第六章利用補償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)第六章利用補償原理1§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的過程響應時,反饋控制難以得到好的效果．(穩(wěn)定性,準確性,快速性)一、反饋控制1)反饋控制的特點：基于偏差來消除偏差；“不及時”的控制；存在穩(wěn)定性問題；對各種擾動均有校正作用；控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對象呈現(xiàn)大2二、前饋思想

在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。二、前饋思想3例1換熱器控制(用蒸汽Q對物料F進行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定)方案1----反饋控制缺點：對干擾的響應不夠及時，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)．按偏差大小進行控制的．e調(diào)節(jié)閥θ1被調(diào)量:換熱器出口溫度θ1主要干擾:換熱器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)θr—θ1

閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖F(s)Qe例1換熱器控制(用蒸汽Q對物料F進行加熱,保持出料口物4方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進行調(diào)節(jié)．Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)θ1前饋控制系統(tǒng)方框圖Qθ1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++FQ優(yōu)點：對干擾直接進行控制，控制比反饋及時干擾F

調(diào)節(jié)閥θ1蒸汽量物料量方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干5系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1FQ前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理，或稱為擾動補償理論系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是:Gff(6三、不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準確度下無關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨立或基本獨立．設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為：即被調(diào)量y(t)與干擾Di(t)獨立無關(guān)．在應用不變性原理時,由于各種原因,不可能完全實現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種不變性．三、不變性原理:設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)7(1)絕對不變性對象在擾動Di(t)作用下,被調(diào)量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變,調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.即Y(s)/D(s)=0,（調(diào)節(jié)過程的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零，”理想情況“）。(2)誤差不變性準確度有一定限制的不變性．可表示為：允許存在一定的誤差,在工程上容易實現(xiàn),而且生產(chǎn)中也不會有絕對不變性的要求,所以應用廣泛.如反饋控制從理論上應該屬于誤差不變性．(1)絕對不變性(2)誤差不變性允許存在一定的誤差,8(3)穩(wěn)態(tài)不變性在干擾Di(t)作用下,被調(diào)量的動態(tài)偏差不為零,而穩(wěn)態(tài)偏差為零,被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān).(4)選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性.減少了補償裝置,節(jié)省投資又能達到對主要干擾的不變性．(3)穩(wěn)態(tài)不變性(4)選擇不變性9§6-2前饋控制系統(tǒng)對象前饋控制器設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2Dn被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它把影響過程的主要因素測量出來,連同設(shè)定值一起,用來計算正確的輸出,以適應當前的狀態(tài)．一基本概念u=f(r,D1,D2,…Dn)D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量?！?-2前饋控制系統(tǒng)對象前饋設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2Dn10例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽輸出被調(diào)量:鍋爐水位H,保持恒定擾動:負荷(蒸汽D)擾動,給水擾動.控制方案：1.串級控制(反饋控制)2.前饋控制例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)111.串級空制缺點：1.對擾動的響應不夠及時2.如果負荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動大．3.負荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差,調(diào)節(jié)過程加長．主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水擾動負荷擾動rHG(s)D(s)假水位:鍋爐蒸汽負荷突然↑,氣壓↓,水的沸點↓,水汽混合物體積↑,則此時水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升．反之一樣．1.串級空制缺點：主調(diào)副調(diào)調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送12主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水擾動負荷擾動rHG(s)D(s)如果直接以負荷的擾動來調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負荷量,就能解決負荷擾動大,控制不及時的缺點.主調(diào)副調(diào)調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水擾動負荷擾動r13鍋爐DDT開方器LTΣLC閥QCDT開方器ΣhIG*IGID+-If蒸汽負荷給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)IＬG=f(D,r)2、前饋控制方案鍋爐DDT開方器LTΣLC閥QCDT開方器ΣhIG*IG14前饋控制與反饋控制的比較

