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过程控制 第二篇 复杂控制系统 第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质 §6-1 概述 §6-2 前馈控制系统 §6-3 大迟延系统 §6-4 非线性增益补偿系统（自学） §6-1 概述 反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制 有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出 Gc(s) Kv Gp(s) - r + y D Gd (s) + + 反馈控制的缺点： Kv Gp(s) y D Gd (s) + + Gff(s) 设计控制器Gff(s)，使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。 则扰动D的变化与输出Y无关。 工程实际中几种不变性 （1）绝对不变性： （2）误差不变性： （3）稳态不变性： （4）选择不变性：对主要扰动不变性 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。即： U(s) Y(s) D1(s) Di(s) Dn(s) 被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动 §6-2 前馈控制系统 基本概念 静态前馈 动态前馈 前馈——反馈控制系统 H W D 汽包水位控制例 Gc1(s) Kv Gp(s) - r H D Δw + Gd(s) Gff(s) Gc2(s) 当Gff(s) Gp(s)=- Gd(s)时，蒸汽扰动对水位的影响消除。 把Gff(s) 称为前馈控制器。 ， 定义：基于不变性原理的控制称为前馈控制。是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响控制系统的稳定性。 1 基本概念 定义：基于不变性原理的控制系统称为前馈控制系统。是一种按扰动进行补偿的开环控制系统 对 象 前馈控制器 μ D1 Di Dn … … y 前馈控制系统 2 静态前馈 定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态前馈。即基于稳态不变性原理 前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行 简单情况： H W D Gc1(s) Kv Gp(s) - r H D Δw + Gd(s) Gff(s) Gc2(s) 若 静态前馈控制器为： 复杂情况： 静态前馈控制器的设计是按过程的物质或能量平衡方程计算补偿校正值。 列管换热器控制 换热器热平衡方程为： 为定压比热容 为汽化潜热 那么前馈控制器为： 常数 QC DT DT θT × k ∑ θ2r + - Q D θ2 θ1 料液 加热蒸汽 静态前馈控制器 3 动态前馈 若 静态前馈kff 动态前馈Gff(s) Gff(s) Gp(s) Gd(s) D Kff Gp(s) Gd(s) D 扰动D 扰动输出 调节输出 系统输出 动态前馈要消除的面积 动态前馈产生的面积 动态前馈G‘ff(s)的图示说明： 静态前馈控制 动态前馈控制器（补偿器） 讨论： （1）Tp=Td，则 若 动态前馈为纯迟延可实现； 若 动态前馈为纯提前不可实现。 扰动D Gff(s) Gp(s) Gd(s) D 由此可得到：在选择调节通道时应选择迟延短的和时间常数小的通道。 （2）τ p= τd ，则 若Tp=Td, 若TpTd, 若TpTd, 为超前补偿特性 为滞后补偿特性 为比例环节 扰动D Gff(s) Gp(s) Gd(s) D 一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用 1）前馈控制属于开环控制。 ----只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 ----即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。 2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 ----通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。 ----当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。 3）前馈控制器的控制规律取决于过程特性，是一个专用控制器。 反馈控制系统中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。 4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响。 反馈控制则对包含在其回路中的多种干扰都具有抑制作用。 3、前馈控制系统---特点 4、 前馈控制系统---局限性 1）只能克服可测不可控的干扰，对不可测干扰无法实现前馈控制。 实际生产过程中存在着很多干扰。针对每个干扰设置一套前馈控制器， 系统复杂且投资增加，是不现实的。 2）前馈控制器的调节规律取决于过程的干扰通道特性和控制通道特性。 准确掌握上述特性是困难的，前馈控制器难以获得；工程上难于实现。 被控过程的非线性，使其动态特性发生变化，原有前馈控制器不再 适用，无法实现干扰的动态完全补偿。 前馈控制往往不能单独使用。 4 前馈—反馈控制 使可测扰动对系统没有影响或影响很小； 对系统的稳定性没有