过程控制的补偿控制ppt课件

1、7 补偿控制7 补偿控制补偿控制本章学习内容本章学习内容7.1 补偿控制的根本原理和构造补偿控制的根本原理和构造7.2 前馈控制系统前馈控制系统7.3 大延迟过程系统大延迟过程系统7.1 补偿控制的根本原理与构造补偿控制的根本原理与构造 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造用对干扰有一定的抑制造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 补偿控制补偿控制补偿的方法补偿的方法前馈补偿前馈补偿控制量补偿控制量

2、补偿扰动量补偿扰动量补偿反响补偿反响补偿串联补偿串联补偿7 补偿控制补偿控制)(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) 经过处置经过处置Gc(s) 后，后，直接向前传送，并与主控制器的输出进展迭直接向前传送，并与主控制器的输出进展迭加。加。7 补偿控制补偿控制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)经过处置经过处置Gc(s) 后向前传送，并与主控制器的输出进展迭后向前传送，并与主控制器的输出进展迭加。加。7 补偿控制补偿控制)(1sG)(sGc)(sR)(sD

3、(b)(3sG)(sH)(2sG)(sC扰动量补偿扰动量补偿反响补偿反响补偿 在主控制器反响回路中添加一个控制在主控制器反响回路中添加一个控制器。器。7 补偿控制补偿控制)(1sG)(sGc)(sR(c)(sH)(2sG)(sC反响补偿反响补偿串联补偿串联补偿 将补偿器与主控制器串联衔接。将补偿器与主控制器串联衔接。 7 补偿控制补偿控制)(1sG)(sGc)(sR(d)(sH)(2sG)(sC串联补偿串联补偿7.2 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反响控制反响控制v按被控量的偏向进展控制，即控制器的输入是按被控量的偏向进展控制，即控制器的输入是被

4、控量的偏向。被控量的偏向。v所以，反响控制造用期间系统是偏离设定值的，所以，反响控制造用期间系统是偏离设定值的，即被控量是受扰动影响的。即被控量是受扰动影响的。v前馈控制前馈控制v按扰动量的变化进展控制，即控制器的输入是按扰动量的变化进展控制，即控制器的输入是扰动量。扰动量。v“前馈的意思：根据扰动量的大小而非被前馈的意思：根据扰动量的大小而非被控量反响后得到的偏向来直接改动控制量，控量反响后得到的偏向来直接改动控制量，以抵消或减小扰动对被控量的影响。以抵消或减小扰动对被控量的影响。7 补偿控制补偿控制)(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

5、bM换热器反响控制系统换热器反响控制系统扰动量扰动量MdMd被控量被控量T2 T2 操作变量操作变量Mb Mb 反响控制中，反响控制中，扰动量扰动量MdMd首先要引首先要引起被控量起被控量T2T2变化，变化，反响控制器才起控反响控制器才起控制造用，尽力坚持制造用，尽力坚持T2T2恒定。恒定。)(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思索被控量前馈控制并不思索被控量T2T2究竟如何变化，只希望究竟如何变化，只希望经过前馈控制使经过前馈控制使T2T2免受扰免受扰动动

6、MdMd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MdMd被控量被控量T2 T2 )(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MdMd被控量被控量T2T2扰动通道传函扰动通道传函Gd(s) Gd(s) 前馈控制器前馈控制器Gff(s) Gff(s) 前馈控制通道传函前馈控制通道传函Gp(s) Gp(s) )(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:)()()()()

7、()(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+=0v完全补偿完全补偿v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v 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：v即即 0)(2sT0)()()(sGsGsGpffd7 补偿控制补偿控制0)(sMd)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffdddv前馈控制器的传送函数前馈控制器的传送函数Gff(S)为为)(/)()(sGsGsGpdff7 补偿控制补偿控制v前馈控制器的传送函数前馈控制器的传送函数Gff(S)虽然能实现

8、虽然能实现完全补偿，但，完全补偿，但，v要求准确的要求准确的Gd(S)，Gp(S) v所以，在实践工程中普通不单独采用前馈所以，在实践工程中普通不单独采用前馈控制方案。控制方案。7.2.2 前馈控制系统的根本构造前馈控制系统的根本构造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)的动态特性一样的情况下，此时有：的动态特性一样的情况下，此时有： ffpdffKsGsGsG)(/ )()(7 补偿控制补偿控制)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd2. 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当被控对象的控制通道和干

