相位補(bǔ)償控制大遲延過(guò)程系統(tǒng)

大延遲過(guò)程是指廣義對(duì)象的時(shí)滯與時(shí)間常數(shù)之比大于0.5 。工業(yè)生產(chǎn)中典型的大延遲過(guò)程有傳送物料能量、測(cè)量成分量、皮帶運(yùn)輸、帶鋼連札機(jī)、以及多容量、多種設(shè)備串聯(lián)等過(guò)程，都存在較大的時(shí)滯時(shí)間。延遲對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)具有較大影響，如使閉環(huán)特征方程中含有純延遲因子、減低系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。

大遲延控制過(guò)程是較難控制的，為了改善大遲延系統(tǒng)的控制品質(zhì)，

1957 年史密斯提出了一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)估器補(bǔ)償控制方法，即Smith 預(yù)估器。它的特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性， 然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，以減小超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過(guò)程。Smith預(yù)估器的原理圖如圖4所示。

Smith預(yù)估器是一種以模型為基礎(chǔ)的預(yù)佑器補(bǔ)償控制方法。其設(shè)計(jì)思想是預(yù)估出過(guò)程對(duì)擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并將預(yù)估結(jié)果作為反饋提早供給控制器動(dòng)作，以提前對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。采用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方法可以消除純滯后環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響。 2100433B

前饋控制是按擾動(dòng)量的變化進(jìn)行控制的，是一種擾動(dòng)補(bǔ)償或按擾動(dòng)控制，是一種開環(huán)控制，如圖3。

根據(jù)不變性原理(即擾動(dòng)補(bǔ)償原理)，要實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)補(bǔ)償，就必須使用補(bǔ)償裝置，使擾動(dòng)點(diǎn)與被控量之間具有兩個(gè)通道，并且使與動(dòng)態(tài)特性的大小相等，符號(hào)相反，才能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。如果兩個(gè)通道僅放大系數(shù)相等，則僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)補(bǔ)償。通常，前饋控制不單獨(dú)使用，而是與反饋控制同時(shí)使用，即組成復(fù)合控制系統(tǒng)，同時(shí)按偏差與按擾動(dòng)調(diào)節(jié)。

相位補(bǔ)償控制前饋控制的控制原理及缺點(diǎn)

系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，立即將其測(cè)量出來(lái)，通過(guò)前饋控制器，根據(jù)擾動(dòng)t的大小來(lái)改變控制量，抵消或減小擾動(dòng)對(duì)被控量的影晌。被控量的偏差并不反饋到控制器，而是將系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)前饋到控制器，故稱前饋控制。

前饋控制是開環(huán)控制，在控制過(guò)程中不測(cè)取被控參量信息，只對(duì)指定的擾動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)指定的擾動(dòng)量，由于數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化、工況的變化及對(duì)象特性的漂移，很難實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償；系統(tǒng)的干擾因素較多，若對(duì)所有的擾動(dòng)進(jìn)行測(cè)量井采用前饋控制，增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而有些擾動(dòng)量無(wú)法測(cè)量，不可能實(shí)現(xiàn)前饋控制。

相位補(bǔ)償控制引入前饋控制的原則

在系統(tǒng)中引入前饋控制應(yīng)遵循的原則：

（1）系統(tǒng)中的擾動(dòng)量是可測(cè)不可控的。若干擾不可測(cè)，前饋控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。若干擾可控，可設(shè)置獨(dú)立的控制系統(tǒng)予以克服。

（2）系統(tǒng)中的擾動(dòng)量的變化幅值大、頻率高。高頻干擾對(duì)被控對(duì)象的影響很大，易導(dǎo)致持續(xù)振蕩 。采用前饋控制，可以對(duì)干擾進(jìn)行同步補(bǔ)償控制，獲得較好的控制品質(zhì)。

（3）控制通道的滯后較大或干擾通道時(shí)間常數(shù)較小。

相位補(bǔ)償控制動(dòng)態(tài)前饋控制

當(dāng)被控對(duì)象的控制通道和干擾通道的傳遞 函數(shù)不同時(shí)，或?qū)?dòng)態(tài)誤差控制精度要求很高的場(chǎng)合，必須考慮采用動(dòng)態(tài)前饋控制方式。

