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1、 第六章第六章 利用补偿原理提高系统的利用补偿原理提高系统的 控制品质控制品质16-1 概述概述2)反馈控制系统的不足反馈控制系统的不足在被控对象呈现在被控对象呈现大迟延大迟延,多干扰多干扰等难以控制的特性等难以控制的特性,而又希而又希望得到较好的过程响应时望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果反馈控制难以得到好的效果例例1 纯迟延系统的快速性分析纯迟延系统的快速性分析1)反馈控制的优点反馈控制的优点(PID控制控制)原理简单原理简单,使用方便使用方便,不需知道对象的确切模型不需知道对象的确切模型鲁棒性鲁棒性:控制系统在其特性或参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能控制系统在其特性或
2、参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能适应性强适应性强鲁棒性强鲁棒性强,控制品质对被控对象特性的变化不敏感控制品质对被控对象特性的变化不敏感2上述几类问题用反馈控制难以得到好的控制品质，其原因可上述几类问题用反馈控制难以得到好的控制品质，其原因可归纳为：归纳为：反馈控制器不能事先规定它的输出值反馈控制器不能事先规定它的输出值,而只是改变它的而只是改变它的输出值直到被调量与设定值一致为止输出值直到被调量与设定值一致为止,它是以它是以尝试法尝试法来进来进行控制的行控制的,是一种原始的控制方法是一种原始的控制方法问题问题:是否可以在是否可以在偏差产生前偏差产生前(扰动发生但还未影响到被扰动发生但还未
3、影响到被调量调量)就让调节机构作出反应就让调节机构作出反应,通过对干扰进行补偿来抵通过对干扰进行补偿来抵消其影响消其影响,使被控对象不受干扰影响使被控对象不受干扰影响.？这就是这就是前馈控制前馈控制(Feedforward Control(FFC),它是一种它是一种按干扰进行控制的开环控制按干扰进行控制的开环控制.反馈控制是一种反馈控制是一种偏差控制偏差控制,系统在控制中必定存在偏差系统在控制中必定存在偏差,因此不能得到完美的控制效果因此不能得到完美的控制效果,调节器总是在调节器总是在偏差出现后偏差出现后才开始动作。才开始动作。3例例2 换热器控制换热器控制(用蒸汽用蒸汽Q对物料对物料F进行加
4、热进行加热,保持出料口物保持出料口物料温度稳定料温度稳定)方案方案1-反馈控制反馈控制缺点：缺点：对干扰的响应不够及时对干扰的响应不够及时,总是偏差出现后才开始调节总是偏差出现后才开始调节.按偏按偏差大小进行控制的差大小进行控制的 Fe调节阀调节阀1被调量被调量:换热器出口温度换热器出口温度1Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gm(s)r1闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图F(s)Qe信号流向信号流向反馈反馈前馈前馈主要干扰主要干扰:换热器的物料量换热器的物料量F4方案方案2-前馈控制前馈控制控制思路：以控制思路：以干扰作用的大小进行控制干扰作用的大小进行控制,干扰出现后马上进干扰出现后马上进对
5、干扰直接进行控制，控制对干扰直接进行控制，控制比反馈及时比反馈及时干扰干扰F 调节阀调节阀1蒸汽量蒸汽量物料量物料量Gff(s)Gv(s)Gd(s)Gp(s)F(s)1前馈控制系统方框图前馈控制系统方框图Q1Gff(s)Gv(s)Gp(s)Gd(s)+FQ信号流向信号流向信信号号流流向向行调节行调节优点：优点：什么是干扰？5系统传递函数为：系统传递函数为：系统对于干扰系统对于干扰F实现完全补偿的条件是实现完全补偿的条件是:Gff(s)Gv(s)Gp(s)Gd(s)+1FQ前馈控制的理论基础是前馈控制的理论基础是不变性原理不变性原理,或称为或称为扰动补偿理论扰动补偿理论6不变性原理不变性原理:控
