第7章：补偿控制

★前馈－反馈控制
♀干扰对被控量的闭环传递函数为：
Y ( s ) Gd ( s ) G ff ( s )G p ( s ) D( s ) 1 H ( s )Gc ( s )G p ( s ) ♀实现全补偿的条件是： ( s) 0，而 Y ( s) 0 ， D
有： G
ff
(s) Gd (s) Gp (s)
◆随延迟时间加长，系统相位滞后增加，超调量 增大，可能出现聚爆、结焦等停产事故 ◆当延迟时间足够长时，可能造成系统不稳定。 使被调量超过安全极限，危及设备及人身安全
★克服纯滞后的方法 ◆采样控制－定周期断续PID控制
◆改进型常规PID控制
微分先行控制 中间反馈控制 ◆预估控制 ◆大林算法
※Smith预估器
dQmd Qmd ♀控制通道的放大系数为：K dT2 H i p dQmi Qmd c p
♀静态前馈控制器的放大系数为：
K d c p (T2 T1 ) K ff Kp Hi
♀静态前馈控制器与时间无关，无需专用控制装 置，用单元组合仪表即可。
★动态前馈控制
◆动态前馈控制的原理：通过选择适当的前馈控 制器，使干扰信号经前馈控制器至被控量通道 的动态特性完全复制对象干扰通道的动态特性 但符号相反，以实现对干扰信号的完全补偿。
7
补偿控制
7.1 补偿控制的基本原理与结构 7.2 前馈控制系统 7.3 大延迟过程控制
教学目的和要求
掌握补偿控制的基本原理与结构 掌握前馈补偿控制原理与设计 掌握大延迟系统的补偿控制方法 掌握Smith时间预估器、大林控制算法 重点：补偿控制、前馈控制的原理与结构 难点：大林算法和振铃现象
补偿控制的基本原理与结构
◆动态前馈控制可使系统静态偏差等于或接近于
零，又可使系统的动态偏差等于或接近于零。
●换热器温度动态前馈控制系统 ♀干扰通道和控制通道的传递函数为 s K d e d s K pe p Gd ( s ) G p (s) Td s 1 Tp s 1 ♀当对干扰量 M d完全补偿时，有： ( ) s K d (Tp s 1)e Gd ( s ) G ff ( s ) G p ( s) K p (Td s 1) ♀若实际系统的 p d，则动态前馈控制器为
★按反馈量补偿：在主控制器反馈回路中增加一 个控制器
★串联补偿：将补偿器与主控制器串联连接
前馈控制系统
※前馈控制系统的概念
◆前馈控制是按扰动量的变化进行控制的。
◆控制原理：系统出现扰动时，立即将其测量出 来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改 变控制量，抵消或减小扰动对被控量的影响。 ◆被控量的偏差并不反馈到控制器，而是将系统 的扰动信号前馈到控制器，故称前馈控制
♀采用Smith预估器可消除纯滞后环节对系统品 质的影响。闭环传递函数分子上的纯滞后环节 表明被控量的响应比设定值要滞后

