1、1,7 補償控制,2,7 補償控制,本章學(xué)習(xí)內(nèi)容 7.1 補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),3,7.1 補償控制的基本原理與結(jié)構(gòu) 問題的提出 單回路控制（PID） 對干擾有一定的抑制作用 對時滯過程控制乏力 串級控制 對二次干擾抑制效果好 縮短二次回路的時間常數(shù) 補償控制 補償干擾對被控過程的影響,7 補償控制,4,補償?shù)姆椒?前饋補償 控制量補償 擾動量補償 反饋補償 串聯(lián)補償,7 補償控制,5,前饋控制之控制量補償 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行迭加。,7 補償控制,6,前饋控制之擾動量補償 將

2、系統(tǒng)的擾動輸入量D(s)經(jīng)過處理（Gc(s) ）后向前傳遞，并與主控制器的輸出進行迭加。,7 補償控制,擾動量補償,7,反饋補償 在主控制器反饋回路中增加一個控制器。,7 補償控制,反饋補償,8,串聯(lián)補償 將補償器與主控制器串聯(lián)連接。,7 補償控制,串聯(lián)補償,9,7.2 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，即被控量是受擾動影響的。 前饋控制 按擾動量的變化進行控制，即控制器的輸入是擾動量。 “前饋”的意思：根據(jù)擾動量的大小（而非被控量反饋后得到的偏差）來直接改變控制量，以抵消

3、或減小擾動對被控量的影響。,7 補償控制,10,換熱器反饋控制系統(tǒng),擾動量Md,被控量T2,操作變量Mb,反饋控制中， 擾動量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。,11,圖7.2 換熱器前饋控制系統(tǒng),7 補償控制,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Md的影響 前饋控制是開環(huán)控制。,擾動量Md,被控量T2,12,圖7.3 換熱器前饋控制系統(tǒng)的方框圖,7 補償控制,擾動量Md,被控量T2,擾動通道傳函Gd(s),前饋控制器Gff(s),前饋控制通道傳函Gp(s),13,7 補償控制,在擾動量Md(S)作用下，系統(tǒng)的輸出T2(

4、s)為:,擾動量的影響,對擾動量的補償,+,=0,14,完全補償 不論擾動量Md為何值，總有T2(S)=0。 對于 系統(tǒng)對于擾動量Md實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是： 即,7 補償控制,15,前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)為,7 補償控制,前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)雖然能實現(xiàn)完全補償，但， 要求精確的Gd(S)，Gp(S) 所以，在實際工程中一般不單獨采用前饋控制方案。,16,7.2.2 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)的動態(tài)特性相同的情況下，此時有：,7 補償控制,17,2. 動態(tài)前饋控制 當被控對象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)不同時，

5、或?qū)討B(tài)誤差控制精度要求很高的場合，必須考慮采用動態(tài)前饋控制方式。,7 補償控制,18,7 補償控制,3. 前饋反饋控制 單純的前饋控制 只能對指定的擾動量進行補償； 對指定的擾動量，由于環(huán)節(jié)或系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的簡化、工況的變化以及對象特性的漂移等，也很難實現(xiàn)完全補償。 前饋反饋控制 前饋控制器用來消除主要擾動量的影響； 反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其它不可測干擾所產(chǎn)生的影響。,19,圖7.4 典型的前饋反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,7 補償控制,補償控制器,反饋控制器,干擾通道傳函,控制通道傳函,反饋通道傳函,擾動量,輸入量,輸出量,20,干擾D(S)對被控量Y(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,7 補償控

6、制,干擾D(S)作用下，對被控量Y(S)完全補償?shù)臈l件是： 而 因此有,21,4. 前饋串級控制 如果被控對象的主要干擾頻繁而又劇烈，而生產(chǎn)過程對被控參量的精度要求有很高，可以考慮采用前饋串級控制方案。,7 補償控制,22,圖7.5 前饋串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,7 補償控制,當副主1,23,引入前饋必須遵循以下原則： 系統(tǒng)中的擾動量是可測不可控 可測，才有前饋的可能 不可控，就無法設(shè)置單獨的回路加以控制 系統(tǒng)中的擾動量的變化幅值大、頻率高 否則，反饋控制就能勝任 控制通道的滯后時間較大或干擾通道的時間常數(shù)較小 否則，也無須前饋控制,7 補償控制,24,7.3 大遲延過程系統(tǒng) 7.3.1 延遲對系統(tǒng)