6、制系统的控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关，也就是被调量完全独立或基本独立也就是被调量完全独立或基本独立设被控对象受到干扰设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调量的作用，则被调量y(t)的不变性可的不变性可表示为表示为:即被调量即被调量y(t)与干扰与干扰Di(t)独立无关独立无关在应用不变性原理时在应用不变性原理时,由于各种原因由于各种原因,不可能完全实现上式不可能完全实现上式所规定的所规定的y(t)与与Di(t)独立无关独立无关,因此就因此就被调量与干扰量之间被调量与干扰量之间的不变性程度的不变性程度,提出了几种不变性提出了几
7、种不变性7(1)绝对不变性绝对不变性对象在扰动对象在扰动Di(t)作用下作用下,被调量被调量y(t)在整个过渡过程中始终在整个过渡过程中始终保持不变保持不变,调节过程的调节过程的动态偏差动态偏差和和稳态偏差稳态偏差均为零均为零.实际中难以达到：对象的动态特性不可能绝对精确；扰动补实际中难以达到：对象的动态特性不可能绝对精确；扰动补偿装置实现上的困难理想的控制标准偿装置实现上的困难理想的控制标准准确度有一定限制的不变性可表示为准确度有一定限制的不变性可表示为:允许存在一定的误差允许存在一定的误差,在工程上容易实现在工程上容易实现,而且生产中也不而且生产中也不会有绝对不变性的要求会有绝对不变性的要
8、求,所以应用广泛所以应用广泛.如反馈控制从理如反馈控制从理论上应该属于误差不变性论上应该属于误差不变性(2)误差不变性误差不变性(不变性不变性)8(3)稳态不变性稳态不变性(4)选择不变性选择不变性带积分环节的反馈控制属于稳态不变性带积分环节的反馈控制属于稳态不变性在干扰在干扰Di(t)作用下作用下,被调量的被调量的动态偏差不为零动态偏差不为零,而而稳态偏差稳态偏差为零为零,被被调量在稳态工况下与扰动量无关调量在稳态工况下与扰动量无关.系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性.主要干扰次要干扰减少了补偿装置减少了补偿装置,节省投资又能达到对主要干扰的
9、不变性节省投资又能达到对主要干扰的不变性96-2 前馈控制系统前馈控制系统对象对象 前前 馈馈 控制器控制器设定值设定值r调节量调节量 yD1D2D3被调量被调量前馈控制系统前馈控制系统前馈控制前馈控制是以是以不变性原不变性原理为理论基础理为理论基础的一种控的一种控制方法制方法.它测量出影响它测量出影响过程的主要扰动因素过程的主要扰动因素,连同设定值一起连同设定值一起,计算计算出适应扰动的调节量并出适应扰动的调节量并进行控制。进行控制。无论干扰何时出现无论干扰何时出现,系统都立即开始校正系统都立即开始校正,使扰动在影响到使扰动在影响到被调量之前就被抵消掉被调量之前就被抵消掉.从理论上讲从理论上
10、讲,前馈控制可是实现很前馈控制可是实现很完善的控制完善的控制,即使是难控过程即使是难控过程,其性能也仅受测量和计算精其性能也仅受测量和计算精度的限制度的限制一一 基本概念基本概念u=f(r,D1,D2,D3)10例例3 锅筒锅炉的水位控制锅筒锅炉的水位控制锅炉的水位控制系统锅炉的水位控制系统生产过程生产过程:给水给水G经锅炉加热产生蒸汽输出经锅炉加热产生蒸汽输出.被调量被调量:锅炉水位锅炉水位H,保持恒定保持恒定.扰动扰动:负荷负荷(蒸汽蒸汽D)扰动扰动,给水扰动给水扰动.控制方案：控制方案：1.串级控制串级控制(反馈控制反馈控制)2.前馈控制前馈控制111.串级空制串级空制2.如果负荷变化幅
11、度大而频繁如果负荷变化幅度大而频繁,难满足要求难满足要求,水位波动大水位波动大;假水位假水位:锅炉蒸汽负荷突然锅炉蒸汽负荷突然(出汽出汽),气压气压,水的沸点水的沸点,水汽混合物体积水汽混合物体积,则此时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升反之一样则此时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升反之一样负荷负荷扰动扰动主调主调节器节器副调副调节器节器调节阀调节阀管路管路锅炉锅炉流量变送器流量变送器液位变送器液位变送器给水给水扰动扰动rHG(s)D(s)液位液位-流量串级控制流量串级控制动态偏差动态偏差,调节过程加长调节过程加长缺点：缺点：1.对扰动的响应不够及时对扰动的响应不够及时;3.负荷
