过程控制第六章利用补偿原理提高系统的

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1、2023-2-161 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2023-2-1626-1 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,而又希望得到较好的而又希望得到较好的过程响应时过程响应时,反馈控制难以得到好的效果反馈控制难以得到好的效果(稳定性稳定性,准确性准确性,快速性快速性)干扰多：准确性难以保证，存在多种残差迟延：快速性降低例例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

2、,不需知道对象的确切模型不需知道对象的确切模型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参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能2023-2-163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：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：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,因此不能得到完因此不能得到完 善的控制效果善的控制效果,而且调节器总是在而且调节器总是在偏

3、差出现后偏差出现后才开始动作。才开始动作。反馈控制器不能事先规定它的输出值，而只是改变它的输出值直到被调量反馈控制器不能事先规定它的输出值，而只是改变它的输出值直到被调量与设定值一致为止与设定值一致为止,它是以它是以尝试法尝试法来进行控制的来进行控制的,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输出量扰动发生但还未影响到输出量)就让调节机构就让调节机构作出反应作出反应,通过对干扰进行补偿来抵消其影响通过对干扰进行补偿来抵消其影响,从而使被控对象不受干从而使被控对象不受干扰的影响扰的影响.这就是这就是前馈控制前馈控制(FFC)

4、,它是一种它是一种按干扰进行控制的开环控按干扰进行控制的开环控制方式制方式.2023-2-164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进行加热进行加热,保持出料口物料温度稳定保持出料口物料温度稳定)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行按偏差大小进行控制的控制的 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1主要干扰主要干扰: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信号流向

5、信号流向反馈反馈前馈前馈2023-2-165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信号流向信号流向信号流向信号流向2023-2-1661()()()()()()PDffVPCsGsGs Gs GsF s系统传递函数为

6、：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)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,或称为或称为扰动补偿理论扰动补偿理论2023-2-167不变性原理不变性原理: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调量完全独立或基本独立(1)绝对

7、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保持不变在整个过渡过程中始终保持不变,调调节过程的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；扰动补偿装置实现实际中难以达到：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上的困难理想的控制标准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)的不变性可表示为的不变性可表示为:()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

8、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所规定的不可能完全实现上式所规定的y(t)与与Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种不变性不变性2023-2-168(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:(3)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,而稳态偏差为零而稳态偏差为零,被调量在被调量在稳态工况下与扰动量无关稳态工况下与扰动量无关.(4)选择

9、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.减少了补偿装置减少了补偿装置,节省节省投资又能达到对主要干扰的不变性投资又能达到对主要干扰的不变性()0|()|iD ty t当时，()()()00,0issD tyery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,而且生产中也不会有绝对不变而且生产中也不会有绝对不变性的要求性的要求,所以应用广泛所以应用广泛.如反馈控制从理论上应该属于误差不变性如反馈控制从理论上应该属于误差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2023-2

10、-1696-2 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 yD1 D2 D3被调量被调量前馈控制系统前馈控制系统前馈控制是以前馈控制是以不变性原理为不变性原理为理论基础理论基础的一种控制方法的一种控制方法.它它把影响过程的主要因素测量把影响过程的主要因素测量出来出来,连同设定值一起连同设定值一起,用来用来计算正确的输出计算正确的输出,以适应当前以适应当前的状态的状态无论干扰何时出现无论干扰何时出现,都立即开始校正都立即开始校正,使扰动在影响到被调量之前就被抵使扰动在影响到被调量之前就被抵消掉消掉.从理论上讲从理论上讲,前馈控制可是实现很完善的控制前馈

11、控制可是实现很完善的控制,即使是难控过程即使是难控过程,其其性能也仅受测量和计算精度的限制性能也仅受测量和计算精度的限制一一 基本概念基本概念u=f(r,D1,D2,D3)2023-2-1610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经锅炉加热经锅炉加热产生蒸汽输出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 D)扰动扰动,给水扰给水扰 动动.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2023-2-16111.串级空制串级空制缺点：缺点：1

12、.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

13、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2023-2-1612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量使给水量总等于负荷量,就能解决就能解决负荷扰动大负荷扰动大,控制不及时的缺点控制不及时的缺点.采用前馈控制采用前馈控制:把影响过程的主要扰动因素预先测量出来把影响过程的主要扰动因素预先测量出来,根据对象的物质根据对象的物质(或能量或能量)平衡

14、条件平衡条件,计算出适应该扰动的调计算出适应该扰动的调节量进行控制。只要干扰出现节量进行控制。只要干扰出现,立即进行校正立即进行校正,使得扰动在使得扰动在影响被调量之间就被抵消影响被调量之间就被抵消.2023-2-1613锅炉锅炉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*5.0GDLIIII5.0fGDIIIG=f(D,r)2023-2-1614前馈控制的特点前馈控制的特点(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，如果控制作用恰倒好处的，如果控制作用恰倒好

