第7章：补偿控制
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自控原理课件 第7章-自动控制系统控制器及其校正与设计
31
32
33
比例控制器另一作用是调整系统的开环放大 倍数，加快系统的响应速度。 考虑图7.14所示带有比例控制器校正的控制系 统，系统的闭环传递函数为
34
可见，Kp 愈大，稳态精度愈高，系统的时间常 数τ＝T/(1+Kp )愈小，则系统响应速度愈快。 [例7.4]被控对象为一阶惯性的比例控制器控 制时SIMULINK仿真 如图7.15所示，一阶惯性环节为10/(5s+1) ，比例控制器增益为1时，系统输出为指数上升 形式。 如图7.16所示，被控对象不变，比例控制器 增益为10，系统输出仍为指数上升形式，输出与 输入不相等，仍为有差系统，但误差减小，且响 应速度加快，读者可计算验证。
67
由图7.36可见，校正前原系统是O型系统(无积 分器）是有静差系统。校正后系统成为I型系统(含 有一个积分器)，在阶跃输入下能实现无静差，改 善了系统的稳态性能。校正前原系统相位裕量＝ 88º ，校正后相位裕量＝65，相位裕量是减小的， 意味着系统的超调量将增加，降低了系统的稳定 性。总之，采用PI校正，能改善系统的稳态性能， 而动态性能可能受到一定的影响。
第7章 自动控制系统控制器及其 校正与设计
本章主要讲述自动控制系统中常用的控制器 及其校正。在对自动控制系统分析后，发现系统 不能满足性能指标的要求，需要对系统进行改进， 在原有的系统中，有目的地增添一些装置和元件， 人为地改变系统的结构和性能，使之满足所要求 的性能指标，这种方法就称为校正。常用的校正 方法有串联校正、反馈校正和顺馈补偿。同时， 本章还简要叙述常用的工程上的设计方法。
38
SIMULINK仿真结果如图7.20所示，输出波形 虽有振荡，但超调量减小，振荡次数减少，系统响 应得到了改善。 7．2．3 积分控制器(I)校正
热工控制系统课堂ppt第七章前馈反馈复合控制系统
第一节 前馈控制系统的组成
前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被 调参数的偏差值来控制的。
反馈控制的特点:
必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调 节来补偿干扰对被调量的影响。
如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动 作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控 制”。
给水扰动是内扰，其他是外扰 。
三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符 合以下基本要求：
首先，由于被控对象在给水量G 扰动下的水位阶跃反应曲线表
现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用 调节器以保证系统的稳定性。
其次，由于对象在蒸汽量D 扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量， 对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化 的干扰采用反馈控制来克服。
以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。
前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点， 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到 广泛应用。
在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容 积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（ 被调量）发生变化又要经过一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的 影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控 制质量的进一步提高。
第四节复合控制系统实例分析 ——三冲量给水控制系统
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包 中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：
前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被 调参数的偏差值来控制的。
反馈控制的特点:
必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调 节来补偿干扰对被调量的影响。
如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动 作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控 制”。
给水扰动是内扰，其他是外扰 。