12、对水位的影响存在负荷对水位的影响存在假水位现象假水位现象,调节过程产生更大调节过程产生更大12主调主调节器节器副调副调节器节器调节阀调节阀管路管路锅炉锅炉压力变送器压力变送器液位变送器液位变送器给水给水扰动扰动负荷负荷扰动扰动rHG(s)D(s)如果直接以负荷的扰动来调节阀门如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负荷使给水量总等于负荷量量,就能解决负荷扰动大就能解决负荷扰动大,控制不及时的缺点控制不及时的缺点.前馈控制前馈控制:预先预先测量出测量出过程的过程的主要扰动因素主要扰动因素,由对象的由对象的(物物质质或能量或能量)平衡条件平衡条件,计算出抵消该扰动的调节量计算出抵消该扰动的调
13、节量进行控制进行控制.只要干扰出现只要干扰出现,立即进行校正立即进行校正,使得扰动在影响被调量之间使得扰动在影响被调量之间就被抵消就被抵消.13锅锅 炉炉DDT 开方器开方器LTLC阀阀QCDT 开方器开方器hIG*IGID+-If蒸汽蒸汽负荷负荷给水给水G锅炉水位前馈控制系统锅炉水位前馈控制系统IG=f(D,r)14If*=IG-ID+5.0LCQC调节阀调节阀锅炉锅炉DT液位变送器液位变送器H锅炉水位前馈控制方框图锅炉水位前馈控制方框图开方器开方器蒸汽质量流量蒸汽质量流量IDIG*=ID+IL-5.0IL给水给水IG-+给水扰动给水扰动负荷扰动负荷扰动前馈控制器前馈控制器开方器开方器-15
14、前馈控制的特点前馈控制的特点控制类型控制类型控制的依据控制的依据检测的信号检测的信号 控制作用的时间控制作用的时间反馈控制反馈控制被调量偏差被调量偏差e 被控变量被控变量偏差出现后偏差出现后前馈控制前馈控制 干扰量的大小干扰量的大小干扰量干扰量偏差出现前偏差出现前(2)前馈控制属于前馈控制属于开环控制开环控制系统系统;(与反馈控制根本区别与反馈控制根本区别)(3)前馈控制使用的是依对象特性而定的前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器专用控制器;(4)一种前馈控制作用一种前馈控制作用只能克服一种干扰只能克服一种干扰(1)前馈控制是前馈控制是按干扰作用的大小进行控制按干扰作用的大小进行控制的，
15、如果控制作的，如果控制作用恰倒好处用恰倒好处,一般一般比反馈控制及时比反馈控制及时16前馈控制系统的应用场合前馈控制系统的应用场合(1)系统中存在可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰系统中存在可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰,这这些干扰对被控参数影响显著些干扰对被控参数影响显著,反馈控制达不到质量要求。反馈控制达不到质量要求。(2)当控制系统的控制通道滞后时间较长当控制系统的控制通道滞后时间较长,由于反馈控制不及由于反馈控制不及时影响控制质量时时影响控制质量时,可采用前馈或前馈反馈控制系统可采用前馈或前馈反馈控制系统.17二二 静态前馈控制静态前馈控制系统只需在系统只需在稳定工况下对干扰量
16、进行补偿稳定工况下对干扰量进行补偿,控制器的控制器的输出是输出是输入量的函数输入量的函数,与时间因子无关与时间因子无关.对控制要求不高对控制要求不高,只关心只关心结果结果,不重过程不重过程例例4 列管换热器控制列管换热器控制1)生产过程生产过程换热器换热器料液料液Q,12D加热蒸汽加热蒸汽P找出主要扰动找出主要扰动列出平衡方程列出平衡方程具体实现具体实现2)调节量调节量(2)3)扰动量扰动量(Q,1,p)4)前馈控制设计思路前馈控制设计思路:主要扰动主要扰动料液流量料液流量Q料液入口温度料液入口温度118平衡方程平衡方程19换热器换热器TXQ 12r1+-kQCDTDTD*DD2静态前馈补偿器
17、静态前馈补偿器前馈补前馈补偿器偿器调节调节器器阀阀管道管道换热器换热器压力压力变送器变送器Q 1 1D 2 2D*2r2r实现实现 D=kQ(2r-1)无论无论Q,1如何如何变化化,总有有D=kQ(2r-1),Q,1的扰动都能由蒸的扰动都能由蒸汽流量汽流量D立即进行补偿得到蒸汽流量的给定值立即进行补偿得到蒸汽流量的给定值 D*=kQ(2r-1)205)前馈控制算法与对象数学模型关系前馈控制算法与对象数学模型关系Q 1 1D 2r2r数学模型数学模型Q 1 1D 2r2r前馈控制算法前馈控制算法从本质上讲从本质上讲,前馈控制算法就是过程的数学模型前馈控制算法就是过程的数学模型D=cpQ(2r-1
