1、第六章第六章 利用补偿原理利用补偿原理提高系统的控制品质提高系统的控制品质6-1 概述概述2)反馈控制系统的不足反馈控制系统的不足 在被控对象呈现大迟延在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性多干扰等难以控制的特性,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(稳稳定性定性,准确性准确性,快速性快速性)一、一、反馈控制反馈控制1)反馈控制的特点反馈控制的特点：基于偏差来消除偏差；基于偏差来消除偏差；“不及时不及时”的控制的控制；存在稳定性问题；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；对各种扰动均有校正作用；控制规律通常是控制规律
2、通常是P、PI、PD或或PID等典型规律。等典型规律。二、前馈思想二、前馈思想在扰动还未影响输出以前，直接改变在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。动的影响。例例1 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，总是偏差出现后才开始调节对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节按偏差大小进按偏差大小进行控制的行控制的 e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1主要干扰主要干
3、扰:换热器的物料量换热器的物料量FGc(s)Gv(s)G(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方案方案2-前馈控制前馈控制控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(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)GPC(s)GPD(s)+FQ优点：优点：对干扰直接进行控制，控制比反馈对干扰直接进行控制，控制比反馈及时及时干扰干扰F 调节阀调节阀1蒸汽量蒸汽量物料量物料量1()()()()()()PDffVPCsGsGs G
4、s GsF s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实现完全补偿的实现完全补偿的条件是条件是:Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1FQ1()0,()0,F ss而代入上式有：()()()()0PDffVPCGsGs Gs Gs()()()()PDffVPCGsGsGs Gs 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，或称为扰动扰动补偿理论补偿理论 控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下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，也就是被调量完全独立或基本独立无关，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
5、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)的不变的不变性可表示为：性可表示为：()0()0(1,2,.)iD ty tin当时，仍有即被调量即被调量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,不可能完全实现上不可能完全实现上式所规定的式所规定的y(t)与与Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种不变性间的不变性程度，提出了几种不变性(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在整个
6、过渡过程中始终保持不变终保持不变,调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.即即Y(s)/D(s)=0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理理想情况想情况“）。）。(2)误差不变性误差不变性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：()0|()|iD ty t当时，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求,所以应用广泛所以应用广泛.如反馈控制从理论如反馈控制从理论上应该属于误差不变性上应该属于误差不变性(3
7、)稳态不变性稳态不变性在干扰在干扰Di(t)作用下作用下,被调量的动态偏差不为零被调量的动态偏差不为零,而稳态而稳态偏差为零偏差为零,被调量在稳态工况下与扰动量无关被调量在稳态工况下与扰动量无关.(4)选择不变性选择不变性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.减减少了补偿装置少了补偿装置,节省投资又能达到对主要干扰的不变性节省投资又能达到对主要干扰的不变性()()()00,0issD tyery当时,6-2 前馈控制系统前馈控制系统对象对象前馈前馈控制器控制器设定值设定值r调节量调节量yD1 D2 Dn被调量被调量前馈控制系统前馈控制系统 前馈控
8、制是以前馈控制是以不变性原理为理论基础不变性原理为理论基础的一种控制方的一种控制方法法.它把影响过程的主要因素测量出来它把影响过程的主要因素测量出来,连同设定值一起连同设定值一起,用来计算正确的输出用来计算正确的输出,以适应当前的状态以适应当前的状态一一 基本概念基本概念u=f(r,D1,D2,Dn)D1，Dn为可测扰动；为可测扰动；u，y分别为被控对分别为被控对象的操作变量象的操作变量与受控变量。与受控变量。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：给水生产过程：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
9、,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1.串级空制串级空制缺点：缺点：1.对扰动的响应不够及时对扰动的响应不够及时2.如果负荷变化幅度大而且频繁如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求难以满足要求,水位水位H波动大波动大3.负荷对水位的影响存在假水位现象负荷对水位的影响存在假水位现象,调节过程产生更大动态偏差调节过程产生更大动态偏差,调节调节 过程加长过程加长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
10、荷负荷扰动扰动rHG(s)D(s)假水位假水位:锅炉蒸汽负荷突然锅炉蒸汽负荷突然,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，反而上升反之一样时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升反之一样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,使给水量总等于负使给水量总等于负荷量荷量,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.锅炉锅炉DDT 开方器开