前

饋

控

制

反

饋

控

制

擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測超前調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實現(xiàn)問題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)，（滯后調(diào)節(jié)）開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統(tǒng)僅能感受有限個可測擾動系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動對于干擾與控制通道的動態(tài)模型，要求已知而且準確對通道模型要求弱，大多數(shù)情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應性弱對時變與非線性對象的適應性與魯棒性強前饋控制與反饋控制的比較前饋控15(1)前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時．(2)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)(3)前饋控制使用的是依對象特性而定的專用控制器.(4)一種前饋控制作用只能克服一種干擾．前饋控制與反饋控制的比較(1)前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰16二、靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償,此時,前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù),而與時間因子無關(guān).對控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過程．例4列管換熱器控制1)生產(chǎn)過程2)調(diào)節(jié)量(θ2)3)擾動量(Q,θ1,p)4)熱平衡方程及控制算法換熱器料液Q,θ1θ2D加熱蒸汽二、靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾17無論Q,θ1如何變化，總有D=kQ(θ2r-θ1),Q,θ1的擾動都能由蒸汽流量D立即進行補償．得到蒸汽流量的給定值D*=kQ(θ2r-θ1).前饋補償器調(diào)節(jié)器閥管道換熱器壓力變送器Qθ1Dθ2D*θ2r5)前饋控制算法與對象數(shù)學模型關(guān)系:從本質(zhì)上講,算法就是數(shù)學模型Qθ1Dθ2r

數(shù)學模型Qθ1Dθ2r前饋控制算法換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補償器無論Q,θ1如何變化，總有D=kQ(θ2r-θ1),186)參數(shù)對控制的影響Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D

↓k對出口溫度θ2的影響：通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差①k過小，D的減小過小,殘差為正②k過大，D的減小過大，殘差為負③k適當，D的減小與Q的減小匹配，殘差為0換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補償器料液流量蒸汽流量6)參數(shù)對控制的影響Q↑D↑k對出口溫度θ2的影響：通過197)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過程(b)靜態(tài)前饋控制過程①前饋控制比PID空制及時，能更早地校正偏差②前饋控制超調(diào)量?、矍梆伩刂谱饔脮r間短.靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強的自身平衡傾向．如料液沒流量后，蒸汽也會自動關(guān)斷．7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過程(208)靜態(tài)前饋控制缺點①負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時溫度誤差②如果負荷情況與當初調(diào)整系統(tǒng)時的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差.右圖中曲線①----料液流量Q↑②----蒸汽流量D↑③----按靜態(tài)前饋控制時Q↑料液出口溫度變化曲線.存在一段時間較小的偏差,是由于擾動通道和調(diào)節(jié)通道之間對象動態(tài)特性不同所引起的動態(tài)偏差.靜態(tài)前饋補償不能解決．從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無法干預動態(tài)偏差的發(fā)生．8)靜態(tài)前饋控制缺點①負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，21三動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補償．通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致，并使他們的符號相反，便可達到控制作用完全補償干擾對被控變量的影響．Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1擾動FQ動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同.動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù),而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。

