逆响应问题：非最小相位系统的应对策略

正如前面所提到的，反馈控制的一个基本特征就是反应：首先检测到一个误差，然后反应紧跟其后。

在很多系统中，只要没有使用纠正措施，初始的误差响应与后来的误差响应方向是一致的。不幸的是有些系统并非如此，最初的响应与最终响应的方向常常是相反的。

例如，对于带有纯时间滞后的系统，在初始阶段没有任何的响应。

对于非最小相位过程^[2]，在这些情况下，初始响应将会误导反馈控制器。事实上，由于在实际控制过程中存在诸多的固有限制，不管我们怎样努力，这些系统都难以控制。

有关非最小相位系统典型的例子是锅炉水位控制。显然为了保持水位在给定参考点，如果液位低于参考点，入水口流量就要增大。在正常操作模式下，当出口蒸汽流量增加时，锅炉压力减小。因此，有更多的水沸腾并在水中产生更多的气泡，这将会有增大锅炉表面水容量的效果。液位传感器观测到液位的增加，随后减小入水口流量，实际上需要相反地操作。一个典型的响应如图8-11所示。蒸汽出口流量在t=6s时增加，导致最后液位降低了4cm左右，但是在前2s中，液位实际上增加了超过1cm。一个类似的问题发生在增加入水流量时，当这种相对冷的水进入锅炉后会使锅炉内水温降低，导致气泡消失并且液位下降。

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图8-11 蒸汽出口流量增加时沸水液位响应

对于这类系统前馈控制可能是有帮助的。例如，在先前的例子中，如果安装一个蒸汽流量计，液位控制器将能够提前知道蒸汽流量的变化（由于手动阀门MV的变化），并且（作用到自动阀门AV）调节入水流量，预先对水位误差响应。测量到的蒸汽流量变化将会被引入作为水流参考值的变化量。然而，由于蒸汽与水流常常存在不同的动态，最后还需要一个更慢的反馈补偿。典型的控制结构图如图8-12所示。

图8-12 有蒸汽流量负载扰动时沸水液位控制