11、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*5.0GDLIIII5.0fGDIIIG=f(D,r)2、前馈控制方案、前馈控制方案前馈控制与反馈控制的比前馈控制与反馈控制的比较较 前前 馈馈 控控 制制 反反 馈馈 控控 制制 扰动可测，但不要求被控量可测扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）（滞后调节）开环调节，无稳定
12、性问题开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型无需对象模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强鲁棒性强(1)前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，如果控制作用恰倒好处如果控制作用恰
13、倒好处,一般比反馈控制及一般比反馈控制及时时(2)前馈控制属于开环控制系统前馈控制属于开环控制系统(3)前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器制器.(4)一种前馈控制作用只能克服一种干扰一种前馈控制作用只能克服一种干扰前馈控制与反馈控制的比前馈控制与反馈控制的比较较二、二、静态前馈控制静态前馈控制 系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿,此时此时,前馈控制器的输前馈控制器的输出是输入量的函数出是输入量的函数,而与时间因子无关而与时间因子无关.对控制要求不是很高对控制要求不是很高,只关心结果只关心结果,不重过程不
14、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2)调节量调节量(2)3)扰动量扰动量(Q,1,p)4)热平衡方程及控制算法热平衡方程及控制算法换热器换热器料液料液Q,12D加热蒸汽加热蒸汽QQ蒸汽放热料液吸热21()prsQ cDH2121()()prsrcDQHkQ21psrcDH料液比热蒸汽流量蒸汽汽化热料液给定出口温度料液初始温度无论无论Q,1如何变化，总有如何变化，总有D=kQ(2r-1),Q,1的扰动都能由蒸汽流量的扰动都能由蒸汽流量D立立即进行补偿得到蒸汽流量的给定值即进行补偿得到蒸汽流量的给定值D*=kQ(2r-1).前馈补前馈补偿器偿器调节调节器器阀阀管道管道换
15、热器换热器压力压力变送器变送器Q1 1D2 2D*2r2r5)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:从本质上讲从本质上讲,算法就是数学模型算法就是数学模型Q1 1D2r2r数学模型数学模型Q1 1D2r2r前馈控制算法前馈控制算法换热器换热器TXQ 12r1+-kQCDTDTD*DD2静态前馈补偿器静态前馈补偿器6)参数对控制的影响参数对控制的影响21()rDkQQD2rD1D 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与值可以调整出口温度与设定值的残差设定值的残差 k过小，过小，D的减小过小的减小过小,残差为正残差为正 k过大，过大，
16、D的减小过大，残差为负的减小过大，残差为负 k适当，适当，D的减小与的减小与Q的减小匹配，残的减小匹配，残 差为差为0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7)前馈控制与常规前馈控制与常规PID空制的比较空制的比较(a)PID控制过程控制过程(b)静态前馈控制过程静态前馈控制过程 前馈控制比前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差空制及时，能更早地校正偏差 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.静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性静态前馈空制除了有较高的控制精度外，
17、还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断和很强的自身平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断8)静态前馈控制缺点静态前馈控制缺点 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 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,就有可能出现残差就有可能出现残差.右图中曲线右图中曲线-料液流量料液流量Q-蒸汽流量蒸汽流量D-按静态前馈控制时按静态前馈控制时Q 料液料液出口温度变化曲线出口温度变化曲线.存在一段时存在一段时间较小的偏差间较小的偏差,是由于扰动通道是由于扰动通道和调节通
18、道之间对象动态特性和调节通道之间对象动态特性不同所引起的动态偏差不同所引起的动态偏差.静态前静态前馈补偿不能解决馈补偿不能解决从理论上说，按静态模型设计从理论上说，按静态模型设计的前馈控制装置可以保证静态的前馈控制装置可以保证静态偏差为零，但无法干预动态偏偏差为零，但无法干预动态偏差的发生差的发生三三 动态前馈控制动态前馈控制 动态前馈控制的作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿通动态前馈控制的作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特
19、性完全一致，并使他们的一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并使他们的符号相反，便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响符号相反，便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响()()()()PDffVPCGsGsGs Gs Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1扰动扰动FQ 动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同器的控制规律不同.动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数,而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变
20、量的静态和而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。动态误差都接近或等于零。1.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只通过只通过Gd(s)影响影响Y,即即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)()()()dY sGs D s有了补偿器后，扰动量有了补偿器后，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)来影响被来影响被调量调量Y,则则()()()()()()()dffvpY sGs
21、D sGs G s Gs D s()()()()()()dffvpY sGsGs G s GsD s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：()()()()dffvpGsGsG s Gs 假定扰动通道传递函数假定扰动通道传递函数Gd(s)和调节通道传递函数和调节通道传递函数Gp(s)均为均为纯迟延纯迟延,且为且为(),()pdssdpG seGse调节阀特性调节阀特性Gv(s)=kv,则在扰动则在扰动D作用下，进行静态前馈控制，作用下，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0()1()lim()()()dffsvpvGsGsG s Gsk 此时只
