第六章利用補償原理提高系統(tǒng)的ppt課件

1、 第六章 利用補償原理提高系統(tǒng)的 控制品質(zhì)6-1 概述概述2) 反饋控制系統(tǒng)的不足反饋控制系統(tǒng)的不足在被控對象呈現(xiàn)大遲延在被控對象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的而又希望得到較好的過程響應(yīng)時過程響應(yīng)時,反饋控制難以得到好的效果反饋控制難以得到好的效果(穩(wěn)定性穩(wěn)定性,準確性準確性,快速性快速性)干擾多：準確性難以保證，存在多種殘差遲延：快速性降低例例1 純遲延系統(tǒng)的快速性分析純遲延系統(tǒng)的快速性分析1) 反饋控制的優(yōu)點反饋控制的優(yōu)點(PID控制控制)原理簡單原理簡單, 使用方便使用方便,不需知道對象的確切模型不需知道對象的確切模型適應(yīng)性強適應(yīng)性強魯棒性強

2、魯棒性強, 控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感魯棒性魯棒性:控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時仍可使品質(zhì)指標不變的性能控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時仍可使品質(zhì)指標不變的性能上述幾類問題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為：上述幾類問題用反饋控制難以得到好的控制品質(zhì)，其原因可歸納為： 反饋控制是一種偏差控制反饋控制是一種偏差控制, 系統(tǒng)在控制中必定存在偏差系統(tǒng)在控制中必定存在偏差, 因此不能得到完因此不能得到完 善的控制效果善的控制效果, 而且調(diào)節(jié)器總是在偏差出現(xiàn)后才開始動作。而且調(diào)節(jié)器總是在偏差出現(xiàn)后才開始動作。 反饋控制器不能事先規(guī)定它的輸出值，而

3、只是改變它的輸出值直到被調(diào)量反饋控制器不能事先規(guī)定它的輸出值，而只是改變它的輸出值直到被調(diào)量與設(shè)定值一致為止與設(shè)定值一致為止,它是以嘗試法來進行控制的它是以嘗試法來進行控制的,是一種原始的控制方法是一種原始的控制方法問題問題:是否可以在偏差產(chǎn)生前是否可以在偏差產(chǎn)生前 (擾動發(fā)生但還未影響到輸出量擾動發(fā)生但還未影響到輸出量) 就讓調(diào)節(jié)機構(gòu)就讓調(diào)節(jié)機構(gòu)作出反應(yīng)作出反應(yīng), 通過對干擾進行補償來抵消其影響通過對干擾進行補償來抵消其影響, 從而使被控對象不受干從而使被控對象不受干擾的影響擾的影響. 這就是前饋控制這就是前饋控制(FFC), 它是一種按干擾進行控制的開環(huán)控它是一種按干擾進行控制的開環(huán)控制方

4、式制方式.例例2 換熱器控制換熱器控制(用蒸汽用蒸汽Q對物料對物料F進行加熱進行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定保持出料口物料溫度穩(wěn)定)方案方案1-反饋控制反饋控制缺陷：缺陷：對干擾的響應(yīng)不夠及時，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)按偏差大小進行對干擾的響應(yīng)不夠及時，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)按偏差大小進行控制的控制的 Fe調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥1被調(diào)量被調(diào)量: 換熱器出口溫度換熱器出口溫度1主要干擾主要干擾: 換熱器的物料量換熱器的物料量FGc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)r1閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖F(s)Qe信號流向信號流向反響反響前饋前饋方案方案2-前饋控制前饋控制控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干擾出現(xiàn)后馬

5、上進行調(diào)節(jié)控制思路：以干擾作用的大小進行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進行調(diào)節(jié)Gff(s)Gv(s)GPD(s)GPC(s)F(s)1前饋控制系統(tǒng)方框圖前饋控制系統(tǒng)方框圖Q1Gff(s) Gv(s)GPC(s)GPD(s)+FQ優(yōu)點：優(yōu)點：對干擾直接進行控制，控制比反饋對干擾直接進行控制，控制比反饋及時及時干擾干擾F 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥1蒸汽量蒸汽量物料量物料量信號流向信號流向信號流向信號流向1( )( )( )( )( )( )PDffVPCsGsGs Gs GsF s系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)對于干擾系統(tǒng)對于干擾F實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件是:Gff(s) Gv(s)GPC(s)GP