三動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何221.動態(tài)補償器的設(shè)計擾動量----D(s)被調(diào)量----Y(s)沒有補償器時,擾動量D只通過Gd(s)影響Y,即Gv(s)Gff(s)補償器m調(diào)節(jié)閥μGp(s)DY(s)擾動被調(diào)量Gd(s)有了補償器后，擾動量D同時還通過補償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被調(diào)量Y,則根據(jù)不變性原理,有補償器傳遞函數(shù)為：1.動態(tài)補償器的設(shè)計擾動量----D(s)沒有補償器時,23假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延,且為調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv,則在擾動D作用下，進行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實現(xiàn)此時只能保證穩(wěn)態(tài)時對擾動的補償．Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)++Y(s)D假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均24Dt0ytτpτd擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為(τd-τp)的一個瞬變過程.要進行動態(tài)補償,需要把前饋信號推遲τd-τp如果Gd(s)和Gp(s)分別是時間常數(shù)為Td和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k,則有(假定Td>Tp)當t+∞時,limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個通道時間常數(shù)不同，出現(xiàn)了動態(tài)偏差．Dt0ytTdTp0Dt0ytτpτd擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為(τd-τ252.簡單的動態(tài)補償器：導前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理實現(xiàn)完全補償只有理論意義,實際上是不可能實現(xiàn)的．①過程的動態(tài)特性難以測準，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負荷下動態(tài)特性變化很大。②寫出的補償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn)．2)可以采用前饋控制的過程的特點：①擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近②如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實現(xiàn)部分補償．通常采用簡單的導前---滯后裝置作為動態(tài)補償器就可以滿足要求．其傳遞函數(shù)為：其增益為1,只起動態(tài)補償?shù)淖饔?按過程的靜態(tài)模型設(shè)計的靜態(tài)前饋控制裝置則保持靜態(tài)準確性。τ1—導前時間；τ2—滯后時間2.簡單的動態(tài)補償器：導前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理26Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2利用導前---滯后補償器進行前饋控制時,要實現(xiàn)補償,在它的輸入和輸出函數(shù)間的累積面積應該與未經(jīng)補償?shù)倪^程響應曲線相匹配(大小相等,符號相反),那么響應曲線的凈增面積為零．Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ27經(jīng)過補償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動態(tài)補償?shù)捻憫€的累積面積為：則要使補償后響應曲線的凈增面積為零，可以使得：d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2Dt0ytTdTp0經(jīng)過補償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動態(tài)補償?shù)捻憫€28換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PI閥p+-料液蒸汽換熱器前饋控制系統(tǒng)方框圖換熱器在前饋和反饋控制下的響應曲線前饋控制的優(yōu)越性:與反饋控制相比,控制質(zhì)量好，而且不會出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測量信號.換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PI閥p+-29四、前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準確性難保證要達到高度的靜態(tài)準確性,需要有準確的數(shù)學模型,精確的測量儀表和計算裝置,而且,模型中的系數(shù)也可能隨運行條件而變化．2)前饋控制是針對具體的擾動進行補償?shù)?一種前饋控制作用只能克服一種干擾.前饋－反饋控制系統(tǒng)：將前饋和反饋結(jié)合起來，既發(fā)揮了前饋作用及時克服主要擾動對被控量影響的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多個擾動影響的長處；降低了系統(tǒng)對前饋補償器的要求，使其在工程上更易于實現(xiàn)。3)屬于開環(huán)控制，對被調(diào)量無檢驗四、前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準確30典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)θ2r+-++++Dθ2干擾通道前饋補償通道反饋通道系統(tǒng)的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動控制的結(jié)合-----復合控制系統(tǒng)．前饋－反饋控制系統(tǒng)對擾動完全補償?shù)臈l件與前饋控制時完全相同,反饋回路中加入前饋控制對反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來的變化不大.但是反饋調(diào)節(jié)器所需完成的工作量大大減小,而被調(diào)量的靜態(tài)準確性(殘差)總能夠滿足要求．典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd31換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p++--前饋控制器:Q,θ1D*反饋控制:其他干擾,補償前饋控制不準確引起的偏差．換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p32前饋－反饋控制的優(yōu)點：1)增加了反饋回路，簡化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對主要的干擾進行前饋補償，其他干擾可由反饋控制予以校正。2)反饋回路的存在,降低了前饋控制模型的精度要求．3)負荷或工況變化時,對象特性也要變化,可由反饋控制加以補償,具有一定的自適應能力．前饋－反饋控制的優(yōu)點：1)增加了反饋回路，簡化了前饋控制系33實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：“可測”：指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補償器所能接受的信號?！安豢煽亍保褐高@些擾動量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負荷。