15、处,一般比反馈控制一般比反馈控制及时及时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发生时间控制作用的发生时间反馈控制反馈控制被控变量的偏差被控变量的偏差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(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)一种前馈控制作用只能一种前馈控制作用只能克服一种克服一种干扰干扰(1)系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰，这些干扰对系统中存在着可测但不可控的变

16、化幅度大且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著被控参数影响显著,反馈控制达不到质量要求时。反馈控制达不到质量要求时。前馈控制系统的应用场合前馈控制系统的应用场合(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,由于反馈控制不及时影响控制质由于反馈控制不及时影响控制质量时量时,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.2023-2-1615二二 静态前馈控制静态前馈控制系统只需要在系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿稳定工况下实现对干扰量的补偿,此时此时,前馈控制器的输出是前馈控制器的输出是输入量的函数输入量的函数,而与时间因子无关而与时间因子无关.对

17、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,不重不重过程过程例例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12023-2-1616QQ蒸汽放热料液吸热21()sprD HQ c2121()()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平衡方程平衡方程2023-2-16

18、17换热器换热器TXQ 12r1+-kQCDTDTD*DD2静态前馈补偿器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*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实现实现 D=kQ(2r-1)无论无论Q,1如何变化如何变化,总有总有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立即立即进行补偿得到蒸汽流量的给定值进行补偿得到蒸汽流量的给

19、定值D*=kQ(2r-1).2023-2-16186)参数对控制的影响参数对控制的影响21()rDkQQD 2r2rD 1 1D 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,欠补偿欠补偿 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的减小匹配的减小匹配,残差为残差为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2023-2-16197)前馈控制与常规前馈控制与常规PID空制

20、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空制及空制及时，能更早地校正偏差时，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静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固的控制精度外，还具有固有的稳定性和很强的自身有的稳定性和很强的自身平衡倾向如料液没流量平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断后，蒸汽也会自动关断2023-2-16208)静态前馈控制缺点静态前馈控制缺点(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

21、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 料料液出口温度变化曲线液出口温度变化曲线.存在一段存在一段时间较小的偏差时间较小的偏差,是由于扰动通是由于扰动通道和调节通道道和调节通道 之间对象动态特之间对象动态特性不同所引起的动态偏差性不同所引起的动态偏差.静态静态前馈补偿不能解决前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

22、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D=kQ(2r-1)2023-2-1621三三 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任何时刻均实现对干扰的补偿.通过合适通过合适的前馈控制规律的选择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性完全一致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并使他们的符号相反,便可达便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响()()()()

23、PDffVPCGsGsGs Gs 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的控制规律不同.动态前馈要求控制器的输出动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数不仅仅是干扰量的函数,而而且也是时间的函数且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动。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。态误差都接近或等于零。Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1扰动扰动FQ扰动通道扰动通道调节通道调节通道2023-2-16221.动态补偿器的设计动态补偿器的设

24、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()()()dY sGs D s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)来影响被调来影响被调量量Y,则则()()()()()()()dffvpY sGs 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 Gv(s)Gff(s)补偿器补偿器m调

25、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2023-2-1623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)均为纯迟延均为纯迟延,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，静态前馈作用下，进行静态前馈控制，静态前馈装置只需实现装置只需实现0()1()lim()()()dffsvpvGsGsG s Gsk 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()()()()()()()1()()()()(

26、)pdpddffvpssvvssY sGs D sGs G s Gs D seD sk eD skeD seD s Gff(s)Gv(s)GP(s)GD(s)+Y(s)D2023-2-1624()()()dpy tD tD t 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,即即:Gff(s)Kve-pse-ds+Y(s)DGff(s)=-1/Kv*e-(d-p)s()()()1()()=0dppddppdddsssvvsssssY seeKeD sKeee

27、e Dt0ytpdy0t2023-2-1625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 skT sT sk()()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)D202

28、3-2-16262.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，而且具有不可忽视的非线性，特别是在不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。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

29、，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，即实现部分补偿通常在大多数情况下，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其传递函滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函数为：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.由静态前馈装置保持静态准确性。由静态前馈装置保持静态准确性。1 1导前时间；导前时间；2 2滞后时间滞后时间2023-2-1627Gff(s)DM(s)121(),()1ffsmD sGsss112122222()()(

30、)1()11()()111ffM sD s Gssmmmssssss2122()(1)tm tmed(t)ttm(t)1212121/21/2Dt0ytTdTp0()()pdt Tt Ty tD ee2023-2-1629换热器换热器kQ 1 2r1+-xD*2前馈控制前馈控制1211ssPI阀阀p+-21()rk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，而且不会出现闭环控控制质量好，而且不会出现闭环控制系统中存在的稳定性问题制系

31、统中存在的稳定性问题.在前馈控制系统中还不需要被调量的测量信在前馈控制系统中还不需要被调量的测量信号号.2023-2-1630四四 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,精确的测量仪表和精确的测量仪表和计算装置计算装置,而且而且,模型中的系数也可能随运行条件而变化模型中的系数也可能随运行条件而变化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,一种前馈控制作用只能克服一一种前馈控制作用只能克服一种干扰种干