18、)/Hs216)参数对控制的影响参数对控制的影响QD2rD1D k对出口温度对出口温度2的影响的影响：通过调整通过调整k值可以调整出口温度值可以调整出口温度与设定值的残差与设定值的残差 k过小过小,D的减小过小的减小过小,欠补偿欠补偿换热器换热器TXQ12r1+-kQCDTDTD*DD2静态前馈补偿器静态前馈补偿器料液料液流量流量蒸汽蒸汽流量流量 k过大过大,D的减小过大的减小过大,过补偿过补偿 k适当适当,D的减小与的减小与Q的减小匹的减小匹 配配,残差为残差为0227)前馈控制与常规前馈控制与常规PID控制效果控制效果的比较的比较(a)PID控制过控制过程程(b)静态前馈控制过程静态前馈控
19、制过程 前馈控制比前馈控制比PID控制及时控制及时,能更早地能更早地 前馈控制超调量小前馈控制超调量小;前馈控制作用时间短前馈控制作用时间短.校正偏差校正偏差;静态前馈控制除了较高的精度外静态前馈控制除了较高的精度外,还具有固有的稳定性和很强的自身还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会如料液没流量后，蒸汽也会自动关断自动关断238)静态前馈控的制缺点静态前馈控的制缺点(1)负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时温度误差负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时温度误差(2)如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同,就有
20、可能出现残差就有可能出现残差.右图中曲线右图中曲线D=kQ(2r-1)从理论上说，按静态模型设计的从理论上说，按静态模型设计的前馈控制装置可以保证静态偏差前馈控制装置可以保证静态偏差为零，但无法干预动态偏差的发为零，但无法干预动态偏差的发生生料液流量Q;蒸汽流量D静态前馈控制温度变化曲线存在一段时间较小的偏差,是由于扰动通道和调节通道之间对象动态特性不同所引起的动态偏差.静态前馈补偿不能解决动态不平衡区24三三 动态前馈控制动态前馈控制动态前馈控制器在动态前馈控制器在任何时刻均能实现对干扰的补偿任何时刻均能实现对干扰的补偿.选择合选择合适的控制规律适的控制规律,使干扰经过使干扰经过调节通道和对
21、象扰动通道的动态调节通道和对象扰动通道的动态特性完全一致特性完全一致,符号相反符号相反,便便可达到对干扰的完全补偿可达到对干扰的完全补偿动态前馈与静态前馈的动态前馈与静态前馈的结构相同结构相同,控制规律不同控制规律不同.动态前馈控动态前馈控制器的输出制器的输出不仅是干扰量的函数不仅是干扰量的函数,也是时间的函数也是时间的函数.动态前馈动态前馈的校正作用使被控量的静态和动态误差都接近或等于零的校正作用使被控量的静态和动态误差都接近或等于零Gff(s)Gv(s)Gp(s)Gd(s)+2r扰动扰动QD扰动通道扰动通道调节通道调节通道251.动态补偿器的设计动态补偿器的设计扰动量扰动量-D(s)被调量
22、被调量-Y(s)没有补偿器时没有补偿器时,扰动量扰动量D只通只通过过Gd(s)影响影响Y,即即有了补偿器后有了补偿器后,扰动量扰动量D同时还通过补偿通道同时还通过补偿通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)来影响被调量来影响被调量Y,则则根据不变性原理根据不变性原理,有有补偿器传递函数为补偿器传递函数为：Gv(s)Gff(s)补偿器补偿器m调节阀调节阀Gp(s)DY(s)扰扰动动被调量被调量Gd(s)扰动通道扰动通道调节通道调节通道26假定扰动通道和调节通道传递函数假定扰动通道和调节通道传递函数Gd(s)和和Gp(s)均为纯迟延均为纯迟延:调节阀特性调节阀特性Gv(s)=kv,则在扰动则在扰动D作
