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1、7 补偿控制17 补偿控制补偿控制本章学习内容本章学习内容v7.1 补偿控制的基本原理和结构补偿控制的基本原理和结构v7.2 前馈控制系统前馈控制系统v7.3 大延迟过程系统大延迟过程系统27.1 补偿控制的基本原理与结构补偿控制的基本原理与结构v 问题的提出问题的提出单回路控制（单回路控制（PID）对干扰有一定的抑制作用对干扰有一定的抑制作用对时滞过程控制乏力对时滞过程控制乏力串级控制串级控制对二次干扰抑制效果好对二次干扰抑制效果好缩短二次回路的时间常数缩短二次回路的时间常数补偿控制补偿控制补偿干扰对被控过程的影响补偿干扰对被控过程的影响7 补偿控制补偿控制3补偿的方法补偿的方法v前馈补偿前
2、馈补偿控制量补偿控制量补偿扰动量补偿扰动量补偿v反馈补偿反馈补偿v串联补偿串联补偿7 补偿控制补偿控制4前馈控制之前馈控制之控制量补偿控制量补偿将控制输入量将控制输入量 R(s) 经过处理（经过处理（Gc(s) ）后，直接）后，直接向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7 补偿控制补偿控制5前馈控制之前馈控制之扰动量补偿扰动量补偿将将系系统统的的扰扰动动输输入入量量D(s)经经过过处处理理（Gc(s) ）后后向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7 补偿控制补偿控制扰动量补偿扰动量补偿6反馈补偿反馈补偿 在主控制器反馈
3、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。7 补偿控制补偿控制反馈补偿反馈补偿7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。 7 补偿控制补偿控制串联补偿串联补偿87.2 前馈控制系统前馈控制系统7. 2 .1 前馈控制系统的概念前馈控制系统的概念v反馈控制反馈控制按按被被控控量量的的偏偏差差进进行行控控制制，即即控控制制器器的的输输入入是是被被控控量的偏差。量的偏差。所所以以，反反馈馈控控制制作作用用期期间间系系统统是是偏偏离离设设定定值值的的，即即被控量是受扰动影响的。被控量是受扰动影响的。v前馈控制前馈控制按按扰扰动动量量的的变变化化进进行行
4、控控制制，即即控控制制器器的的输输入入是是扰扰动动量。量。“前前馈馈”的的意意思思：根根据据扰扰动动量量的的大大小小（而而非非被被控控量量反反馈馈后后得得到到的的偏偏差差）来来直直接接改改变变控控制制量量，以以抵抵消消或或减小扰动对被控量的影响。减小扰动对被控量的影响。7 补偿控制补偿控制9换热器反馈控制系统换热器反馈控制系统扰动量扰动量M Md d被控量被控量T T2 2 操作变量操作变量M Mb b 反馈控制中，反馈控制中，扰扰动动量量M Md d首首先先要要引引起起被被控控量量T T2 2变变化化，反反馈馈控控制制器器才才起起控控制制作作用用，尽尽力力保保持持T T2 2恒定。恒定。10
5、图图7.2 换热器前馈控制系统换热器前馈控制系统7 补偿控制补偿控制前前馈馈控控制制并并不不考考虑虑被被控控量量T T2 2到到底底如如何何变变化化，只只希希望望经经过过前前馈馈控控制制使使T T2 2免免受受扰扰动动M Md d的影响的影响前馈控制是开环控制。前馈控制是开环控制。扰动量扰动量M Md d被控量被控量T T2 2 11图图7.3 换热器前馈控制系统的方框图换热器前馈控制系统的方框图7 补偿控制补偿控制扰动量扰动量M Md d被控量被控量T T2 2扰动通道传函扰动通道传函G Gd d(s(s) ) 前馈控制器前馈控制器G Gffff(s(s) ) 前馈控制通道传函前馈控制通道传
