畢業(yè)設(shè)計---基于改進(jìn)型smith控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　二 〇 一 一 年 六 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　大遲延對象的控制一直是控制領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)問題。加熱爐溫度控制便屬于這類復(fù)雜的控制對象。傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用的是原料油出口溫度同燃料油流量或同爐膛溫度的串級控制，

2、但由于燃料油流量存在波動，使得溫度控制效果較差。而且由于近年來爐膛改造，爐膛容積增大，使得控制系統(tǒng)主副被控對象均存在較大的時間滯后。對于無滯后或滯后比較小的系統(tǒng)，通常采用PID控制。對于大滯后系統(tǒng)，PID控制效果并不好，需要另加補(bǔ)償，因此提出了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)。而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時具有好的性能指標(biāo) ,但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配 ,而在實(shí)際中這是很難做到的 ,當(dāng)模型失配時,Smith 預(yù)估算法就難以

3、取得良好的控制效果,因此提出了改進(jìn)型Smith控制系統(tǒng)。</p><p>　　本文研究的重點(diǎn)是設(shè)計與實(shí)現(xiàn)適用于燃燒控制過程的控制規(guī)律和控制算法。具體討論了純滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估器及工程實(shí)現(xiàn)方法，著重對這種控制算法進(jìn)行了較深入的討論，并提出了一種改進(jìn)型Smith預(yù)估控制器，該控制器把自適應(yīng)控制與史密斯預(yù)估器有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定，而且還通過仿真對設(shè)計和改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)中，若采用

4、PID控制算法，系統(tǒng)會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，采用史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制沒有超調(diào)量。若保持控制器和模型的參數(shù)不變，改變對象參數(shù)，使估計模型與之失配，此時史密斯預(yù)估算法出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞。改進(jìn)型Smith算法不僅能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且振蕩次數(shù)少，收斂速度快。</p><p>　　關(guān)鍵詞:加熱爐；增益自適應(yīng)；史密斯預(yù)估器 </p><p><b>　　Abstract</b&g

5、t;</p><p>　　Large delay time has been the focus of research in the control field. Furnace temperature control is belong to this complex control object.Traditional furnace temperature control system uses raw

6、oil outlet temperature with the fuel oil flow cascade control or furnace temperature, but due to volatility in fuel flow, making the temperature control less effective. In recent years, due to the furnace chamber volume

7、increases, the control system exists in a large time lag. For no or less delay, the s</p><p>　　Keywords: furnace; gain adaptive control; Smith-predictor</p><p><b>　　目 錄</b></p>

8、<p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外基于加熱爐溫度控制的研究1</p><p>　　第二章 傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)4</p><p>　　2.1 加熱爐及其模型的建立4</p><

9、p>　　2.1.1 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖4</p><p>　　2.1.2 加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立4</p><p>　　2.2 簡單控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.2.1 被控變量的選擇5</p><p>　　2.2.2 選擇被控變量的原則5</p><p>　　2.2.3 操

10、縱變量的選擇5</p><p>　　2.3 常用復(fù)雜控制系統(tǒng)6</p><p>　　2.3.1 串級控制系統(tǒng)6</p><p>　　2.3.2比值控制系統(tǒng)8</p><p>　　2.3.3 前饋控制系統(tǒng)8</p><p>　　2.4 先進(jìn)控制系統(tǒng)10</p><p>　　第三

11、章 數(shù)字PID控制理論11</p><p>　　3.1 PID控制算法11</p><p>　　3.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器11</p><p>　　3.1.2 數(shù)字PID控制算法11</p><p>　　3.2 PID的參數(shù)整定12</p><p>　　第四章 改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制理論14&

12、lt;/p><p>　　4.1 Smith預(yù)估器控制理論14</p><p>　　4.2 改進(jìn)型Smith控制理論16</p><p>　　4.2.1 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案16</p><p>　　4.2.2 Fuzzy—Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案17</p><p>　　第五章 加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真研究19&l

