補償控制PPT課件

1、17.1 補償控制的基本原理與結(jié)構補償控制的基本原理與結(jié)構 問題的提出問題的提出 單回路控制（單回路控制（PID） 對干擾有一定的抑制作用對干擾有一定的抑制作用 對時滯過程控制乏力對時滯過程控制乏力 串級控制串級控制 對二次干擾抑制效果好對二次干擾抑制效果好 縮短二次回路的時間常數(shù)縮短二次回路的時間常數(shù) 補償控制補償控制 補償干擾對被控過程的影響補償干擾對被控過程的影響7 補償控制第1頁/共47頁2補償?shù)姆椒ㄑa償?shù)姆椒?前饋補償前饋補償控制量補償控制量補償擾動量補償擾動量補償 反饋補償反饋補償 串聯(lián)補償串聯(lián)補償7 補償控制第2頁/共47頁3)(1sG)(sGc)(2sG)(sR)(sC)(sD

2、(a)前饋控制之前饋控制之控制量補償控制量補償將控制輸入量將控制輸入量 R(s) 經(jīng)過處理（經(jīng)過處理（Gc(s) ）后，直）后，直接向前傳遞，并與主控制器的輸出進行迭加。接向前傳遞，并與主控制器的輸出進行迭加。7 補償控制第3頁/共47頁4前饋控制之前饋控制之擾動量補償擾動量補償將系統(tǒng)的擾動輸入量將系統(tǒng)的擾動輸入量D(s)經(jīng)過處理經(jīng)過處理（Gc(s) ）后向前傳遞，并與主控制器的后向前傳遞，并與主控制器的輸出進行迭加。輸出進行迭加。7 補償控制)(1sG)(sGc)(sR)(sD(b)(3sG)(sH)(2sG)(sC擾動量補償擾動量補償?shù)?頁/共47頁5反饋補償反饋補償 在主控制器反饋回路中

3、增加一個控制器。在主控制器反饋回路中增加一個控制器。7 補償控制)(1sG)(sGc)(sR(c)(sH)(2sG)(sC反饋補償反饋補償?shù)?頁/共47頁6串聯(lián)補償串聯(lián)補償 將補償器與主控制器串聯(lián)連接。將補償器與主控制器串聯(lián)連接。 7 補償控制)(1sG)(sGc)(sR(d)(sH)(2sG)(sC串聯(lián)補償串聯(lián)補償?shù)?頁/共47頁77.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)7. 2 .1 前饋控制系統(tǒng)的概念前饋控制系統(tǒng)的概念 反饋控制反饋控制 按被控量的按被控量的偏差偏差進行控制，即控制器的輸入是被進行控制，即控制器的輸入是被控量的偏差?？亓康钠?。 所以，反饋控制作用期間系統(tǒng)是偏離設定值的，所以，反

4、饋控制作用期間系統(tǒng)是偏離設定值的，即被控量是受擾動影響的。即被控量是受擾動影響的。 前饋控制前饋控制 按按擾動量擾動量的變化進行控制，即控制器的輸入是擾的變化進行控制，即控制器的輸入是擾動量。動量。 “前饋前饋”的意思：根據(jù)擾動量的大?。ǘ潜豢氐囊馑迹焊鶕?jù)擾動量的大?。ǘ潜豢亓糠答伜蟮玫降钠睿﹣碇苯痈淖兛刂屏?，以抵量反饋后得到的偏差）來直接改變控制量，以抵消或減小擾動對被控量的影響。消或減小擾動對被控量的影響。7 補償控制第7頁/共47頁8)(sGff前饋控制器)(sGc反饋控制器FT加熱蒸汽量TT進料量dM出口溫度2T1T冷凝水bM換熱器反饋控制系統(tǒng)換熱器反饋控制系統(tǒng)擾動量擾動量M M