6、D(s)+1FQ1( )0,( )0,F ss而代入上式有：( )( )( )( )0PDffVPCGsGs Gs Gs( )( )( )( )PDffVPCGsGsGs Gs 前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理, 或稱為擾動補償理論或稱為擾動補償理論不變性原理不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準確度下無關(guān)，也就是被控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準確度下無關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨立或基本獨立調(diào)量完全獨立或基本獨立(1) 絕對不變性對象在擾動Di(t)作用下, 被調(diào)量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變, 調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.實

7、際中難以達到：對象的動態(tài)特性不可能絕對精確；擾動補償裝置實現(xiàn)上的困難理想的控制標準設(shè)被控對象受到干擾設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為的不變性可表示為:( )0( )0 (1,2,. )iD ty tin當時， 仍有即被調(diào)量即被調(diào)量y(t)與干擾與干擾Di(t)獨立無關(guān)獨立無關(guān)在應(yīng)用不變性原理時在應(yīng)用不變性原理時,由于各種原因由于各種原因,不可能完全實現(xiàn)上式所規(guī)定的不可能完全實現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與與Di(t)獨立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種獨立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種不變性不變性(2)

8、 誤差不變性誤差不變性準確度有一定限制的不變性可表示為準確度有一定限制的不變性可表示為:(3) 穩(wěn)態(tài)不變性穩(wěn)態(tài)不變性在干擾在干擾Di(t)作用下作用下, 被調(diào)量的動態(tài)偏差不為零被調(diào)量的動態(tài)偏差不為零, 而穩(wěn)態(tài)偏差為零而穩(wěn)態(tài)偏差為零, 被調(diào)量在被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān)穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān).(4) 選擇不變性選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性. 減少了補償裝置減少了補償裝置, 節(jié)省節(jié)省投資又能達到對主要干擾的不變性投資又能達到對主要干擾的不變性( )0| ( )|iD ty t當時，()()( )00,0issD tyery當時,

9、允許存在一定的誤差允許存在一定的誤差, 在工程上容易實現(xiàn)在工程上容易實現(xiàn), 而且生產(chǎn)中也不會有絕對不變而且生產(chǎn)中也不會有絕對不變性的要求性的要求, 所以應(yīng)用廣泛所以應(yīng)用廣泛. 如反饋控制從理論上應(yīng)該屬于誤差不變性如反饋控制從理論上應(yīng)該屬于誤差不變性帶積分環(huán)節(jié)的反饋控制屬于穩(wěn)態(tài)不變性帶積分環(huán)節(jié)的反饋控制屬于穩(wěn)態(tài)不變性6-2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)對象對象 前前 饋饋 控制器控制器設(shè)定值設(shè)定值r調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量 yD1 D2 D3被調(diào)量被調(diào)量前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋控制是以不變性原理為前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它它把影響過程的主要因素測量把影響過程的主

10、要因素測量出來出來, 連同設(shè)定值一起連同設(shè)定值一起, 用來用來計算正確的輸出計算正確的輸出,以適應(yīng)當前以適應(yīng)當前的狀態(tài)的狀態(tài)無論干擾何時出現(xiàn)無論干擾何時出現(xiàn), 都立即開始校正都立即開始校正, 使擾動在影響到被調(diào)量之前就被抵使擾動在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉消掉. 從理論上講從理論上講, 前饋控制可是實現(xiàn)很完善的控制前饋控制可是實現(xiàn)很完善的控制, 即使是難控過程即使是難控過程, 其其性能也僅受測量和計算精度的限制性能也僅受測量和計算精度的限制一一 基本概念基本概念u = f(r, D1,D2,D3)例例3 鍋筒鍋爐的水位控制鍋筒鍋爐的水位控制鍋爐的水位控制系統(tǒng)鍋爐的水位控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程：給水生產(chǎn)

11、過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽輸出產(chǎn)生蒸汽輸出被調(diào)量被調(diào)量: 鍋爐水位鍋爐水位H, 保持恒定保持恒定擾動擾動: 負荷負荷(蒸汽蒸汽D)擾動擾動, 給水擾給水擾 動動. 控制方案：控制方案：1. 串級控制串級控制(反饋控制反饋控制)2. 前饋控制前饋控制1. 串級空制串級空制缺陷：缺陷：1. 對擾動的響應(yīng)不夠及時對擾動的響應(yīng)不夠及時2. 如果負荷變化幅度大而且頻繁如果負荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求難以滿足要求,水位水位H波動大波動大3. 負荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象負荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差,調(diào)理調(diào)理 過程加長過程加長假水位