13、t;/p><p>　　5.1 PID控制系統(tǒng)仿真研究19</p><p>　　5.2 Smith控制系統(tǒng)仿真研究20</p><p>　　5.2.1 控制方案和仿真框圖的建立20</p><p>　　5.2.2 仿真分析20</p><p>　　5.2.3 Smith控制穩(wěn)定性分析21</p>&l

14、t;p>　　5.3 增益自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)仿真研究22</p><p><b>　　總 結(jié)24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　謝 辭27</b></p><p><b>　　第一章 緒論<

15、;/b></p><p>　　1.1 研究的背景及意義</p><p>　　加熱爐溫度控制系統(tǒng)為一個大滯后的系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的控制方式，采用溫度、流量串級控制，并把煤氣熱值和煙氣殘氧檢測量引入控制系統(tǒng)，對煤氣和空氣的配比值進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了加熱爐高效燃燒控制、溫度迅速反應(yīng)控制。在純滯后過程中，由于過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量不能及時反映所承受的擾動。因此這樣的過程必然會

16、產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時間，被認(rèn)為是較難控制的過程，其控制難度將隨著純滯后占整個過程動態(tài)時間參數(shù)的比例增加而增加。一般認(rèn)為純滯后與過程的時間常數(shù)T之比大于0.5，則稱過程是大滯后過程。當(dāng)與T之比增加時，過程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至?xí)驗(yàn)閲?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。此外大滯后會降低整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此大滯后過程控制一直備受關(guān)注。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外基于加熱爐溫度控制的

17、研究</p><p>　　滯后環(huán)節(jié)的存在使得整個系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞甚至引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此近年來，對時滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾[1]。從50年代以來，時滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無模型這兩大方法?；谀Ｐ偷姆椒ㄓ衧mith預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)矩陣預(yù)報控制、預(yù)測控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制等。無模型方法有模糊smith控制、模糊自適應(yīng)控制、模糊PD控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等

18、。其控制方法也己經(jīng)由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向智能控制，或者是二者的結(jié)合。PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。在工業(yè)過程控制中大多采用PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、通用性強(qiáng)、魯棒性好間。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用是有一定限制的，對于滯后較大的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制往往顯得無能為力。</p><p>　?。?）國外最早在1958年提出預(yù)估控制器[2]，這是一個時滯預(yù)估補(bǔ)償算法，其最大優(yōu)點(diǎn)是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外

19、，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但其過于依賴精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用比較困難。為此人們提出了許多改進(jìn)方法，大致可以分為兩種:一種是基于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，這類方法主要是結(jié)合智能控制通過在不同的位置增加一些并聯(lián)或者串聯(lián)的環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償;另一種是在參數(shù)整定上的改進(jìn)，這種方法將 項(xiàng)通過泰勒多項(xiàng)式展開用魯棒性能指標(biāo)及其他的指標(biāo)函數(shù)對控制器進(jìn)行解析設(shè)計，或者對其中的控制參數(shù)進(jìn)行魯棒調(diào)整，還有的方法是對Smith預(yù)估系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)進(jìn)行改進(jìn),以增強(qiáng)它的魯棒

20、性和穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，它可以任意精度逼近非線性函數(shù)，可進(jìn)行在線和離線學(xué)習(xí)，容錯性比較強(qiáng);它不需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，也不需要精確的數(shù)學(xué)模型，其簡單有效的特點(diǎn)適合工業(yè)應(yīng)用。在時滯系統(tǒng)中的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于辨識和控制。在辨識方面，用于辯識系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時間,在控制方面，主要有模型參考自適應(yīng)控制和預(yù)測控制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和Smith控制結(jié)合對時滯系統(tǒng)進(jìn)行控制，該方