5、d d被控量被控量T T2 2 操作變量操作變量M Mb b 反饋控制中，反饋控制中，擾動量擾動量M Md d首先要引首先要引起被控量起被控量T T2 2變化，變化，反饋控制器才起控反饋控制器才起控制作用，盡力保持制作用，盡力保持T T2 2恒定。恒定。第8頁/共47頁9)(sGff前饋控制器)(sGc反饋控制器FT加熱蒸汽量TT進料量dM出口溫度2T1T冷凝水bM圖圖7.2 換熱器前饋控制系換熱器前饋控制系統(tǒng)統(tǒng)7 補償控制前饋控制并不考慮被控量前饋控制并不考慮被控量T T2 2到底如何變化，只希望到底如何變化，只希望經(jīng)過前饋控制使經(jīng)過前饋控制使T T2 2免受擾免受擾動動M Md d的影響的

6、影響前饋控制是開環(huán)控制。前饋控制是開環(huán)控制。擾動量擾動量M Md d被控量被控量T T2 2 第9頁/共47頁10)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd圖圖7.3 換熱器前饋控制系統(tǒng)的方框圖換熱器前饋控制系統(tǒng)的方框圖7 補償控制擾動量擾動量M Md d被控量被控量T T2 2擾動通道傳函擾動通道傳函G Gd d(s) (s) 前饋控制器前饋控制器G Gffff(s) (s) 前饋控制通道傳函前饋控制通道傳函G Gp p(s) (s) 第10頁/共47頁11)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd7 補償控制在擾動量在擾動量Md(S)作用下，系統(tǒng)的輸出作用下，系統(tǒng)的輸出

7、T2(s)為為:)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffddd擾動量的影響擾動量的影響對擾動量的補償對擾動量的補償+=0第11頁/共47頁12 完全補償完全補償不論擾動量不論擾動量Md為何值，總有為何值，總有T2(S)=0。 對于對于 系統(tǒng)對于擾動量系統(tǒng)對于擾動量Md實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是：實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是：即即 0)(2sT0)()()(sGsGsGpffd7 補償控制0)(sMd)()()()()()(2sGsGsMsGsMsTpffddd第12頁/共47頁13 前饋控制器的傳遞函數(shù)前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)為為)(/)()(sGsGsGpdff7 補償控制v前饋控

8、制器的傳遞函數(shù)前饋控制器的傳遞函數(shù)Gff(S)雖然能實現(xiàn)雖然能實現(xiàn)完全補償，但，完全補償，但， 要求精確的要求精確的Gd(S)，Gp(S) 所以，在實際工程中一般不單獨采用前饋控所以，在實際工程中一般不單獨采用前饋控制方案。制方案。第13頁/共47頁147.2.2 前饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構前饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構1. 靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制適用于干擾通道適用于干擾通道Gd(s)和控制通道和控制通道Gp(s)的動態(tài)特性相同的情況下，此時有：的動態(tài)特性相同的情況下，此時有： ffpdffKsGsGsG)(/ )()(7 補償控制)(sGd)(sGff)(sGp)(2sT)(sMd第14頁/共47頁1

9、52. 動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制 當被控對象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)不同時，或?qū)討B(tài)誤差當被控對象的控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)不同時，或?qū)討B(tài)誤差控制精度要求很高的場合，必須考慮采用動態(tài)前饋控制方式?？刂凭纫蠛芨叩膱龊?，必須考慮采用動態(tài)前饋控制方式。7 補償控制)(/ )()(sGsGsGpdff第15頁/共47頁167 補償控制3. 前饋前饋反饋控制反饋控制v單純的前饋控制單純的前饋控制n只能對指定的擾動量進行補償；只能對指定的擾動量進行補償；n對指定的擾動量，由于環(huán)節(jié)或系統(tǒng)數(shù)學模對指定的擾動量，由于環(huán)節(jié)或系統(tǒng)數(shù)學模型的簡化、工況的變化以及對象特性的漂型的簡化、工況的變化以及對象

