进算式改进算式(1)不完全微分的不完全微分的PID算式算式(2)微分先行微分先行PID算式算式(3)积分分离积分分离PID算式算式(4)带有不灵
2、敏区的带有不灵敏区的PID算式算式4.DCS控制系统的基本结构控制系统的基本结构包括操作站、控制站和通信网络系统三大部分。包括操作站、控制站和通信网络系统三大部分。5.DCS系统还包括四个接口部分:系统还包括四个接口部分:过程接口、人机接口、工程接口、其他系统接口过程接口、人机接口、工程接口、其他系统接口)167()()(1)()(00udttdeTdtteTteKtutdic)2()1-(2)()()1-()()1-()()(ukekekeTTkeTTkekeKkukuksdisc)187()1()()()177()()(00stkisTkekedttdeieTdtte第8章基于模型的控制方
3、法 在工业生产过程中,被控对象除了具有容积滞后外,往往不同在工业生产过程中,被控对象除了具有容积滞后外,往往不同程度地存在着纯滞后。程度地存在着纯滞后。特点:特点:当控制作用产生后,在时延时间当控制作用产生后,在时延时间 范围内,被控参数完全没有响应。范围内,被控参数完全没有响应。例如:例如:在热交换器中,被控变量为被加热物料的出口温度,而操作变在热交换器中,被控变量为被加热物料的出口温度,而操作变量为载热介质的流量,当改变载热介质流量后,对物料出口温度的量为载热介质的流量,当改变载热介质流量后,对物料出口温度的影响必然要滞后一段时间,即介质经管道所需的时间。影响必然要滞后一段时间,即介质经管
4、道所需的时间。此外,如反应器、管道混合、皮带传输以及用分析仪表测量流此外,如反应器、管道混合、皮带传输以及用分析仪表测量流体的成分等过程都存在着较大的纯滞后。体的成分等过程都存在着较大的纯滞后。8.1 史密斯预估控制史密斯预估控制第8章基于模型的控制方法 在这些过程中,由于纯滞后的存在,使得被控变量不在这些过程中,由于纯滞后的存在,使得被控变量不能及时反映系统所受的扰动,即使测量信号到达控制器,能及时反映系统所受的扰动,即使测量信号到达控制器,执行机构接受调节信号后立即动作,也需要一段纯滞后以执行机构接受调节信号后立即动作,也需要一段纯滞后以后,才会影响被控变量,使之受到控制。后,才会影响被控
5、变量,使之受到控制。因此,这样的过程必然会产生较明显的超调量和较因此,这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以,具有纯滞后的过程被公认为是较难长的调节时间。所以,具有纯滞后的过程被公认为是较难控制的过程,其难度将随着纯滞后时间占整个过程动态时控制的过程,其难度将随着纯滞后时间占整个过程动态时间份额的增加而增加。间份额的增加而增加。第8章基于模型的控制方法典型的工艺过程实例典型的工艺过程实例带传输过程带传输过程 在工业生产过程中,一些块状或粉状的物料,例如硫酸生产在工业生产过程中,一些块状或粉状的物料,例如硫酸生产中沸腾焙烧炉的硫铁矿进料、热电厂燃煤锅炉的煤粉进料等,需中沸腾焙烧
6、炉的硫铁矿进料、热电厂燃煤锅炉的煤粉进料等,需用图用图81所示的带运输机进行输送。所示的带运输机进行输送。当档板的开度变动引起下料量改变时,需经过带传输机传送当档板的开度变动引起下料量改变时,需经过带传输机传送时间(纯滞后)时间(纯滞后)后,物料才到达工艺设备,引起其工艺参数发后,物料才到达工艺设备,引起其工艺参数发生变化。所以有人把生变化。所以有人把纯滞后又称为传输滞后纯滞后又称为传输滞后。图8-1 带运输机带运输机第8章基于模型的控制方法 一般说来,在过程的动态特性中,大多既包含纯滞后时间一般说来,在过程的动态特性中,大多既包含纯滞后时间,又包含惯性时间常数又包含惯性时间常数T T,通常用
7、通常用 T T比值来衡量过程纯滞后的严比值来衡量过程纯滞后的严重程度。重程度。若若 T0.3T0.3T0.3,则称之为大滞后过程。,则称之为大滞后过程。当当纯滞后时间纯滞后时间与过程与过程的时间常数的时间常数T之比增大,滞后现象更为突出,有时甚至会引起系之比增大,滞后现象更为突出,有时甚至会引起系统的不稳定,被调量超过安全限,从而危及设备与人身安全。统的不稳定,被调量超过安全限,从而危及设备与人身安全。因此大纯滞后过程一直受到人们的关注,成为重要的研究课因此大纯滞后过程一直受到人们的关注,成为重要的研究课题之一。题之一。解决纯滞后影响的方法很多,最简单的则是利用常规解决纯滞后影响的方法很多,最
8、简单的则是利用常规PID调调节器适应性强、调整方便的特点,经过仔细的参数整定,在控制节器适应性强、调整方便的特点,经过仔细的参数整定,在控制要求不太苛刻的情况下,可以满足生产过程的要求。要求不太苛刻的情况下,可以满足生产过程的要求。第8章基于模型的控制方法 图图8-l为常规反馈控制方案,其中为常规反馈控制方案,其中“广义对象广义对象”包括除控制器包括除控制器外的所有环节,通常由执行机构、被控对象、传感变送单元等部外的所有环节,通常由执行机构、被控对象、传感变送单元等部分组成。对象特性均用分组成。对象特性均用KpGp(s)e-s表示,其中表示,其中Kp表示对象的静态表示对象的静态增益,增益,Gp
