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1、1,第六章 利用补偿原理提高系统的 控制品质,2,6-1 概述,2)反馈控制系统的不足,在被控对象呈现大迟延,多干扰等难以控制的特性,而又希望得到较好的过程响应时,反馈控制难以得到好的效果(稳定性,准确性,快速性),干扰多：准确性难以保证，存在多种残差迟延：快速性降低,例1 纯迟延系统的快速性分析,1)反馈控制的优点(PID控制),原理简单,使用方便,不需知道对象的确切模型适应性强鲁棒性强,控制品质对被控对象特性的变化不敏感,鲁棒性:控制系统在其特性或参数发生变化时仍可使品质指标不变的性能,3,上述几类问题用反馈控制难以得到好的控制品质，其原因可归纳为：,反馈控制是一种偏差控制,系统在控制中必
2、定存在偏差,因此不能得到完 善的控制效果,而且调节器总是在偏差出现后才开始动作。反馈控制器不能事先规定它的输出值，而只是改变它的输出值直到被调量与设定值一致为止,它是以尝试法来进行控制的,是一种原始的控制方法,问题:是否可以在偏差产生前(扰动发生但还未影响到输出量)就让调节机构作出反应,通过对干扰进行补偿来抵消其影响,从而使被控对象不受干扰的影响.这就是前馈控制(FFC),它是一种按干扰进行控制的开环控制方式.,4,例2 换热器控制(用蒸汽Q对物料F进行加热,保持出料口物料温度稳定),方案1-反馈控制,缺点：对干扰的响应不够及时，总是偏差出现后才开始调节按偏差大小进行控制的 Fe调节阀1,被调
3、量:换热器出口温度1主要干扰:换热器的物料量F,信号流向,反馈,前馈,5,方案2-前馈控制,控制思路：以干扰作用的大小进行控制，干扰出现后马上进行调节,1,优点：对干扰直接进行控制，控制比反馈及时干扰F 调节阀1,蒸汽量,物料量,信号流向,信号流向,6,系统传递函数为：,系统对于干扰F实现完全补偿的条件是:,前馈控制的理论基础是不变性原理,或称为扰动补偿理论,7,不变性原理:控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一定准确度下无关，也就是被调量完全独立或基本独立,(1)绝对不变性对象在扰动Di(t)作用下,被调量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变,调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零.实际中难以达
4、到：对象的动态特性不可能绝对精确；扰动补偿装置实现上的困难理想的控制标准,设被控对象受到干扰Di(t)的作用，则被调量y(t)的不变性可表示为:,即被调量y(t)与干扰Di(t)独立无关,在应用不变性原理时,由于各种原因,不可能完全实现上式所规定的y(t)与Di(t)独立无关，因此就被调量与干扰量之间的不变性程度，提出了几种不变性,8,(2)误差不变性准确度有一定限制的不变性可表示为:,(3)稳态不变性在干扰Di(t)作用下,被调量的动态偏差不为零,而稳态偏差为零,被调量在稳态工况下与扰动量无关.,(4)选择不变性系统中被调量对其中几个主要的干扰实现不变性.减少了补偿装置,节省投资又能达到对主
5、要干扰的不变性,允许存在一定的误差,在工程上容易实现,而且生产中也不会有绝对不变性的要求,所以应用广泛.如反馈控制从理论上应该属于误差不变性,带积分环节的反馈控制属于稳态不变性,9,6-2 前馈控制系统,前馈控制是以不变性原理为理论基础的一种控制方法.它把影响过程的主要因素测量出来,连同设定值一起,用来计算正确的输出,以适应当前的状态,无论干扰何时出现,都立即开始校正,使扰动在影响到被调量之前就被抵消掉.从理论上讲,前馈控制可是实现很完善的控制,即使是难控过程,其性能也仅受测量和计算精度的限制,一 基本概念,u=f(r,D1,D2,D3),10,例3 锅筒锅炉的水位控制,锅炉的水位控制系统,生