21、法也較有效。</p><p>　　（3）模糊控制是一種基于專家規(guī)則的智能控制方法[3]，它無需知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只需要現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對于時滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。模糊算法在時滯系統(tǒng)中的應(yīng)用大致有以下幾個方面[4]:l)模糊Smith控制控制器，它一般是由Smith預(yù)估器解決對象的時滯問題，模糊控制器控制對象的大慣性環(huán)節(jié)。2)模糊預(yù)估控制方

22、法，它是在模糊控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行并聯(lián)模糊補(bǔ)償。模糊預(yù)估模型是通過一系列有針對性的推導(dǎo)得到的，模糊預(yù)估器得到的增量經(jīng)過補(bǔ)償器的作用產(chǎn)生一個補(bǔ)償校正。3)模糊自整定方法，它是對模型的某些參數(shù)進(jìn)行模糊整定，以達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。其中較為有名的是提出的改進(jìn)Smith預(yù)估模型，對主反饋通道傳遞函數(shù)中的濾波時間常數(shù)進(jìn)行模糊整定。該方法具有較強(qiáng)的魯棒性和較好的控制性能，但是計算效率不是很高。</p><p>　?。?） 變結(jié)

23、構(gòu)控制系統(tǒng)對干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化具有魯棒性這正是魯棒控制所需要解決的問題。變結(jié)構(gòu)控制的這一優(yōu)點(diǎn)，己廣泛地引起了人們的重視。非時滯變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究己形成較完整的理論體系，而時滯變結(jié)構(gòu)控制理論是一個具有潛力的研究方向。迄今為止，時滯系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制理論的研究仍處于萌芽和興起階段，成果較少，有待于進(jìn)一步完善。工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模化使得工業(yè)過程變得更為復(fù)雜，大時滯、不確定性、嚴(yán)重非線性、時變性對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。對于時滯系統(tǒng)

24、的控制不是單一的方法就可以完全解決的，開發(fā)與設(shè)計出各種智能控制方法或以不同的形式結(jié)合在一起，將是解決時滯過程的有效途徑。</p><p>　　1.3 課題研究的內(nèi)容</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中,經(jīng)常會遇到具有純滯后特性的被控對象,并常將這種被控對象看成是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)。這類系統(tǒng),一般要求具有較好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性. 例如爐溫控制系統(tǒng)。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中,普

25、遍采用PID控制算法。但是在一些具有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中,PID控制很難兼顧動、靜兩方面的性能,而且多參數(shù)整定也很難實(shí)現(xiàn)最佳控制。</p><p>　　為了改善純滯后對系統(tǒng)帶來的不良影響,將預(yù)估法用于此類系統(tǒng)中, Smith預(yù)估法也叫純滯后補(bǔ)償法,設(shè)計的目標(biāo)是引入一個純滯后環(huán)節(jié) ,即Smith預(yù)估器,與被控對象相并聯(lián),使補(bǔ)償后的被控對象的等效傳遞函數(shù)不包括純滯后項(xiàng) ，基于Smith預(yù)估器的溫控系統(tǒng)能有

26、效克服大純滯后對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,且實(shí)現(xiàn)簡單,可靠性好。使閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到最佳。</p><p>　　從以上分析中可以看到,對于具有大時間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制 ,但動態(tài)性能不理想.當(dāng)模型失配時 ,PID 算法就無能為力了。而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時具有好的性能指標(biāo) ,但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配 ,而在實(shí)際中這是很難做到的 ,因此模型失配時,

27、Smith 預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果，改進(jìn)型Smith預(yù)估器是克服純滯后影響的有效方法之一。該方法不要求建立準(zhǔn)確的對象數(shù)學(xué)模型，且能通過控制對象和模型輸出信號比較來對模型增益作出適應(yīng)性修正。相對而言,改進(jìn)型Smith算法的穩(wěn)定性和魯棒性比較好 ,在模型失配時也能夠進(jìn)行有效地控制 ，能夠保持一定的動態(tài)性能，快速地使系統(tǒng)收斂。</p><p>　　仿真結(jié)果表明,改進(jìn)型Smith算法在模型失配時 ,具有良好的穩(wěn)