三、给水自动控制系统的基本要求
根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符 合以下基本要求：
首先，由于被控对象在给水量G 扰动下的水位阶跃反应曲线表
现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用 调节器以保证系统的稳定性。
其次，由于对象在蒸汽量D 扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量， 对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化 的干扰采用反馈控制来克服。
以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。
前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点， 又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到 广泛应用。
在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容 积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（ 被调量）发生变化又要经过一定的时间。
可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的 影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控 制质量的进一步提高。
第四节复合控制系统实例分析 ——三冲量给水控制系统
一、给水控制的任务
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包 中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：
核反应堆物理基础(第7-8章)
温度变化对反应堆的影响反应性系数反应性系数是反应堆的反应性相对于某一个参数的变化率。
温度系数的表示式按照反应性的定义ρ＝1－k －1，反应性温度系数可6温度系数对反应堆稳定性的影响正的反应性温度效应会造成反应堆具有内在的不稳定性。
在反应堆设计时不希望出现正的温度系数。
具有负温度系数的反应堆，温度变化引起的反应性变化是负反馈效应，因而具有内在的稳定性。
T上升，K eff 下降，功率P下降，T回到初始值。
T下降，K eff 上升，功率P上升，T也会回到初始值。
燃料温度系数燃料温度变化一度时所引起的反燃料温度系数的影响因素燃料温度系数的影响因素：燃料温度，燃料燃耗慢化剂温度系数慢化剂温度变化—度时所引起的反应性变化称为慢化剂温慢化剂温度系数与水铀比的关系慢化剂温度系数与单位体慢化剂的反应性温度系数12慢化剂温度系数与温度和燃耗的关系慢化剂温度系数与慢化剂温度、硼浓随着慢化剂温度的增加，慢化剂温度系数向负的方向变加，慢化剂温度系数向正的方向变化。
空泡系数几种堆型的反应性系数功率系数单位功率变化所引起的反应性称为功率反应性系数。
典型压水堆的功率系数功率系数一般为负值。
17功率亏损从运行上更有意义的是功率系数的积分量，即功率功率亏损定义为从零功率变化到满功率时反应性的从一功率升到另一功率一定要向堆芯引入正反应性。
剩余反应性：堆芯没有任何控制毒物时的反应性称反应性控制中常用物理量反应性的三种控制方式反应性控制的任务主要任务是使得反应堆保持受控运行状态：反应性控制的类型控制分成三类：紧急控制，当需要时，快速引入大的负反应控制反应性的方法在压水堆中主要有两种反应性控制手段的比较主要反应堆类型的反应性值大亚湾压水堆的反应性控制要求反应性ρ％反应性控制因素控制棒的作用用来控制反应性的快速变化：29控制棒类型的选择不同类型反应堆，控制棒吸收材料分布均匀，使提高单位吸收材料吸收中子的效率，减轻控制不会在控制棒提升时因留下过大水隙而造成功控制棒材料的选择控制棒材料的选择要考虑：控制棒当量的计算分别进行临界计算，求出有控制棒和无控制棒时压水堆束棒式控制棒的当量计算 在压水堆束棒式控制棒中，将每个控制棒细棒与周围的中子价值的概念同样一个中子处于反应堆的不同位置，它对反应堆控制棒的微分价值 不仅要知道控制棒完全插入控制棒的积分价值控制棒价值的影响因素堆芯的慢化剂温度、硼浓度和燃耗会影响控制棒控制棒插入对堆轴向功率分布的影响38控制棒间的干涉效应在多根控制棒同时插入堆芯时，总价值并不等于各根控制棒单独插入堆芯时的价值之和。
补偿控制
补偿控制及其应用摘要：基于不变性原理组成的自动控制系统称为补偿控制系统，它实现了系统对全部干扰或部分干扰的补偿。
按其结构的不同，补偿控制系统一般有前馈控制系统和大迟延控制系统两种关键词：补偿控制；应用领域引言随着生产过程的强化和设备的大型化，对自动控制提出越来越高的要求，虽然反馈控制能满足大多数控制对象的要求，但是在对象特性呈现大迟延（包括容积时延和纯迟延）、多干扰等难以控制的特性，而又希望得到较好的过程响应时，反馈控制系统往往会令人失望。
为了适应更高的控制要求，各种特殊控制规律和措施便应运而生。
控制理论中提出来的不变性原理在这个发展过程中得到较充分的应用。
所谓不变性原理就是指控制系统的被控变量与扰动量绝对无关或者在一定准确度下无关，也即被控变量完全独立或基本独立。
