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5.1补偿控制的基本原理与结构 一、问题的提出 其他反馈控制的缺点： ?无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。 ?被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故限制了控制作用的充分发挥。 在控制系统设计中，采用常规的PID控制有时很 难获得良好的控制质量。但是，若能求出满足性能 指标的控制律，就可以采用一种通用的设计方法， 即在系统中增加“补偿控制器”。这种补偿控制装置 可以改变控制器的响应，从而使整个系统获得期望 的性能指标。 补偿控制系统的分类方法很多。按补偿控制 结构的不同，补偿控制系统可以分为四种。 第一种称为控制量补偿，它是将控制输入量 经过处理后，直接向前传递，并与主控制器的输 出进行迭加，如图5.1（a）所示。 第二种称为扰动量补偿，它是将系统的扰动 输入量经过处理后，向前传递，并与主控制器的 输出进行迭加，如图5.1（b）所示。上述两种补偿控制方法有时也称为前馈补偿。 第三种称为反馈补偿，它是在主控制器反馈回路中增加一个控制器，如图5.1（c）所示。 第四种称为串联补偿，它是将补偿器与主控制器串联连接，如图5.1（d）所示。 5.2 前馈控制系统 反馈控制是按被控量的偏差进行控制的。 控制原理：将被控量的偏差信号反馈到控制 器，由控制器去修正控制量，以减小偏差量。 反馈控制能产生作用的前提条件是被控量必 须偏离设定值。在反馈系统把被控量调回到设定 值之前，系统一直处于受扰动的状态。 前馈控制是按扰动量的变化进行控制的。 控制原理：当系统出现扰动时，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，以抵消或减小扰动对被控量的影响。 由于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，所以这种控制 方式称为前馈控制系统。 前馈控制理论基础：不变性原理 不变性原理就是指控制系统的被调量与扰动量绝对无关或者在一定准确度下无关，也即被调量完全独立或基本独立。 设被控对象受到的干扰为D(t)，则被控量y(t)的不变性就表现为： 假设换热器的被控量为出口温度T2，主要干扰量为进料量Md。当采用前馈控制系统时，先通过流量变送器FT测得进料量Md，并送前馈控制器Gf(s)，前馈控制器对此信号经过一定的运算处理后， 输出合适的控制信号去操纵蒸汽控制阀，从而改变加蒸汽量Mb，以补偿进料量Md对被控温度T2的影响。 例如，当进料量Md减少时，会使出口温度T2上升。 前馈控制器的校正作用是：在测取进料量Md减少时，就按照一定的规律减小加热蒸汽量Mb，只要蒸汽量改变的幅值和动态过程合适，就可以显著地减小由于进料量Md的波动而引起的出口温度T2的波动。从理论上讲，只要前馈控制器设计合理，就可以实现对扰动量Md的完全补偿，从而使被控量T2与扰动量Md完全无关。 确定前馈控制器的控制律是实现对系统干扰完全补偿的关键。图5.3是上述换热器前馈控制系统方框图。 　 由图可知，在扰动量Md(S)作用下，系统的输出为 　 其中Md(s)Gd(S)表示扰动量对被控对象的影 响，Md(s)Gf(S)Go(S)表示扰动量通过前馈控制 器对被控对象的补偿作用。 系统对于扰动量Md实现 完全补偿的条件是： 而 即 于是，可得前馈控制器的传递函数Gf(S)为 不论扰动量Md为何值，总有T2(S)=0。这就是完全补偿。 注意：要实现对扰动量的完全补偿，必须保证Gd(S)，Go(S)和Gf(S)等环节的传递函数是精确的。否则，就不能保证T2(S)等于零，被控量与设定值之间就会出现偏差。在实际工程中，一般不单独采用前馈控制方案。 前馈与反馈的比较 (1)、检测：前馈控制测干扰；反馈控制测被控量。 (2)、效果：克服干扰，前馈控制及时，理论上可实现完全补偿；反馈控制不及时。 (3)、经济性：克服干扰，前馈控制只能一对一，不如反馈控制经济。 (4)、稳定性：前馈为开环，不存在此问题；反馈则不同，稳定性与控制精度是矛盾的。 5.2.2前馈控制系统的基本结构 　　　在干扰通道和控制通道的动态特性相同的情　　　 　　况下，有 前馈控制器的输出仅仅是输入信号的函数，而与时间无关，满足