28、定和魯棒性 ,對于大時間滯后系統(tǒng)是一種比較實(shí)用的控制方法。</p><p>　　第二章 傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　2.1 加熱爐及其模型的建立</p><p>　　加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，有各種形式的加熱爐，其中管式加熱爐最常見，其型式有可分為箱式、立式和圓筒爐三大類[5]。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝

29、所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。對于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時進(jìn)行氣化，其溫度的高低會直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)平質(zhì)量。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長爐管使用壽命，因此加熱爐出口溫度必須嚴(yán)格控制。</p><p>　　2.1.1 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2.1所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，其任務(wù)是將被

30、加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進(jìn)行加工。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。</p><p>　　圖2.1 加熱爐溫度系統(tǒng)</p><p>　　2.1.2 加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立</p><p>　　加熱爐對象是一個多容量的復(fù)雜

31、對象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試，并作了一些簡化，可以用一階環(huán)節(jié)加時滯來近似，即</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其時間常數(shù)和時滯時間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時間有關(guān)[5]。</p><p>　　本文針對的是河北唐山某軋鋼廠加熱爐溫度控制系統(tǒng), 其被控對象的傳遞函數(shù)為:</p><p><

32、b>　　(2-2)</b></p><p>　　2.2 簡單控制系統(tǒng)</p><p>　　簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是指由一個受控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.2 加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2.1 被控變量的

33、選擇</p><p><b>　　被控變量選擇方法：</b></p><p>　　方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于測量的參數(shù)作為 被控變量，稱為直接參數(shù)法。</p><p>　　方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系、易于測量的參數(shù)作為被控變量，稱為間接參數(shù)法。</

34、p><p>　　2.2.2 選擇被控變量的原則</p><p>　　1. 選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。</p><p>　　2. 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。</p><p>　　(1) 滿足工藝的

35、合理性</p><p>　　(2) 具有盡可能大的靈敏度且線形好</p><p>　　(3) 測量變送裝置的滯后小。</p><p>　　2.2.3 操縱變量的選擇</p><p>　　選擇操縱變量，就是從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)，作為操縱變量，而其余未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾

36、。</p><p>　　2.3 常用復(fù)雜控制系統(tǒng)</p><p>　　2.3.1 串級控制系統(tǒng)</p><p>　　但是，由于加熱爐時間常數(shù)大，而且擾動的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，有效地提高控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求。</p><p>　　提高控制質(zhì)量，

37、采用串級控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.3 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1、串級控制系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　串級控制系統(tǒng)的采用了兩個控制器，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐溫度為主變量，選擇滯后較小的流量為副變量，構(gòu)成爐溫度與流量的串級控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求[2]。</p><p&g

38、t;　　主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定，然后由副控制器的輸出去操縱控制閥。在串級控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個被控對象，即主對象（溫度對象）和副對象（流量對象），所以有兩個被控參數(shù)，主被控參數(shù)（溫度）和副被控參數(shù)（流量）。主被控參數(shù)的信號送往主控制器，而副被控參數(shù)的信號被送往副控制器作為測量，這樣就構(gòu)成了兩個閉合回路，即主回路（外環(huán)）和副回路（內(nèi)環(huán)）。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)的工作過程[5]，就是指在擾動作用下

39、，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。</p><p>　　圖2.4 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　2、 串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　1） 改善了對象特征，起了超前控制的作用</p><p>　　2） 改善了對象動態(tài)特性，提高了工作頻率<

40、/p><p>　　3） 提高了控制器總放大倍數(shù)，增強(qiáng)了抗干擾能力</p><p>　　4） 具有一定的自適應(yīng)能力，適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化</p><p>　　3、 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　設(shè)計原則：</b></p><p>　　1） 在選擇副參數(shù)時，必須把主要干擾包含在副回路