32、扰.因此可以将前馈控制和反馈控制结合起来因此可以将前馈控制和反馈控制结合起来,构成前馈反馈控制系统构成前馈反馈控制系统.既既利用了前馈控制作用及时的特点利用了前馈控制作用及时的特点,又保持了反馈控制能克服多个扰动和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2023-2-1631Gc(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

33、(s)+Gff(s)控制系统是偏差控制和控制系统是偏差控制和扰动控制的结合，也称扰动控制的结合，也称为复合控制系统为复合控制系统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全相同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全相同,反馈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.但但是反馈调节器所需完成的工作量大大减小是反馈调节器所需完成的工作量大大减小,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2023-2-1632换热器换热器kQ 12r1+-xD*2前馈控制前

34、馈控制1211ssPIPI阀阀p+-前馈控制器前馈控制器:Q,1D*反馈控制反馈控制:其他干扰其他干扰,补补偿前馈控制不准确引起偿前馈控制不准确引起的偏差的偏差换热器前馈反馈控制系统换热器前馈反馈控制系统2023-2-1633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，只需要对主要的干扰进行增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正前馈补偿，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

35、要变化对象特性也要变化,可由反馈控制加以补偿可由反馈控制加以补偿,具有具有一定的自适应能力一定的自适应能力2023-2-16346-3 大迟延系统大迟延系统1)迟延的形式迟延的形式2)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,使过程产生使过程产生超调超调,延长了系统的调节时间延长了系统的调节时间,引起系统的不稳定引起系统的不稳定,严重时会引起生产事严重时会引起生产事故故,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

36、为较难控制的过程,其难控程度随着纯迟延其难控程度随着纯迟延 的增加而增加的增加而增加3)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 T之比大于之比大于0.3,0.3,即即 2023-2-1635当当/T/T增加时增加时,过程的相位滞后增加过程的相位滞后增加,增加系统超调量甚至引起系统不稳增加系统超调量甚至引起系统不稳定定,严重时危及设备和人身安全严重时危及设备和人身安全4)大迟延对控制系统产生的危害大迟延对控制系统产生的危害5)解决方法解决方法1)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,经过仔细个别的调整经过仔细个别的调整,在在控制

37、要求不太苛刻的情况下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2)在常规控制的基础上进行改动控制方案在常规控制的基础上进行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.微分环节接在反馈通道微分环节接在反馈通道中中,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,故称微分先行故称微分先行.在通常的在通常的PD或或PID控制算法中控制算法中,微分控制作用是与偏差的变化速度成正比的微分控制作用是与偏差的变化速度成正比的,不论设不论设定值或测量值的突然变化定值或测量值的突然变化,微分控制作用十分

38、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控制算法时控制算法时,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化的而测量值一般是不会突然变化的.对象一般对象一般都具有惯性都具有惯性两种控制方案都具有较大超调量两种控制方案都具有较大超调量,响应速度慢响应速度慢.如果在控制精度要求很如果在控制精度要求很高的场合高的场合,不能满足要求不能满足要求,需要采取其他控制手段需要采取其他控制手段,如补偿控制如补偿控制.2023-2-1636二二 采用补偿原理克服大迟延的

39、影响采用补偿原理克服大迟延的影响在大迟延系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿在大迟延系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿,它是按照过程的特性设它是按照过程的特性设想出一种模型加入到反馈控制系统中想出一种模型加入到反馈控制系统中,以补偿过程的动态特性以补偿过程的动态特性.这种补偿反这种补偿反馈因构成模型的方法不同而形成不同的方案馈因构成模型的方法不同而形成不同的方案.史密斯预估补偿方法是得到史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的一种方案广泛应用的一种方案.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

40、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()()(1)dssppG sK gse2023-2-1637史密斯预估补偿器的效果史密斯预估补偿器的效果1)在设定值扰动时在设定值扰动时,能够缩短控制系统的调节时间能够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)(P

41、ID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)2023-2-1638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控制品质较稳定控制品质较稳定,其其ITAE变化缓慢变化缓慢,而而史密斯补偿控制的史密斯补偿控制的ITAE随对象参数变化出现大幅度变化随对象参数变化出现

42、大幅度变化.说说明史密斯补偿控制系统鲁棒性较差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,偏大对史密斯控制偏大对史密斯控制品质影响小品质影响小.2023-2-1639三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2023-2-16406-4 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

43、振荡可能出现自激振荡2023-2-16412.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,调节量等因素调节量等因素的非线性函数的非线性函数2023-2-1642二二 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

44、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,要对要对其进行补偿其进行补偿.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线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,最后使系统的开环增最后使系统的开环增益保持不变益保持不变,校正成一个线性系统校正成一个线性系统.即即 Kc*Kv*Kp*Km=常数常数2023-2-1643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