9、扰通道的传送函数不同时，或对动态误差控制精度传送函数不同时，或对动态误差控制精度要求很高的场所，必需思索采用动态前馈要求很高的场所，必需思索采用动态前馈控制方式。控制方式。7 补偿控制补偿控制)(/ )()(sGsGsGpdff7 补偿控制补偿控制3. 前馈前馈反响控制反响控制单纯的前馈控制单纯的前馈控制只能对指定的扰动量进展补偿；只能对指定的扰动量进展补偿；对指定的扰动量，由于环节或系统数学模对指定的扰动量，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。漂移等，也很难实现完全补偿。前馈前馈反响控制反响控制前馈控制器用来消除

10、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；反响控制器那么用来消除前馈控制器不准反响控制器那么用来消除前馈控制器不准确和其它不可测干扰所产生的影响。确和其它不可测干扰所产生的影响。图图7.4 典型的前馈典型的前馈反响控制系统构造图反响控制系统构造图7 补偿控制补偿控制补偿控制器补偿控制器反响控制器反响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响通反响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干扰干扰D(S)对被控量对被控量Y(S)的闭环传送函数为的闭环传送函数为)()()(1)()()()()(sGsGsHsGsGsGsDsYpcpffd7 补偿控制补偿控制 干

11、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)(/)()(sGsGsGpdff 4. 前馈前馈串级控制串级控制 假设被控对象的主要干扰频繁而又猛假设被控对象的主要干扰频繁而又猛烈，而消费过程对被控参量的精度要求有烈，而消费过程对被控参量的精度要求有很高，可以思索采用前馈很高，可以思索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)(sGf)(1sGc)(sH)(sR)(2sGp)(2sGc)(sGd)(1sGp)(sY)(sD图图7.5 前馈前馈串级控制系统构造图串级控制系统构造图7 补偿控制补偿控

12、制)()()(1sssGGGpdf当当副副主主1引入前馈必需遵照以下原那么：引入前馈必需遵照以下原那么：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，才有前馈的能够可测，才有前馈的能够不可控，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、频率高否那么，反响控制就能胜任否那么，反响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控制通道的滞后时间较大或干扰通道的时间常数较小常数较小否那么，也无须前馈控制否那么，也无须前馈控制7 补偿控制补偿控制 7.3 大迟延过程系统大迟延过程系统 7.3.1 延迟对系

13、统质量的影响延迟对系统质量的影响v大延迟过程大延迟过程v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工业消费中典型的大延迟过程工业消费中典型的大延迟过程v传送物料能量、丈量成分量、皮带运输、带钢传送物料能量、丈量成分量、皮带运输、带钢连轧机、以及多容量、多种设备串联等过程，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。都存在较大的时滞时间。v延迟对系统质量的影响延迟对系统质量的影响v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v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7.3.2 Smith预估器预估器vSmith预估器

14、预估器v一种以模型为根底的预估器补偿控制方一种以模型为根底的预估器补偿控制方法。法。vSmith预估器的设计思想预估器的设计思想v预估出过程对扰动的动态呼应，并将预预估出过程对扰动的动态呼应，并将预估结果作为反响提早供应控制器动作，估结果作为反响提早供应控制器动作，以提早对扰动进展补偿。以提早对扰动进展补偿。7 补偿控制补偿控制图图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求经过时间控制器的输出需求经过时间 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

15、 Smith预估器的传送函数为：预估器的传送函数为：)1)()(sppesGsG 7 补偿控制补偿控制)()()()()(sGsGesGsUsYppsp 整个系统的闭环传送函数为：整个系统的闭环传送函数为：)1)()()()(1)()()()(spcspcspcesGsGesGsGesGsGsRsY )()(1)()(sGsGesGsGpcspc 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se 被控量被控量Y的呼应比设的呼应比设定值定值R要滞后时间要滞后时间)1)()()()(1)1)()(1 )()()(spcspcspcspesGsGesGsGes