◆带Smith预估器的过程控制系统
D(s)
R(s) +
－
G c (s)
U ( s)
+
+
KP TP s+1
K P s e TP s+1
Y ( s)
e
s
－
+ + +
Y ( s)
※补偿控制原理
★首先求出满足性能指标的控制规律，然后在系 统中增加补偿控制器，来改变控制器的响应， 从而使整个系统获得期望的性能指标。
※补偿控制的分类
★按控制量补偿:将控制输入量经过处理后，直 接向前传递，并与主控制器的输出进行叠加。
★按扰动量补偿：将系统的扰动量经过处理后向 前传递，与主控制器的输出进行叠加
大延迟过程系统
※大延迟对象
★被控对象的动态特性具有纯时间滞后
过程控制所涉及的被控对象纯时间滞后较大
★大延迟对象的介定：
广义对象的时滞与时间常数之比大于0.5
★大延迟过程系统实例－皮带传输：
★延迟对系统品质的影响
◆当系统存在大纯延迟环节时，其闭环特征方程 式包含纯延迟因子，导致系统的稳定性降低。
◆换热器前馈控制系统方框图
●前馈控制系统分析 ♀在扰动量 M d ( s ) 作用下，系统的输出为：
T2 (s) M d (s)Gd ( s) M d ( s)G ff ( s)G p ( s)
♀系统对于扰动量 M d实现完全补偿的条件是 M d ( s) 0 而 T2 ( s) 0 即
★前馈－串级控制
●前馈－串级控制系统分析 ♀干扰D( s)对系统输出 Y ( s ) 的闭环传递函数为 Gc 2 ( s )G p 2 ( s ) Gd ( s ) G ff ( s ) G p1 ( s ) 1 Gc 2 ( s )G p 2 ( s ) Y ( s) Gc 2 ( s )G p 2 ( s ) D( s ) 1 H ( s )Gc1 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc 2 ( s )G p 2 ( s )
◆完全抗干扰的Smith预估器
R(s+ )
－
+
－
U ( s)
G c (s)
+
D1 ( s) + +
D2 (s)
－
G p ( s )e
s
+ + Y ( s)
G f ( s) G P ( s)
1 e
s
G p (s)
◆完全抗干扰的Smith预估器分析 ♀ Y ( s) Gc ( s)G p ( s)e s
1
★在系统中引入前馈控制应遵循的原则：
◆系统中的扰动量是可测不可控的。若干扰不可 测，前馈控制无法实现。若干扰可控，可设置 独立的控制系统予以克服。
◆系统中的扰动量的变化幅值大、频率高。高频 干扰对被控对象的影响很大，易导致持续振荡 。采用前馈控制，可以对干扰进行同步补偿控 制，获得较好的控制品质。 ◆控制通道的滞后较大或干扰通道时间常数较小
R( s)
－
+ G (s) U ( s) c
D( s)
+ +
G p ( s )e
s
Y ( s)
A
G p (s)
G (s) p
Y ( s )
e
s
B
A/B

1+TDs
◆增益自适应补偿控制分析 ♀除法器将过程的输出值除以模型的输出值。PD
中的 TD 将该比值提前送入乘法器。乘法器 将预估器的输出乘以PD后输出。三个环节根据 两者比值提供一自动校正预估器的增益信号。
R( s ) 1 G p ( s)G f ( s) Gc ( s)[G p ( s)e s G p ( s)(1 e s )]
G p ( s)e s [1 G f ( s)G p ( s) Gc ( s)G p ( s)(1 e s )] Y ( s) D1 ( s) 1 G p ( s)G f ( s) Gc ( s)[G p ( s)e s G p ( s)(1 e s )] 1 G f ( s)G p ( s) Gc ( s)G p ( s)(1 e s ) Y ( s) D2 ( s ) 1 G p ( s )G f ( s ) Gc ( s )[G p ( s )e s G p ( s )(1 e s )]
d p
G ff ( s )
K d (Tp s 1) K p (Td s 1)

