《过程控制与集散系统》-方康玲-7-补偿控制

17补偿控制27补偿控制本章学习内容7.1补偿控制的基本原理和结构7.2前馈控制系统7.3大延迟过程系统37.1补偿控制的基本原理与结构问题的提出单回路控制（PID）•对干扰有一定的抑制作用•对时滞过程控制乏力串级控制•对二次干扰抑制效果好•缩短二次回路的时间常数补偿控制•补偿干扰对被控过程的影响7补偿控制4补偿的方法前馈补偿控制量补偿扰动量补偿反馈补偿串联补偿7补偿控制5)(1sG)(sGc)(2sG)(sR)(sC)(sD(a)前馈控制之——控制量补偿将控制输入量R(s)经过处理（Gc(s)）后，直接向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7补偿控制6前馈控制之——扰动量补偿将系统的扰动输入量D(s)经过处理（Gc(s)）后向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。7补偿控制)(1sG)(sGc)(sR)(sD(b))(3sG)(sH)(2sG)(sC扰动量补偿7反馈补偿在主控制器反馈回路中增加一个控制器。7补偿控制)(1sG)(sGc)(sR(c))(sH)(2sG)(sC反馈补偿8串联补偿将补偿器与主控制器串联连接。7补偿控制)(1sG)(sGc)(sR(d))(sH)(2sG)(sC串联补偿97.2前馈控制系统7.2.1前馈控制系统的概念反馈控制按被控量的偏差进行控制，即控制器的输入是被控量的偏差。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。前馈控制按扰动量的变化进行控制，即控制器的输入是扰动量。“前馈”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，以抵消或减小扰动对被控量的影响。7补偿控制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扰动量Md被控量T2操作变量Mb反馈控制中，扰动量Md首先要引起被控量T2变化，反馈控制器才起控制作用，尽力保持T2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7.2换热器前馈控制系统7补偿控制前馈控制并不考虑被控量T2到底如何变化，只希望经过前馈控制使T2免受扰动Md的影响∴前馈控制是开环控制。扰动量Md被控量T212)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd图7.3换热器前馈控制系统的方框图7补偿控制扰动量Md被控量T2扰动通道传函Gd(s)前馈控制器Gff(s)前馈控制通道传函Gp(s)13)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd7补偿控制在扰动量Md(S)作用下，系统的输出T2(s)为:)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffddd扰动量的影响对扰动量的补偿+=014完全补偿不论扰动量Md为何值，总有T2(S)=0。对于系统对于扰动量Md实现完全补偿的条件是：即0)(2sT0)()()(sGsGsGpffd7补偿控制0)(sMd)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffddd15前馈控制器的传递函数Gff(S)为)(/)()(sGsGsGpdff7补偿控制前馈控制器的传递函数Gff(S)虽然能实现完全补偿，但，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制方案。16§7.2.2前馈控制系统的基本结构1.静态前馈控制适用于干扰通道Gd(s)和控制通道Gp(s)的动态特性相同的情况下，此时有：ffpdffKsGsGsG)(/)()(7补偿控制)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd172.动态前馈控制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的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。7补偿控制)(/)()(sGsGsGpdff187补偿控制3.前馈—反馈控制单纯的前馈控制只能对指定的扰动量进行补偿；对指定的扰动量，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移等，也很难实现完全补偿。前馈—反馈控制前馈控制器用来消除主要扰动量的影响；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。19图7.4典型的前馈—反馈控制系统结构图)(sGd)(sGff)(sGp)(sC)(sD)(sGc)(sH)(sR7补偿控制补偿控制器反馈控制器干扰通道传函控制通道传函反馈通道传函扰动量输入量输出量20干扰D(S)对被控量Y(S)的闭环传递函数为)()()(1)()()()()(sGsGsHsGsGsGsDsYpcpffd7补偿控制)(sGd)(sGff)(sGp)(sY)(sD)(sGc)(sH)(sR干扰D(S)作用下，对被控量Y(S)完全补偿的条件是：而因此有0)(sD0)(sY)(/)()(sGsGsGpdff214.前馈—串级控制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，可以考虑采用前馈—串级控制方案。7补偿控制22)(sGf)(1sGc)(sH)(sR)(2sGp)(2sGc)(sGd)(1sGp)(sY)(sD图7.5前馈—串级控制系统结构图7补偿控制)()()(1sssGGGpdf当ω副ω主≈123引入前馈必须遵循以下原则：系统中的扰动量是可测不可控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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控制通道的滞后时间较大或干扰通道的时间常数较小否则，也无须前馈控制7补偿控制247.3大迟延过程系统7.3.1延迟对系统品质的影响大延迟过程广义对象的时滞与时间常数之比大于0.5。