23、用下作用下,进行静态前馈控制进行静态前馈控制,静态前馈装置只需实现静态前馈装置只需实现此时只能保证稳态时对扰动的补偿此时只能保证稳态时对扰动的补偿Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)+Y(s)Dy()=0,y(t)027扰动扰动D引起被调量持续时间为引起被调量持续时间为(d-p)的一个瞬变过程的一个瞬变过程.要进行动态补偿要进行动态补偿,需需要把前馈信号推迟要把前馈信号推迟d-p,即即:Gff(s)Kve-pse-ds+Y(s)DDt0ytpdy0tD(t-d)D(t-p)调节通道调节通道扰动通道扰动通道28如果如果Gd(s)和和Gp(s)分别是时间常数为分别是时间常数为Td和和Tp的一
24、阶惯性环的一阶惯性环节节,控制仍设置为静态前馈控制控制仍设置为静态前馈控制,使使Gff(s)=-1/k,则有则有(假定假定TdTp)当当t+时时,limy(t)=0,静态误差为零静态误差为零.由于由于两个通道时间常数不同两个通道时间常数不同,出现了动态偏差出现了动态偏差.Dt0ytTdTp0ytGff(s)Kv1/(Tps+1)1/(Tds+1)+Y(s)D29Gff(s)Kv1/(Tps+1)1/(Tds+1)+Y(s)D根据不变性原理根据不变性原理,要实要实现动态补偿，则有现动态补偿，则有:导前导前滞后环节滞后环节302.简单的动态补偿器：导前简单的动态补偿器：导前滞后环节滞后环节1)按不
25、变性原理实现完全补偿只有理论意义按不变性原理实现完全补偿只有理论意义,实际上是不可实际上是不可2)可以采用前馈控制的过程的特点：可以采用前馈控制的过程的特点：扰动通道和调节通道的传递函数性质相近扰动通道和调节通道的传递函数性质相近 如果有纯迟延，在数值上比较接近如果有纯迟延，在数值上比较接近 过程的动态特性难以测准过程的动态特性难以测准,而且具有不可忽视的非线性而且具有不可忽视的非线性,写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现能实现的能实现的特别是在不同负荷下动态特性变化很大。特别是在不同负荷下动态特性变化很大。31在大多数情况下，只需要考虑主要的惯性环节，
26、即实现部分在大多数情况下，只需要考虑主要的惯性环节，即实现部分补偿通常采用简单的导前补偿通常采用简单的导前滞后装置作为动态补偿器就可滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函数为：以满足要求其传递函数为：其增益为其增益为1,只起动态补偿的作用只起动态补偿的作用.由静态前馈装置保持静由静态前馈装置保持静态准确性。由补偿后干扰通道和补偿通道关系有态准确性。由补偿后干扰通道和补偿通道关系有:1 1导前时间；导前时间；2 2滞后时间滞后时间1=Tp,2=Td32换热器换热器kQ 1 2r1+-xD*2前馈控制前馈控制PI阀p+-料料液液蒸汽蒸汽换热器前馈控制系统方框图换热器前馈控制系统方框图换热器在
27、前馈和反馈控换热器在前馈和反馈控制下的响应曲线制下的响应曲线前馈控制的优越性前馈控制的优越性:与反馈控制相比与反馈控制相比,控制质量好控制质量好,而且而且不会出现闭环控制系统中存在的稳定性问题不会出现闭环控制系统中存在的稳定性问题.在前馈控制系在前馈控制系统中还不需要被调量的测量信号统中还不需要被调量的测量信号.33四四 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统前馈控制系统的不足之处前馈控制系统的不足之处:1)静态准确性难保证静态准确性难保证2)前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的,一种前馈控制作一种前馈控制作用用可以将前馈控制和反馈控制结合起来可以将前馈控制和反馈控
28、制结合起来,构成前馈反馈控构成前馈反馈控制系统制系统.既利用了前馈控制作用及时的特点既利用了前馈控制作用及时的特点,又保持了反馈又保持了反馈控制能克服多个扰动和对被调量实现反馈检验的长处控制能克服多个扰动和对被调量实现反馈检验的长处3)对被调量无检验对被调量无检验要达到高度的静态准确性要达到高度的静态准确性,需要有准确的数学模型需要有准确的数学模型,精确的精确的测量仪表和计算装置测量仪表和计算装置,而且而且,模型中的系数也可能随运行条模型中的系数也可能随运行条件而变化件而变化只能克服一种干扰只能克服一种干扰.34Gc(s)Gp(s)Gff(s)Gd(s)前馈反馈控制系统方框图前馈反馈控制系统方
