补偿控制系统的设计

第七章 补偿控制系统的设计
§7.1 补偿控制的基本思想与结构 §7.2 前馈控制系统 §7.3 大时延控制系统
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主要介绍：补偿控制的基本概念和常用的补偿控制方法。
§7.1 补偿控制的基本原理与结构
补偿控制系统按结构的不同可分为四种 1、输入量补偿：将输入量经过处理后，直接向前传递，并与 主控制器的输出进行叠加。 其结构图如下： 输入量补偿器
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WFF ( S ) K f
2 1
目前常用的前馈控制器模型有：
“K f ”、“K f T1S 1 T S 1 S ”、“K f 1 e ” T2 S 1 T2 S 1
（一）“ K f ”型前馈控制器
是静态前馈，用比例控制器或比值器等常规仪表实现。
T1S 1 （二）“ Kf ”型前馈控制器 T2 S 1
显然，在系统的闭环特征方程中，已不再包含纯滞后环 节，因此采用Smith预估补偿控制可以消除纯滞后环节对控 制系统品质的影响。传递函数分子上的纯滞后环节表明被控 量的响应比设定值滞后时间τ 。
例：已知某过程控制系统如图：
F (S ) X (S ) - + U (S ) +
WC (S ) +
K S e TS 1
Y (S )
-
Y (S )
K TS 1
e
S
+
+ +
图中K 2，T 4s， 4s
当W （ K c 20，TI 1s，系统 c S）采用PI控制规律，且 在给定值（r 10 ）阶跃变化下的响应曲 线如下图所示
使用Sm ith 预估器的控制性能 指标为：超调量为 0.32，调节时 间为8s, 与单回路PID控制相比， 效果显著。
Y (S ) TI Ses 1 s F (S ) TI SW0 (S ) Kc (TI S 1)(TD S 1)e
微分先行控制方案
微分环节的输出包 括被控参数及其变化速 度值，因而克服动态超 调的作用强。
Kc (TI S 1)es Y (S ) 1 s X (S ) TI SW0 (S ) Kc (TI S 1)(TD S 1)e
必须满足：
Y S S W （ S ） e W （ W （ 0 0 S） 0 S） U S
由上式可得 Smith 预估器的传递函数为：
S W（ S ） W （ S ） 1 e 0 0


整个系统的闭环传递函数为：
S W （ S ） W （ S ） e Y S c 0 S S X S 1 W （ S ） W （ S ） e W （ S ） W （ S ） ( 1 e ) c 0 c 0 S W （ S ） W （ S ） e 0 c 1W （ （ c S）W 0 S）
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§7.2 前馈控制系统
反馈控制系统： 按偏差进行控制 即：干扰作用 被控量偏差 控制器补偿
反馈控制方案本身决定了它无法将干扰克服在被控量偏 离设定值之前，因而限制了控制质量的进一步提高。 既然偏差产生的直接原因是干扰，能否直接按扰动进 行控制？
基本思想：扰动通过扰动通道作用于系统、影响系统的控
T 一阶“滞后-超前” 前馈控制器。 K 1
实施方案：
K
输入
1 T2 S 1
T2
1
Kf