擾動量變化頻繁且幅值較大；擾動對被控量影響顯著，反饋控制難以及時克服，且過程對控制精度要求十分嚴格的情況。前饋控制的應用場合當控制通道與擾動通道的動態(tài)特性相近時－－靜態(tài)前饋。當控制通道與擾動通道的時間常數(shù)相差較大時－動態(tài)前饋。實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：前饋控制34在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如：傳送物料能量、測量成分量、皮帶運輸、帶鋼連軋機，以及多容、多種設(shè)備串聯(lián)等過程，都存在較大的純時延。例：大延時對象一般是指廣義對象的時延與時間常數(shù)之比大于0.3。即τ/T>0.3控制系統(tǒng)中的大時延能導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至不穩(wěn)定?！?-3大遲延系統(tǒng)在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如：傳送物料能量、測量成分量35克服純延時的幾種常見方案改進型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點，目前較常用。預估補償：原理上能消除純延時對控制系統(tǒng)的動態(tài)影響，但前提是具有被控過程的精確模型，工程上往往難以實現(xiàn)。采樣控制：成本較低，但干擾加入的時刻對控制效果影響較大。其他：大林算法、卡爾曼預估算法、灰色預測控制等。克服純延時的幾種常見方案改進型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點36微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算后的值，因而克服動態(tài)超調(diào)的作用有限。一、改進型常規(guī)控制方案微分環(huán)節(jié)的輸入是對偏差作了比例積分運算后的值，因而克37微分先行控制方案

微分環(huán)節(jié)的輸出包括被控參數(shù)及其變化速度值，因而克服動態(tài)超調(diào)的作用強。微分先行控制方案微分環(huán)節(jié)的輸出包括被控參數(shù)及其變化速38中間微分控制方案

只在動態(tài)過程中起調(diào)節(jié)作用。

三種控制方案在設(shè)定值擾動下過渡過程的比較見右圖。微分先行、中間反饋控制方案簡單易行，且對降低超調(diào)量有顯著的效果。不能克服滯后中間微分控制方案只在動態(tài)過程中起調(diào)節(jié)作用。三39二、Smith預估補償控制方案1957年史密斯（O.J.M.Smith）提出了一種以模型為基礎(chǔ)的預估器補償控制方法.設(shè)計思想:預先估計出過程在基本擾動作用下的動態(tài)響應,然后由預估器進行補償,試圖使被延時了τ的被控量超前反饋到控制器,使控制器提前動作,從而大大降低超調(diào)量,并加速調(diào)節(jié)過程。二、Smith預估補償控制方案1957年史密斯（O40可見控制器的輸出需要經(jīng)過時間τ才起作用為了使控制器的輸出信號與反饋信號Y’（S）之間無延時，必須滿足：可見控制器的輸出需要經(jīng)過時間τ才起作用為了使控制器的41整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：顯然，在系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程中，已不再包含純滯后環(huán)節(jié)，因此采用Smith預估補償控制可以消除純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。傳遞函數(shù)分子上的純滯后環(huán)節(jié)表明被控量的響應比設(shè)定值滯后時間τ。整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：顯然，在系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程42例：已知某過程控制系統(tǒng)如圖：返回例：已知某過程控制系統(tǒng)如圖：返回43三、采樣控制方案“調(diào)一下，等一等”的辦法；當調(diào)節(jié)器輸出達一定時間后，就不再增加（或減?。┝耍潜３执酥担ū３值臅r間與純滯后時間τ0相等或再稍長些），直到控制作用的效果在被控量變化中反映出來為止；根據(jù)偏差的大小再決定下一步的控制動作。三、采樣控制方案“調(diào)一下，等一等”的辦法；44采樣控制方案核心思想是避免調(diào)節(jié)器進行不必要的誤操作，而寧愿讓控制作用弱一些。無需掌握精確的過程動態(tài)特性，就能克服被控過程中純滯后對控制帶來的不利影響。注意采樣周期的選取應略大于過程的純滯后時間。