29、框图 2r r+-+D 2 2典型的前馈反馈控制系统典型的前馈反馈控制系统干扰通道干扰通道前馈补偿通道前馈补偿通道反馈通道反馈通道系统的校正作用：系统的校正作用：Gc(s)+Gff(s)控制系统是偏差控控制系统是偏差控制和扰动控制的结制和扰动控制的结合，也称为复合控合，也称为复合控制系统制系统前馈前馈反馈控制系统对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完反馈控制系统对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完全相同全相同,反馈回路中加入前馈控制对反馈调节器所需要整定反馈回路中加入前馈控制对反馈调节器所需要整定的参数带来的变化不大的参数带来的变化不大.但是反馈调节器所需完成的工作量但是反馈调节器所需完成的工作量大
30、大减小大大减小,而被调量的静态准确性而被调量的静态准确性(残差残差)总能够满足要求总能够满足要求35前馈控制器前馈控制器:反馈控制反馈控制:其他干其他干扰扰,补偿前馈控制补偿前馈控制不准确引起的偏差不准确引起的偏差Q,1D*换热器换热器kQ 12r1+-xD*2前馈控制前馈控制PIPI阀p+-换热器前馈反馈控制系统换热器前馈反馈控制系统36前馈反馈控制的优点：前馈反馈控制的优点：1)增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。2)反馈回路的存在反馈
31、回路的存在,降低了前馈控制模型的精度要求降低了前馈控制模型的精度要求3)负荷或工况变化时负荷或工况变化时,对象特性也要变化对象特性也要变化,可由反馈控制加可由反馈控制加以补偿以补偿,具有一定的自适应能力具有一定的自适应能力376-3 大迟延系统大迟延系统2)迟延的形式迟延的形式3)迟延对控制系统的影响迟延对控制系统的影响 容积迟延容积迟延 纯迟延纯迟延纯迟延的存在纯迟延的存在,使被调量不能及时反映系统所承受的扰动使被调量不能及时反映系统所承受的扰动,使过程使过程产生超调产生超调,延长了系统的调节时间延长了系统的调节时间,引起系统的不稳引起系统的不稳定定,严重时会引起生产事故严重时会引起生产事故
32、,危及人身和设备安全危及人身和设备安全具有纯迟延的过程被公认为较难控制的过程具有纯迟延的过程被公认为较难控制的过程,其难控程度其难控程度随着纯迟延随着纯迟延的增加而增加的增加而增加1)大迟延大迟延纯迟延时间纯迟延时间与过程的时间常数与过程的时间常数T之比大于之比大于0.30.3,即即/T0.3384)解决方法解决方法 改进型常规控制改进型常规控制改进型常规控制改进型常规控制:具有通用性广等特点，目前较常用。具有通用性广等特点，目前较常用。具有通用性广等特点，目前较常用。具有通用性广等特点，目前较常用。预估补偿预估补偿预估补偿预估补偿:原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响，原理上能消除纯延时对
33、控制系统的动态影响，原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响，原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响，但前提是具有被控过程的精确模型但前提是具有被控过程的精确模型但前提是具有被控过程的精确模型但前提是具有被控过程的精确模型,工程上往往难以实现。工程上往往难以实现。工程上往往难以实现。工程上往往难以实现。采样控制采样控制采样控制采样控制:成本较低成本较低成本较低成本较低,但干扰加入的时刻对控制效果影响但干扰加入的时刻对控制效果影响但干扰加入的时刻对控制效果影响但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。较大。较大。较大。其他其他其他其他:大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。大林算法、卡尔曼预估算法、