1：概念前馈控制又称为干扰补偿控制。
它与反馈控制不同，它是依据引起被控参数变化的干扰大小进行调节的，当干扰刚刚出现而能测出时，前馈补偿器便发出调节信号使调节参数作相应的变化，使调节作用与干扰作用及时抵消于被控参数产生偏差之前。
在大多数被控过程的动态特性中，既包含纯滞后τ，又包含惯性常数T，通常用τ/T的比值来衡量被控过程纯滞后的严重程度。
若τ/T<0.3，则称为一般滞后过程；若τ/T>0.3,则称为大滞后过程。
2：补偿控制的基本原理与结构设被控对象受到干扰Di(t)的作用如图1--（1）所示。
则被控变量y(t)的不变性可表示为：当Di(t)≠0时，则y(t)=0 (i=l,2,…,n)即被控变量y(t)与干扰Di(t)独立无关。
基于不变性原理组成的自动控制系统称为补偿控制系统，它实现了系统对全部干扰或部分干扰的不变性，实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统。
图1--（1）3：结构3-1：前馈控制分为静态前馈控制和动态前馈控制两种静态前馈控制：所谓静态补偿，是指前馈补偿器为静态特性，是由于干扰通道的静态放大系数和控制通道的静态放大系数的比值决定的，即G b(0)=-G f(0)/G0(0)=-K B，静态补偿的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于0，而不考虑其动态偏差。
补偿控制
反微分特性，适合于控制通道滞后小于干 扰通道滞后的场合。
T1 T2 T1 T2
T1 / T2
t
一阶超前—滞后动态前馈控制器的实现框图所示。
K
输入
1 T2 s 1
-
K ff
K
K T1 -1 T2
输出
3）具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器 具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器的传递函数为
n0
c0
c
Yc - Yc0 Yc K ff Yn - Yn0 Yn
2． T1 、T2 参数的整定
G ff ( s) K ff
T1 s 1 T2 s 1
当 T1＞T2 时，前馈控制器在动态补偿过程中
起超前作用； 当 T1 ＜T2 时，则前馈控制器在动态补偿过程 中起滞后作用； 当 T ＝T 时，动态补偿不起作用。
道的特性。而要实现对干扰的完全补偿，必须十分精确的 知道对象干扰通道和控制通道的特性，这在工业过程中是
十分困难的，也是不现实的。
大部分工业过程都具有非周期与过阻尼特性，常常可 表示为一阶或二阶加纯滞后环节。假定系统控制通道的传 递函数为：
K1 s G0 ( s) e T1 s 1
1
干扰通道的传递函数为：
致控制不及时，是否可在反馈控制中增加
“补偿控制”，是系统的特性得到大大地
改善。
热交换器的反馈控制为例：
2
蒸汽
设定值 TC TT
热交换器的反馈控制
进料量 冷凝水 出口温度
给定信号和扰动信号同时作用下系统的单位阶跃响应如图所示，系统对干扰作用下的 超调量达到100%，调节时间1530s，控制的动态特性较差。
T1 T2 T1 T2
T1 / T2
t
一阶超前—滞后动态前馈控制器的实现框图所示。
K
输入
1 T2 s 1
-
K ff
K
K T1 -1 T2
输出
3）具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器 具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器的传递函数为
n0
c0
c
Yc - Yc0 Yc K ff Yn - Yn0 Yn
2． T1 、T2 参数的整定
G ff ( s) K ff
T1 s 1 T2 s 1
当 T1＞T2 时，前馈控制器在动态补偿过程中
起超前作用； 当 T1 ＜T2 时，则前馈控制器在动态补偿过程 中起滞后作用； 当 T ＝T 时，动态补偿不起作用。
道的特性。而要实现对干扰的完全补偿，必须十分精确的 知道对象干扰通道和控制通道的特性，这在工业过程中是
十分困难的，也是不现实的。
大部分工业过程都具有非周期与过阻尼特性，常常可 表示为一阶或二阶加纯滞后环节。假定系统控制通道的传 递函数为：
K1 s G0 ( s) e T1 s 1
1
干扰通道的传递函数为：
致控制不及时，是否可在反馈控制中增加
“补偿控制”，是系统的特性得到大大地
改善。
热交换器的反馈控制为例：
2
蒸汽
设定值 TC TT
热交换器的反馈控制
进料量 冷凝水 出口温度
给定信号和扰动信号同时作用下系统的单位阶跃响应如图所示，系统对干扰作用下的 超调量达到100%，调节时间1530s，控制的动态特性较差。
控制系统补偿和综合
遗传算法优化
应用遗传算法对控制系统参数进行优化，提高系统性能。
04 控制系统性能评估与优化
性能评估指标与方法
时域性能指标
包括上升时间、峰值时间、超调量等，用于评估系统的动态响应 特性。
频域性能指标
如相位裕度、幅值裕度等，用于评估系统的稳定性和抗干扰能力。
评估方法
可采用实验测试、仿真分析等手段，对系统性能进行定量或定性评 估。
利用系统根轨迹图形，分析系统稳定性和动态性能，并通过调
整系统参数进行优化设计。
校正网络设计
03
在系统中引入校正网络，以改善系统性能，如提高稳定性、减