10、特性的漂移等，也很難實現(xiàn)完全補償。移等，也很難實現(xiàn)完全補償。v前饋前饋反饋控制反饋控制n前饋控制器用來消除主要擾動量的影響；前饋控制器用來消除主要擾動量的影響；n反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確反饋控制器則用來消除前饋控制器不精確和其它不可測干擾所產(chǎn)生的影響。和其它不可測干擾所產(chǎn)生的影響。第16頁/共47頁17圖圖7.4 典型的前饋典型的前饋反饋控制系統(tǒng)結(jié)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構圖構圖7 補償控制補償控制器補償控制器反饋控制器反饋控制器干擾通干擾通道傳函道傳函控制通控制通道傳函道傳函反饋通反饋通道傳函道傳函擾動量擾動量輸入量輸入量輸出量輸出量第17頁/共47頁18干擾干擾D(S)對被控量對被控量Y

11、(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為的閉環(huán)傳遞函數(shù)為)()()(1)()()()()(sGsGsHsGsGsGsDsYpcpffd7 補償控制 干擾干擾D(S)作用下，對被控量作用下，對被控量Y(S)完全補償?shù)臈l件是：完全補償?shù)臈l件是： 而而 因此有因此有0)(sD0)(sY)(/)()(sGsGsGpdff第18頁/共47頁19 4. 前饋前饋串級控制串級控制 如果被控對象的主要干擾頻繁而又劇烈，如果被控對象的主要干擾頻繁而又劇烈，而生產(chǎn)過程對被控參量的精度要求有很高，可而生產(chǎn)過程對被控參量的精度要求有很高，可以考慮采用前饋以考慮采用前饋串級控制方案。串級控制方案。7 補償控制第19頁/共47頁20)(s

12、Gf)(1sGc)(sH)(sR)(2sGp)(2sGc)(sGd)(1sGp)(sY)(sD圖圖7.5 前饋前饋串級控制系統(tǒng)結(jié)構圖串級控制系統(tǒng)結(jié)構圖7 補償控制)()()(1sssGGGpdf當當副副主主1第20頁/共47頁21引入前饋必須遵循以下原則：引入前饋必須遵循以下原則： 系統(tǒng)中的擾動量是可測不可控系統(tǒng)中的擾動量是可測不可控 可測，才有前饋的可能可測，才有前饋的可能 不可控，就無法設置單獨的回路加以控制不可控，就無法設置單獨的回路加以控制 系統(tǒng)中的擾動量的變化幅值大、頻率高系統(tǒng)中的擾動量的變化幅值大、頻率高 否則，反饋控制就能勝任否則，反饋控制就能勝任 控制通道的滯后時間較大或干擾通

13、道的時間常數(shù)較小控制通道的滯后時間較大或干擾通道的時間常數(shù)較小 否則，也無須前饋控制否則，也無須前饋控制7 補償控制第21頁/共47頁22 7.3 大遲延過程系統(tǒng)大遲延過程系統(tǒng) 7.3.1 延遲對系統(tǒng)品質(zhì)的影響延遲對系統(tǒng)品質(zhì)的影響 大延遲過程大延遲過程 廣義對象的時滯與時間常數(shù)之比大于廣義對象的時滯與時間常數(shù)之比大于0.5。 工業(yè)生產(chǎn)中典型的大延遲過程工業(yè)生產(chǎn)中典型的大延遲過程 傳送物料能量、測量成分量、皮帶運輸、帶鋼連傳送物料能量、測量成分量、皮帶運輸、帶鋼連軋機、以及多容量、多種設備串聯(lián)等過程，都存軋機、以及多容量、多種設備串聯(lián)等過程，都存在較大的時滯時間。在較大的時滯時間。 延遲對系統(tǒng)品

14、質(zhì)的影響延遲對系統(tǒng)品質(zhì)的影響 使閉環(huán)特征方程中含有純延遲因子使閉環(huán)特征方程中含有純延遲因子 減低系統(tǒng)的穩(wěn)定性減低系統(tǒng)的穩(wěn)定性7 補償控制第22頁/共47頁237.3.2 Smith預估器預估器 Smith預估器預估器 一種以模型為基礎的預估器補償控制方法。一種以模型為基礎的預估器補償控制方法。 Smith預估器的設計思想預估器的設計思想 預估預估出過程對出過程對擾動擾動的動態(tài)響應，并將預估結(jié)果作為反饋提早供給控制的動態(tài)響應，并將預估結(jié)果作為反饋提早供給控制器動作，以提前對擾動進行器動作，以提前對擾動進行補償補償。7 補償控制第23頁/共47頁24圖圖7.6 Smith7.6 Smith預估器控