34、灰色预测控制等。大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。392)利用常规调节器适应性强利用常规调节器适应性强,调整方便的特点调整方便的特点,经过仔细个经过仔细个别的调整别的调整,在控制要求不太苛刻的情况下在控制要求不太苛刻的情况下,满足生产的要求满足生产的要求1)在常规控制的基础上改动控制方案在常规控制的基础上改动控制方案微分先行，中间反馈微分先行，中间反馈微分先行微分先行:只对测量值起微分作用的控制算法只对测量值起微分作用的控制算法.微分环节接微分环节接在反馈通道中在反馈通道中,位于设定值与测量值的比较点之前位于设定值与测量值的比较点之前,故称微故
35、称微分先行分先行.在通常的在通常的PD或或PID控制算法中控制算法中,微分控制作用是与微分控制作用是与偏差的变化速度成正比的偏差的变化速度成正比的,不论设定值或测量值突然变化不论设定值或测量值突然变化,微分控制作用十分猛烈微分控制作用十分猛烈.因此因此,采用通常的采用通常的PD或或PID控制算控制算法时法时,设定值的调整必须比较和缓设定值的调整必须比较和缓.为了不受这种限制为了不受这种限制,可以只对测量值起微分作用可以只对测量值起微分作用,而测量值一般是不会突然变而测量值一般是不会突然变化的化的.对象一般都具有惯性对象一般都具有惯性.一一一一 改进型常规控制改进型常规控制改进型常规控制改进型常
36、规控制40中间反馈控制方框图中间反馈控制方框图三种控制方案在三种控制方案在三种控制方案在三种控制方案在设定值设定值设定值设定值扰动下过扰动下过扰动下过扰动下过渡过程的比较见右图。渡过程的比较见右图。渡过程的比较见右图。渡过程的比较见右图。微分先行和中间反馈控制方案简微分先行和中间反馈控制方案简微分先行和中间反馈控制方案简微分先行和中间反馈控制方案简单易行单易行单易行单易行,对降低超调量对降低超调量对降低超调量对降低超调量,缩短调缩短调缩短调缩短调节时间有一定效果。节时间有一定效果。节时间有一定效果。节时间有一定效果。两方案都具有较大超调量两方案都具有较大超调量,响应速响应速度慢度慢.如果在控制
37、精度要求很高的如果在控制精度要求很高的场合场合,不能满足要求不能满足要求,需要采取需要采取其他控制手段其他控制手段,如补偿控制如补偿控制.41二二 采用补偿原理克服大迟延的影响采用补偿原理克服大迟延的影响大迟延系统采用的补偿方法不同于前馈补偿大迟延系统采用的补偿方法不同于前馈补偿,它按照过程的它按照过程的特性设想出一种模型加入到反馈控制系统中特性设想出一种模型加入到反馈控制系统中,以补偿过程的以补偿过程的动态特性动态特性.这种补偿反馈因构成模型的方法不同而形成不同这种补偿反馈因构成模型的方法不同而形成不同的方案的方案.史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的一种方案史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的
38、一种方案.Gc(s)Gp(s)Gs(s)R(s)U(s)Y(s)Y(s)-+史密斯预估补偿控制原理图史密斯预估补偿控制原理图Gs(s)Kpgp(s)e-s史密斯补偿控制器的实现史密斯补偿控制器的实现-+史密斯预估补偿器传递函数史密斯预估补偿器传递函数42SmithSmith补偿系统分析补偿系统分析补偿系统分析补偿系统分析消除了大迟延对系统过渡过程的影响，使调节过程的品质与消除了大迟延对系统过渡过程的影响，使调节过程的品质与消除了大迟延对系统过渡过程的影响，使调节过程的品质与消除了大迟延对系统过渡过程的影响，使调节过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟过程无迟延环节时的
39、情况一样，只是在时间坐标上向后推迟过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间了一个时间了一个时间了一个时间。43可以推导出系统的闭环传递函数为：可以推导出系统的闭环传递函数为：可以推导出系统的闭环传递函数为：可以推导出系统的闭环传递函数为：可见随动控制可见随动控制可见随动控制可见随动控制经预估补偿经预估补偿经预估补偿经预估补偿,其特征方程中已消去了其特征方程中已消去了其特征方程中已消去了其特征方程中已消去了e e e e-s s s s项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影项，即消
