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1、7.1 7.1 补偿控制的基本思想与结构补偿控制的基本思想与结构 7.2 7.2 前馈控制系统前馈控制系统 7.3 7.3 大时延控制系统大时延控制系统 第七章 补偿控制系统的设计 返 回 主要介绍：补偿控制的基本概念和常用的补偿控制方法。主要介绍：补偿控制的基本概念和常用的补偿控制方法。 7.1 补偿控制的基本原理与结构 补偿控制系统按结构的不同可分为四种补偿控制系统按结构的不同可分为四种 1 1、输入量补偿：、输入量补偿：将输入量经过处理后，直接向前传递，并与将输入量经过处理后，直接向前传递，并与 主控制器的输出进行叠加。主控制器的输出进行叠加。 输入量补偿器输入量补偿器 其结构图如下：其
2、结构图如下： 2 2、扰动量补偿：、扰动量补偿：将系统的扰动输入量经过处理后，直接向前将系统的扰动输入量经过处理后，直接向前 传递，并与主控制器的输出进行叠加。传递，并与主控制器的输出进行叠加。 扰动量补偿器扰动量补偿器 上述两种补偿控制的方法又称为上述两种补偿控制的方法又称为前馈补偿前馈补偿 其结构图如下：其结构图如下： 3 3、反馈补偿：、反馈补偿：在主控制器反馈回路中增加一个控制器。在主控制器反馈回路中增加一个控制器。 反馈补偿器反馈补偿器 其结构图如下：其结构图如下： 4 4、串联补偿：、串联补偿：将补偿器与主控制器串联连接。将补偿器与主控制器串联连接。 其结构图如下：其结构图如下：串
3、联补偿器串联补偿器 返回 反馈控制系统：反馈控制系统： 按按偏差偏差进行控制进行控制 即：即：干扰作用干扰作用被控量偏差被控量偏差控制器补偿控制器补偿 反馈控制方案本身决定了它无法将干扰克服在被控量偏反馈控制方案本身决定了它无法将干扰克服在被控量偏 离设定值之前，因而限制了控制质量的进一步提高。离设定值之前，因而限制了控制质量的进一步提高。 既然偏差产生的直接原因是既然偏差产生的直接原因是干扰，干扰，能否能否直接按扰动进直接按扰动进 行控制？行控制？ 7.2 前馈控制系统 基本思想：基本思想：扰动通过扰动通道作用于系统、影响系统的控扰动通过扰动通道作用于系统、影响系统的控 制性能。如果扰动是可
4、测量的，且扰动通道的模型可以获得制性能。如果扰动是可测量的，且扰动通道的模型可以获得 ，那么，可以设计一个补偿器，使得补偿环节对系统的作用，那么，可以设计一个补偿器，使得补偿环节对系统的作用 与扰动对系统的影响相互抵消，从而消除扰动对系统的影响与扰动对系统的影响相互抵消，从而消除扰动对系统的影响 。 例：换热器前馈例：换热器前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 工作过程：工作过程：如果影响被控量的主要扰如果影响被控量的主要扰 动为进料量的流量动为进料量的流量 一、前馈控制一、前馈控制 前馈作用 扰动作用 前馈控制系统的方框图：前馈控制系统的方框图： 被控量对于扰动的输出：被控量对于扰动的输出：
5、前馈控制（前馈控制（描述描述）：在被控量还未受到影响之前，控制器就）：在被控量还未受到影响之前，控制器就 产生了控制作用，在理论上可以彻底消产生了控制作用，在理论上可以彻底消 除误差，实现对扰动的完全补偿。除误差，实现对扰动的完全补偿。 扰动通道扰动通道 前馈控制器前馈控制器 对象对象 扰动扰动 被控量被控量 “-”-”表示前馈控制作用的方向与干扰作用的方向相反表示前馈控制作用的方向与干扰作用的方向相反 。 二、前馈控制的特点（与反馈控制系统相比）二、前馈控制的特点（与反馈控制系统相比）P218P218 1 1、是一种开环控制；、是一种开环控制； 2 2、控制的根据是扰动；、控制的根据是扰动；
6、 3 3、前馈调节器的控制律由过程特性决定；、前馈调节器的控制律由过程特性决定； 4 4、多用来抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响；、多用来抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响； 5 5、控制及时，理论上可实现对干扰的完全控制；、控制及时，理论上可实现对干扰的完全控制； 6 6、实现的经济性差。、实现的经济性差。一个前馈调节器只能对一个扰动进行补偿。一个前馈调节器只能对一个扰动进行补偿。 1 1、静态前馈控制系统、静态前馈控制系统 三、前馈控制系统的结构形式三、前馈控制系统的结构形式 扰动通道的静态放大系数扰动通道的静态放大系数 只考虑稳态时的校正，即只能保证被控量的静态偏差接只考虑稳态
7、时的校正，即只能保证被控量的静态偏差接 近或等于零。近或等于零。 控制通道的静态放大系数控制通道的静态放大系数 2 2、动态前馈控制系统、动态前馈控制系统 能够保证控制过程的静态、动态偏差接近或等于零。能够保证控制过程的静态、动态偏差接近或等于零。 3 3、前馈、前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 前馈前馈- -反馈控制系统的结构图如下：反馈控制系统的结构图如下： 完全补偿条件与前完全补偿条件与前 馈控制系统相同馈控制系统相同 前馈前馈- -反馈控制系统的优点：反馈控制系统的优点： 由于增加了反馈控制回路，降低了前馈控制器的精度要求。由于增加了反馈控制回路，降低了前馈控制器的精度要求。 利用前
