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/T0.3，则称为一般滞后过程；若τ/T0.3,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Gb(0)=-Gf(0)/G0(0)=-KB，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。动态前馈控制：在实际的过程控制系统中，被控对象的控制通道和干扰通道的传递函数往往都是时间的函数。因此采用静态前馈控制方案，就不能很好地补偿动态误差，尤其是在对动态误差控制精度要求很高的场合，必须考虑采用动态前馈控制方式。动态前馈控制的设计思想是，通过选择适当的前馈控制器，使干扰信号经过前馈控制器至被控变量通道的动态特性完全复制对象干扰通道的动态特性，并使它们的符号相反，从而实现对干扰信号进行完全补偿的目标。这种控制方案不仅保证了系统的静态偏差等于零或接近于零，又可以保证系统的动态偏差等于零或接近于零。由于单纯的前馈控制是一种开环控制，它在控制过程中完全不测取被控变量的信息，因此，它只能对指定的扰动量进行补偿控制，而对其他的扰动量无任何补偿作用。即使是对指定的扰动量，由于环节或系统数学模型的简化、工况的变化以及对象特性的漂移等，也很难实现完全补偿。此外，在工业生产过程中，系统的干扰因素较多，如果对所有的扰动量进行测量并采用前馈控制，必然增加系统的复杂程度。而且有些扰动量本身就无法直接测量，也就不可能实现前馈控制。因此，在实际应用中，通常采用前馈控制与反馈控制相结合的复合控制方式。前馈控制器用来消除扰动量对被控变量的影响，而反馈控制器则用来消除前馈控制器不精确和其他不可测干扰所产生的影响。将前馈控制和反馈控制结合起来，就可得到一个前馈-反馈控制系统，典型的前馈-反馈控制系统结构图如图由图可知，干扰D(s)对被控量Y(s)的闭环传递函数为)()()(1)()()()()(spGscGsHspGsffGsdGsDsY在干扰D(s)作用下，对被控量Y(s)完全补偿的条件是：D(s)0，而Y(s)=0，因此有)()()(sGsGsGpdff，由式可知，从实现对系统主要干扰完全补偿的条件看，无论是采用单纯的前馈控制或是采用前馈一反馈控制，其前馈控制器的特性不会因为增加了反馈回路而改变。很明显，前馈—反馈控制系统对扰动完全补偿的条件与前馈控制时完全相同，而反馈I路中加进了前馈控制也不会对反馈调节器所需要整定的参数带来多大的变化。只是反馈调节器所需完成的工作量显著地减小了。综上所述，前债一反馈控制系统的优点有：①在前馈控制中引入反馈控制，有利于对系统中的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。这样既简化了系统结构，又保证了控制精度。②由于增加了反馈控制回路，所以降低了前馈控制器精度的要求。这样有利于前馈控制器的设计和实现。③在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈一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。因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。正由于前馈-反馈控制具有上述优点，因而它在实际工程上已经获得了十分广泛的应用。系统引入前馈控制的原则采用前馈控制的条件必然与干扰及对象特性有关。一般说来，在系统中引入前馈必须遵循以下几个原则：(1)系统中的扰动量是可测不可控的。(2)系统中的扰动量的变化幅值大、频率高。(3)控制通道的纯迟延时间较大或干扰通道的时间常数较小。(4)当工艺上要求实现变量间的某种特殊关系，需要通过建立数学模型来实现控制时，可选用前馈控制。3-2：大迟延控制系统在工业生产过程中，被控对象除了具有容积迟延外，往往不同程度地存在着纯迟延。例如在热交换器中，被调量是被加热物料的出口温度，而控制量是载热介质，当改变载热介质流量后，对物料出口温度的影响必然要迟延一个时间，即介质经管道所需的时间。此外，如反应器、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多容量、多个设备串联以及用分析仪表测量流体的成分等等过程都存在着较大的纯迟延。一般认为大延迟对象是指：广义对象的时滞与时间常数之比大于0．5。在这些过程中，由于纯迟延的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以，具有纯迟延的过程被公认为是较加。