東華大學(xué) 過程控制 ppt 7 補(bǔ)償控制

7補(bǔ)償控制17補(bǔ)償控制本章學(xué)習(xí)內(nèi)容7.1補(bǔ)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)27.1補(bǔ)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(bǔ)償控制補(bǔ)償干擾對被控過程的影響7補(bǔ)償控制3補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ梆佈a(bǔ)償控制量補(bǔ)償擾動量補(bǔ)償反饋補(bǔ)償串聯(lián)補(bǔ)償7補(bǔ)償控制4前饋控制之——控制量補(bǔ)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(jìn)行迭加。7補(bǔ)償控制5前饋控制之——擾動量補(bǔ)償將系統(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(jìn)行迭加。7補(bǔ)償控制擾動量補(bǔ)償6反饋補(bǔ)償在主控制器反饋回路中增加一個控制器。7補(bǔ)償控制反饋補(bǔ)償7串聯(lián)補(bǔ)償

將補(bǔ)償器與主控制器串聯(lián)連接。

7補(bǔ)償控制串聯(lián)補(bǔ)償87.2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(jìn)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(jìn)行控制，即控制器的輸入是擾動量?！扒梆仭钡囊馑迹焊鶕?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，以抵消或減小擾動對被控量的影響。7補(bǔ)償控制9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。10圖7.2換熱器前饋控制系統(tǒng)7補(bǔ)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

11圖7.3換熱器前饋控制系統(tǒng)的方框圖7補(bǔ)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)127補(bǔ)償控制在擾動量Md(S)作用下，系統(tǒng)的輸出T2(s)為:擾動量的影響對擾動量的補(bǔ)償+=013完全補(bǔ)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(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是：即7補(bǔ)償控制14前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)為7補(bǔ)償控制前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)雖然能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但，要求精確的Gd(S)，Gp(S)

所以，在實(shí)際工程中一般不單獨(dú)采用前饋控制方案。15§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(bǔ)償控制162.動態(tài)前饋控制當(dāng)被控對象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)不同時，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(bǔ)償控制17

7補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)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(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)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。18圖7.4典型的前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7補(bǔ)償控制補(bǔ)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19干擾D(S)對被控量Y(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為7補(bǔ)償控制干擾D(S)作用下，對被控量Y(S)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是：而因此有204.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(bǔ)償控制21圖7.5前饋—串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7補(bǔ)償控制當(dāng)ω副>>ω主≈122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(dú)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(bǔ)償控制237.3大遲延過程系統(tǒng)

7.3.1延遲對系統(tǒng)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(yùn)輸、帶鋼連軋機(jī)、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(bǔ)償控制247.3.2Smith預(yù)估器Smith預(yù)估器一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估器補(bǔ)償控制方法。Smith預(yù)估器的設(shè)計(jì)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(jìn)行補(bǔ)償。7補(bǔ)償控制25圖7.6Smith預(yù)估器控制方框圖7補(bǔ)償控制控制器的輸出需要經(jīng)過時間

才起作用補(bǔ)償?shù)哪康氖牵篣(s)-->Y’(s)無延遲26Smith預(yù)估器的傳遞函數(shù)為：7補(bǔ)償控制27整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：7補(bǔ)償控制閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)被控量Y的響應(yīng)比設(shè)定值R要滯后時間τ287補(bǔ)償控制干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)29結(jié)論：采用Smith預(yù)估補(bǔ)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(bǔ)償控制30圖7.7帶Smith預(yù)估器的過程控制系統(tǒng)7補(bǔ)償控制31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(bǔ)償控制32

圖7.9階躍信號作用下的響應(yīng)曲線

7補(bǔ)償控制337.3.3大林(Dahlin)算法大林算法的結(jié)構(gòu)針對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提出來的一種時滯補(bǔ)償控制算法。7補(bǔ)償控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖采樣保持?jǐn)?shù)字控制器一階或二階帶時滯的慣性環(huán)節(jié)采樣周期34

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(bǔ)償控制

是采樣周期的整數(shù)倍（m為正整數(shù)）357.3.3大林(Dahlin)算法大林算法的基本思想設(shè)計(jì)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(bǔ)償控制分母不帶時滯分子的純延遲τ=過程對象的純延遲36大林算法中數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)7補(bǔ)償控制采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳函為：數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為：37

由大林算法的要求，7補(bǔ)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：387補(bǔ)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39數(shù)字控制器Z的傳遞函數(shù)為7補(bǔ)償控制簡記為數(shù)字控制器的大林算法表達(dá)式為40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(bǔ)償控制數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為41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(bǔ)償控制427補(bǔ)償控制振鈴現(xiàn)象及消除方法43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(jī)構(gòu)磨損，甚至損壞；影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性振鈴強(qiáng)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(bǔ)償控制44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(diǎn)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(diǎn)的因子），令其中的z=1；合理選擇采樣周期T和設(shè)計(jì)參數(shù)Tb（所要求的閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)）Tb>>T，Tb≥Tp7補(bǔ)償控制45本章小結(jié)1．補(bǔ)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(biāo)。按其結(jié)構(gòu)的不同，補(bǔ)償控制系統(tǒng)有四種類型：控制量補(bǔ)償、擾動量補(bǔ)償、反饋補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)償。選擇何種結(jié)構(gòu)的補(bǔ)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(biāo)要求。7補(bǔ)償控制46Smith預(yù)估補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償控制方法最大的弱點(diǎn)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(jìn)方法：（1）增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制。