12、假水位: 鍋爐蒸汽負荷突然鍋爐蒸汽負荷突然(出汽出汽),氣壓氣壓,水的沸點水的沸點,水汽混合物體積水汽混合物體積,則此時水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升反之一樣則此時水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升反之一樣負荷負荷擾動擾動主調(diào)主調(diào)節(jié)器節(jié)器副調(diào)副調(diào)節(jié)器節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥管路管路鍋爐鍋爐流量變送器流量變送器液位變送器液位變送器給水給水擾動擾動rHG(s)D(s)液位液位-流量串級控制流量串級控制主調(diào)主調(diào)節(jié)器節(jié)器副調(diào)副調(diào)節(jié)器節(jié)器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥管路管路鍋爐鍋爐壓力變送器壓力變送器液位變送器液位變送器給水給水擾動擾動負荷負荷擾動擾動rHG(s)D(s)如果直接以負荷的擾動來調(diào)節(jié)閥門如果直接以

13、負荷的擾動來調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負荷量使給水量總等于負荷量,就能解決就能解決負荷擾動大負荷擾動大,控制不及時的缺點控制不及時的缺點.采用前饋控制采用前饋控制: 把影響過程的主要擾動因素預先測量出來把影響過程的主要擾動因素預先測量出來, 根據(jù)對象的物質(zhì)根據(jù)對象的物質(zhì)(或能量或能量)平衡條件平衡條件, 計算出適應(yīng)該擾動的調(diào)計算出適應(yīng)該擾動的調(diào)節(jié)量進行控制。只要干擾出現(xiàn)節(jié)量進行控制。只要干擾出現(xiàn), 立即進行校正立即進行校正, 使得擾動在使得擾動在影響被調(diào)量之間就被抵消影響被調(diào)量之間就被抵消.鍋爐鍋爐DDT 開方器開方器LTLC閥閥QCDT 開方器開方器hIG*IGID+-If蒸汽蒸汽負荷負荷給水

14、給水G鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)鍋爐水位前饋控制系統(tǒng)*5.0GDLIIII5.0fGDIIIG=f(D, r)前饋控制的特點前饋控制的特點(1) 前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰倒好處前饋控制是按干擾作用的大小進行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時一般比反饋控制及時控制類型控制類型控制的依據(jù)控制的依據(jù)檢測的信號檢測的信號控制作用的發(fā)生時間控制作用的發(fā)生時間反饋控制反饋控制被控變量的偏差被控變量的偏差e 被控變量被控變量偏差出現(xiàn)后偏差出現(xiàn)后前饋控制前饋控制干擾量的大小干擾量的大小 干擾量干擾量 偏差出現(xiàn)前偏差出現(xiàn)前(2) 前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制屬于開環(huán)控制系

15、統(tǒng)(3) 前饋控制使用的是依對象特性而定的專用控制器前饋控制使用的是依對象特性而定的專用控制器(4) 一種前饋控制作用只能克服一種干擾一種前饋控制作用只能克服一種干擾(1) 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著被控參數(shù)影響顯著, 反饋控制達不到質(zhì)量要求時。反饋控制達不到質(zhì)量要求時。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合(2) 當控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長當控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長,由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時量時,可采用前饋或前饋反饋控制系統(tǒng)可采用

16、前饋或前饋反饋控制系統(tǒng).二二 靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補償,此時此時,前饋控制器的輸出是前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù)輸入量的函數(shù), 而與時間因子無關(guān)而與時間因子無關(guān). 對控制要求不是很高對控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果只關(guān)心結(jié)果,不重不重過程過程例例4 列管換熱器控制列管換熱器控制1) 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程換熱器換熱器料液料液Q, 12D加熱蒸汽加熱蒸汽P找出主要擾動找出主要擾動列出平衡方程列出平衡方程具體實現(xiàn)具體實現(xiàn)2) 調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)量 ( 2 )3) 擾動量擾動量 ( Q, 1, p )4) 前饋控制設(shè)計思路前饋控制設(shè)計

17、思路:主要擾動主要擾動料液流量料液流量Q料液入口溫度料液入口溫度1QQ蒸汽放熱料液吸熱21()sprD HQ c2121()()prsrcDQHkQ21psrcDH料液比熱蒸汽流量蒸汽汽化熱料液給定出口溫度料液初始溫度平衡方程平衡方程換熱器換熱器TXQ 12r1+-kQCDTDTD*DD2靜態(tài)前饋補償器靜態(tài)前饋補償器前饋補前饋補償器償器調(diào)理調(diào)理器器閥閥管道管道換熱器換熱器壓力壓力變送器變送器Q 11D22D*2r2r5) 前饋控制算法與對象數(shù)學模型關(guān)系前饋控制算法與對象數(shù)學模型關(guān)系:從本質(zhì)上講從本質(zhì)上講, 算法就是數(shù)學模型算法就是數(shù)學模型Q11D2r2r數(shù)學模型Q11D2r2r前饋控制算法前饋