当τ／T增加，过程中的相位滞后增加，使上述现象更为突出，有时甚至会因为超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危及设备及人身安全。因此大迟延系统一直受到人们的关注，成为重要的研究课题之一。4：发展应用及其优缺点前馈控制系统的优点有：①前馈控制是一种开环控制。②前馈控制是一种按扰动大小进行补偿的控制。③一种前馈控制器只能克服一种扰动。④前馈控制只能抑制可测不可控扰动对被控变量的影响。⑤前馈控制使用的是视对象特性而定的专用控制器。前馈控制器的传递函数Gff(S)为)(/)()(sGsGsGpdff前馈控制器的传递函数Gff(S)虽然能实现完全补偿，但要求精确的Gd(S)，Gp(S)，所以，在实际工程中一般不单独采用前馈控制方案。而大迟延控制过程是较难控制的，为了改善大迟延系统的控制品质，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。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图的被控变量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程。Smith预估器控制原理图如图4-（1）4-（1）假若系统中无此补偿器，则由调节器输出U(s)到被调量Y(s)之间的传递函数为上式表明，受到调节作用之后的被调量要经过纯迟延之后才能返回到调节器。若系统采用预估补偿器，则调节量U(s)与反馈到调节器的信号Y’(s)之间的传递函数是两个并联通道之和，即)()()()('sGesGsUsYsspspesGsUsY)()()(为使调节器采集的信号Y’(s)不至迟延，则要求：上式便可得到预估补偿器的传递函数4-（2）一般称式4-（2）表示的预估器为Smith预估器，其实施框图如图4-（3）4-（3）整个系统的闭环传递函数为显然，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预估补偿控制方法可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。5：应用领域补偿控制系统广泛应用于工业生产过程，医学，心理学，军事，电机，计算机等领域中。6：结束语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。前馈控制是以不变性原理为理论基础的一种控制方法，属开环控制系统。常用的前馈控制系统有单纯前馈控制系统、前馈-反馈控制系统和前馈-串级控制系)()()()()('sGsGesGsUsYpssp)1)(()(spsesGsG)()(1)()()1)(()()()(1)()()()(sGsGesGsGesGsGesGsGesGsGsRsYpcspcspcspcspc统等三种结构形式。T之比大于0.5则说该过程是具有大迟延的工艺过程。大迟延系统的解决方法很多，最简单的是利用常规控制器。主要采用常规PID的变形方案，如微分先行控制方案和中间微分控制方案等。参考文献【1】王维志，陈育荣。补偿控制在机械加工中的应用【2】杨海勇。史密斯预估补偿控制及MATLAB仿真。【3】潘永湘，杨延西，赵跃。过程控制与自动化仪表【4】张景异,马永轩。含纯滞后环节的系统补偿控制研究及差分实现【5】郝双晖;郑伟峰;蔡一;郝明晖;宋芳;基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制【6】王潇;岳继光;用于磁悬浮系统的一种复合控制结构【7】王蕾;吉书鹏;利用复合控制提高机载光电成像跟踪系统的跟踪精度【8】崔巍;陈文学;穆祥鹏;郭晓晨;王琦;明渠运行前馈控制改进蓄量补偿算法研究【9】雷仲贤;曽宪文;吉明鹏;高炉料流调节阀控制方法及改进【10】张小萍;前馈控制在输液查对流程中的应用效果【11】平建涛;李海明;宋立忠;船用起重机波浪补偿控制技术研究【11】Feiz,Majid.Developmentoffrictioncompensationcontrolandapplicationtofuelvalvecontrolsystems.【12】Gerlitz,FrankE.In-processforecastingcompensationcontrolofmachiningcentervolumetricerrorincludingworkpieceinspection.【13】Byrd,VirginiaIreneTamondong.Forcefeedbackcompensationforelectromechanicalactuationinthrustvectorcontrol.