16、GsGesGsDsY )()(1)()()()()(222sGsGesGsGesGsGesGpcspcspcsp 7 补偿控制补偿控制干扰的闭环传送函数为：干扰的闭环传送函数为：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 结论：结论：采用采用Smith预估补偿控制方法可以消除纯预估补偿控制方法可以消除纯滞后环节对控制系统质量的影响。滞后环节对控制系统质量的影响。例如与例如与PID控制的比较：控制的比较：7 补偿控制补偿控制(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

17、的过程控制系统7 补偿控制补偿控制2pK4pT4 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 补偿控制补偿控制图图7.9 阶跃信号作用下的呼应曲线阶跃信号作用下的呼应曲线7 补偿控制补偿控制7.3.3大林大林(Dahlin)算法算法v大林算法的构造大林算法的构造v针对计算机控制系统提出来的一种时滞补针对计算机控制系统提出来的一种时滞补偿控制算法。偿控制算法。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采样坚持采样坚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

18、环节性环节采样周期采样周期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，其传送函数分别为带纯滞后的二阶惯性环节，其传送函数分别为mTsTeKsGpspp ,1)(7-35mTsTsTeKsGppspp ,) 1)(1()(217-367 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7.3.3大林大林(Dahlin)算法算法v大林算法的根本思想大林算法的根本思想v设计一个适宜的数字控制器，使系统的闭设计一个适宜的数字控制器，使系统的闭环传送函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。环传送函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。7 补

19、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=过程对象的纯延过程对象的纯延迟迟v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)()()()()(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传送函数为：传送函数为：1)()()(sTesRsYsWbsB bTv由大林算法的要求，由大林算法

20、的要求，7 补偿控制补偿控制v假设采用零阶坚持器假设采用零阶坚持器H0(s)，那么系统的闭环，那么系统的闭环Z传送函数为：传送函数为：)()()()()(0sWsHZzRzYzWBB11sTeseZbmTsTs1/1/1)1 (zezebbTTmTT1/1/1/0)1 (11)(1)(1 )()(1)(mTTTTmTTpBBpczezezezGHzWzWzHGzGbbb7 补偿控制补偿控制v数字控制器的数字控制器的Z传送函数为：传送函数为：v假设被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，假设被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，那么广义对象的那么广义对象的Z传送函数为传送函数为11)(0sTeKseZ

21、zGHpmTspTsp11/11mTTTTpzzeeKbbv数字控制器数字控制器Z的传送函数为的传送函数为)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()()(21mkuakaukebkebkuv假设被控对象为具有纯滞后的二阶惯性环节，假设被控对象为具有纯滞后的二阶惯性环节，那么广义对象的那么广义对象的Z传送函数为：传送函数为：) 1)(1(1)(21

22、0sTsTeKseZzGHppmTspTsp)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传送函数为传送函数为1/1/1211/1/)1 ()1 ()()1)(1)(1 ()(21mTTTTpTTTTTTczezezkkKzezeezGbbppb振铃景象及消除方法振铃景象及消除方法v振铃景象振铃景象v振铃振铃ringing景象是指数字控制器的景象是指数字控制器的输出以输出以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7 补偿控制补偿控制振铃景象及消除方法振铃景象及消除方法振铃景象及消除方

23、法振铃景象及消除方法v振铃的后果振铃的后果v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；v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；v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RAv数字控制器在单位阶跃输入下，第零次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。输出幅度减去第一次幅度之差。7 补偿控制补偿控制振铃景象及消除方法振铃景象及消除方法v振铃景象的根源振铃景象的根源v数字控制器的数字控制器的Z传函传函Gc(z)在在z=-1附近有附近有极点极点v振铃景象的消除方法振铃景象的消除方法 v找出找出Gc(z)中引起振铃景象的因子中引起振铃景象的因子z=-1附近有极点的因子，令其中的附近有极点的因子，令其中的z=1；v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所所要求的闭环系统时间常数要求的闭环系统时间常数vTbT，TbTp7 补偿控制补偿控制 本本 章章 小小 结结1补偿控制器可以改动控制器的呼应，从而补偿控制器可以改动控制器的呼应，从而使整个系统获得期望的性能目的。使整个系统获得期望的性能目的。 按其构造的不同，补偿控制系统有四种按其构造的不同，补偿控