补偿控制课件

1、7 补偿控制补偿控制1补偿控制27 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37.1 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

2、4补偿的方法补偿的方法v前馈补偿前馈补偿 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5)(1sG)(sGc)(2sG)(sR)(sC)(sD(a)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）后，直接向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。接向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7 补偿控制补偿控制6前馈控制之前馈控制之扰动量补偿扰动量补偿将系统的扰动输入量将系统的扰动输入量D(s)经过处理经过处理（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

3、主控制器的输出进行迭加。7 补偿控制补偿控制)(1sG)(sGc)(sR)(sD(b)(3sG)(sH)(2sG)(sC扰动量补偿扰动量补偿7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。7 补偿控制补偿控制)(1sG)(sGc)(sR(c)(sH)(2sG)(sC反馈补偿反馈补偿8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)(1sG)(sGc)(sR(d)(sH)(2sG)(sC串联补偿串联补偿97.2 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

4、制 按被控量的按被控量的偏差偏差进行控制，即控制器的输入是被控进行控制，即控制器的输入是被控量的偏差。量的偏差。 所以，反馈控制作用期间系统是偏离设定值的，即所以，反馈控制作用期间系统是偏离设定值的，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 按按扰动量扰动量的变化进行控制，即控制器的输入是扰动的变化进行控制，即控制器的输入是扰动量。量。 “前馈前馈”的意思：根据扰动量的大小（而非被控量的意思：根据扰动量的大小（而非被控量反馈后得到的偏差）来直接改变控制量，以抵消或反馈后得到的偏差）来直接改变控制量，以抵消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

5、控制10)(sGff前馈控制器)(sGc反馈控制器FT加热蒸汽量TT进料量dM出口温度2T1T冷凝水bM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，扰动量扰动量M Md d首先要引首先要引起被控量起被控量T T2 2变化，变化，反馈控制器才起控反馈控制器才起控制作用，尽力保持制作用，尽力保持T T2 2恒定。恒定。11)(sGff前馈控制器)(sGc反馈控制器FT加热蒸汽量TT进料量dM出口温度2T1T冷凝水bM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馈控制并不考虑被控

6、量前馈控制并不考虑被控量T T2 2到底如何变化，只希望到底如何变化，只希望经过前馈控制使经过前馈控制使T T2 2免受扰免受扰动动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 12)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd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函G Gp p(s) (s) 13

7、)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd7 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:)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffddd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+=014v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 0)(2sT0)()()(sGsGsGpffd7 补偿控制补偿控制0)(sMd)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffddd15v前馈

8、控制器的传递函数前馈控制器的传递函数Gff(S)为为)(/)()(sGsGsGpdff7 补偿控制补偿控制v前馈控制器的传递函数前馈控制器的传递函数Gff(S)虽然能实现虽然能实现完全补偿，但，完全补偿，但， 要求精确的要求精确的Gd(S)，Gp(S) 所以，在实际工程中一般不单独采用前馈控所以，在实际工程中一般不单独采用前馈控制方案。制方案。167.2.2 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用于干扰通道适用于干扰通道Gd(s)和控制通道和控制通道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： ffpdffKsGsGsG)(

9、/ )()(7 补偿控制补偿控制)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd172. 动态前馈控制动态前馈控制 当被控对象的控制通道和干扰通道的传递当被控对象的控制通道和干扰通道的传递函数不同时，或对动态误差控制精度要求很高函数不同时，或对动态误差控制精度要求很高的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。7 补偿控制补偿控制)(/ )()(sGsGsGpdff187 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对指定的扰动量，由于环节或系统数学模对指定的扰动量，

10、由于环节或系统数学模型的简化、工况的变化以及对象特性的漂型的简化、工况的变化以及对象特性的漂移等，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反馈控制器则用来消除前馈控制器不精确反馈控制器则用来消除前馈控制器不精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响。19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

11、输入量输出量输出量20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)()()(1)()()()()(sGsGsHsGsGsGsDsYpcpffd7 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0)(sD0)(sY)(/)()(sGsGsGpdff21 4. 前馈前馈串级控制串级控制 如果被控对象的主要干扰频繁而又剧烈，而如果被控对象的主要干扰频繁而又剧烈，而生产过程对被控参量的精度要求有很高，可以考生产过程对被控参量的精度要求有很高，可以考虑采用前馈虑采用前馈串级控制方案。串级控制

12、方案。7 补偿控制补偿控制22)(sGf)(1sGc)(sH)(sR)(2sGp)(2sGc)(sGd)(1sGp)(sY)(sD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)()()(1sssGGGpdf当当副副主主123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控制

13、通道的滞后时间较大或干扰通道的时控制通道的滞后时间较大或干扰通道的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24 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 传送物料能量、测量成分量、皮带运输、带钢连轧传送物料能量、测量成分量、皮带运输、带钢连轧机、以及多容量、多种设备串联等过程，都存在较机、以及多容量、多种设备串联等过程，都存在较大的时滞时间。大的时滞时