15、制方框圖預估器控制方框圖7 補償控制控制器的輸出需要經(jīng)過時間控制器的輸出需要經(jīng)過時間 才起作用才起作用補償?shù)哪康氖牵貉a償?shù)哪康氖牵篣(s) - Y(s)無延遲無延遲)()()()()(sGsGesGsUsYppsp 第24頁/共47頁25Smith預估器的傳遞函數(shù)為：預估器的傳遞函數(shù)為：)1)()(sppesGsG 7 補償控制)()()()()(sGsGesGsUsYppsp 第25頁/共47頁26整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：)1)()()()(1)()()()(spcspcspcesGsGesGsGesGsGsRsY )()(1)()(sGsGesGsGpcspc

16、7 補償控制閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)se 被控量被控量Y的響應比設的響應比設定值定值R要滯后時間要滯后時間第26頁/共47頁27)1)()()()(1)1)()(1 )()()(spcspcspcspesGsGesGsGesGsGesGsDsY )()(1)()()()()(222sGsGesGsGesGsGesGpcspcspcsp 7 補償控制干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)閉環(huán)特征方程中不再包含純滯后環(huán)節(jié)se 第27頁/共47頁28結(jié)論：結(jié)論： 采用采用Smith預估補償控制方法可以消除純滯后環(huán)節(jié)對控制系

17、統(tǒng)品質(zhì)的影響。預估補償控制方法可以消除純滯后環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。示例（與示例（與PID控制的比較）：控制的比較）：7 補償控制第28頁/共47頁29(s)cG(s)R(s)Yse )(sGp)(sY)(sD)(sUsppesTK 11sTKpp圖圖7.7 帶帶Smith預估器的過程控制系統(tǒng)預估器的過程控制系統(tǒng)7 補償控制2pK4pT4 第29頁/共47頁30圖圖7.8 純滯后加一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)字仿真純滯后加一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)字仿真曲線曲線7 補償控制第30頁/共47頁31圖圖7.9 階躍信號作用下的響應曲階躍信號作用下的響應曲線線7 補償控制第31頁/共47頁327.3.3大林大林(Dah

18、lin)算法算法 大林算法的結(jié)構大林算法的結(jié)構 針對計算機控制系統(tǒng)提出來的一種時滯補償控制算法。針對計算機控制系統(tǒng)提出來的一種時滯補償控制算法。7 補償控制計算機控制系統(tǒng)框圖計算機控制系統(tǒng)框圖(z)cG(s)R(z)E(s)pG(z)YTTT(s)H(z)U采樣保持采樣保持數(shù)字控制器數(shù)字控制器一階或二階一階或二階帶時滯的慣帶時滯的慣性環(huán)節(jié)性環(huán)節(jié)采樣周期采樣周期第32頁/共47頁33假設被控對象為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)假設被控對象為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或或帶純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為帶純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為mTsTeKsGpspp ,1)(（7-35）mTsTsTe

19、KsGppspp ,) 1)(1()(21（7-36）7 補償控制 是采樣周期的整數(shù)倍（是采樣周期的整數(shù)倍（m為正整數(shù)）為正整數(shù)）第33頁/共47頁347.3.3大林大林(Dahlin)算法算法 大林算法的基本思想大林算法的基本思想 設計一個合適的數(shù)字控制器，使系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是具有純滯后的一設計一個合適的數(shù)字控制器，使系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。階慣性環(huán)節(jié)。7 補償控制1)()()(sTesRsYsWbsB 分母不帶時滯分母不帶時滯分子的純延遲分子的純延遲= =過程對象的過程對象的純延遲純延遲第34頁/共47頁35 大林算法中數(shù)字控制器的設計大林算法中數(shù)字控制器的設計7