少稳态误差等。
现代控制理论综合方法
状态空间法
鲁棒控制理论
基于状态空间模型进行系统分析和设 计，利用状态反馈和输出反馈实现系 统性能优化。
针对系统不确定性和干扰，设计鲁棒 控制器以确保系统稳定性和性能。
模糊控制补偿
基于模糊数学理论设计模糊控制器，实现对复杂非线性系统的有效 补偿。
遗传算法补偿
利用遗传算法的全局搜索能力，寻找最优的补偿器参数，以改善系 统性能。
03 控制系统综合方法
经典控制理论综合方法
频率响应法
01
通过调整系统频率响应特性，如幅频特性和相频特性，以满足
系统性能指标要求。
根轨迹法
02
结果讨论与改进建议
根据实验结果，对控制系统的性 能进行评估和讨论，提出改进意 见和建议。同时，可以与其他实 验结果或理论分析结果进行对比 分析，进一步加深对控制系统性 能的理解。
06 总结与展望
研究成果总结
01 02 03
控制系统补偿方法
通过深入研究，我们成功提出并验证了多种有效的控制系 统补偿方法，包括基于模型的补偿、自适应补偿和鲁棒补 偿等。这些方法在提高系统性能、稳定性和抗干扰能力方 面取得了显著成果。
应用遗传算法对控制系统参数进行优化，提高系统性能。
04 控制系统性能评估与优化
性能评估指标与方法
时域性能指标
包括上升时间、峰值时间、超调量等，用于评估系统的动态响应 特性。
频域性能指标
如相位裕度、幅值裕度等，用于评估系统的稳定性和抗干扰能力。
评估方法
可采用实验测试、仿真分析等手段，对系统性能进行定量或定性评 估。
利用系统根轨迹图形，分析系统稳定性和动态性能，并通过调
整系统参数进行优化设计。
校正网络设计
03
在系统中引入校正网络，以改善系统性能，如提高稳定性、减
少稳态误差等。
现代控制理论综合方法
状态空间法
鲁棒控制理论
基于状态空间模型进行系统分析和设 计，利用状态反馈和输出反馈实现系 统性能优化。
针对系统不确定性和干扰，设计鲁棒 控制器以确保系统稳定性和性能。
模糊控制补偿
基于模糊数学理论设计模糊控制器，实现对复杂非线性系统的有效 补偿。
遗传算法补偿
利用遗传算法的全局搜索能力，寻找最优的补偿器参数，以改善系 统性能。
03 控制系统综合方法
经典控制理论综合方法
频率响应法
01
通过调整系统频率响应特性，如幅频特性和相频特性，以满足
系统性能指标要求。
根轨迹法
02
结果讨论与改进建议
根据实验结果，对控制系统的性 能进行评估和讨论，提出改进意 见和建议。同时，可以与其他实 验结果或理论分析结果进行对比 分析，进一步加深对控制系统性 能的理解。
06 总结与展望
研究成果总结
01 02 03
控制系统补偿方法
通过深入研究，我们成功提出并验证了多种有效的控制系 统补偿方法，包括基于模型的补偿、自适应补偿和鲁棒补 偿等。这些方法在提高系统性能、稳定性和抗干扰能力方 面取得了显著成果。
第七章 补偿控制
构成开环控制
4
D(s)
Gc (s)
_R (s)_源自G 2 (s)+
_
G 1 (s)
+
+
C(s)
G 3 (s)
H(s)
扰动量补偿：增加扰动信号的前向通道， 扰动量补偿：增加扰动信号的前向通道，利用
双通道原理来补偿干扰。 双通道原理来补偿干扰。
5
R (s)+
G 1 (s ) +
_
G c (s)
G 2 (s)
2
热交换器的反馈控制
给定信号和扰动信号同时作用下系统的单位阶跃响应如图所示，系统对干扰作用下的 超调量达到100%，调节时间1530s，控制的动态特性较差。
G c (s)
D(s)
+
R (s)
_
+ G 1 (s ) + +
_
G 2 (s)
C(s)
控制量补偿：控制信号直接作用到被控对象， 控制量补偿：控制信号直接作用到被控对象，
3）具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器 ）具有纯滞后的超前 滞后动态前馈控制器 具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器的传递函数为 具有纯滞后的超前 滞后动态前馈控制器的传递函数为
T1 s + 1 −τs G ff ( s ) = − K ff e T2 s + 1
7.3 大迟延（时滞）过程系统 大迟延（时滞）
按偏差大小控制的反馈控制系统， 按偏差大小控制的反馈控制系统，无法 将干扰克服在被控量偏离设定值之前，导 将干扰克服在被控量偏离设定值之前， 致控制不及时， 致控制不及时，是否可在反馈控制中增加 “补偿控制”，是系统的特性得到大大地 补偿控制” 改善。常见的补偿控制结构有： 改善。常见的补偿控制结构有：
4
D(s)
Gc (s)
_R (s)_源自G 2 (s)+
_
G 1 (s)
+
+
C(s)
G 3 (s)
H(s)
扰动量补偿：增加扰动信号的前向通道， 扰动量补偿：增加扰动信号的前向通道，利用
双通道原理来补偿干扰。 双通道原理来补偿干扰。
5
R (s)+
G 1 (s ) +
_
G c (s)
G 2 (s)
2
热交换器的反馈控制
给定信号和扰动信号同时作用下系统的单位阶跃响应如图所示，系统对干扰作用下的 超调量达到100%，调节时间1530s，控制的动态特性较差。
G c (s)
D(s)
+
R (s)
_
+ G 1 (s ) + +
_
G 2 (s)
C(s)
控制量补偿：控制信号直接作用到被控对象， 控制量补偿：控制信号直接作用到被控对象，
