7補(bǔ)償控制17補(bǔ)償控制本章學(xué)習(xí)內(nèi)容7.1補(bǔ)償控制的基本原理和結(jié)構(gòu)7.2前饋控制系統(tǒng)7.3大延遲過程系統(tǒng)27.1補(bǔ)償控制的基本原理與結(jié)構(gòu)問題的提出單回路控制（PID）對(duì)干擾有一定的抑制作用對(duì)時(shí)滯過程控制乏力串級(jí)控制對(duì)二次干擾抑制效果好縮短二次回路的時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制補(bǔ)償干擾對(duì)被控過程的影響7補(bǔ)償控制3補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ梆佈a(bǔ)償控制量補(bǔ)償擾動(dòng)量補(bǔ)償反饋補(bǔ)償串聯(lián)補(bǔ)償7補(bǔ)償控制4前饋控制之——控制量補(bǔ)償將控制輸入量R(s)經(jīng)過處理（Gc(s)）后，直接向前傳遞，并與主控制器的輸出進(jìn)行迭加。7補(bǔ)償控制5前饋控制之——擾動(dòng)量補(bǔ)償將系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入量D(s)經(jīng)過處理（Gc(s)）后向前傳遞，并與主控制器的輸出進(jìn)行迭加。7補(bǔ)償控制擾動(dòng)量補(bǔ)償6反饋補(bǔ)償在主控制器反饋回路中增加一個(gè)控制器。7補(bǔ)償控制反饋補(bǔ)償7串聯(lián)補(bǔ)償

將補(bǔ)償器與主控制器串聯(lián)連接。

7補(bǔ)償控制串聯(lián)補(bǔ)償87.2前饋控制系統(tǒng)

7.2.1前饋控制系統(tǒng)的概念反饋控制按被控量的偏差進(jìn)行控制，即控制器的輸入是被控量的偏差。所以，反饋控制作用期間系統(tǒng)是偏離設(shè)定值的，即被控量是受擾動(dòng)影響的。前饋控制按擾動(dòng)量的變化進(jìn)行控制，即控制器的輸入是擾動(dòng)量?！扒梆仭钡囊馑迹焊鶕?jù)擾動(dòng)量的大小（而非被控量反饋后得到的偏差）來直接改變控制量，以抵消或減小擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。7補(bǔ)償控制9換熱器反饋控制系統(tǒng)擾動(dòng)量Md被控量T2

操作變量Mb

反饋控制中，擾動(dòng)量Md首先要引起被控量T2變化，反饋控制器才起控制作用，盡力保持T2恒定。10圖7.2換熱器前饋控制系統(tǒng)7補(bǔ)償控制前饋控制并不考慮被控量T2到底如何變化，只希望經(jīng)過前饋控制使T2免受擾動(dòng)Md的影響∴前饋控制是開環(huán)控制。擾動(dòng)量Md被控量T2

11圖7.3換熱器前饋控制系統(tǒng)的方框圖7補(bǔ)償控制擾動(dòng)量Md被控量T2擾動(dòng)通道傳函Gd(s)前饋控制器Gff(s)前饋控制通道傳函Gp(s)127補(bǔ)償控制在擾動(dòng)量Md(S)作用下，系統(tǒng)的輸出T2(s)為:擾動(dòng)量的影響對(duì)擾動(dòng)量的補(bǔ)償+=013完全補(bǔ)償不論擾動(dòng)量Md為何值，總有T2(S)=0。對(duì)于系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)量Md實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是：即7補(bǔ)償控制14前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)為7補(bǔ)償控制前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)雖然能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但，要求精確的Gd(S)，Gp(S)

所以，在實(shí)際工程中一般不單獨(dú)采用前饋控制方案。15§7.2.2前饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.靜態(tài)前饋控制適用于干擾通道Gd(s)和控制通道Gp(s)的動(dòng)態(tài)特性相同的情況下，此時(shí)有：

7補(bǔ)償控制162.動(dòng)態(tài)前饋控制當(dāng)被控對(duì)象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)不同時(shí)，或?qū)?dòng)態(tài)誤差控制精度要求很高的場(chǎng)合，必須考慮采用動(dòng)態(tài)前饋控制方式。7補(bǔ)償控制17

7補(bǔ)償控制3.

前饋—反饋控制單純的前饋控制只能對(duì)指定的擾動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)指定的擾動(dòng)量，由于環(huán)節(jié)或系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化、工況的變化以及對(duì)象特性的漂移等，也很難實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。前饋—反饋控制前饋控制器用來消除主要擾動(dòng)量的影響；反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其它不可測(cè)干擾所產(chǎn)生的影響。18圖7.4典型的前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7補(bǔ)償控制補(bǔ)償控制器反饋控制器干擾通道傳函控制通道傳函反饋通道傳函擾動(dòng)量輸入量輸出量19干擾D(S)對(duì)被控量Y(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為7補(bǔ)償控制干擾D(S)作用下，對(duì)被控量Y(S)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是：而因此有204.前饋—串級(jí)控制如果被控對(duì)象的主要干擾頻繁而又劇烈，而生產(chǎn)過程對(duì)被控參量的精度要求有很高，可以考慮采用前饋—串級(jí)控制方案。7補(bǔ)償控制21圖7.5前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7補(bǔ)償控制當(dāng)ω副>>ω主≈122引入前饋必須遵循以下原則：系統(tǒng)中的擾動(dòng)量是可測(cè)不可控可測(cè)，才有前饋的可能不可控，就無法設(shè)置單獨(dú)的回路加以控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)量的變化幅值大、頻率高否則，反饋控制就能勝任控制通道的滯后時(shí)間較大或干擾通道的時(shí)間常數(shù)較小否則，也無須前饋控制7補(bǔ)償控制237.3大遲延過程系統(tǒng)

