利用补偿原理提高系统的08年课件.ppt

第六章第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质利用补偿原理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1) 反馈控制的优点反馈控制的优点(PID控制控制)①①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②②适应性强适应性强③③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3)反馈控制的特点反馈控制的特点 ：：ü基于偏差来消除偏差；基于偏差来消除偏差； ü“不及时不及时”的控制的控制 ；；ü存在稳定性问题；存在稳定性问题；ü对各种扰动均有校正作用；对各种扰动均有校正作用； ü控制规律通常是控制规律通常是P、、PI、、PD或或PID等典型规律。

等典型规律问题问题:是否可以在偏差产生前是否可以在偏差产生前 (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) 就就让调节机构作出反应让调节机构作出反应,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扰量的影响从而使被控对象不受干扰量的影响.这就是前馈控制这就是前馈控制(FFC),它是一种按干扰进行控制的开环控制方式它是一种按干扰进行控制的开环控制方式.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． e调节阀调节阀θ1被调量被调量: 换热器出口温度换热器出口温度θ1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)θr—θ1　　　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)θ1前馈控制系统方框图前馈控制系统方框图Qθ1Gff(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θ1蒸汽量蒸汽量物料量物料量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)GPC(s)GPD(s)++θ1FQ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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.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．　上的困难．　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：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．(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, 被调量被调量在稳态工况下与扰动量无关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．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．§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μμyD1 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不变性原理为前馈控制是以不变性原理为理论基础的一种控制方法理论基础的一种控制方法.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使扰动在影响到被调量之前就被抵消掉抵消掉. 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控制可是实现很完善的控制, 即使是难控过即使是难控过程程,其性能也仅受测量和计算精度的限制．其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)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)扰动扰动, 给水给水扰扰 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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,调调节节 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,使给水量总等于负荷量使给水量总等于负荷量,就能解就能解决负荷扰动大决负荷扰动大,控制不及时的缺点控制不及时的缺点.锅炉锅炉DDT 开方器开方器LTΣΣLC阀阀QCDT 开方器开方器ΣΣhIG*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IＬＬG=f(D, r)前馈控制的特点前馈控制的特点(1) 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,一般比反馈控制及时．一般比反馈控制及时．控制类型控制类型控制类型控制类型　控制的依据　控制的依据　控制的依据　控制的依据　检测的信号　检测的信号　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　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反馈控制反馈控制被控变量的偏差被控变量的偏差被控变量的偏差被控变量的偏差 被控变量被控变量被控变量被控变量　　　偏差出现后　　　偏差出现后　　　偏差出现后　　　偏差出现后前馈控制前馈控制前馈控制前馈控制干扰量的大小干扰量的大小干扰量的大小干扰量的大小 干扰量干扰量干扰量干扰量　　　　 偏差出现前偏差出现前偏差出现前偏差出现前(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制器前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器(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．(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由于反馈控制不及时影响控制质量时质量时,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.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,前馈控制器的输出前馈控制器的输出是输入量的函数是输入量的函数, 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 ( θ2 )3) 扰动量扰动量 ( Q, θ1, 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, θ1θ2D加热蒸汽加热蒸汽无论无论Q, θ1如何如何变化，化，总有有D=kQ(θ 2r- θ1), Q, θ1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(θ 2r- θ1).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Qθθ1 1Dθθ2 2D*θθ2r2r5) 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Qθθ1 1Dθθ2r2r　　　数学模型数学模型Qθθ1 1Dθθ2r2r前馈控制算法前馈控制算法换热器换热器θTΣXQ θ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2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Q↑D↑θ2r↑D↑θ1↑D ↓k对出口温度对出口温度θ2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①① k过小，过小，D的减小过小的减小过小,残差为正残差为正②② k过大，过大，D的减小过大，残差为负的减小过大，残差为负③③ 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θTΣXQθ1θ2rθ1+-kQCDTDTD*DDθ2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控制过控制过程程(b) 静态前馈控制过程静态前馈控制过程①① 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②② 前馈控制超调量小前馈控制超调量小③③ 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．8) 静态前馈控制缺点静态前馈控制缺点①① 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②② 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①①----料液流量料液流量Q↑②②----蒸汽流量蒸汽流量D↑③③----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之间对象动态特性道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．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．通过合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一通道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性完全一致，并使他们的符号相反，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．便可达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响．Gff(s)Gv(s)GPC(s)GPD(s)++θ1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μGp(s)DY(s)扰扰动动被调量被调量Gd(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)来影响来影响被调量被调量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：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, 且且为为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)DDt0ytτpτd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(τd-τp)的的一个瞬变过程一个瞬变过程. 要进行动态补偿要进行动态补偿, 需要把前馈信需要把前馈信号推迟号推迟ττd d- -ττp 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，控制仍的一阶惯性环节，控制仍设置为静态前馈控制，使设置为静态前馈控制，使Gff(s)=-1/k, 则有则有(假定假定Td>Tp)当当t+∞时时,limy(t)=0,静态误差为零静态误差为零.由于两个通由于两个通道时间常数不同，出现了动态偏差．道时间常数不同，出现了动态偏差．Dt0ytTdTp02. 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．①① 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②② 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：①① 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②② 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．其传递滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求．其传递函数为：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. 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ττ1 1——导前时间；导前时间；ττ2 2——滞后时间滞后时间Gff(s)DM(s)d(t)ttm(t)τ1>τ2ττ1<τ2ττ1/τ2ττ1/τ2利用导前利用导前---滞后补偿器进行前馈控制时滞后补偿器进行前馈控制时,要要实现补偿实现补偿,在它的输入和输出函数间的累积面在它的输入和输出函数间的累积面积应该与未经补偿的过程响应曲线相匹配积应该与未经补偿的过程响应曲线相匹配(大大小相等小相等, 符号相反符号相反),那么响应曲线的净增面积那么响应曲线的净增面积为零．为零．经过补偿后输入和输出之间的累积面积为：经过补偿后输入和输出之间的累积面积为：未经动态补偿的响应曲线的累积面积为：未经动态补偿的响应曲线的累积面积为：则要使补偿后响应曲线的净增面积为零，可以使得：则要使补偿后响应曲线的净增面积为零，可以使得：d(t)ttm(t)τ1>τ2ττ1<τ2ττ1/τ2ττ1/τ2Dt0ytTdTp0换热器换热器ΣkQ θ1θ2rθ1+-xD*θ2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.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种前馈控制作用只能克服　一种干扰　一种干扰.前馈－反馈控制系统：前馈－反馈控制系统：ü将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；ü降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。