20、補償控制(z)cG(s)R(z)E(s)pG(z)YTTT(s)H(z)U)()(1)()()()()(zHGzGzHGzGzRzYzWpcpcBv采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳函為：采樣控制系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳函為：)(1 )()(1)()()(zWzWzHGzEzUzGBBpcv數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為：第35頁/共47頁361)()()(sTesRsYsWbsB bTv由大林算法的要求由大林算法的要求，7 補償控制v若采用零階保持器若采用零階保持器H0(s)，則系統(tǒng)的閉環(huán)，則系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞傳遞函數(shù)為：函數(shù)為：)()()()()(0sWsHZzRzYzWBB11sTeseZ

21、bmTsTs1/1/1)1 (zezebbTTmTT第36頁/共47頁371/1/1/0)1 (11)(1)(1 )()(1)(mTTTTmTTpBBpczezezezGHzWzWzHGzGbbb7 補償控制v數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為：v若被控對象為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，則若被控對象為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，則廣義對象的廣義對象的Z傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為11)(0sTeKseZzGHpmTspTsp11/11mTTTTpzzeeKbb第37頁/共47頁38 數(shù)字控制器數(shù)字控制器Z的傳遞函數(shù)為的傳遞函數(shù)為)1 (1)1 ()1)(1 ()(1/1/1/mTTTTTTp

22、TTTTczezeeKzeezGbbppb7 補償控制11121)1 (1)()()(mczaazzbbzEzUzGv簡記為簡記為v數(shù)字控制器的大林算法表達式為數(shù)字控制器的大林算法表達式為) 1()1 () 1() 1()()(21mkuakaukebkebku第38頁/共47頁39 若被控對象為具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，若被控對象為具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)，則廣義對象的則廣義對象的Z傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為：) 1)(1(1)(210sTsTeKseZzGHppmTspTsp)1)(1 ()(1/1/112121zezezzkkKppTTTTmp7 補償控制v數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)

23、為傳遞函數(shù)為1/1/1211/1/)1 ()1 ()()1)(1)(1 ()(21mTTTTpTTTTTTczezezkkKzezeezGbbppb第39頁/共47頁40振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴現(xiàn)象及消除方法 振鈴現(xiàn)象振鈴現(xiàn)象 振鈴（振鈴（ringing）現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出以現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出以1/2的采樣頻率大幅度的采樣頻率大幅度上下擺動。上下擺動。7 補償控制第40頁/共47頁417 補償控制振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴現(xiàn)象及消除方法第41頁/共47頁42振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴現(xiàn)象及消除方法 振鈴的后果振鈴的后果 對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出幾乎無影響；對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出幾乎無影響； 使系統(tǒng)的執(zhí)行機

24、構磨損，甚至損壞；使系統(tǒng)的執(zhí)行機構磨損，甚至損壞； 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 振鈴強度振鈴強度RA 數(shù)字控制器在單位階躍輸入下，第零次輸出幅度減去第一次幅度之差。數(shù)字控制器在單位階躍輸入下，第零次輸出幅度減去第一次幅度之差。7 補償控制第42頁/共47頁43振鈴現(xiàn)象及消除方法振鈴現(xiàn)象及消除方法 振鈴現(xiàn)象的根源振鈴現(xiàn)象的根源 數(shù)字控制器的數(shù)字控制器的Z傳函傳函Gc(z)在在z=-1附近有極點附近有極點 振鈴現(xiàn)象的消除辦法振鈴現(xiàn)象的消除辦法 找出找出Gc(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子（中引起振鈴現(xiàn)象的因子（z=-1附近有極點的因子），令其附近有極點的因子），令其中的中的z=1； 合理選擇采樣周期合理選擇采樣周期T和設計參數(shù)和設計參數(shù)Tb（所要求的閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)）（所要求的閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)） TbT，TbTp7 補償控制第43頁/共47頁44 本本 章章 小小 結(jié)結(jié)1補償控制器可以改變控制器的響應，從補償控制器可以改變控制器的響應，從而使整個系統(tǒng)獲得期望的性能指標。而使整個系統(tǒng)獲得期望的性能指標。 按其結(jié)構的不同，補償控制系統(tǒng)有四按其結(jié)構的不同，補償控制系統(tǒng)有四種類型：控制量補償、擾