18、控制算法實現(xiàn)實現(xiàn) D=kQ(2r- D=kQ(2r- 1)1)無論無論Q, 1如何變化如何變化, 總有總有D=kQ(2r- 1), Q, 1的擾動都能由蒸汽流量的擾動都能由蒸汽流量D立立即進行補償?shù)玫秸羝髁康慕o定值即進行補償?shù)玫秸羝髁康慕o定值D*=kQ(2r- 1).6) 參數(shù)對控制的影響參數(shù)對控制的影響21()rDkQQD2rD1D k對出口溫度對出口溫度2的影響：的影響：通過調(diào)整通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差設(shè)定值的殘差 k過小過小, D的減小過小的減小過小, 欠補償欠補償 k過大過大, D的減小過大的減小過大, 過補償過補償 k適當適當,D的減小與的減

19、小與Q的減小匹配的減小匹配, 殘差為殘差為0換熱器換熱器TXQ12r1+-kQCDTDTD*DD2靜態(tài)前饋補償器靜態(tài)前饋補償器料液料液流量流量蒸汽蒸汽流量流量7) 前饋控制與常規(guī)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較空制的比較(a) PID控制過程(b) 靜態(tài)前饋控制過程靜態(tài)前饋控制過程 前饋控制比前饋控制比PID空制及空制及時，能更早地校正偏差時，能更早地校正偏差 前饋控制超調(diào)量小前饋控制超調(diào)量小 前饋控制作用時間短前饋控制作用時間短.靜態(tài)前饋空制除了有較高靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強的自身有的穩(wěn)定性和很強的自身平衡傾向如料液沒流量平衡傾向如料液

20、沒流量后，蒸汽也會自動關(guān)斷后，蒸汽也會自動關(guān)斷8) 靜態(tài)前饋控制缺點靜態(tài)前饋控制缺點(1) 負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時溫度誤差負荷變化時都有一段動態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時溫度誤差(2) 如果負荷情況與當初調(diào)整系統(tǒng)時的情況不同如果負荷情況與當初調(diào)整系統(tǒng)時的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差就有可能出現(xiàn)殘差.右圖中曲線右圖中曲線-料液流量料液流量Q-蒸汽流量蒸汽流量D-按靜態(tài)前饋控制時按靜態(tài)前饋控制時Q 料料液出口溫度變化曲線液出口溫度變化曲線.存在一段存在一段時間較小的偏差時間較小的偏差,是由于擾動通是由于擾動通道和調(diào)節(jié)通道道和調(diào)節(jié)通道 之間對象動態(tài)特之間對象動態(tài)特性不同所引起的動態(tài)偏

21、差性不同所引起的動態(tài)偏差.靜態(tài)靜態(tài)前饋補償不能解決前饋補償不能解決從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無法干預動態(tài)偏偏差為零，但無法干預動態(tài)偏差的發(fā)生差的發(fā)生D=kQ(2r- 1)三三 動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補償動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補償. 通過合適通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇的前饋控制規(guī)律的選擇, 使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致態(tài)特性與對象干擾

22、通道的動態(tài)特性完全一致, 并使他們的符號相反并使他們的符號相反,便可達便可達到控制作用完全補償干擾對被控變量的影響到控制作用完全補償干擾對被控變量的影響( )( )( )( )PDffVPCGsGsGs Gs 動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同的控制規(guī)律不同.動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù), 而而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等

23、于零。態(tài)誤差都接近或等于零。 Gff(s) Gv(s)GPC(s)GPD(s)+1擾動擾動FQ擾動通道擾動通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)通道1. 動態(tài)補償器的設(shè)計動態(tài)補償器的設(shè)計擾動量擾動量-D(s)被調(diào)量被調(diào)量-Y(s)沒有補償器時沒有補償器時, 擾動量擾動量D只通過只通過Gd(s)影響影響Y,即即( )( ) ( )dY sGs D s有了補償器后有了補償器后, 擾動量擾動量D同時還通過補償通道同時還通過補償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被來影響被調(diào)量調(diào)量Y, 那么那么( )( )( )( )( )( )( )dffvpY sGs D sGs G s Gs D s( )( )( )( )(