6、函G Gp p(s(s) ) 127 补偿控制补偿控制在扰动量在扰动量Md(S)作用下，系统的输出作用下，系统的输出T2(s)为为:扰动量的影响扰动量的影响对扰动量的补偿对扰动量的补偿+=013v完全补偿完全补偿不论扰动量不论扰动量Md为何值，总有为何值，总有T2(S)=0。v对于对于 系统对于扰动量系统对于扰动量Md实现完全补偿的条件是：实现完全补偿的条件是：即即 7 补偿控制补偿控制14v前馈控制器的传递函数前馈控制器的传递函数Gff(S)为为7 补偿控制补偿控制v前前馈馈控控制制器器的的传传递递函函数数Gff(S)虽虽然然能能实实现现完全补偿，但，完全补偿，但，要求精确的要求精确的Gd(
7、S)，Gp(S) 所所以以，在在实实际际工工程程中中一一般般不不单单独独采采用用前前馈馈控控制方案。制方案。157.2.2 前馈控制系统的基本结构前馈控制系统的基本结构1. 静态前馈控制静态前馈控制适适用用于于干干扰扰通通道道Gd(s)和和控控制制通通道道Gp(s)的的动态特性相同的情况下，此时有：动态特性相同的情况下，此时有： 7 补偿控制补偿控制162. 动态前馈控制动态前馈控制 当当被被控控对对象象的的控控制制通通道道和和干干扰扰通通道道的的传传递递函函数数不不同同时时，或或对对动动态态误误差差控控制制精精度度要要求求很很高高的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。的场合，必须考虑采用动态
8、前馈控制方式。7 补偿控制补偿控制177 补偿控制补偿控制3. 前馈前馈反馈控制反馈控制v单纯的前馈控制单纯的前馈控制n只能对指定的扰动量进行补偿；只能对指定的扰动量进行补偿；n对对指指定定的的扰扰动动量量，由由于于环环节节或或系系统统数数学学模模型型的的简简化化、工工况况的的变变化化以以及及对对象象特特性性的的漂漂移等，也很难实现完全补偿。移等，也很难实现完全补偿。v前馈前馈反馈控制反馈控制n前馈控制器用来消除主要扰动量的影响；前馈控制器用来消除主要扰动量的影响；n反反馈馈控控制制器器则则用用来来消消除除前前馈馈控控制制器器不不精精确确和其它不可测干扰所产生的影响。和其它不可测干扰所产生的影
9、响。18图图7.4 典型的前馈典型的前馈反馈控制系统结构图反馈控制系统结构图7 补偿控制补偿控制补偿控制器补偿控制器反馈控制器反馈控制器干扰通干扰通道传函道传函控制通控制通道传函道传函反馈通反馈通道传函道传函扰动量扰动量输入量输入量输出量输出量19干扰干扰D(S)对被控量对被控量Y(S)的闭环传递函数为的闭环传递函数为7 补偿控制补偿控制 干扰干扰D(S)作用下，对被控量作用下，对被控量Y(S)完全补偿的条件是：完全补偿的条件是： 而而 因此有因此有20 4. 前馈前馈串级控制串级控制 如如果果被被控控对对象象的的主主要要干干扰扰频频繁繁而而又又剧剧烈烈，而而生生产产过过程程对对被被控控参参量
10、量的的精精度度要要求求有有很很高高，可可以以考考虑采用前馈虑采用前馈串级控制方案。串级控制方案。7 补偿控制补偿控制21图图7.5 前馈前馈串级控制系统结构图串级控制系统结构图7 补偿控制补偿控制当当副副主主122引入前馈必须遵循以下原则：引入前馈必须遵循以下原则：v系统中的扰动量是可测不可控系统中的扰动量是可测不可控可测，才有前馈的可能可测，才有前馈的可能不可控，就无法设置单独的回路加以控制不可控，就无法设置单独的回路加以控制v系统中的扰动量的变化幅值大、频率高系统中的扰动量的变化幅值大、频率高否则，反馈控制就能胜任否则，反馈控制就能胜任v控控制制通通道道的的滞滞后后时时间间较较大大或或干干
11、扰扰通通道道的的时时间常数较小间常数较小否则，也无须前馈控制否则，也无须前馈控制7 补偿控制补偿控制23 7.3 大迟延过程系统大迟延过程系统 7.3.1 延迟对系统品质的影响延迟对系统品质的影响v大延迟过程大延迟过程广义对象的时滞与时间常数之比大于广义对象的时滞与时间常数之比大于0.5。 v工业生产中典型的大延迟过程工业生产中典型的大延迟过程传传送送物物料料能能量量、测测量量成成分分量量、皮皮带带运运输输、带带钢钢连连轧轧机机、以以及及多多容容量量、多多种种设设备备串串联联等等过过程程，都都存存在在较较大的时滞时间。大的时滞时间。v延迟对系统品质的影响延迟对系统品质的影响使闭环特征方程中含有