41、中，并力求把更多的干擾包含在副回路中。</p><p>　　2） 選擇副參數(shù)，進(jìn)行副回路的設(shè)計時，應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)適當(dāng)匹配。</p><p>　　3） 方案應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　4、串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合</p><p>　　1）被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時

42、，可采用串級控制系統(tǒng)。</p><p>　　2）對象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時，可采用串級控制系統(tǒng)。</p><p>　　3）控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾。</p><p>　　4）被控對象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大。</p><p>　　5 、串級控制系統(tǒng)應(yīng)用中的問題</p><

43、p>　?。?） 主、副控制器控制規(guī)律的選擇</p><p>　　串級控制系統(tǒng)中主、副控制器的控制規(guī)律選擇都應(yīng)按照工藝要求來進(jìn)行。主控制器一般選用PID控制規(guī)律，副控制器一般可選P控制規(guī)律。</p><p>　?。?） 主、副控制器正、反作用方式的確定。</p><p>　　副控制器作用方式的確定，與簡單控制系統(tǒng)相同。主控制器的作用方向只與工藝條件有關(guān)。<

44、/p><p>　　（3） 串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定</p><p>　　1） 在主回路閉合的情況下，主、副控制器都為純比例作用，并將主控制器的比例度置于100%，用4：1衰減曲線法整定副控制器，求取副回路4：1衰減過程的副控制器比例度(δ2p)以及操作周期(T2P)。</p><p>　　2）將副控制器的比例度置于所求的數(shù)值δ2p上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同

45、樣的方法整定主控制器，求取主回路4：1衰減過程的δ1p和T1P。</p><p>　　3）根據(jù)求得的(δ1p)和(T1P)、(δ2p)和(T2P)數(shù)值，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。</p><p>　　4）按先副后主、先比例后積分再微分的程序，設(shè)置主、副控制器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。</p><

46、;p>　　2.3.2比值控制系統(tǒng)</p><p>　　在生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料以一定的比例進(jìn)行混合或參加化學(xué)反應(yīng)。在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，往往其中一種物料處于主導(dǎo)地位，稱為主物料或主動量F1，而另一種物料隨主物料的變化呈比例的變化，稱為從物料或從動量F2。例如在稀硝酸生產(chǎn)中，空氣是隨氨的多少而變化的，因此氨為主動量F1，空氣為從動量F2。</p><p>　　

47、常用的比值控制方案：</p><p>　　1、單閉環(huán)比值控制 </p><p>　　圖2.5 單閉環(huán)比值控制</p><p>　　這類比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是兩種物料流量之比較為精確，實(shí)施比較方便，所以得到廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　2、雙閉環(huán)比值控制</b></p><p>　　為了

48、既能實(shí)現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進(jìn)入系統(tǒng)的總流量F1＋F２不變，因此在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。</p><p>　　這類比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在主流量受到干擾作用開始到重新穩(wěn)定在設(shè)定值這段時間內(nèi)發(fā)揮作用，比較安全。</p><p><b>　　3、變比值控制系統(tǒng)</b></p><p>　　要求兩種物料流量的比值隨第三參

49、數(shù)的需要而變化。</p><p>　　2.3.3 前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　1、前饋控制系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　前饋控制是一種按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方法，其基本原理是測取進(jìn)入過程的干擾，并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操控變量，使受控量維持在設(shè)定值上。當(dāng)干擾出現(xiàn)以后，被控變量還未變化時，前饋控制器（也稱前饋補(bǔ)償裝置）就根據(jù)干擾的幅值和變化趨

50、勢對操縱變量進(jìn)行控制，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響，所以相對于反饋控制，前饋控制是比較及時的。</p><p>　　2、前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　1） 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　前饋控制器的輸出信號是按干擾大小隨時間變化的，它是干擾量和時間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動態(tài)特性相同時，便可以不考慮時間函數(shù)，只按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用