14、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257.3.2 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26图图7.6 Smith7.6 Smith预估器控制

15、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)()()()()(sGsGesGsUsYppsp 27Smith预估器的传递函数为：预估器的传递函数为：)1)()(sppesGsG 7 补偿控制补偿控制)()()()()(sGsGesGsUsYppsp 28整个系统的闭环传递函数为：整个系统的闭环传递函数为：)1)()()()(1)()()()(spcspcspcesGsGesGsGesGsGsRsY )()(1)()(sGsGesGsGpcspc 7 补偿控制补偿控制闭

16、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se 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29)1)()()()(1)1)()(1 )()()(spcspcspcspesGsGesGsGesGsGesGsDsY )()(1)()()()()(222sGsGesGsGesGsGesGpcspcspcsp 7 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se 30结论：结论：v采用采用Smith预估补偿控制方法可以消除预估补偿控制方法可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。纯滞

17、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31(s)cG(s)R(s)Yse )(sGp)(sY)(sD)(sUsppesTK 11sTKpp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2pK4pT4 32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33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347.3.3大林大林(Dahlin)算法算法v大林算法的结构大林算法的结构 针对计算机控制系统提出来的一种时滞

18、补偿针对计算机控制系统提出来的一种时滞补偿控制算法。控制算法。7 补偿控制补偿控制计算机控制系统框图计算机控制系统框图(z)cG(s)R(z)E(s)pG(z)YTTT(s)H(z)U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35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mTsTeKsGpspp ,1)(（7-35）mTsTsTeKsGppspp ,) 1)(1()(21（7-36）7 补偿控制补偿控制 是采样周期的整数

19、倍（是采样周期的整数倍（m为正整数）为正整数）367.3.3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 设计一个合适的数字控制器，使系统的闭环设计一个合适的数字控制器，使系统的闭环传递函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。传递函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。7 补偿控制补偿控制1)()()(sTesRsYsWbsB 分母不带时滞分母不带时滞分子的纯延迟分子的纯延迟= =过程对象的过程对象的纯延迟纯延迟37v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(z)cG(s)R(z)E(s)pG(z)YTTT(s)H(z)U)()(1)()()()()(

20、zHGzGzHGzGzRzYzWpcpcBv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：)(1 )()(1)()()(zWzWzHGzEzUzGBBpcv数字控制器的数字控制器的Z传递函数为：传递函数为：381)()()(sTesRsYsWbsB bTv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若采用零阶保持器若采用零阶保持器H0(s)，则系统的闭环，则系统的闭环Z传递传递函数为：函数为：)()()()()(0sWsHZzRzYzWBB11sTeseZbmTsTs1/1/1)1 (zezebbTTmTT391/1/1/0)1 (11)(1)(1 )()(1)(mT

21、TTTmTTpBBpczezezezGHzWzWzHGzGbbb7 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若被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，则若被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，则广义对象的广义对象的Z传递函数为传递函数为11)(0sTeKseZzGHpmTspTsp11/11mTTTTpzzeeKbb40v数字控制器数字控制器Z的传递函数为的传递函数为)1 (1)1 ()1)(1 ()(1/1/1/mTTTTTTpTTTTczezeeKzeezGbbppb7 补偿控制补偿控制11121)1 (1)()()(mczaazzbbzEzUzGv简记为简记为v数

22、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) 1()1 () 1() 1()()(21mkuakaukebkebku41v若被控对象为具有纯滞后的二阶惯性环节，则若被控对象为具有纯滞后的二阶惯性环节，则广义对象的广义对象的Z传递函数为：传递函数为：) 1)(1(1)(210sTsTeKseZzGHppmTspTsp)1)(1 ()(1/1/112121zezezzkkKppTTTTmp7 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1/1/1211/1/)1 ()1 ()()1)(1)(1 ()(21mTTTTpTTTTTTczezezkkKzezeezGbbp

23、pb42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 振铃（振铃（ringing）现象是指数字控制器的输现象是指数字控制器的输出以出以1/2的采样频率大幅度上下摆动。的采样频率大幅度上下摆动。7 补偿控制补偿控制437 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44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 数字控制器在单位阶跃输入下，第零次输出数字控制器在单位阶跃输入下，第零次输

24、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45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=-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 找出找出Gc(z)中引起振铃现象的因子（中引起振铃现象的因子（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； 合理选择采样周期合理选择采样周期T和设计参数和设计参数Tb（所要求（所要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46 本本 章章 小小 结结1补偿控制器可以改变控制器的响应，从而补偿控制器可以改变控制器的响应，从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。 按其结构的不同，补偿控制系统有四种按其结构