12、纯延迟因子使闭环特征方程中含有纯延迟因子减低系统的稳定性减低系统的稳定性7 补偿控制补偿控制247.3.2 Smith预估器预估器vSmith预估器预估器一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。vSmith预估器的设计思想预估器的设计思想预估预估出过程对出过程对扰动扰动的动态响应，并将预估结的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行扰动进行补偿补偿。7 补偿控制补偿控制25图图7.6 Smith7.6 Smith预估器控制方框图预估器控制方框图7 补偿控制补偿控制控制器的输出需要经过时间控制器的
13、输出需要经过时间 才起作用才起作用补偿的目的是：补偿的目的是：U(s) - Y(s)无延迟无延迟26Smith预估器的传递函数为：预估器的传递函数为：7 补偿控制补偿控制27整个系统的闭环传递函数为：整个系统的闭环传递函数为：7 补偿控制补偿控制闭环特征方程中不再包含纯滞后环节闭环特征方程中不再包含纯滞后环节被控量被控量Y的响应比设的响应比设定值定值R要滞后时间要滞后时间287 补偿控制补偿控制干扰的闭环传递函数为：干扰的闭环传递函数为：闭环特征方程中不再包含纯滞后环节闭环特征方程中不再包含纯滞后环节29结论：结论：v采采用用Smith预预估估补补偿偿控控制制方方法法可可以以消消除除纯纯滞后环
14、节对控制系统品质的影响。滞后环节对控制系统品质的影响。示例（与示例（与PID控制的比较）：控制的比较）：7 补偿控制补偿控制30图图7.7 带带Smith预估器的过程控制系统预估器的过程控制系统7 补偿控制补偿控制31图图7.8 纯滞后加一阶惯性环节的数字仿真曲线纯滞后加一阶惯性环节的数字仿真曲线7 补偿控制补偿控制32图图7.9 阶跃信号作用下的响应曲线阶跃信号作用下的响应曲线7 补偿控制补偿控制337.3.3大林大林(Dahlin)算法算法v大林算法的结构大林算法的结构针针对对计计算算机机控控制制系系统统提提出出来来的的一一种种时时滞滞补补偿偿控制算法。控制算法。7 补偿控制补偿控制计算机
15、控制系统框图计算机控制系统框图采样保持采样保持数字控制器数字控制器一阶或二阶一阶或二阶带时滞的惯带时滞的惯性环节性环节采样周期采样周期34假设被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节或假设被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节或带纯滞后的二阶惯性环节，其传递函数分别为带纯滞后的二阶惯性环节，其传递函数分别为（7-35）（7-36）7 补偿控制补偿控制 是采样周期的整数倍（是采样周期的整数倍（m为正整数）为正整数）357.3.3大林大林(Dahlin)算法算法v大林算法的基本思想大林算法的基本思想设设计计一一个个合合适适的的数数字字控控制制器器，使使系系统统的的闭闭环环传递函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。传递
16、函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。7 补偿控制补偿控制分母不带时滞分母不带时滞分子的纯延迟分子的纯延迟= =过程对象的纯延过程对象的纯延迟迟36v大林算法中数字控制器的设计大林算法中数字控制器的设计7 补偿控制补偿控制v采样控制系统的闭环脉冲传函为：采样控制系统的闭环脉冲传函为：v数字控制器的数字控制器的Z传递函数为：传递函数为：37v由大林算法的要求由大林算法的要求，7 补偿控制补偿控制v若若采采用用零零阶阶保保持持器器H0(s)，则则系系统统的的闭闭环环Z传传递递函数为：函数为：387 补偿控制补偿控制v数字控制器的数字控制器的Z传递函数为：传递函数为：v若若被被控控对对象象为为具具有有纯纯