6、产过程：给水G经锅炉加热产生蒸汽输出,被调量:锅炉水位H,保持恒定,扰动:负荷(蒸汽D)扰动,给水扰 动.,控制方案：1.串级控制(反馈控制)2.前馈控制,11,1.串级空制,缺点：1.对扰动的响应不够及时2.如果负荷变化幅度大而且频繁,难以满足要求,水位H波动大3.负荷对水位的影响存在假水位现象,调节过程产生更大动态偏差,调节 过程加长,假水位:锅炉蒸汽负荷突然(出汽),气压,水的沸点,水汽混合物体积,则此时水位不因蒸发量大于给水量而下降，反而上升反之一样,12,如果直接以负荷的扰动来调节阀门,使给水量总等于负荷量,就能解决负荷扰动大,控制不及时的缺点.,采用前馈控制:把影响过程的主要扰动因
7、素预先测量出来,根据对象的物质(或能量)平衡条件,计算出适应该扰动的调节量进行控制。只要干扰出现,立即进行校正,使得扰动在影响被调量之间就被抵消.,13,G=f(D,r),14,前馈控制的特点(1)前馈控制是按干扰作用的大小进行控制的，如果控制作用恰倒好处,一般比反馈控制及时,(2)前馈控制属于开环控制系统,(3)前馈控制使用的是依对象特性而定的专用控制器,(4)一种前馈控制作用只能克服一种干扰,(1)系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著,反馈控制达不到质量要求时。,前馈控制系统的应用场合,(2)当控制系统的控制通道滞后时间较长,由于反馈控制不及时影响控
8、制质量时,可采用前馈或前馈反馈控制系统.,15,二 静态前馈控制,系统只需要在稳定工况下实现对干扰量的补偿,此时,前馈控制器的输出是输入量的函数,而与时间因子无关.对控制要求不是很高,只关心结果,不重过程,例4 列管换热器控制,1)生产过程,找出主要扰动列出平衡方程具体实现,2)调节量(2),3)扰动量(Q,1,p),4)前馈控制设计思路:,主要扰动,料液流量Q,料液入口温度1,16,平衡方程,17,5)前馈控制算法与对象数学模型关系:从本质上讲,算法就是数学模型,实现 D=kQ(2r-1),无论Q,1如何变化,总有D=kQ(2r-1),Q,1的扰动都能由蒸汽流量D立即进行补偿得到蒸汽流量的给
9、定值D*=kQ(2r-1).,18,6)参数对控制的影响,QD2rD1D,k对出口温度2的影响：,通过调整k值可以调整出口温度与设定值的残差,k过小,D的减小过小,欠补偿 k过大,D的减小过大,过补偿 k适当,D的减小与Q的减小匹配,残差为0,19,7)前馈控制与常规PID空制的比较,(a)PID控制过程,(b)静态前馈控制过程,前馈控制比PID空制及时，能更早地校正偏差 前馈控制超调量小 前馈控制作用时间短.静态前馈空制除了有较高的控制精度外，还具有固有的稳定性和很强的自身平衡倾向如料液没流量后，蒸汽也会自动关断,20,8)静态前馈控制缺点,(1)负荷变化时都有一段动态不平衡过程，表现为瞬时
10、温度误差(2)如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同,就有可能出现残差.,右图中曲线-料液流量Q-蒸汽流量D-按静态前馈控制时Q 料液出口温度变化曲线.存在一段时间较小的偏差,是由于扰动通道和调节通道 之间对象动态特性不同所引起的动态偏差.静态前馈补偿不能解决从理论上说，按静态模型设计的前馈控制装置可以保证静态偏差为零，但无法干预动态偏差的发生,D=kQ(2r-1),21,三 动态前馈控制,动态前馈控制的作用在于力求在任何时刻均实现对干扰的补偿.通过合适的前馈控制规律的选择,使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致,并使他们的符号相反,便可达到控制作用完