40、除了纯迟延对系统控制品质的不利影项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响响响响.传递函数传递函数传递函数传递函数分子上的纯滞后环节表明被控量的响分子上的纯滞后环节表明被控量的响分子上的纯滞后环节表明被控量的响分子上的纯滞后环节表明被控量的响应比设定值滞后时间应比设定值滞后时间应比设定值滞后时间应比设定值滞后时间。44史密斯预估补偿器的效果史密斯预估补偿器的效果1)设定值扰动时设定值扰动时,能缩短控制系统的调节时间能缩短控制系统的调节时间,减小超调量减小超调量.例例6-2(P139)2)对负荷扰动无效果对负荷扰动无效果,并且会引起系统的不稳定并且会引起系统的不稳定.3)加入史密斯预估器后系统鲁
41、棒性降低加入史密斯预估器后系统鲁棒性降低.(PID控制系统承受控制系统承受对象参数变化能力比带史密斯补偿器的系统强对象参数变化能力比带史密斯补偿器的系统强)(PID控制系控制系统对过程的动态性能精度要求不高统对过程的动态性能精度要求不高,史密斯补偿方案对过程动史密斯补偿方案对过程动态特性精确度要求高态特性精确度要求高)45动态特性参数变化对史密斯补偿控制系统的影响动态特性参数变化对史密斯补偿控制系统的影响 在模型精确时在模型精确时,史密斯补偿控制系统的控制质量好史密斯补偿控制系统的控制质量好,ITAE小小,即调节时间短即调节时间短,超调量小超调量小.模型参数变化时模型参数变化时,PID控制品质
42、较稳定控制品质较稳定,其其ITAE变化缓慢变化缓慢,而史密斯补偿控制的而史密斯补偿控制的ITAE随对象参数变化出现大幅度变化随对象参数变化出现大幅度变化.说明史密斯补偿控制系统鲁棒性较差说明史密斯补偿控制系统鲁棒性较差.模型难以精确时模型难以精确时,选取的选取的K偏小偏小,T偏大偏大,偏大对史密斯控偏大对史密斯控制品质影响小制品质影响小.46三史密斯预估器的几种改进方案三史密斯预估器的几种改进方案476-4 非线性增益补偿系统非线性增益补偿系统一一 概述概述1.非线性增益对控制系统的影响非线性增益对控制系统的影响线性系统的特征是可以应用线性叠加原理，非线性系统不线性系统的特征是可以应用线性叠加
43、原理，非线性系统不能应用能应用使系统动态品质变坏使系统动态品质变坏稳定性分析复杂稳定性分析复杂可能出现自激振荡可能出现自激振荡482.非线性因素的存在形式非线性因素的存在形式典型非线性特性典型非线性特性用以实现控制的仪表或执行机构中包含的非线性用以实现控制的仪表或执行机构中包含的非线性,常见的有常见的有继电特性继电特性,死区死区,饱和饱和(限幅限幅),间隙间隙,摩擦等摩擦等 对象的变增益特性对象的变增益特性对象的增益在很多情况下不是常数对象的增益在很多情况下不是常数,而是负荷而是负荷,调节量等因调节量等因素的非线性函数素的非线性函数单容水箱:换热器:49继电特性继电特性死区特性死区特性饱和特性
44、饱和特性yxyxyxkxkxkx典型非线性特性典型非线性特性50二二 对象静态非线性特性的补偿对象静态非线性特性的补偿严格地说严格地说,大部分工业过程的静态特性都具有非线性特性大部分工业过程的静态特性都具有非线性特性,其其增益随负荷增益随负荷,被调量被调量,调节量等变化调节量等变化.在非线性影响严重时在非线性影响严重时,要对其进行补偿要对其进行补偿.补偿原理补偿原理:设法使系统中某一环节具有与对象增益相反的非设法使系统中某一环节具有与对象增益相反的非线性特性线性特性,使之与原来的非线性特性相补偿使之与原来的非线性特性相补偿,最后最后使系统的开使系统的开环增益为常数环增益为常数,校正成一个线性系
45、统校正成一个线性系统.即即 Kc*Kv*Kp*Km=常数常数51补偿方法补偿方法1)采用阀门特性采用阀门特性利用阀门增益的非线性特性利用阀门增益的非线性特性,如等百分比如等百分比,快开特性快开特性.2)利用变增益调节器利用变增益调节器3)利用函数变换器及各种运算单元利用函数变换器及各种运算单元对于非线性特性对于非线性特性,只使用变增益调节器来补偿比较粗糙只使用变增益调节器来补偿比较粗糙.函函数变换器和各种运算单元经过计算数变换器和各种运算单元经过计算,调整和组合可以实现各调整和组合可以实现各种复杂形状的曲线种复杂形状的曲线,能够较精确地进行补偿能够较精确地进行补偿4)利用计算机进行补偿利用计算机进行补偿 例例 换热器非线性补偿换热器非线性补偿52