采樣控制方案核心思想是避免調(diào)節(jié)器進行不必要的誤操作，而寧愿讓45§6-4非線性增益補償系統(tǒng)一概述1.非線性增益對控制系統(tǒng)的影響線性系統(tǒng)的特征是可以應用線性疊加原理，非線性系統(tǒng)不能應用.①使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)變壞②穩(wěn)定性分析復雜③可能出現(xiàn)自激振蕩§6-4非線性增益補償系統(tǒng)一概述1.非線性增益對控制系統(tǒng)462.非線性因素的存在形式①典型非線性特性用以實現(xiàn)控制的儀表或執(zhí)行機構(gòu)中包含的非線性,常見的有繼電特性,死區(qū),飽和(限幅),間隙,摩擦等②對象的變增益特性對象的增益在很多情況下不是常數(shù),而是負荷,調(diào)節(jié)量等因素的非線性函數(shù)．2.非線性因素的存在形式①典型非線性特性②對象的變增益特47二、對象靜態(tài)非線性特性的補償嚴格地說,大部分工業(yè)過程的靜態(tài)特性都具有非線性特性,其增益隨負荷,被調(diào)量,調(diào)節(jié)量等變化.在非線性影響嚴重時,要對其進行補償.補償原理:設(shè)法使系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)具有與對象增益相反的非線性特性,使之與原來的非線性特性相補償,最后使系統(tǒng)的開環(huán)增益保持不變,校正成一個線性系統(tǒng).即

Kc*Kv*Kp*Km=常數(shù)二、對象靜態(tài)非線性特性的補償嚴格地說,大部分工業(yè)過程48補償方法：1)采用閥門特性利用閥門增益的非線性特性,如等百分比,快開特性.2)利用變增益調(diào)節(jié)器3)利用函數(shù)變換器及各種運算單元對于變化多端的非線性特性,只使用變增益調(diào)節(jié)器來補償是比較粗糙的.函數(shù)變換器和各種運算單元經(jīng)過計算,調(diào)整和組合可以實現(xiàn)各種復雜形狀的曲線,能夠較精確地進行補償．4)利用計算機進行補償．補償方法：1)采用閥門特性利用閥門增益的非線性特性,如等百49謝謝大家！謝謝大家！50第六章利用補償原理提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)第六章利用補償原理51§6-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的過程響應時,反饋控制難以得到好的效果．(穩(wěn)定性,準確性,快速性)一、反饋控制1)反饋控制的特點：基于偏差來消除偏差；“不及時”的控制；存在穩(wěn)定性問題；對各種擾動均有校正作用；控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律?！?-1概述2)反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對象呈現(xiàn)大52二、前饋思想

在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。二、前饋思想53例1換熱器控制(用蒸汽Q對物料F進行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定)方案1----反饋控制缺點：對干擾的響應不夠及時，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)．按偏差大小進行控制的．e調(diào)節(jié)閥θ1被調(diào)量:換熱器出口溫度θ1主要干擾:換熱器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)θr—θ1

閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖F(s)Qe例1換熱器控制(用蒸汽Q對物料F進行加熱,保持出料口物54方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進行調(diào)節(jié)．Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)θ1前饋控制系統(tǒng)方框圖Qθ1Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++FQ優(yōu)點：對干擾直接進行控制，控制比反饋及時干擾F