3）具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器 ）具有纯滞后的超前 滞后动态前馈控制器 具有纯滞后的超前—滞后动态前馈控制器的传递函数为 具有纯滞后的超前 滞后动态前馈控制器的传递函数为
T1 s + 1 −τs G ff ( s ) = − K ff e T2 s + 1
7.3 大迟延（时滞）过程系统 大迟延（时滞）
按偏差大小控制的反馈控制系统， 按偏差大小控制的反馈控制系统，无法 将干扰克服在被控量偏离设定值之前，导 将干扰克服在被控量偏离设定值之前， 致控制不及时， 致控制不及时，是否可在反馈控制中增加 “补偿控制”，是系统的特性得到大大地 补偿控制” 改善。常见的补偿控制结构有： 改善。常见的补偿控制结构有：
电力系统的电容器补偿与控制
电力系统的电容器补偿与控制电力系统是现代社会不可或缺的基础设施之一，而其中的电容器补偿与控制技术在提高电力系统的质量、稳定性和效率方面起着重要作用。
本文将探讨电力系统中电容器补偿与控制的相关内容，介绍电容器补偿的原理和应用，以及相关的控制策略和技术。
一、电容器补偿原理及应用电容器补偿是一种通过引入电容器来改善电力系统的功率因数和电压质量的技术。
电容器可以储存和释放电能，通过与电源系统并联或串联连接，以补偿电力系统中的无功功率，提高功率因数，减少功率损耗，改善电压波动。
电容器补偿主要应用于以下几个方面：1. 提高功率因数：电容器可以吸收无功功率，并将其转化为有用的有功功率，从而提高电力系统的功率因数。
功率因数的提高可以减少电网传输损耗，提高电网的利用率。
2. 控制电压波动：电容器的补偿作用可以消除或减小电力系统中的电流和电压的波动，提高系统的电压稳定性和供电质量。
通过调整电容器的容量和补偿方式，可以达到精确的电压调节目标。
3. 缓解电力系统的谐波问题：电容器补偿可以通过消除或减小谐波电流的流过电网和设备，有效地缓解电力系统中的谐波问题，降低谐波对设备的损害，提高系统的可靠性。
二、电容器补偿的控制策略电容器补偿的效果和控制策略密切相关，合理的控制策略可以保证电容器补偿系统的有效运行和性能表现。
以下是几种常见的电容器补偿控制策略：1. 定时开关控制：根据电力系统的负荷变化情况，设定一个固定的时间表，定时地打开或关闭电容器补偿装置。
这种策略简单易行，但是无法适应负荷变化的实时需求。
2. 变压器分Tap控制：根据电力系统的电压变化情况，通过控制变压器的分接头位置，调整电容器的补偿量。
该策略可以根据电压的变化实时调整补偿容量，适应电力系统的变动。
3. 自动功率因数控制：根据电力系统的功率因数和负荷变化状况，通过自动调节电容器的连接和断开，控制系统的功率因数在设定范围内。
该控制策略可以实现功率因数的自动调节，适应电力系统的变化。
补偿控制
26
补偿的目的是： 预估器控制方框图 补偿的目的是：U(s) --> Y’(s)无延迟 无延迟 Smith预估器控制方框图 图7.6 Smith
7 补偿控制
Y ′( s ) = G p ( s ) e −τ s + G ′p ( s ) = G p ( s ) U (s)
Smith预估器的传递函数为： 预估器的传递函数为： 预估器的传递函数为
Y ( s ) G d ( s ) + G ff ( s ) G p ( s ) = D ( s ) 1 + H ( s )G c ( s )G p ( s )
干扰D(S)作用下，对被控量 作用下， 干扰 作用下 Y(S)完全补偿的条件是： 完全补偿的条件是： 完全补偿的条件是 D (s) ≠ 0 而 Y (s) = 0 R(s ) G (s ) 因此有
前馈控制
扰动量的变化进行控制 的变化进行控制， 按扰动量的变化进行控制，即控制器的输入是扰动 量。 前馈”的意思：根据扰动量的大小（ “前馈”的意思：根据扰动量的大小（而非被控量 反馈后得到的偏差）来直接改变控制量， 反馈后得到的偏差）来直接改变控制量，以抵消或 减小扰动对被控量的影响。 减小扰动对被控量的影响。
G c (s ) R (s )
G1 ( s )
D (s )
G2 ( s )
(a)
C (s )
5
7 补偿控制
前馈控制之——扰动量补偿 扰动量补偿 前馈控制之
将系统的扰动输入量D(s)经过处理（Gc(s) ）后 经过处理（ 将系统的扰动输入量 经过处理 向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。 向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。
G c (s )
R (s )
补偿的目的是： 预估器控制方框图 补偿的目的是：U(s) --> Y’(s)无延迟 无延迟 Smith预估器控制方框图 图7.6 Smith
7 补偿控制
Y ′( s ) = G p ( s ) e −τ s + G ′p ( s ) = G p ( s ) U (s)
Smith预估器的传递函数为： 预估器的传递函数为： 预估器的传递函数为
Y ( s ) G d ( s ) + G ff ( s ) G p ( s ) = D ( s ) 1 + H ( s )G c ( s )G p ( s )
干扰D(S)作用下，对被控量 作用下， 干扰 作用下 Y(S)完全补偿的条件是： 完全补偿的条件是： 完全补偿的条件是 D (s) ≠ 0 而 Y (s) = 0 R(s ) G (s ) 因此有
