第七章补偿控制系统的设计PPT课件

7 1补偿控制的基本原理与结构 7 2前馈控制系统 7 3大时延控制系统 第七章补偿控制系统的设计 返回 结构 补偿控制系统按结构的不同可分为四种 1 输入量补偿 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 输入量补偿器 其结构图如下 作用 在不影响系统稳定性的基础上 提高系统的跟踪精度 7 1补偿控制的基本原理与结构 2 扰动量补偿 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 扰动量补偿器 上述两种补偿控制的方法又称为前馈补偿 其结构图如下 作用 克服扰动对系统的影响 3 反馈补偿 在主控制器反馈回路中增加一个控制器 反馈补偿器 其结构图如下 作用 补偿G2 s 的非线性 改善系统的动态性能 4 串联补偿 将补偿器与主控制器串联连接 其结构图如下 串联补偿器 返回 可以对G1 s 进行补充 一般可以与G1 s 放在一起 反馈控制 按偏差进行控制 反馈控制产生作用的前提是被控量必须偏离设定值 因此 该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 既然偏差产生的直接原因是干扰 能否直接按扰动进行控制 7 2前馈控制系统 控制原理 将被控量的偏差信号反馈到控制器 由控制器去修正控制量 以减小偏差 基本思想 扰动是通过扰动通道作用于系统 影响系统性能的 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 反馈控制系统 工作过程 如果影响被控量的主要扰动为进料量的流量 一 前馈控制 前馈作用 扰动作用 前馈控制系统的方框图 被控量对于扰动的输出 前馈控制 描述 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除误差 实现对扰动的完全补偿 扰动通道 前馈控制器 对象 扰动 被控量 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 P218 1 是一种开环控制 2 控制的根据是扰动 3 前馈调节器的控制律由过程特性决定 4 多用来抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响 5 控制及时 理论上可实现对干扰的完全控制 6 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 1 静态前馈控制系统 三 前馈控制系统的结构形式 扰动通道的静态放大系数 只考虑稳态时的校正 即只能保证被控量对于该扰动的静态偏差接近或等于零 控制通道的静态放大系数 2 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 3 前馈 反馈控制系统 前馈 反馈控制系统的结构图如下 完全补偿条件与前馈控制系统相同 前馈 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 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 既可实现高精度控制 反馈 又能保证系统稳定运行 前馈 4 前馈 串级控制系统 前馈 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的工作频率 则副回路的传递函数可近似表示为 前馈控制器的特性是由对象干扰通道和控制通道的特性确定的 要想获得完全补偿 就必须精确知道上述两通道的特性 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用性 以利于设计 运行和维护 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 控制通道的特性为 扰动通道的特性为 则前馈调节器模型为 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 一阶 滞后 超前 前馈控制器 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 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 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 改进型常规控制 具有通用性广等特点 目前较常用 预估补偿 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 采样控制 成本较低 但干扰加入的时刻对控制效果影响较大 其他 大林算法 卡尔曼预估算法 灰色预测控制等 一 改进型常规控制方案 微分环节的输入是对偏差作了比例积分运算后的值 因而克服动态超调的作用有限 微分先行控制方案 微分环节的输出包括被控参数及其变化速度值 因而克服动态超调的作用强 中间微分控制方案 只在动态过程中起调节作用 三种控制方案在设定值扰动下过渡过程的比较见右图 微分先行 中间反馈控制方案简单易行 且对降低超调量有显著的效果 不能克服滞后 二 预估补偿控制方案 1957年史密斯 O J M Smith 提出了一种以模型为基础的预估器补偿控制方法 设计思想 预先估计出过程在基本扰动作用下的动态响应 然后由预估器进行补偿 试图使被延时了 的被控量超前反馈到控制器 使控制器提前动作 从而大大降低超调量 并加速调节过程 控制器的输出需要经过时间 才起作用 为了使控制器的输出信号与反馈信号Y S 之间无延时 必须满足 整个系