調(diào)節(jié)閥θ1蒸汽量物料量方案2----前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干55系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1FQ前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理，或稱為擾動補償理論系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是:Gff(56三、不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準確度下無關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨立或基本獨立．設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為：即被調(diào)量y(t)與干擾Di(t)獨立無關(guān)．在應用不變性原理時,由于各種原因,不可能完全實現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種不變性．三、不變性原理:設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)57(1)絕對不變性對象在擾動Di(t)作用下,被調(diào)量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變,調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.即Y(s)/D(s)=0,（調(diào)節(jié)過程的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零，”理想情況“）。(2)誤差不變性準確度有一定限制的不變性．可表示為：允許存在一定的誤差,在工程上容易實現(xiàn),而且生產(chǎn)中也不會有絕對不變性的要求,所以應用廣泛.如反饋控制從理論上應該屬于誤差不變性．(1)絕對不變性(2)誤差不變性允許存在一定的誤差,58(3)穩(wěn)態(tài)不變性在干擾Di(t)作用下,被調(diào)量的動態(tài)偏差不為零,而穩(wěn)態(tài)偏差為零,被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān).(4)選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性.減少了補償裝置,節(jié)省投資又能達到對主要干擾的不變性．(3)穩(wěn)態(tài)不變性(4)選擇不變性59§6-2前饋控制系統(tǒng)對象前饋控制器設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2Dn被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它把影響過程的主要因素測量出來,連同設(shè)定值一起,用來計算正確的輸出,以適應當前的狀態(tài)．一基本概念u=f(r,D1,D2,…Dn)D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量?！?-2前饋控制系統(tǒng)對象前饋設(shè)定值r調(diào)節(jié)量μyD1D2Dn60例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽輸出被調(diào)量:鍋爐水位H,保持恒定擾動:負荷(蒸汽D)擾動,給水擾動.控制方案：1.串級控制(反饋控制)2.前饋控制例3鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)611.串級空制缺點：1.對擾動的響應不夠及時2.如果負荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動大．3.負荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差,調(diào)節(jié)過程加長．主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水擾動負荷擾動rHG(s)D(s)假水位:鍋爐蒸汽負荷突然↑,氣壓↓,水的沸點↓,水汽混合物體積↑,則此時水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升．反之一樣．1.串級空制缺點：主調(diào)副調(diào)調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送62主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水擾動負荷擾動rHG(s)D(s)如果直接以負荷的擾動來調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負荷量,就能解決負荷擾動大,控制不及時的缺點.主調(diào)副調(diào)調(diào)節(jié)閥管路鍋爐壓力變送器液位變送器給水擾動負荷擾動r63鍋爐DDT開方器LTΣLC閥QCDT開方器ΣhIG*IGID+-If蒸汽負荷給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)IＬG=f(D,r)2、前饋控制方案鍋爐DDT開方器LTΣLC閥QCDT開方器ΣhIG*IG64前饋控制與反饋控制的比較

前

饋

控

制

反

饋

控

制

擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測超前調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實現(xiàn)問題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)，（滯后調(diào)節(jié)）開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統(tǒng)僅能感受有限個可測擾動系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動對于干擾與控制通道的動態(tài)模型，要求已知而且準確對通道模型要求弱，大多數(shù)情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應性弱對時變與非線性對象的適應性與魯棒性強前饋控制與反饋控制的比較前饋控65(1)前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時．(2)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)(3)前饋控制使用的是依對象特性而定的專用控制器.(4)一種前饋控制作用只能克服一種干擾．前饋控制與反饋控制的比較(1)前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰66二、靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償,此時,前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù),而與時間因子無關(guān).對控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過程．例4列管換熱器控制1)生產(chǎn)過程2)調(diào)節(jié)量(θ2)3)擾動量(Q,θ1,p)4)熱平衡方程及控制算法換熱器料液Q,θ1θ2D加熱蒸汽二、靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾67無論Q,θ1如何變化，總有D=kQ(θ2r-θ1),Q,θ1的擾動都能由蒸汽流量D立即進行補償．得到蒸汽流量的給定值D*=kQ(θ2r-θ1).前饋補償器調(diào)節(jié)器閥管道換熱器壓力變送器Qθ1Dθ2D*θ2r5)前饋控制算法與對象數(shù)學模型關(guān)系:從本質(zhì)上講,算法就是數(shù)學模型Qθ1Dθ2r

數(shù)學模型Qθ1Dθ2r前饋控制算法換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補償器無論Q,θ1如何變化，總有D=kQ(θ2r-θ1),686)參數(shù)對控制的影響Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D