7、品質(zhì)的影響,大延遲過程 廣義對象的時滯與時間常數(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、測量成分量、皮帶運輸、帶鋼連軋機、以及多容量、多種設(shè)備串聯(lián)等過程，都存在較大的時滯時間。 延遲對系統(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 補償控制,25,7.3.2 Smith預(yù)估器,Smith預(yù)估器 一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估器補償控制方法。 Smith預(yù)估器的設(shè)計思想 預(yù)估出過程對擾動的動態(tài)響應(yīng)，并將預(yù)估結(jié)果作為反饋提早供給控制器動作，以提前對擾動進行補償。,7 補償控制,26,圖7.6 Smith預(yù)估器控制方框圖,7 補償控制,控制器的輸出需要經(jīng)過時間 才起

8、作用,補償?shù)哪康氖牵篣(s) - Y(s)無延遲,27,Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)為：,7 補償控制,28,整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：,7 補償控制,被控量Y的響應(yīng)比設(shè)定值R要滯后時間,29,7 補償控制,干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：,30,結(jié)論： 采用Smith預(yù)估補償控制方法可以消除純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。 示例（與PID控制的比較）：,7 補償控制,31,圖7.7 帶Smith預(yù)估器的過程控制系統(tǒng),7 補償控制,32,圖7.8 純滯后加一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)字仿真曲線,7 補償控制,33,圖7.9 階躍信號作用下的響應(yīng)曲線,7 補償控制,34,7.3.3大林(Dahlin)算法,大林算法的結(jié)

9、構(gòu) 針對計算機控制系統(tǒng)提出來的一種時滯補償控制算法。,7 補償控制,計算機控制系統(tǒng)框圖,采樣保持,數(shù)字控制器,一階或二階帶時滯的慣性環(huán)節(jié),采樣周期,35,假設(shè)被控對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 補償控制,是采樣周期的整數(shù)倍（m為正整數(shù)）,36,7.3.3大林(Dahlin)算法,大林算法的基本思想 設(shè)計一個合適的數(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 補償控制,分母不帶時滯,分子的純延遲=過程對象的純延遲,37,大林算法中數(shù)字控制器的設(shè)計,7 補償控制,采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳函為：,數(shù)字控制器

10、的Z傳遞函數(shù)為：,38,由大林算法的要求，,7 補償控制,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：,39,7 補償控制,數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為：,若被控對象為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，則廣義對象的Z傳遞函數(shù)為,40,數(shù)字控制器Z的傳遞函數(shù)為,7 補償控制,簡記為,數(shù)字控制器的大林算法表達式為,41,若被控對象為具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，則廣義對象的Z傳遞函數(shù)為：,7 補償控制,數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為,42,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。,7 補償控制,43,7 補償控制,振鈴現(xiàn)象及消除方法,44,

11、振鈴現(xiàn)象及消除方法,振鈴的后果 對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出幾乎無影響； 使系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)磨損，甚至損壞； 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 振鈴強度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 補償控制,45,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 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附近有極點的因子），令其中的z=1； 合理選擇采樣周期T和設(shè)計參數(shù)Tb（所要求的閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)） TbT，TbTp,7 補償控制,46,本 章 小 結(jié),1補償控制器可以改變控制器的響應(yīng)，從而使整個系統(tǒng)獲得期望的性能指標。 按其結(jié)構(gòu)的不同，補償控制系統(tǒng)有四種類型：控制量補償、擾動量補償、反饋補償和串聯(lián)補償。 選擇何種結(jié)構(gòu)的補償控制器，一般取決于過程控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的性能指標要求。,7 補償控制,47,Smith預(yù)估補償控制、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，使控制器提前動作,Smith預(yù) 估補償控制方法最大的弱點是對過程模型的 誤差十分敏感。 對Smith預(yù)估器主要有兩種改進方法： （1）增益自適應(yīng)補償控制。 （2）完全抗