9、(s)表示除去纯滞后环节和静态增益后剩下的动态特性。表示除去纯滞后环节和静态增益后剩下的动态特性。对于对于Kp=2,Tp=4min,=4min的一阶加纯滞后对象,若采用常规的一阶加纯滞后对象,若采用常规PID进行反馈控制,其最佳进行反馈控制,其最佳PID整定参数为:整定参数为:Kc=0.6,Ti=8min,Td=0min;对应的设定值跟踪响应如图对应的设定值跟踪响应如图8-2所示。所示。sesso4142)(G)811(6.0)(Gcss第8章基于模型的控制方法 由此可见,由于纯滞后环节的存在,使被调量存在较大由此可见,由于纯滞后环节的存在,使被调量存在较大的超调,且响应速度很慢,如果在控制精
10、度要求很高的场合,的超调,且响应速度很慢,如果在控制精度要求很高的场合,则需要采取其他控制手段,例如补偿控制、采样控制等。则需要采取其他控制手段,例如补偿控制、采样控制等。下下面介绍一种常规的大滞后控制方案并将它与面介绍一种常规的大滞后控制方案并将它与PIDPID控制作对比。控制作对比。第8章基于模型的控制方法 1、微分先行控制方案、微分先行控制方案 微分作用的特点:微分作用的特点:能够按被控参数变化速度的大小来校正被控参数的偏差,它对克能够按被控参数变化速度的大小来校正被控参数的偏差,它对克服超调现象能起很大作用。服超调现象能起很大作用。但是对于图但是对于图8-1所示的所示的PID控制方案,
11、微分环节的输入是对偏差作控制方案,微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值。因此,实际上微分环节不能真正起到对被控了比例积分运算后的值。因此,实际上微分环节不能真正起到对被控参数变化速度进行校正的目的,克服动态超调的作用是有限的。参数变化速度进行校正的目的,克服动态超调的作用是有限的。如果将微分环节更换一个位置(见图如果将微分环节更换一个位置(见图8-3所示),则微分作用克服所示),则微分作用克服超调的能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。超调的能力就大不相同了。这种控制方案称为微分先行控制方案。图图8-1 常规反馈控制方案常规反馈控制方案第8章基于模型的控制方法 在图在图8
12、-3所示的微分先行控制方案中,微分环节的输出信号所示的微分先行控制方案中,微分环节的输出信号包括了被控参数及其变化速度值,将它作为测量值输入到比例积包括了被控参数及其变化速度值,将它作为测量值输入到比例积分调节器中,这样使系统克服超调的作用加强了。分调节器中,这样使系统克服超调的作用加强了。从比较图可以看出,微分先行控制方案虽比从比较图可以看出,微分先行控制方案虽比PID方法的超调量要小,方法的超调量要小,但仍存在较大的超调,响应速度均很慢,不能满足控制精度的要求。但仍存在较大的超调,响应速度均很慢,不能满足控制精度的要求。图图8-3 微分先行控制方案微分先行控制方案第8章基于模型的控制方法2
13、.史密斯补偿概述史密斯补偿概述 在纯滞后系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿,它是按照过在纯滞后系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿,它是按照过程的特性设想出一种模型加入到原来的反馈控制系统中,以补偿过程的特性设想出一种模型加入到原来的反馈控制系统中,以补偿过程的动态特性。这种补偿反馈也因其构成模型的方法不同而形成不程的动态特性。这种补偿反馈也因其构成模型的方法不同而形成不同的方案。同的方案。史密斯史密斯(Smith,1958)预估补偿器是最早提出的纯滞后补偿方案预估补偿器是最早提出的纯滞后补偿方案之一。其基本思想是将纯滞后环节移至控制回路外。之一。其基本思想是将纯滞后环节移至控制回路外。图图8-
14、4 史密斯预估补偿控制原理图史密斯预估补偿控制原理图第8章基于模型的控制方法设设Go(s)e-s为过程控制通道特性,其中为过程控制通道特性,其中Go(s)为过程不包含纯滞后部分的传递为过程不包含纯滞后部分的传递函数;函数;Gf(s)为过程扰动通道传递函数(不考虑纯滞后);为过程扰动通道传递函数(不考虑纯滞后);Gc(s)为控制器为控制器的传递函数,则单回路系统闭环传递函数为:的传递函数,则单回路系统闭环传递函数为:对干扰量的闭环传递函数为对干扰量的闭环传递函数为 在上两式的特征方程中,由于引入了在上两式的特征方程中,由于引入了e-s项,使闭环系统的品质大大项,使闭环系统的品质大大恶化。恶化。若
15、能将若能将Go(s)与与e-s分开并以分开并以Go(s)为过程控制通道的传递函数,以为过程控制通道的传递函数,以Go(s)的输出信号作为反馈信号,则可大大改善控制品质。的输出信号作为反馈信号,则可大大改善控制品质。但是实际工业过程中但是实际工业过程中Go(s)与与e-s是不可分割的,所以是不可分割的,所以Smith提出如图提出如图8-4所示采用等效补偿的方法来实现。所示采用等效补偿的方法来实现。socsoce)s(G)s(G1e)s(G)s(G)s(R)s(Ysocfe)s(G)s(G1)s(G)s(F)s(Y第8章基于模型的控制方法3.史密斯预估控制的特点:史密斯预估控制的特点:预先估计出过
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