↓k對出口溫度θ2的影響：通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差①k過小，D的減小過小,殘差為正②k過大，D的減小過大，殘差為負③k適當，D的減小與Q的減小匹配，殘差為0換熱器θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2靜態(tài)前饋補償器料液流量蒸汽流量6)參數(shù)對控制的影響Q↑D↑k對出口溫度θ2的影響：通過697)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過程(b)靜態(tài)前饋控制過程①前饋控制比PID空制及時，能更早地校正偏差②前饋控制超調(diào)量?、矍梆伩刂谱饔脮r間短.靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強的自身平衡傾向．如料液沒流量后，蒸汽也會自動關(guān)斷．7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較(a)PID控制過程(708)靜態(tài)前饋控制缺點①負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時溫度誤差②如果負荷情況與當初調(diào)整系統(tǒng)時的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差.右圖中曲線①----料液流量Q↑②----蒸汽流量D↑③----按靜態(tài)前饋控制時Q↑料液出口溫度變化曲線.存在一段時間較小的偏差,是由于擾動通道和調(diào)節(jié)通道之間對象動態(tài)特性不同所引起的動態(tài)偏差.靜態(tài)前饋補償不能解決．從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無法干預動態(tài)偏差的發(fā)生．8)靜態(tài)前饋控制缺點①負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，71三動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補償．通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致，并使他們的符號相反，便可達到控制作用完全補償干擾對被控變量的影響．Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1擾動FQ動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同.動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù),而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。