動(dòng)態(tài)前鑲控制的原理是：通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)那梆伩刂破?，使干擾信號(hào)經(jīng)前饋控制器至被控量通道的動(dòng)態(tài)特性完全復(fù)制對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性，但符號(hào)相反，以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的完全補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)前饋控制可使系統(tǒng)靜態(tài)偏差等于或接近于零，又可使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差等于或接近于零。

相位補(bǔ)償控制前饋-反饋控制

前饋控制器用來(lái)消除主要擾動(dòng)量的影響；反饋控制器則用來(lái)消除前饋控制器不精確和其它不可測(cè)干擾所產(chǎn)生的影響。

相位補(bǔ)償控制前饋一串級(jí)控制

如果被控對(duì)象的主要干擾頻繁而又劇烈，而生產(chǎn)過(guò)程對(duì)被控參量的精度要求有很高，可以考慮采用前饋一串級(jí)控制方案。

相位補(bǔ)償控制前饋補(bǔ)償

（1）按控制量補(bǔ)償：將控制輸入量R(S)經(jīng)過(guò)處理(Gc(S))后，直接向前傳遞，并與主控制器的輸出進(jìn)行疊加?？刂菩盘?hào)直接作用到被控對(duì)象，構(gòu)成開環(huán)控制的補(bǔ)償。

（2）按擾動(dòng)量補(bǔ)償：將系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入量D(S)經(jīng)過(guò)處理(Gc(S))后向前傳遞，與主控制器的輸出進(jìn)行疊加。增加擾動(dòng)信號(hào)的前向通道，利用雙通道原理來(lái)補(bǔ)償干擾。

相位補(bǔ)償控制反饋補(bǔ)償

即反饋校正，在主控制器反饋回路中增加一個(gè)控制器。

相位補(bǔ)償控制串聯(lián)補(bǔ)償

即串聯(lián)校正，將補(bǔ)償器與主控器串聯(lián)起來(lái)。

設(shè)被控對(duì)象受到干擾 Di(t) 的作用時(shí)，被控變量 y(t)的不變性可表示為：當(dāng) Di(t)≠0 時(shí)，則 y(t)=0 (i=l,2,…,n) ，即被控變量 y(t)與干擾 Di(t) 獨(dú)立無(wú)關(guān)?；诓蛔冃栽斫M成的自動(dòng)控制稱為補(bǔ)償控制， 它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)全部干擾或部分干擾的不變性，實(shí)質(zhì)上是一種按照擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。

補(bǔ)償控制首先求出滿足性能指標(biāo)的控制規(guī)律，然后在系統(tǒng)中增加補(bǔ)償控制器，來(lái)改變控制器的響應(yīng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得期望的性能指標(biāo)。

相位補(bǔ)償控制作用

1. 改變反饋網(wǎng)絡(luò)相移，補(bǔ)償運(yùn)放相位滯后

2. 補(bǔ)償運(yùn)放輸入端電容的影響（其實(shí)最終還是補(bǔ)償相位……）

因?yàn)槲覀兯玫倪\(yùn)放都不是理想的。

一般實(shí)際使用的運(yùn)算放大器對(duì)一定頻率的信號(hào)都有相應(yīng)的相移作用，這樣的信號(hào)反饋到輸入端將使放大電路工作不穩(wěn)定甚至發(fā)生振蕩，為此必須加相應(yīng)的電容予以一定的相位補(bǔ)償。在運(yùn)放內(nèi)部一般內(nèi)置有補(bǔ)償電容，當(dāng)然如果需要的話也可在電路中外加，至于其值取決于信號(hào)頻率和電路特性 。

相位補(bǔ)償控制運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償電容

一般線性工作的放大器(即引入負(fù)反饋的放大電路)的輸入寄生電容Cs會(huì)影響電路的穩(wěn)定性，其補(bǔ)償措施見(jiàn)圖1。放大器的輸入端一般存在約幾皮法的寄生電容Cs，這個(gè)電容包括運(yùn)放的輸入電容和布線分布電容，它與反饋電阻Rf組成一個(gè)滯后網(wǎng)絡(luò)，引起輸出電壓相位滯后，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率很高時(shí)，Cs的旁路作用使放大器的高頻響應(yīng)變差，其頻帶的上限頻率約為：

ωh=1/(2πRfCs)