K ff (Tp s 1) Td s 1
♀若 Tp Td ，则：G ff ( s) K ff
●前馈控制的缺点： ♀前馈控制是开环控制，在控制过程中不测取被 控参量信息，只对指定的扰动量进行补偿 ♀对指定的扰动量，由于数学模型的简化、工况 的变化及对象特性的漂移，很难实现完全补偿 ♀系统的干扰因素较多，若对所有的扰动进行测 量并采用前馈控制，增加系统的复杂程度。而 有些扰动量无法测量，不可能实现前馈控制。
D(s) +
+
G p ( s )e
s
Y ( s)
G p (s)
Y ( s )
e
s
－
+
+
+
Gp ( s)
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◆Smith预估器的控制系统分析 ♀若不采用Smith预估器，有： Y ( s) s G p ( s )e U ( s) ♀若采用Smith预估器,反馈信号 Y ( s ) 与 U ( s ) 之 间的传递函数为：Y ( s ) G p ( s )e s G ( s ) p U ( s) ♀为使控制器的输出与反馈信号间无延迟，则：
♀在理想条件下，预估器模型准确地复现过程的 输出，除法器输出值为1。
R( s) +
－
G c (s)
U ( s)
+
D(s)
+
G p ( s )e
s
Y ( s)
G p (s)
♀非理想条件下，模型输出和过程输出不完全相 同。增益自适应补偿系统变为较复杂的系统。
R( s) +
－
G c (s)
U ( s)
★前馈控制系统的工作原理 ●换热器前馈控制系统
◆工作过程分析 ♀采用前馈控制，将进料量测量值 M d 送至前馈 控制器，由前馈控制器的输出去操纵控制阀， 改变蒸汽量，以补偿进料量扰动对温度的影响 ♀当进料量减少时，出口温度上升。前馈控制器 的输出减小蒸汽量，只要蒸汽量改变的幅值和 动态过程合适，就可减小进料量的波动而引起 的出口温度的波动。 ♀只要前馈控制器设计合理，就可实现对扰动量 的完全补偿，使出口温度与扰动无关。
Gd (s) G ff (s)Gp (s) 0
♀前馈控制器的传递函数
G ff (s) Gd (s) Gp (s) ♀要实现对扰动量的完全补偿，则 Gd ( s ) G p ( s ) 、
和 G ff ( s) 等环节的传递函数必须是精确的。
※前馈控制系统的基本结构
★静态前馈控制 ◆在干扰、控制通道的动态特性相同时 ，前馈 控制器的输出只是输入信号的函数，与时间无 关 。有：
♀当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率 时，则副回路的传递函数为：Gc 2 ( s )G p 2 ( s )
1 Gc 2 ( s )G p 2 ( s ) ♀干扰 D( s)对被控量Y ( s )全补偿的条件是： ( s) 0 D ，而 Y ( s) 0 。 G ( s) G ( s) G ( s) ff d p1
Gp ( s)
◆对象在预估前后的阶跃响应曲线
◆给定值阶跃变化下的响应曲线
◆负荷扰动下的的响应曲线
◆Smith预估器的特点 ♀适用于给定信号变化引起系统输出变化的场合 ♀对过程模型的误差十分敏感。若模型的时滞与 实际值相差较大，则系统的品质就会大大降低
★改进的Smith预估器
●增益自适应补偿控制
G ff (s) Gd (s) G p (s) K ff
●换热器温度静态前馈控制系统 ♀热量平衡关系为： Q H Q c (T T ) mi i md p 2 1
Qmi H i ♀静态前馈控制方程式为： T2 T1 Qmd c p
♀扰动通道的放大系数为： d dT2 T2 T1 K
●前馈－反馈控制系统的优点
♀有利于对系统中主要干扰进行前馈补偿，对系 统中的其他干扰进行反馈补偿。既简化了系统 结构，又保证了控制精度。 ♀由于增加了反馈控制，降低了前馈控制器精度 要求，有利于前馈控制器的设计和实现。 ♀在反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定 性是一对矛盾。而前馈-反馈控制系统既可实 现高精度控制，又能保证系统稳定运行
+
D( s)
+
G p ( s )e
s
Y ( s)
G p (s)
K P
♀在负载扰动时，增益自适应方案优于Smith预 估方案;在给定值变化时，Smith预估方案优于 增益自适应方案。
●完全抗干扰的Smith预估器
◆完全抗干扰：不管是在稳态还是在动态下系统
的输出响应均不受外界干扰的影响。 ◆若扰动源不包括在Smith预估补偿回路内，对 纯延迟环节的补偿效果将明显降低。设计中应 使主要干扰源落在纯延迟补偿器输入的前端。
♀Smith预估器传递函数为：
Y ( s ) G p ( s )e s G ( s ) G p ( s ) p U ( s)
G ( s ) G p ( s )(1 e p
s
)
♀系统的闭环传递函数为
Y ( s) R( s ) 1 Gc ( s )G p ( s )e s Gc ( s )G p ( s )(1 e s ) Gc ( s )G p ( s )e s 1 Gc ( s )G p ( s ) Gc ( s )G p ( s )e s
★Smith预估器的原理： ◆以模型为基础的预估器补偿控制方法 ◆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,试图使被延迟了 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。

◆Smith预估器控制原理图
R(s) +
－
G c (s)
U ( s)