11、全补偿干扰对被控变量的影响,动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同.动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数,而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。,22,1.动态补偿器的设计,扰动量-D(s)被调量-Y(s),没有补偿器时,扰动量D只通过Gd(s)影响Y,即,有了补偿器后,扰动量D同时还通过补偿通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)来影响被调量Y,则,根据不变性原理,有,补偿器传递函数为：,23,假定扰动通道传递函数Gd(s)和调节通道传递函数Gp(s)均为纯迟延,且为,调节阀特性Gv(s)=kv,则在扰
12、动D作用下，进行静态前馈控制，静态前馈装置只需实现,此时只能保证稳态时对扰动的补偿,24,扰动D的变化引起被调量持续时间为(d-p)的一个瞬变过程.要进行动态补偿,需要把前馈信号推迟d-p,即:,Gff(s)=-1/Kv*e-(d-p)s,25,如果Gd(s)和Gp(s)分别是时间常数为Td和Tp的一阶惯性环节，控制仍设置为静态前馈控制，使Gff(s)=-1/k,则有,(假定TdTp),当t+时,limy(t)=0,静态误差为零.由于两个通道时间常数不同,出现了动态偏差,26,2.简单的动态补偿器：导前-滞后环节,1)按不变性原理实现完全补偿只有理论意义,实际上是不可能实现的 过程的动态特性难
13、以测准，而且具有不可忽视的非线性，特别是在不同负荷下动态特性变化很大。写出的补偿器的传递函数并不等于能够实现,2)可以采用前馈控制的过程的特点：,扰动通道和调节通道的传递函数性质相近 如果有纯迟延，在数值上比较接近,在大多数情况下，只需要考虑主要的惯性环节，即实现部分补偿通常采用简单的导前-滞后装置作为动态补偿器就可以满足要求其传递函数为：,其增益为1,只起动态补偿的作用.由静态前馈装置保持静态准确性。,1导前时间；2滞后时间,27,利用导前-滞后补偿器进行前馈控制时,要实现补偿,在它的输入和输出函数间的累积面积应该与未经补偿的过程响应曲线相匹配(大小相等,符号相反),那么响应曲线的净增面积为
14、零,28,经过补偿后输入和输出之间的累积面积为：,未经动态补偿的响应曲线的累积面积为：,则要使补偿后响应曲线的净增面积为零，可以使得：,29,换热器前馈控制系统方框图,换热器在前馈和反馈控制下的响应曲线,前馈控制的优越性:与反馈控制相比,控制质量好，而且不会出现闭环控制系统中存在的稳定性问题.在前馈控制系统中还不需要被调量的测量信号.,30,四 前馈-反馈控制系统,前馈控制系统的不足之处:,1)静态准确性难保证要达到高度的静态准确性,需要有准确的数学模型,精确的测量仪表和计算装置,而且,模型中的系数也可能随运行条件而变化,2)前馈控制是针对具体的扰动进行补偿的,一种前馈控制作用只能克服一种干扰
15、.,因此可以将前馈控制和反馈控制结合起来,构成前馈反馈控制系统.既利用了前馈控制作用及时的特点,又保持了反馈控制能克服多个扰动和对被调量实现反馈检验的长处,3)对被调量无检验,31,典型的前馈反馈控制系统,干扰通道,前馈补偿通道,反馈通道,系统的校正作用：Gc(s)+Gff(s),控制系统是偏差控制和扰动控制的结合，也称为复合控制系统,前馈反馈控制系统对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完全相同,反馈回路中加入前馈控制对反馈调节器所需要整定的参数带来的变化不大.但是反馈调节器所需完成的工作量大大减小,而被调量的静态准确性(残差)总能够满足要求,32,前馈控制器:Q,1D*,反馈控制:其他干扰,补偿
16、前馈控制不准确引起的偏差,换热器前馈反馈控制系统,33,前馈反馈控制的优点：,1)增加了反馈回路，简化了前馈控制系统，只需要对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正,2)反馈回路的存在,降低了前馈控制模型的精度要求,3)负荷或工况变化时,对象特性也要变化,可由反馈控制加以补偿,具有一定的自适应能力,34,6-3 大迟延系统,1)迟延的形式,2)迟延对控制系统的影响,容积迟延,纯迟延,纯迟延的存在,使被调量不能及时反映系统所承受的扰动,使过程产生超调,延长了系统的调节时间,引起系统的不稳定,严重时会引起生产事故,危及人身和设备安全,具有纯迟延的过程被公认为较难控制的过程,其难控程度