三動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何721.動態(tài)補償器的設(shè)計擾動量----D(s)被調(diào)量----Y(s)沒有補償器時,擾動量D只通過Gd(s)影響Y,即Gv(s)Gff(s)補償器m調(diào)節(jié)閥μGp(s)DY(s)擾動被調(diào)量Gd(s)有了補償器后，擾動量D同時還通過補償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被調(diào)量Y,則根據(jù)不變性原理,有補償器傳遞函數(shù)為：1.動態(tài)補償器的設(shè)計擾動量----D(s)沒有補償器時,73假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延,且為調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv,則在擾動D作用下，進行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實現(xiàn)此時只能保證穩(wěn)態(tài)時對擾動的補償．Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)++Y(s)D假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均74Dt0ytτpτd擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為(τd-τp)的一個瞬變過程.要進行動態(tài)補償,需要把前饋信號推遲τd-τp如果Gd(s)和Gp(s)分別是時間常數(shù)為Td和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k,則有(假定Td>Tp)當t+∞時,limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個通道時間常數(shù)不同，出現(xiàn)了動態(tài)偏差．Dt0ytTdTp0Dt0ytτpτd擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為(τd-τ752.簡單的動態(tài)補償器：導前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理實現(xiàn)完全補償只有理論意義,實際上是不可能實現(xiàn)的．①過程的動態(tài)特性難以測準，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負荷下動態(tài)特性變化很大。②寫出的補償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn)．2)可以采用前饋控制的過程的特點：①擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近②如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實現(xiàn)部分補償．通常采用簡單的導前---滯后裝置作為動態(tài)補償器就可以滿足要求．其傳遞函數(shù)為：其增益為1,只起動態(tài)補償?shù)淖饔?按過程的靜態(tài)模型設(shè)計的靜態(tài)前饋控制裝置則保持靜態(tài)準確性。τ1—導前時間；τ2—滯后時間2.簡單的動態(tài)補償器：導前---滯后環(huán)節(jié)1)按不變性原理76Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2利用導前---滯后補償器進行前饋控制時,要實現(xiàn)補償,在它的輸入和輸出函數(shù)間的累積面積應該與未經(jīng)補償?shù)倪^程響應曲線相匹配(大小相等,符號相反),那么響應曲線的凈增面積為零．Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ77經(jīng)過補償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動態(tài)補償?shù)捻憫€的累積面積為：則要使補償后響應曲線的凈增面積為零，可以使得：d(t)ttm(t)τ1>τ2τ1<τ2τ1/τ2τ1/τ2Dt0ytTdTp0經(jīng)過補償后輸入和輸出之間的累積面積為：未經(jīng)動態(tài)補償?shù)捻憫€78換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PI閥p+-料液蒸汽換熱器前饋控制系統(tǒng)方框圖換熱器在前饋和反饋控制下的響應曲線前饋控制的優(yōu)越性:與反饋控制相比,控制質(zhì)量好，而且不會出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)定性問題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測量信號.換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PI閥p+-79四、前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準確性難保證要達到高度的靜態(tài)準確性,需要有準確的數(shù)學模型,精確的測量儀表和計算裝置,而且,模型中的系數(shù)也可能隨運行條件而變化．2)前饋控制是針對具體的擾動進行補償?shù)?一種前饋控制作用只能克服一種干擾.前饋－反饋控制系統(tǒng)：將前饋和反饋結(jié)合起來，既發(fā)揮了前饋作用及時克服主要擾動對被控量影響的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多個擾動影響的長處；降低了系統(tǒng)對前饋補償器的要求，使其在工程上更易于實現(xiàn)。3)屬于開環(huán)控制，對被調(diào)量無檢驗四、前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的不足之處:1)靜態(tài)準確80典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)θ2r+-++++Dθ2干擾通道前饋補償通道反饋通道系統(tǒng)的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動控制的結(jié)合-----復合控制系統(tǒng)．前饋－反饋控制系統(tǒng)對擾動完全補償?shù)臈l件與前饋控制時完全相同,反饋回路中加入前饋控制對反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來的變化不大.但是反饋調(diào)節(jié)器所需完成的工作量大大減小,而被調(diào)量的靜態(tài)準確性(殘差)總能夠滿足要求．典型的前饋－反饋控制系統(tǒng)Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd81換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p++--前饋控制器:Q,θ1D*反饋控制:其他干擾,補償前饋控制不準確引起的偏差．換熱器前饋－反饋控制系統(tǒng)換熱器ΣkQθ1θ2rθ1+-xD*θ2前饋控制PIPI閥p82前饋－反饋控制的優(yōu)點：1)增加了反饋回路，簡化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對主要的干擾進行前饋補償，其他干擾可由反饋控制予以校正。2)反饋回路的存在,降低了前饋控制模型的精度要求．3)負荷或工況變化時,對象特性也要變化,可由反饋控制加以補償,具有一定的自適應能力．前饋－反饋控制的優(yōu)點：1)增加了反饋回路，簡化了前饋控制系83實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：“可測”：指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補償器所能接受的信號?！安豢煽亍保褐高@些擾動量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負荷。

擾動量變化頻繁且幅值較大；擾動對被控量影響顯著，反饋控制難以及時克服，且過程對控制精度要求十分嚴格的情況。前饋控制的應用場合當控制通道與擾動通道的動態(tài)特性相近時－－靜態(tài)前饋。當控制通道與擾動通道的時間常數(shù)相差較大時－動態(tài)前饋。實現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：前饋控制84在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如：傳送物料能量、測量成分量、皮帶運輸、帶鋼連軋機，以及多容、多種設(shè)備串聯(lián)等過程，都存在較大的純時延。例：大延時對象一般是指廣義對象的時延與時間常數(shù)之比大于0.3。即τ/T>0.3控制系統(tǒng)中的大時延能導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至不穩(wěn)定?！?-3大遲延系統(tǒng)在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如：傳送物料能量、測量成分量85克服純延時的幾種常見方案改進型常規(guī)控制：具有通用性廣等特點，目前較常用。預估補償：原理上能消除純延時對控制系統(tǒng)的動態(tài)影響，但前提是具有被控過程的精確模型，工程上往往難以實現(xiàn)。采樣控制：成本較低，但干擾加入的時刻對