前馈控制
扰动量的变化进行控制 的变化进行控制， 按扰动量的变化进行控制，即控制器的输入是扰动 量。 前馈”的意思：根据扰动量的大小（ “前馈”的意思：根据扰动量的大小（而非被控量 反馈后得到的偏差）来直接改变控制量， 反馈后得到的偏差）来直接改变控制量，以抵消或 减小扰动对被控量的影响。 减小扰动对被控量的影响。
G c (s ) R (s )
G1 ( s )
D (s )
G2 ( s )
(a)
C (s )
5
7 补偿控制
前馈控制之——扰动量补偿 扰动量补偿 前馈控制之
将系统的扰动输入量D(s)经过处理（Gc(s) ）后 经过处理（ 将系统的扰动输入量 经过处理 向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。 向前传递，并与主控制器的输出进行迭加。
G c (s )
R (s )
过程控制的补偿控制
补偿控制
分母不带时滞
分子的纯延迟τ=过程对象的纯延迟
*
7 补偿控制
大林算法中数字控制器的设计 采样控制系统的闭环脉冲传函为： 数字控制器的Z传递函数为：
*
7 补偿控制
由大林算法的要求， 若采用零阶保持器H0(s)，则系统的闭环Z传递函数为：
*
7 补偿控制
数字控制器的Z传递函数为： 若被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，则广义对象的Z传递函数为
数字控制器
一阶或二阶带时滞的惯性环节
采样周期
*
7 补偿控制
假设被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节或 带纯滞后的二阶惯性环节，其传递函数分别为 （7-35） （7-36） 是采样周期的整数倍（m为正整数）
*
7.3.3 大林(Dahlin)算法
大林算法的基本思想 设计一个合适的数字控制器，使系统的闭环传递函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。
本 章 小 结
补偿控制器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。
按其结构的不同，补偿控制系统有四种类型：控制量补偿、扰动量补偿、反馈补偿和串联补偿。
选择何种结构的补偿控制器，一般取决于过程控制系统应满足的性能指标要求。
*
7 补偿控制
Smith预估补偿控制、大林控制算法用于 改善大纯滞后系统的控制品质，提高系统的 稳定性。 Smith预估器是一种以模型为基础的预估 器补偿控制方法，它使被延迟的被控量超前 反馈到控制器，使控制器提前动作,Smith预 估补偿控制方法最大的弱点是对过程模型的 误差十分敏感。 对Smith预估器主要有两种改进方法： （1）增益自适应补偿控制。 （2）完全抗干扰的Smith预估器。
扰动量补偿
*
7 补偿控制
分母不带时滞
分子的纯延迟τ=过程对象的纯延迟
*
7 补偿控制
大林算法中数字控制器的设计 采样控制系统的闭环脉冲传函为： 数字控制器的Z传递函数为：
*
7 补偿控制
由大林算法的要求， 若采用零阶保持器H0(s)，则系统的闭环Z传递函数为：
*
7 补偿控制
数字控制器的Z传递函数为： 若被控对象为具有纯滞后的一阶惯性环节，则广义对象的Z传递函数为
数字控制器
一阶或二阶带时滞的惯性环节
采样周期
*
7 补偿控制
假设被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节或 带纯滞后的二阶惯性环节，其传递函数分别为 （7-35） （7-36） 是采样周期的整数倍（m为正整数）
*
7.3.3 大林(Dahlin)算法
大林算法的基本思想 设计一个合适的数字控制器，使系统的闭环传递函数是具有纯滞后的一阶惯性环节。
本 章 小 结
补偿控制器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。
按其结构的不同，补偿控制系统有四种类型：控制量补偿、扰动量补偿、反馈补偿和串联补偿。
选择何种结构的补偿控制器，一般取决于过程控制系统应满足的性能指标要求。
*
7 补偿控制
Smith预估补偿控制、大林控制算法用于 改善大纯滞后系统的控制品质，提高系统的 稳定性。 Smith预估器是一种以模型为基础的预估 器补偿控制方法，它使被延迟的被控量超前 反馈到控制器，使控制器提前动作,Smith预 估补偿控制方法最大的弱点是对过程模型的 误差十分敏感。 对Smith预估器主要有两种改进方法： （1）增益自适应补偿控制。 （2）完全抗干扰的Smith预估器。
扰动量补偿
*
7 补偿控制
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★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)
●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
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
♀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 pห้องสมุดไป่ตู้
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
★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 )
♀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)
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
★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。
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
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。
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
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。
D(s) +
+
G p ( s )e
s
Y ( s)
G p (s)
Y ( s )
e
s
－
+
+
+
Gp ( s)
◆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：
◆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
★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)
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。
★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
※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
+
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。
◆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
d p
G ff ( s )
K d (Tp s 1) K p (Td s 1)
◆Smith预估器控制原理图
R(s) +
－
G c (s)
U ( s)
●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
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
♀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 pห้องสมุดไป่ตู้
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
★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 )
♀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)
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
★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。
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
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。
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
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。
D(s) +
+
G p ( s )e
s
Y ( s)
G p (s)
Y ( s )
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Gp ( s)
◆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：
◆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
★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)
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。
★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
※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
+
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。
◆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
d p
G ff ( s )
K d (Tp s 1) K p (Td s 1)