17、随着纯迟延的增加而增加,3)大迟延,纯迟延时间与过程的时间常数T之比大于0.3,即/T0.3,35,当/T增加时,过程的相位滞后增加,增加系统超调量甚至引起系统不稳定,严重时危及设备和人身安全,4)大迟延对控制系统产生的危害,5)解决方法,1)利用常规调节器适应性强,调整方便的特点,经过仔细个别的调整,在控制要求不太苛刻的情况下,满足生产的要求,2)在常规控制的基础上进行改动控制方案,微分先行，中间反馈,微分先行:只对测量值起微分作用的控制算法.微分环节接在反馈通道中,位于设定值与测量值的比较点之前,故称微分先行.在通常的PD或PID控制算法中,微分控制作用是与偏差的变化速度成正比的,不论设定
18、值或测量值的突然变化,微分控制作用十分猛烈.因此,采用通常的PD或PID控制算法时,设定值的调整必须比较和缓.为了不受这种限制,可以只对测量值起微分作用,而测量值一般是不会突然变化的.对象一般都具有惯性,两种控制方案都具有较大超调量,响应速度慢.如果在控制精度要求很高的场合,不能满足要求,需要采取其他控制手段,如补偿控制.,36,二 采用补偿原理克服大迟延的影响,在大迟延系统中采用的补偿方法不同于前馈补偿,它是按照过程的特性设想出一种模型加入到反馈控制系统中,以补偿过程的动态特性.这种补偿反馈因构成模型的方法不同而形成不同的方案.史密斯预估补偿方法是得到广泛应用的一种方案.,Gs(s),史密斯
19、预估补偿器传递函数,37,史密斯预估补偿器的效果,1)在设定值扰动时,能够缩短控制系统的调节时间,减小超调量.,例6-2(P139),2)对负荷扰动无效果,并且会引起系统的不稳定.,3)加入史密斯预估器后系统鲁棒性降低.(PID控制系统承受对象参数变化能力比带史密斯补偿器的系统强)(PID控制系统对过程的动态性能精度要求不高,史密斯补偿方案对过程动态特性精确度要求高),38,动态特性参数变化对史密斯补偿控制系统的影响,在模型精确时,史密斯补偿控制系统的控制质量好,ITAE小,即调节时间短,超调量小.,模型参数变化时,PID控制品质较稳定,其ITAE变化缓慢,而史密斯补偿控制的ITAE随对象参数
20、变化出现大幅度变化.说明史密斯补偿控制系统鲁棒性较差.,模型难以精确时,选取的K偏小,T偏大,偏大对史密斯控制品质影响小.,39,三史密斯预估器的几种改进方案,40,6-4 非线性增益补偿系统,一 概述,1.非线性增益对控制系统的影响,线性系统的特征是可以应用线性叠加原理，非线性系统不能应用,使系统动态品质变坏,稳定性分析复杂,可能出现自激振荡,41,2.非线性因素的存在形式,典型非线性特性用以实现控制的仪表或执行机构中包含的非线性,常见的有继电特性,死区,饱和(限幅),间隙,摩擦等,对象的变增益特性,对象的增益在很多情况下不是常数,而是负荷,调节量等因素的非线性函数,42,二 对象静态非线性
21、特性的补偿,严格地说,大部分工业过程的静态特性都具有非线性特性,其增益随负荷,被调量,调节量等变化.在非线性影响严重时,要对其进行补偿.,补偿原理:设法使系统中某一环节具有与对象增益相反的非线性特性,使之与原来的非线性特性相补偿,最后使系统的开环增益保持不变,校正成一个线性系统.即,Kc*Kv*Kp*Km=常数,43,补偿方法,1)采用阀门特性,利用阀门增益的非线性特性,如等百分比,快开特性.,2)利用变增益调节器,3)利用函数变换器及各种运算单元,对于变化多端的非线性特性,只使用变增益调节器来补偿是比较粗糙的.函数变换器和各种运算单元经过计算,调整和组合可以实现各种复杂形状的曲线,能够较精确地进行补偿,4)利用计算机进行补偿,