17、滞滞后后的的一一阶阶惯惯性性环环节节，则则广义对象的广义对象的Z传递函数为传递函数为39v数字控制器数字控制器Z的传递函数为的传递函数为7 补偿控制补偿控制v简记为简记为v数字控制器的大林算法表达式为数字控制器的大林算法表达式为40v若若被被控控对对象象为为具具有有纯纯滞滞后后的的二二阶阶惯惯性性环环节节，则则广义对象的广义对象的Z传递函数为：传递函数为：7 补偿控制补偿控制v数字控制器的数字控制器的Z传递函数为传递函数为41振铃现象及消除方法振铃现象及消除方法v振铃现象振铃现象振振铃铃（ringing）现现象象是是指指数数字字控控制制器器的的输输出以出以1/2的采样频率大幅度上下摆动。的采样
18、频率大幅度上下摆动。7 补偿控制补偿控制427 补偿控制补偿控制振铃现象及消除方法振铃现象及消除方法43振铃现象及消除方法振铃现象及消除方法v振铃的后果振铃的后果对系统的稳态输出几乎无影响；对系统的稳态输出几乎无影响；使系统的执行机构磨损，甚至损坏；使系统的执行机构磨损，甚至损坏；影响系统的稳定性影响系统的稳定性v振铃强度振铃强度RA数数字字控控制制器器在在单单位位阶阶跃跃输输入入下下，第第零零次次输输出出幅度减去第一次幅度之差。幅度减去第一次幅度之差。7 补偿控制补偿控制44振铃现象及消除方法振铃现象及消除方法v振铃现象的根源振铃现象的根源数字控制器的数字控制器的Z传函传函Gc(z)在在z=
19、-1附近有极点附近有极点v振铃现象的消除办法振铃现象的消除办法 找找出出Gc(z)中中引引起起振振铃铃现现象象的的因因子子（z=-1附附近有极点的因子），令其中的近有极点的因子），令其中的z=1；合合理理选选择择采采样样周周期期T和和设设计计参参数数Tb（所所要要求求的闭环系统时间常数）的闭环系统时间常数）TbT，TbTp7 补偿控制补偿控制45 本本 章章 小小 结结1补补偿偿控控制制器器可可以以改改变变控控制制器器的的响响应应，从从而而使整个系统获得期望的性能指标。使整个系统获得期望的性能指标。 按按其其结结构构的的不不同同，补补偿偿控控制制系系统统有有四四种种类类型型：控控制制量量补补偿
20、偿、扰扰动动量量补补偿偿、反反馈馈补补偿偿和串联补偿。和串联补偿。 选选择择何何种种结结构构的的补补偿偿控控制制器器，一一般般取取决决于过程控制系统应满足的性能指标要求。于过程控制系统应满足的性能指标要求。7 补偿控制补偿控制462.Smith预估补偿控制、大林控制算法用于预估补偿控制、大林控制算法用于改善大纯滞后系统的控制品质，提高系统的改善大纯滞后系统的控制品质，提高系统的稳定性。稳定性。 Smith预估器是一种以模型为基础的预估预估器是一种以模型为基础的预估器补偿控制方法，它使被延迟的被控量超前器补偿控制方法，它使被延迟的被控量超前反馈到控制器，使控制器提前动作反馈到控制器，使控制器提前
21、动作,Smith预预估补偿控制方法最大的弱点是对过程模型的估补偿控制方法最大的弱点是对过程模型的误差十分敏感。误差十分敏感。 对对Smith预估器主要有两种改进方法：预估器主要有两种改进方法： （1）增益自适应补偿控制。）增益自适应补偿控制。 （2）完全抗干扰的）完全抗干扰的Smith预估器。预估器。7 补偿控制补偿控制473大大林林控控制制算算法法是是设设计计一一个个合合适适的的数数字字控控制制器器,使使系系统统的的闭闭环环传传递递函函数数具具有有带带纯纯滞滞后后的的一一阶阶惯惯性性环环节节，并并要要求求纯纯延延迟迟时时间间等等于被控对象的纯延迟时间。于被控对象的纯延迟时间。 根根据据设设计计的的数数字字控控制制器器的的传传递递函函数数可可进进一一步步的的编编写写出出大大林林算算法法的的实实现现程程序序，其其中中的的纯纯滞滞后后环环节节是是通通过过计计算算机机内内开开辟辟多多个个专用存储单元来实验。专用存储单元来实验。4在在采采用用大大林林算算法法时时，控控制制系系统统的的设设计计必必须消除振铃现象。须消除振铃现象。7 补偿控制补偿控制48