7.3.1延遲對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響大延遲過程廣義對(duì)象的時(shí)滯與時(shí)間常數(shù)之比大于0.5。工業(yè)生產(chǎn)中典型的大延遲過程傳送物料能量、測(cè)量成分量、皮帶運(yùn)輸、帶鋼連軋機(jī)、以及多容量、多種設(shè)備串聯(lián)等過程，都存在較大的時(shí)滯時(shí)間。延遲對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)的影響使閉環(huán)特征方程中含有純延遲因子減低系統(tǒng)的穩(wěn)定性7補(bǔ)償控制247.3.2Smith預(yù)估器Smith預(yù)估器一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估器補(bǔ)償控制方法。Smith預(yù)估器的設(shè)計(jì)思想預(yù)估出過程對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并將預(yù)估結(jié)果作為反饋提早供給控制器動(dòng)作，以提前對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。7補(bǔ)償控制25圖7.6Smith預(yù)估器控制方框圖7補(bǔ)償控制控制器的輸出需要經(jīng)過時(shí)間

才起作用補(bǔ)償?shù)哪康氖牵篣(s)-->Y’(s)無延遲26Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)為：7補(bǔ)償控制27整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：7補(bǔ)償控制閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)被控量Y的響應(yīng)比設(shè)定值R要滯后時(shí)間τ287補(bǔ)償控制干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)29結(jié)論：采用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方法可以消除純滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。示例（與PID控制的比較）：7補(bǔ)償控制30圖7.7帶Smith預(yù)估器的過程控制系統(tǒng)7補(bǔ)償控制31圖7.8純滯后加一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)字仿真曲線

7補(bǔ)償控制32

圖7.9階躍信號(hào)作用下的響應(yīng)曲線

7補(bǔ)償控制337.3.3大林(Dahlin)算法大林算法的結(jié)構(gòu)針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提出來的一種時(shí)滯補(bǔ)償控制算法。7補(bǔ)償控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖采樣保持?jǐn)?shù)字控制器一階或二階帶時(shí)滯的慣性環(huán)節(jié)采樣周期34

假設(shè)被控對(duì)象為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或帶純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為（7-35）（7-36）7補(bǔ)償控制

是采樣周期的整數(shù)倍（m為正整數(shù)）357.3.3大林(Dahlin)算法大林算法的基本思想設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。7補(bǔ)償控制分母不帶時(shí)滯分子的純延遲τ=過程對(duì)象的純延遲36大林算法中數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)7補(bǔ)償控制采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳函為：數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為：37

由大林算法的要求，7補(bǔ)償控制若采用零階保持器H0(s)，則系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)為：387補(bǔ)償控制數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為：若被控對(duì)象為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，則廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)為39數(shù)字控制器Z的傳遞函數(shù)為7補(bǔ)償控制簡(jiǎn)記為數(shù)字控制器的大林算法表達(dá)式為40若被控對(duì)象為具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，則廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)為：7補(bǔ)償控制數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為41振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴現(xiàn)象振鈴（ringing）現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出以1/2的采樣頻率大幅度上下擺動(dòng)。7補(bǔ)償控制427補(bǔ)償控制振鈴現(xiàn)象及消除方法43振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴的后果對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出幾乎無影響；使系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)磨損，甚至損壞；影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性振鈴強(qiáng)度RA數(shù)字控制器在單位階躍輸入下，第零次輸出幅度減去第一次幅度之差。7補(bǔ)償控制44振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴現(xiàn)象的根源數(shù)字控制器的Z傳函Gc(z)在z=-1附近有極點(diǎn)振鈴現(xiàn)象的消除辦法

找出Gc(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子（z=-1附近有極點(diǎn)的因子），令其中的z=1；合理選擇采樣周期T和設(shè)計(jì)參數(shù)Tb（所要求的閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)）Tb>>T，Tb≥Tp7補(bǔ)償控制45本章小結(jié)1．補(bǔ)償控制器可以改變控制器的響應(yīng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得期望的性能指標(biāo)。按其結(jié)構(gòu)的不同，補(bǔ)償控制系統(tǒng)有四種類型：控制量補(bǔ)償、擾動(dòng)量補(bǔ)償、反饋補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)償。選擇何種結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償控制器，一般取決于過程控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的性能指標(biāo)要求。7補(bǔ)償控制46Smith預(yù)估補(bǔ)償控制、大林控制算法用于改善大純滯后系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Smith預(yù)估器是一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估器補(bǔ)償控制方法，它使被延遲的被控量超前反饋到控制器，使控制器提前動(dòng)作,Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方法最大的弱點(diǎn)是對(duì)過程模型的誤差十分敏感。

對(duì)Smith預(yù)估器主要有兩種改進(jìn)方法：（1）增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制。