K


输出
T1S 1 S （三）“ Kf e ”型前馈控制器 T2 S 1
e S 1 ( ) S 2 K 1 TS 2 1 1 TS TS 1 1 ( ) S 2
WFF (S ) W f (S ) W 0(S )
能够保证控制过程的静态、动态偏差接近或等于零。
3、前馈-反馈控制系统 前馈-反馈控制系统的结构图如下：
F (S )
WFF (S )
-
W f (S )
X (S ) +
+
-
WC (S )
+
W0 (S )
+ +
Y (S )
W f (S ) WFF (S )W0 (S ) Wc (S )W 0(S ) Y (S ) X (S ) F (S ) 1 Wc (S )W 0(S ) 1 Wc (S )W 0(S )
许多工业对象都具有非周期与过阻尼的特性，因此可以 用一阶或二阶，必要时串联一个纯滞后环节来近似。假如： 控制通道的特性为： W0 ( S ) 扰动通道的特性为： W f (S )
则前馈调节器模型为：
K1 1S e T1S 1 K2 e 2 S K T2 S 1 2 K1 T1S 1 S e T2 S 1
要实现对扰动 F (S )的完全补偿，则必须有 ：
Wf (S )1 WC 2 (S )W 02(S ) WFF (S )W C 2(S )W02 (S )W 01(S ) 0
W f (S ) 即：WFF ( S ) W C 2( S )W 02( S ) W 01( S ) 1 W C 2( S )W 02( S )
Y (S )
S
-
Y (S )
W0 (S ) W0 ( S )
e
+
+ +
不采用Smith 预估器时：
Y S S W （ S ） e 0 U S
可见控制器的输出需要经过时间τ 才起作用
采用Smith 预估器时：
Y S S W （ S ） e W （ 0 0 S） U S 为了使控制器的输出信号与反馈信号Y’（S）之间无延时，
制性能。如果扰动是可测量的，且扰动通道的模型可以获得，
那么，可以设计一个补偿器，使得补偿环节对系统的作用与
扰动对系统的影响相互抵消，从而消除扰动对系统的影响。
一、前馈控制
例：换热器前馈-反馈控制系统
前馈作用
工作过程：如果影响被控量的主要扰 动为进料量的流量……
扰动作用
前馈控制（描述）：在被控量还未受到影响之前，控制器就 产生了控制作用，在理论上可以彻底消 除误差，实现对扰动的完全补偿。 前馈控制系统的方框图：
F (S )
WFF (S )
W f (S )
-
X (S ) +
-
WC1 (S )
+ +
-
WC 2 (S )
W02 (S )
W01(S )
+ +
Y (S )
Y (S ) W f (S )1 WC 2 (S )W 02(S ) WFF (S )W C 2(S )W02 (S )W 01(S ) F (S ) 1 WC 2 (S )W 02(S ) WC1 (S )W C 2(S )W02 (S )W 01(S )
F (S )
扰动 扰动通道
W f (S )
WFF (S )
W0 (S )
+ +
被控量
Y (S )
前馈控制器 被控量对于扰动的输出：
对象
Y (S ) W f ( S ) WFF ( S )W 0( S ) F (S )
Y (S ) W f ( S ) WFF ( S )W 0( S ) F (S )
例：
克服纯延时的几种常见方案
改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 预估补偿：原理上能消除纯延时对控制系统的动态影响， 但前提是具有被控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响 较大。 其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
一、改进型常规控制方案
常规PI D控制
微分环节的输入 是对偏差作了比例积 分运算后的值，因而 克服动态超调的作用 有限。
Kc (TI S 1)(TD S 1)es Y (S ) 1 s X (S ) TI SW0 (S ) Kc (TI S 1)(TD S 1)e
Y (S ) TI Ses F (S ) TI SW01 (S ) Kc (TI S 1)(TD S 1)es
中间微分控制方案
只在动态过程中起调 节作用。
三种控制方案在设定值扰 动下过渡过程的比较见右图。 微分先行、中间反馈控制 方案简单易行，且对降低超调 量有显著的效果。 不能克服滞后
二、预估补偿控制方案
Smith 预估器
1957年 史密斯（O.J.M.Smith）提出了一种以模型为基础 的预估器补偿控制方法
设计思想: 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,试图使被延时了τ 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。
三、前馈控制系统的结构形式
1、静态前馈控制系统 扰动通道的静态放大系数
WFF (S ) W f (0) W 0(0) K F
控制通道的静态放大系数 只考虑稳态时的校正，即只能保证被控量的静态偏差接 近或等于零。
适用于Wf (S )与W 0(S )滞后相差不大的情形。
2、动态前馈控制系统
2、扰动量补偿：将系统的扰动输入量经过处理后，直接向前 传递，并与主控制器的输出进行叠加。 其结构图如下： 扰动量补偿器
上述两种补偿控制的方法又称为前馈补偿
3、反馈补偿：在主控制器反馈回路中增加一个控制器。
其结构图如下：
反馈补偿器 4、串联补偿：将补偿器与主控制器串联连接。 其结构图如下： 串联补偿器
要实现对扰动 F (S )的完全补偿，则必须有 ：
Wf (S ) WFF (S )W 0(S ) 0
即：WFF (S ) W f (S ) W 0(S )
完全补偿条件与前 馈控制系统相同
前馈-反馈控制系统的优点： • 由于增加了反馈控制回路，降低了前馈控制器的精度要求。 • 利用前馈控制对系统中的主要扰动进行补偿；利用反馈控制 克服其余次要的扰动，保证被控量的稳态精度。 • 既可实现高精度控制（反馈），又能保证系统稳定运行（前 馈）。 4、前馈-串级控制系统 前馈-串级控制系统的结构图如下：
在串级控制系统中，当副回路的工作频率远远大于主回路 的工作频率，则副回路的传递函数可近似表示为：
W C 2( S )W 02( S ) 1 1 W C 2( S )W 02( S )
则：WFF (S )
W f (S ) W 01(S )
四、前馈控制作用的实施
前馈控制器的特性是由对象干扰通道和控制通道的特性 确定的，要想获得完全补偿，就必须精确知道上述两通道的 特性。由于工业对象的特性极为复杂，导致了前馈控制作用 形式颇多。但从工业应用的角度看，总是力求控制仪表具有 一定的通用性，以利于设计、运行和维护。
当F (S ) 0时，要实现完全补偿， 必须有：
Wf (S ) WFF (S )W 0(S ) 0
即：WFF (S ) W f (S ) W 0(S )
“-”表示前馈控制作用的方向与干扰作用的方向相反。
二、前馈控制的特点（与反馈控制系统相比）P218
1、是一种开环控制； 2、控制的根据是扰动； 3、前馈调节器的控制律由过程特性决定； 4、多用来抑制可测而不可控的扰动对被控参数的影响； 5、控制及时，理论上可实现对干扰的完全控制； 6、实现的经济性差。一个前馈调节器只能对一个扰动进行补偿。
Smith 预估器控制原理如下图 ：
F (S ) X (S ) - + U (S ) +
WC (S ) +
W0 (S )e
S
Y (S )
S
-
Y (S )
W0 (S ) W0 ( S )
e
+
+ +
F (S ) X (S ) - + U (S ) +
WC (S ) +
W0 (S )eS
T

2
实施方案：
e S
输入
T S 1 Kf 1 T2 S 1

2
1 S 1


输出
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§7.3 大时延控制系统
在许多工业生产过程中，例如：传送物料能量、测量成 分量、皮带运输、带钢连轧机，以及多容、多种设备串联等过 程，都存在较大的纯时延。
大延时对象一般是指广义对象的时延与时间常数之比大 于0.5。 控制系统中的大时延能导致系统的稳定性下降，甚至不 稳定。