降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现3) 属于开环控制，对被调量无检验属于开环控制，对被调量无检验Gc(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θθ2r2r+-++++Dθθ2 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．换热器换热器ΣkQ θ1θ2rθ1+-xD*θ2前馈控制前馈控制PIPI阀p++--前馈控制器前馈控制器:Q, θ1D*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前馈－反馈控制的优点：前馈－反馈控制的优点：1) 1) 增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需增加了反馈回路，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。

控制予以校正2)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) 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, ,可由反馈可由反馈控制加以补偿控制加以补偿, ,具有一定的自适应能力．具有一定的自适应能力．ü实现前馈控制的必要条件是扰动量的实现前馈控制的必要条件是扰动量的““可测及不可控性可测及不可控性””：：　　““可测可测””：指扰动量可以通过测量变送器，地将其：指扰动量可以通过测量变送器，地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号转换为前馈补偿器所能接受的信号 　　““不可控不可控””：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控：指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷制回路予以控制，如生产中的负荷 ü扰动量变化频繁且幅值较大；扰动量变化频繁且幅值较大；ü扰动对被控量影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程对扰动对被控量影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程对控制精度要求十分严格的情况控制精度要求十分严格的情况前馈控制的应用场合前馈控制的应用场合当控制通道与扰动通道的动态特性相近时－－当控制通道与扰动通道的动态特性相近时－－静态前馈静态前馈。

当控制通道与扰动通道的时间常数相差较大时－当控制通道与扰动通道的时间常数相差较大时－动态前馈动态前馈§6-3 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①① 容积迟延容积迟延②② 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, 使过程产使过程产生超调生超调, 延长了系统的调节时间延长了系统的调节时间,引起系统的不稳定引起系统的不稳定,严重时会引起生严重时会引起生产事故产事故,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ττ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ττ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τ/T>0.3τ/T>0.3当当τ/Tτ/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．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微分环节接在反馈通道中道中,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, 不论设定不论设定值或测量值的突然变化值或测量值的突然变化, 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,可可以只对测量值起微分作用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. 对象一般都对象一般都具有惯性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.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.这种补偿这种补偿反馈因构成模型的方法不同而形成不同的方案反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史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的一种方案到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-τs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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)　　(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)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①① 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.②② 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.③③ 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,ττ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.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§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①①使系统动态品质变坏使系统动态品质变坏②②稳定性分析复杂稳定性分析复杂③③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①①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②② 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．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, 要要对其进行补偿对其进行补偿.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,最后使系统的开环最后使系统的开环增益保持不变增益保持不变,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,调整和调整和组合可以实现各种复杂形状的曲线组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．。