24、)( )dffvpY sGsGs G s GsD s根據(jù)不變性原理根據(jù)不變性原理, 有有補償器傳遞函數(shù)為：補償器傳遞函數(shù)為：( )( )( )( )dffvpGsGsG s Gs Gv(s)Gff(s)補償器補償器m調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥Gp(s)DY(s)擾擾動動被調(diào)量被調(diào)量Gd(s)擾動通道擾動通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)通道假定擾動通道傳遞函數(shù)假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延均為純遲延, 且且為為( ),( )pdssdpG seGse調(diào)節(jié)閥特性調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv, 則在擾動則在擾動D作用下，進行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋作用下，進行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)

25、前饋裝置只需實現(xiàn)裝置只需實現(xiàn)0( )1( )lim()( )( )dffsvpvGsGsG s Gsk 此時只能保證穩(wěn)態(tài)時對擾動的補償此時只能保證穩(wěn)態(tài)時對擾動的補償( )( )( )( )( )( )( )1( )()( )( )( )pdpddffvpssvvssY sGs D sGs G s Gs D seD sk eD skeD seD s Gff(s) Gv(s) GP(s)GD(s)+Y(s)D( )()()dpy tD tD t 擾動擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為的變化引起被調(diào)量持續(xù)時間為(d-p)的一的一個瞬變過程個瞬變過程. 要進行動態(tài)補償要進行動態(tài)補償, 需要把前饋信號需要

26、把前饋信號推遲推遲d-p,即即:Gff(s)Kve-pse-ds+Y(s)DGff(s)=-1/Kv*e-(d- p)s()()( )1()( ) =0dppddppdddsssvvsssssY seeKeD sKeeee Dt0ytpdy0t如果如果Gd(s)和和Gp(s)分別是時間常數(shù)為分別是時間常數(shù)為Td和和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k, 則有則有111( )( )( )()11vdpvY sD sD skT sT sk( )()pdt Tt Ty tD ee(假定假定TdTp)當當t+時時,limy(

27、t)=0,靜態(tài)誤差為零靜態(tài)誤差為零.由于兩個通道由于兩個通道時間常數(shù)不同時間常數(shù)不同, 出現(xiàn)了動態(tài)偏差出現(xiàn)了動態(tài)偏差Dt0ytTdTp0ytGff(s)Kv1/(Tps+1)1/(Tds+1)+Y(s)D2. 簡單的動態(tài)補償器：導前簡單的動態(tài)補償器：導前-滯后環(huán)節(jié)滯后環(huán)節(jié)1) 按不變性原理實現(xiàn)完全補償只有理論意義按不變性原理實現(xiàn)完全補償只有理論意義,實際上是不可能實現(xiàn)的實際上是不可能實現(xiàn)的 過程的動態(tài)特性難以測準，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不過程的動態(tài)特性難以測準，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負荷下動態(tài)特性變化很大。同負荷下動態(tài)特性變化很大。 寫出的補償器的傳遞函數(shù)并不等于能

28、夠?qū)崿F(xiàn)寫出的補償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn)2) 可以采用前饋控制的過程的特點：可以采用前饋控制的過程的特點： 擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近 如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實現(xiàn)部分補償通常在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實現(xiàn)部分補償通常采用簡單的導前采用簡單的導前-滯后裝置作為動態(tài)補償器就可以滿足要求其傳遞函滯后裝置作為動態(tài)補償器就可以滿足要求其傳遞函數(shù)為：數(shù)為：121( )1ffsGss其增益為其增益為1, 只起動態(tài)補償?shù)淖饔弥黄饎討B(tài)補償?shù)淖饔? 由靜態(tài)前饋裝置保

29、持靜態(tài)準確性。由靜態(tài)前饋裝置保持靜態(tài)準確性。11導導前前時間時間；22滯滯后后時間時間Gff(s)DM(s)121( ),( )1ffsmD sGsss112122222( )( )( )1()11()()111ffM sD s Gssmmmssssss2122( )(1)tm tmed(t)ttm(t)1212121210.3當當/T增加時增加時, 過程的相位滯后增加過程的相位滯后增加, 增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定, 嚴重時危及設(shè)備和人身安全嚴重時危及設(shè)備和人身安全4) 大遲延對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的危害大遲延對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的危害5) 解決方法解決方法1) 利用