若Rf的阻值較大，放大器的上限頻率就將嚴(yán)重下降，同時(shí)Cs、Rf引入的附加滯后相位可能引起寄生振蕩，因而會(huì)引起嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)此，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法是減小Rf的阻值，使ωh高出實(shí)際應(yīng)用的頻率范圍，但這種方法將使運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù)下降(因Av=-Rf/Rin)。為了保持放大電路的電壓放大倍數(shù)較高，更通用的方法是在Rf上并接一個(gè)補(bǔ)償電容Cf，使RinCf網(wǎng)絡(luò)與RfCs網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成相位補(bǔ)償。RinCf將引起輸出電壓相位超前，由于不能準(zhǔn)確知道Cs的值，所以相位超前量與滯后量不可能得到完全補(bǔ)償，一般是采用可變電容Cf，用實(shí)驗(yàn)和調(diào)整Cf的方法使附加相移最小。若Rf=10kΩ,Cf的典型值絲邊3～10pF。對(duì)于電壓跟隨器而言，其Cf值可以稍大一些。

對(duì)于許多集成運(yùn)算放大電路，若輸出負(fù)載電容CL的值比100pF大很多，由于輸出電容(包括寄生電容)與輸出電阻將造成附加相移，這個(gè)附加相移的累加就可能產(chǎn)生寄生振蕩，使放大器工作嚴(yán)重不穩(wěn)定。解決這一問(wèn)題的方法是在運(yùn)放的輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻Ro，使負(fù)載電容C_L與放大電路相隔離，如圖2所示，在Ro的后面接反饋電阻Rf，這樣可以補(bǔ)償直流衰減，加反饋電容C_f會(huì)降低高頻閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，C_f的選取方法是：使放大電路在單位增益頻率f_T時(shí)的容抗Xcf≤Rf/10，又X_f=l/(2π_fTC_f)，一般情況下，Ro=50～200Ω，C_f約為3～10pF。

除了上述不穩(wěn)定因素之外，還存在其他一些不穩(wěn)定因素，有些是來(lái)自集成芯片自身。有些是源于系統(tǒng)電路(例如電源的內(nèi)阻抗的耦合問(wèn)題)。有時(shí)使用很多方法都難以解決不穩(wěn)定問(wèn)題，但采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法后可使問(wèn)題迎刃而解。例如。當(dāng)放大器不需要太寬的頻帶和最佳轉(zhuǎn)換速率時(shí)，對(duì)集成運(yùn)放采用過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒〞?huì)取得很好的效果，如將補(bǔ)償電容增加9倍或?yàn)閷?shí)現(xiàn)穩(wěn)定性所需要的倍數(shù)，對(duì)μA301型運(yùn)放而言，其效果一般都較好。

在供電電壓全周或半周內(nèi)，使電流開始流通的瞬時(shí)起變化的過(guò)程。在此過(guò)程中電流通過(guò)零值左右就停止。

通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小，簡(jiǎn)稱相控方式。

例如：可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)角a，可控制輸出電壓Ud的大小。對(duì)應(yīng)的還有斬波控制、SPWM控制。

基于不變性原理組成的自動(dòng)控制稱為補(bǔ)償控制，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)全部干擾或部分干擾的補(bǔ)償。 按其結(jié)構(gòu)的不同， 補(bǔ)償控制系統(tǒng)一般有前饋控制系統(tǒng)和大遲延過(guò)程系統(tǒng)兩種。補(bǔ)償控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、軍事、電機(jī)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。

前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法， 屬開環(huán)控制系統(tǒng)。 常用的前饋控制系統(tǒng)有單純前饋控制系統(tǒng)、前饋 -反饋控制系統(tǒng)和前饋 -串級(jí)控制系統(tǒng)等三種結(jié)構(gòu)形式。大遲延系統(tǒng)的解決方法很多， 最簡(jiǎn)單的是利用常規(guī)控制器。主要采用常規(guī) PID 的變形方案，如微分先行控制方案和中間微分控制方案等。

