Любая реальная система автоматического управления работает в условиях воздействия внешних возмущений — факторов, которые отклоняют управляемую величину от заданного значения․ Это могут быть изменения нагрузки, колебания температуры окружающей среды, помехи в каналах измерения, изменение параметров объекта․ Одним из наиболее эффективных способов борьбы с такими влияниями является метод компенсации возмущений, также известный как принцип регулирования по возмущению или принцип Понселе․

Сущность метода

Идея метода заключается в том, что возмущающее воздействие измеряется непосредственно, и на основании этого измерения формируется дополнительный управляющий сигнал, который заранее компенсирует влияние возмущения на выходную величину — ещё до того, как отклонение успеет проявиться․

В отличие от классического регулирования по отклонению (по ошибке), где корректирующее воздействие появляется только после того, как регулируемая величина уже отклонилась от задания, компенсация возмущений работает упреждающе․ Это принципиальное преимущество метода․

Структура системы с компенсацией возмущений

Типовая система включает следующие элементы:

• датчик возмущения, измеряет возмущающее воздействие f(t);
• компенсирующее устройство (компенсатор) — преобразует измеренное возмущение в корректирующий сигнал;
• исполнительный орган — вносит компенсирующее воздействие в объект управления;
• объект управления, на выходе которого требуется поддерживать заданное значение величины․

Условие полной компенсации

Пусть W_f(p) — передаточная функция объекта по каналу возмущения, а W_k(p) — передаточная функция компенсатора совместно с каналом управления․ Условие полной компенсации (инвариантности выхода к возмущению) записывается как:

W_k(p) · W_у(p) + W_f(p) = 0

где W_у(p) — передаточная функция объекта по управляющему каналу․ Если это условие выполняется точно, возмущение вообще не влияет на выходную величину — система становится абсолютно инвариантной к данному возмущению․

Достоинства метода

1. Упреждающее действие — коррекция вносится до появления отклонения, что обеспечивает высокое быстродействие․
2. Высокая точность, при идеальной настройке влияние возмущения устраняется полностью․
3. Отсутствие влияния на устойчивость — компенсирующая цепь разомкнута относительно выхода, поэтому она не изменяет характеристическое уравнение замкнутого контура и не может вызвать потерю устойчивости․

Недостатки и ограничения

1. Необходимость измерения возмущения, не все возмущения можно измерить технически или экономически целесообразно․
2. Компенсация только измеряемых возмущений — неучтённые факторы продолжают влиять на систему․
3. Трудность точной реализации — идеальный компенсатор часто оказывается физически нереализуемым (требует опережающего дифференцирования), поэтому на практике достигается лишь частичная компенсация․
4. Чувствительность к изменению параметров объекта — при дрейфе характеристик условие инвариантности нарушается․

Комбинированные системы

На практике чистое регулирование по возмущению применяется редко․ Наибольшее распространение получили комбинированные системы, объединяющие:

• контур регулирования по отклонению (обратная связь) — обеспечивает точность и подавление всех неучтённых возмущений;
• цепь компенсации по возмущению (прямая связь), обеспечивает быстрое упреждающее подавление основного, доминирующего возмущения․

Такое сочетание позволяет использовать достоинства обоих принципов: обратная связь гарантирует отработку любых отклонений, а компенсатор резко снижает динамическую ошибку от главного возмущающего фактора․

Примеры применения

• Теплоэнергетика — компенсация изменения расхода пара в системах регулирования питания котлов;
• Электропривод — компенсация момента нагрузки на валу двигателя;
• Химическая технология — компенсация колебаний расхода и температуры входного потока в реакторах;
• Следящие системы — компенсация по производной задающего воздействия для повышения точности отработки․

Метод компенсации возмущений — мощный инструмент теории автоматического управления, основанный на принципе инвариантности․ Его главное достоинство — упреждающий характер действия и невлияние на устойчивость системы․ Однако из-за невозможности измерить все возмущения и идеально реализовать компенсатор на практике метод применяется преимущественно в сочетании с регулированием по отклонению, образуя комбинированные системы с высокими показателями качества регулирования․