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。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减低系统的稳定性7补偿控制257.3.2Smith预估器Smith预估器一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。Smith预估器的设计思想预估出过程对扰动的动态响应，并将预估结果作为反馈提早供给控制器动作，以提前对扰动进行补偿。7补偿控制26图7.6Smith预估器控制方框图(s)cG(s)R(s)Y(s)pGspesG)(se)(sGp)(sY)(sD)(sU7补偿控制控制器的输出需要经过时间才起作用补偿的目的是：U(s)--Y’(s)无延迟)()()()()(sGsGesGsUsYppsp27Smith预估器的传递函数为：)1)(()(sppesGsG7补偿控制)()()()()(sGsGesGsUsYppsp28整个系统的闭环传递函数为：)1)(()()()(1)()()()(spcspcspcesGsGesGsGesGsGsRsY)()(1)()(sGsGesGsGpcspc7补偿控制闭环特征方程中不再包含纯滞后环节se被控量Y的响应比设定值R要滞后时间τ29)1)(()()()(1)]1)(()(1[)()()(spcspcspcspesGsGesGsGesGsGesGsDsY)()(1)()()()()(222sGsGesGsGesGsGesGpcspcspcsp7补偿控制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se30结论：采用Smith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。示例（与PID控制的比较）：7补偿控制31(s)cG(s)R(s)Yse)(sGp)(sY)(sD)(sUsppesTK11sTKpp图7.7带Smith预估器的过程控制系统7补偿控制2pK4pT432图7.8纯滞后加一阶惯性环节的数字仿真曲线7补偿控制33图7.9阶跃信号作用下的响应曲线7补偿控制347.3.3大林(Dahlin)算法大林算法的结构针对计算机控制系统提出来的一种时滞补偿控制算法。7补偿控制计算机控制系统框图(z)cG(s)R(z)E(s)pG(z)YTTT(s)H(z)U采样保持数字控制器一阶或二阶带时滞的惯性环节采样周期35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mTsTeKsGpspp,1)(（7-35）mTsTsTeKsGppspp,)1)(1()(21（7-36）7补偿控制是采样周期的整数倍（m为正整数）367.3.3大林(Dahlin)算法大林算法的基本思想设计一个合适的数字控制器，使系统的闭环传递函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。7补偿控制1)()()(sTesRsYsWbsB分母不带时滞分子的纯延迟τ=过程对象的纯延迟37大林算法中数字控制器的设计7补偿控制(z)cG(s)R(z)E(s)pG(z)YTTT(s)H(z)U)()(1)()()()()(zHGzGzHGzGzRzYzWpcpcB采样控制系统的闭环脉冲传函为：)](1[)()(1)()()(zWzWzHGzEzUzGBBpc数字控制器的Z传递函数为：381)()()(sTesRsYsWbsBbT由大林算法的要求，7补偿控制若采用零阶保持器H0(s)，则系统的闭环Z传递函数为：)()()()()(0sWsHZzRzYzWBB11sTeseZbmTsTs1/1/1)1(zezebbTTmTT391/1/1/0)1(11)(1)](1[)()(1)(mTTTTmTTpBBpczezezezGHzWzWzHGzGbbb7补偿控制数字控制器的Z传递函数为：若被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，则广义对象的Z传递函数为11)(0sTeKseZzGHpmTspTsp11//11mTTTTpzzeeKbb40数字控制器Z的传递函数为])1(1)[1()1)(1()(1/1//1//mTTTTTTpTTTTczezeeKzeezGbbppb7补偿控制11121)1(1)()()(mczaazzbbzEzUzG简记为数字控制器的大林算法表达式为)1()1()1()1()()(21mkuakaukebkebku41若被控对象为具有纯滞后的二阶惯性环节，则广义对象的Z传递函数为：)1)(1(1)(210sTsTeKseZzGHppmTspTsp)1)(1()(1/1/112121zezezzkkKppTTTTmp7补偿控制数字控制器的Z传递函数为1/1/1211/1//)1()1()()1)(1)(1()(21mTTTTpTTTTTTczezezkkKzezeezGbbppb42振铃现象及消除方法振铃现象振铃（ringing）现象是指数字控制器的输出以1/2的采样频率大幅度上下摆动。7补偿控制437补偿控制振铃现象及消除方法44振铃现象及消除方法振铃的后果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；影响系统的稳定性振铃强度RA数字控制器在单位阶跃输入下，第零次输出幅度减去第一次幅度之差。7补偿控制45振铃现象及消除方法振铃现象的根源数字控制器的Z传函Gc(z)在z=-1附近有极点振铃现象的消除办法找出Gc(z)中引起振铃现象的因子（z=-1附近有极点的因子），令其中的z=1；合理选择采样周期T和设计参数Tb（所要求的闭环系统时间常数）•TbT，Tb≥Tp7补偿控制46本章小结1．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。按其结构的不