常規(guī)的反饋控制僅利用了當(dāng)前控制時(shí)刻的信息，當(dāng)目標(biāo)輸入變化時(shí)，會(huì)因控制滯后而產(chǎn)生跟蹤誤差，因而僅利用常規(guī)的反饋控制不能滿足高精度跟蹤的要求。跟蹤誤差如從頻域分析，可以分為由幅值誤差引起的和由相位誤差引起的兩部分。為了減小誤差，可考慮對(duì)它們分別進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于前者可以用．放大器進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于后者則可采取零極點(diǎn)對(duì)消的辦法來(lái)進(jìn)行相位補(bǔ)償，但這種方法只適用于最小相位系統(tǒng)．對(duì)于非最小相位系統(tǒng)，接此原則設(shè)計(jì)系統(tǒng)剮會(huì)導(dǎo)致不希望的零極點(diǎn)對(duì)消。

為避免這一點(diǎn)，Tomizuka等人在1987年提出了采用預(yù)見(jiàn)控制，利用未來(lái)信息使從目標(biāo)輸?shù)娇刂戚敵龅南辔徊钤谌l率域內(nèi)補(bǔ)償?shù)?的設(shè)計(jì)方案，即零相位誤差跟蹤控制(ZPETC) 。1992年舟橋康行、山田學(xué)在 采用兩自由度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)零相位跟蹤控制器，不僅將從目標(biāo)輸入到控制輸出的相位差在壘頻率域內(nèi)補(bǔ)償?shù)?0，而且可謂整控制系統(tǒng)的增益特性。但是他所針對(duì)的典型信號(hào)中沒(méi)有包括正弦信號(hào)，在跟蹤正弦信號(hào)時(shí)，仍存在幅值誤差，而且其設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，不便于實(shí)際應(yīng)用。

常規(guī)的主汽溫控制方法分為導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙沖量汽溫控制、串級(jí)汽溫控制、分段汽溫控制及相位補(bǔ)償汽溫控制幾種。但是，隨著機(jī)組容量的逐漸增大，常規(guī)控制方法已經(jīng)不能得到足夠滿意的控制質(zhì)量，同時(shí)，由于工業(yè)過(guò)程逐漸復(fù)雜化，單一控制技術(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到要求。因此，結(jié)合先進(jìn)的控制理論和控制算法將成為今后研究的一大趨勢(shì)。近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了一些相類似的控制方法，主要有以下兩類：一類是先進(jìn)控制算法與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合，另一類是先進(jìn)控制算法之間的結(jié)合。主要包括 ：

(1)Smith預(yù)估控制及其改進(jìn)型。

(2)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的各種控制策略，諸如單神經(jīng)元控制器取代主蒸汽溫度串級(jí)PID控制中主調(diào)節(jié)器的策略、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出主蒸汽溫度的串級(jí)智能控制等。

(3)基于模糊控制理論的各種控制策略，

諸如主蒸汽溫度的模糊PID控制、模糊控制與基于專家系統(tǒng)整定的串級(jí)PID控制相結(jié)合的復(fù)合控

制策略，主蒸汽溫度的Fuzzy-PI復(fù)合控制策略等。

(4)基于狀態(tài)反饋的控制策略，例如：基于現(xiàn)代控制理論中狀態(tài)反饋控制原理的分級(jí)控制方法、狀態(tài)反饋控制與串級(jí)PID控制相結(jié)合的主蒸汽溫度控制策略、將狀態(tài)反饋引入到鍋爐主蒸汽溫度中的一種多回路串級(jí)控制方法等。

(5)其它控制策略，諸如基于魯棒控制原理改進(jìn)主蒸汽溫度串級(jí)PID控制策略并指出在DCS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法、用預(yù)測(cè)智能控制器作為串級(jí)控制的主調(diào)節(jié)器以改善主蒸汽溫度的遲延特性等。

我們所接觸的是一個(gè)復(fù)雜多變的系統(tǒng)，難以建立被控對(duì)象的精確模型，而傳統(tǒng)控制方法往往需要建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，由于一些被控對(duì)象帶有大遲延和大慣性的動(dòng)態(tài)特性,因而即使建立了數(shù)學(xué)模型，通常也不如一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制效果好。

從20世紀(jì)七十年代開始，生物控制理論逐漸引起研究者的重視并迅速發(fā)展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是基于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的生物智能控制理論研究才剛剛起步。作為人體各種激素調(diào)節(jié)中心，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，通過(guò)將模糊理論與神經(jīng)內(nèi)分泌反饋調(diào)節(jié)機(jī)制算法相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并應(yīng)用于PID控制器中，可以對(duì)鍋爐主汽溫系統(tǒng)的對(duì)象特性和一般控制規(guī)律進(jìn)行分析。