22、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()()()()()()()1()()()()()pdpddffvpssvvssY sGs D sGs G s Gs D seD sk eD skeD seD s Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)+Y(s)D()()()dpy tD tD t Dt0ytpd扰动扰动D的变化引起被调量持续时间为的变化引起被调量持续时间为(d-p)的一的一个瞬变过程个瞬变过程.要进行动态补偿要进行动态补偿,需要把前馈信号需要把前馈信号推迟推迟d d-p p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的一阶惯性环节，控制
23、仍设的一阶惯性环节，控制仍设置为静态前馈控制，使置为静态前馈控制，使Gff(s)=-1/k,则有则有111()()()()11vdpvY sD sD sksTsTk()()pdt Tt Ty tD ee(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.由于两个通道由于两个通道时间常数不同，出现了动态偏差时间常数不同，出现了动态偏差Dt0ytTdTp02.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,实际上是不可能实现的实际上是不可能实现的 过程的动态特性难以测准，而且具有
24、不可忽视的非线性，特别是在过程的动态特性难以测准，而且具有不可忽视的非线性，特别是在不同负荷下动态特性变化很大。不同负荷下动态特性变化很大。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常采用简单的导前-滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求
25、其传滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函数为：递函数为：121()1ffsGss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.按过程的静态模型设计的静态前馈控按过程的静态模型设计的静态前馈控制装置则保持静态准确性。制装置则保持静态准确性。1 1导前时间；导前时间；2 2滞后时间滞后时间Gff(s)DM(s)121(),()1ffsmD sGsss112122222()()()1()11()()111ffM sD s Gssmmmssssss2122()(1)tm tmed(t)ttm(t)121210.3 控制系统中的大时延能导致系统的稳定性下降，甚至不稳控制系统中的大时延
26、能导致系统的稳定性下降，甚至不稳定。定。6-3 大迟延系统大迟延系统sDIcIsDIceSTS TKSSWTeSTS TKSXSY)1)(1()()1)(1()()(10 微分环节的输入微分环节的输入是对偏差作了比例积是对偏差作了比例积分运算后的值，因而分运算后的值，因而克服动态超调的作用克服动态超调的作用有限。有限。sDIcIsIeSTSTKSSWTSeTSFSY)1)(1()()()(10控制常规DPI sDIcIsIceS TS TKSSWTeS TKS XS Y)1)(1()()1()()(10sDIcIsIeSTSTKSSWTSeTSFSY)1)(1()()()(10()0|()|i
27、D t y t 当时，)(0SWSeSW)(0)(SF)(SY)(SWC)(SX+-+)(0SWSe+-+)(SY)(SU预估器时：不采用SmithSeSWSUSY）（0SeSW)(0)(SF)(SY)(SWC)(SX+-+)(0SWSe+-+)(SY)(SU预估器时：采用Smith预估器时：不采用Smith）（）（SWeSWSUSYS00预估器的传递函数为：由上式可得SmithSeSWSW100）（）（）（）（）（SWSWeSWSUSYS000）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（SWSWeSWSWeSWSWeSWSWeSWSWSXSYcScScScSc000001)1(1ssTKPp44
28、2，图中SeTSK1)(SF)(SY)(SWC)(SX+-+1TSKSe+-+)(SY)(SU()0|()|iD tyt当 时，效果显著。控制相比，与单回路间为，调节时指标为：超调量为预估器的控制性能使用PIDsSmith,832.0返回NoImage“调一下，等一等调一下，等一等”的办法；的办法；当调节器输出达一定时间后，就不再增当调节器输出达一定时间后，就不再增加（或减小）了，而是保持此值（保持加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间与纯滞后时间的时间与纯滞后时间0相等或再稍长相等或再稍长些），直到控制作用的效果在被控量变些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；化中反映出来为止
29、；根据偏差的大小再决定下一步的控制动根据偏差的大小再决定下一步的控制动作。作。采样控制方案采样控制方案 核心思想是避免调节器进行不必要的误核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。操作，而宁愿让控制作用弱一些。无需掌握精确的过程动态特性，就能克无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后对控制带来的不利服被控过程中纯滞后对控制带来的不利影响。影响。注意采样周期的选取应略大于过程的纯注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。滞后时间。6-4 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
30、可以应用线性叠加原理，非线性系统线性系统的特征是可以应用线性叠加原理，非线性系统不能应用不能应用.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2.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
31、数二二、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大部分工业过程的静态特性都具有非线性特性特性,其增益随负荷其增益随负荷,被调量被调量,调节量等变化调节量等变化.在非线性影响在非线性影响严重时严重时,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反的非线性特性,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,最最后使系统的开环增益保持不变后使系统的开环增益保持不变,校正成一个线性系统校正成一个线性系统.即即 Kc*Kv*Kp*Km=常数
32、常数补偿方法：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变化多端的非线性特性对于变化多端的非线性特性,只使用变增益调节器来补偿是只使用变增益调节器来补偿是比较粗糙的比较粗糙的.函数变换器和各种运算单元经过计算函数变换器和各种运算单元经过计算,调整和组调整和组合可以实现各种复杂形状的曲线合可以实现各种复杂形状的曲线,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谢谢大家！谢谢大家！