30、常規(guī)調(diào)節(jié)器適應(yīng)性強利用常規(guī)調(diào)節(jié)器適應(yīng)性強, 調(diào)整方便的特點調(diào)整方便的特點, 經(jīng)過仔細個別的調(diào)整經(jīng)過仔細個別的調(diào)整, 在在控制要求不太苛刻的情況下控制要求不太苛刻的情況下, 滿足生產(chǎn)的要求滿足生產(chǎn)的要求2) 在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進行改動控制方案在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進行改動控制方案微分先行，中間反饋微分先行，中間反饋微分先行微分先行: 只對測量值起微分作用的控制算法只對測量值起微分作用的控制算法. 微分環(huán)節(jié)接在反饋通道微分環(huán)節(jié)接在反饋通道中中, 位于設(shè)定值與測量值的比較點之前位于設(shè)定值與測量值的比較點之前, 故稱微分先行故稱微分先行. 在通常的在通常的PD或或PID控制算法中控制算法中, 微分控制作用

31、是與偏差的變化速度成正比的微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的, 不論設(shè)不論設(shè)定值或測量值的突然變化定值或測量值的突然變化, 微分控制作用十分猛烈微分控制作用十分猛烈. 因此因此, 采用通常的采用通常的PD或或PID控制算法時控制算法時, 設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩.為了不受這種限制為了不受這種限制, 可以只對測量值起微分作用可以只對測量值起微分作用, 而測量值一般是不會突然變化的而測量值一般是不會突然變化的. 對象一對象一般都具有慣性般都具有慣性兩種控制方案都具有較大超調(diào)量兩種控制方案都具有較大超調(diào)量, 響應(yīng)速度慢響應(yīng)速度慢. 如果在控制精度要求很如果在控制精度要求很

32、高的場合高的場合, 不能滿足要求不能滿足要求,需要采取其他控制手段需要采取其他控制手段,如補償控制如補償控制.二二 采用補償原理克服大遲延的影響采用補償原理克服大遲延的影響在大遲延系統(tǒng)中采用的補償方法不同于前饋補償在大遲延系統(tǒng)中采用的補償方法不同于前饋補償, 它是按照過程的特性設(shè)它是按照過程的特性設(shè)想出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中想出一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中,以補償過程的動態(tài)特性以補償過程的動態(tài)特性.這種補償反這種補償反饋因構(gòu)成模型的方法不同而形成不同的方案饋因構(gòu)成模型的方法不同而形成不同的方案. 史密斯預估補償方法是得到史密斯預估補償方法是得到廣泛應(yīng)用的一種方案廣泛應(yīng)用的一種方案.Gc(

33、s)Gp(s)Gs(s)R(s)U(s)Y(s)Y(s)-+史密斯預估補償控制原理圖史密斯預估補償控制原理圖Gs(s)Kpgp(s)e-s史密斯補償控制器的實現(xiàn)史密斯補償控制器的實現(xiàn)-+史密斯預估補償器傳遞函數(shù)史密斯預估補償器傳遞函數(shù)( )( )(1)dssppG sK gse史密斯預估補償器的效果史密斯預估補償器的效果1) 在設(shè)定值擾動時在設(shè)定值擾動時,能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,減小超調(diào)量減小超調(diào)量.例例6-2 (P139)2) 對負荷擾動無效果對負荷擾動無效果,并且會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定并且會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定.3) 加入史密斯預估器后系統(tǒng)魯棒性降低加入史密斯預估器后

34、系統(tǒng)魯棒性降低. (PID控制系統(tǒng)承受控制系統(tǒng)承受對象參數(shù)變化能力比帶史密斯補償器的系統(tǒng)強對象參數(shù)變化能力比帶史密斯補償器的系統(tǒng)強)(PID控制系控制系統(tǒng)對過程的動態(tài)性能精度要求不高統(tǒng)對過程的動態(tài)性能精度要求不高,史密斯補償方案對過程動史密斯補償方案對過程動態(tài)特性精確度要求高態(tài)特性精確度要求高)動態(tài)特性參數(shù)變化對史密斯補償控制系統(tǒng)的影響動態(tài)特性參數(shù)變化對史密斯補償控制系統(tǒng)的影響 在模型精確時在模型精確時,史密斯補償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好史密斯補償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好,ITAE小小,即調(diào)節(jié)時間短即調(diào)節(jié)時間短,超調(diào)量小超調(diào)量小. 模型參數(shù)變化時模型參數(shù)變化時,PID控制品質(zhì)較穩(wěn)定控制品質(zhì)較穩(wěn)定,其其ITAE變化緩慢變化緩慢