8、馈控制对系统中的主要扰动进行补偿；利用反馈控制利用前馈控制对系统中的主要扰动进行补偿；利用反馈控制 克服其余次要的扰动，保证被控量的稳态精度。克服其余次要的扰动，保证被控量的稳态精度。 既可实现高精度控制（反馈），又能保证系统稳定运行（前既可实现高精度控制（反馈），又能保证系统稳定运行（前 馈）。馈）。 4 4、前馈、前馈- -串级控制系统串级控制系统 前馈前馈- -串级控制系统的结构图如下：串级控制系统的结构图如下： 在串级控制系统中，当副回路的工作频率远远大于主回路在串级控制系统中，当副回路的工作频率远远大于主回路 的工作频率，则副回路的传递函数可近似表示为：的工作频率，则副回路的传递函数
9、可近似表示为： 前馈控制器的特性是由对象前馈控制器的特性是由对象干扰通道干扰通道和和控制通道控制通道的特性确的特性确 定的，要想获得完全补偿，就必须精确知道上述两通道的特性定的，要想获得完全补偿，就必须精确知道上述两通道的特性 。由于工业对象的特性极为复杂，导致了前馈控制作用形式颇。由于工业对象的特性极为复杂，导致了前馈控制作用形式颇 多。但从工业应用的角度看，总是力求控制仪表具有一定的通多。但从工业应用的角度看，总是力求控制仪表具有一定的通 用性，以利于设计、运行和维护。用性，以利于设计、运行和维护。 四、前馈控制作用的实施四、前馈控制作用的实施 许多工业对象都具有非周期与过阻尼的特性，因此
10、可以用许多工业对象都具有非周期与过阻尼的特性，因此可以用 一阶或二阶，必要时串联一个纯滞后环节来近似。假如：一阶或二阶，必要时串联一个纯滞后环节来近似。假如： 控制通道的特性为：控制通道的特性为： 扰动通道的特性为：扰动通道的特性为： 则前馈调节器模型为：则前馈调节器模型为： 目前常用的前馈控制器模型有：目前常用的前馈控制器模型有： 是静态前馈，用比例控制器或比值器等常规仪表实现。是静态前馈，用比例控制器或比值器等常规仪表实现。 一阶一阶“滞后滞后- -超前超前” 前馈控制器前馈控制器 。 实施方案：实施方案： 实施方案：实施方案： 返回 在许多工业生产过程中，例如：传送物料能量、测量成 分量
11、、皮带运输、带钢连轧机，以及多容、多种设备串联等 过程，都存在较大的纯时延。 例：例： 大延时对象一般是指广义对象的时延与时间常数之比大 于0.5。 控制系统中的大时延能导致系统的稳定性下降，甚至不 稳定。 7.3 大时延控制系统 克服纯延时的几种常见方案克服纯延时的几种常见方案 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。 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控制系统的动态影响， 但前提是具有被控过程的精确模型，工程上往往难以实现。但前提是具有被控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 采样控制：采
12、样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响 较大。较大。 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、灰色预测控制等。 一、一、改进型常规控制方案改进型常规控制方案 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。 微分先行控制方案微分先行控制方案 微分环节的输出包微分环节的输出包 括被控参数及其变化速括被控参数及其变化速 度值，因而克服动态超度值，因而克服动态超 调的作用强。调的作用强。 中间中间微分控制
13、方案微分控制方案 只在动态过程中起调只在动态过程中起调 节作用。节作用。 三种控制方案在三种控制方案在设定值设定值扰扰 动下过渡过程的比较见右图。动下过渡过程的比较见右图。 微分先行、中间反馈控制微分先行、中间反馈控制 方案简单易行，且对降低超调方案简单易行，且对降低超调 量有显著的效果。量有显著的效果。 不能克服滞后不能克服滞后 二、二、预估补偿控制方案预估补偿控制方案 1957 1957年年 史密斯（史密斯（O.J.M.SmithO.J.M.Smith）提出了一种提出了一种以模型为基础以模型为基础 的预估器补偿控制方法的预估器补偿控制方法 设计思想设计思想: : 预先估计出过程在基本扰动作
14、用下的动态响应预先估计出过程在基本扰动作用下的动态响应, ,然然 后由预估器进行补偿后由预估器进行补偿, ,试图使被延时了试图使被延时了的被控量的被控量 超前反馈到控制器超前反馈到控制器, ,使控制器提前动作使控制器提前动作, ,从而大大降从而大大降 低超调量低超调量, ,并加速调节过程。并加速调节过程。 可见控制器的输出需要经过时间可见控制器的输出需要经过时间才起作用才起作用 为了使控制器的输出信号与反馈信号为了使控制器的输出信号与反馈信号YY（S S）之间无延时）之间无延时 ，必须满足：，必须满足： 整个系统的闭环传递函数为：整个系统的闭环传递函数为： 显然，在系统的闭环特征方程中，已不再包含纯滞后环显然，在系统的闭环特征方程中，已不再包含纯滞后环 节，因此采用节，因此采用SmithSmith预估补偿控制可以消除预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控制纯滞后环节对控制 系统品质的影响。传递函数分子上的纯滞后环节表明被控量系统品质的影响。传递函数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的响应比设定值滞后时间。 例：已知某过程控制系统如图：例：已知某过程控制系统如图： 返 回