51、。靜態(tài)前饋是前饋控制中的一種特殊形式。</p><p>　　2） 動態(tài)前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在一定程度上可改善過程品質(zhì)，但在擾動作用下控制過程的動態(tài)偏差依然存在。對于擾動變化頻繁和動態(tài)精度要求比較高的生產(chǎn)過程，對象兩個通道動態(tài)特性又不相等時，靜態(tài)前饋往往不能滿足工藝上的要求，這時應(yīng)采用動態(tài)前饋方案。</p><p>

52、;　　動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同。動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)，而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。顯然這種控制規(guī)律是由對象的兩個通道特性決定的，由于工業(yè)對象的特性千差萬別，如果按對象特性來設(shè)計前饋控制器的話，將會種類繁多，一般都比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。一般采用在靜態(tài)前饋的基礎(chǔ)上，加上延遲環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，以達(dá)到干擾作用

53、的近似補(bǔ)償。</p><p>　　3） 前饋－反饋控制</p><p>　　通過前面的分析，我們知道前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)總是相對應(yīng)的，若將其組合起來，構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)，這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個擾動和具有對被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測的長處，因此這種控制系統(tǒng)是適合于過程控制的較好方式。</p><p>　　3、前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)

54、用場合</p><p>　　1. 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時。</p><p>　　2. 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。均勻控制的概念，在石油化工生產(chǎn)中，采用連續(xù)生產(chǎn)方式，各生產(chǎn)過程都與前面的生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系。前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)備的進(jìn)料

55、，而后者的出料又源源不斷的輸送給其他設(shè)備做進(jìn)料。于是產(chǎn)生了前后設(shè)備之間的供求矛盾和協(xié)調(diào)問題。解決前后工序供求矛盾，使液面和流量的變化互相兼顧均勻變化，這就是均勻控制系統(tǒng)的目的。</p><p>　　2.4 先進(jìn)控制系統(tǒng)</p><p>　　簡單控制系統(tǒng)和常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)是以經(jīng)典控制理論為指導(dǎo)的，他們的基本要素是以PID控制器為核心的基本控制回路。由于PID控制器有較好的魯棒性能，對過程

56、模型要求不高，故對一些不太復(fù)雜的過程而言，他們是最常用的控制系統(tǒng)。</p><p>　　20世紀(jì)后半葉，以狀態(tài)空間為標(biāo)志的現(xiàn)代控制理論取得了長足進(jìn)步，過程工業(yè)也向大型化、集約化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。同時控制工具常規(guī)儀表也逐漸被以微處理器為核心的DCS和微型機(jī)所取代，它們具有強(qiáng)大的計算能力，因此，以提高控制系統(tǒng)品質(zhì)、生產(chǎn)安全和獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的各種先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這些先進(jìn)控制系統(tǒng)共同的特

57、點(diǎn)是需要較為精準(zhǔn)的過程數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出各種先進(jìn)控制策略。它可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前應(yīng)用最廣的幾種先進(jìn)的控制系統(tǒng)，包括狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)、內(nèi)模控制系統(tǒng)、預(yù)測控制系統(tǒng)和多變量解耦控制系統(tǒng)。</p><p>　　第三章 數(shù)字PID控制理論</p><p>　　3.1 PID控制算法</p><p>　　

58、PID是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律[6]。它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。在計算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后，用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID算法代替了模擬PID調(diào)節(jié)器，這種控制規(guī)律的應(yīng)用不但沒有受到影響，而且有了新的發(fā)展，它仍然是當(dāng)今工業(yè)過程計算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種。</p><p>　　3.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器</p>

59、;<p>　　PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖3-1所示，簡稱P（proportional）I（integral）D（differential）調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，根

60、據(jù)對象的特性和控制要求，也可靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。</p><p>　　圖3.1 模擬PID控制</p><p>　　3.1.2 數(shù)字PID控制算法 </p><p>　　在連續(xù)-時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 </p>

61、<p>　　數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛嬎銠C(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。</p><p>　　1、數(shù)字PID位置型控制算法</p><p>　　數(shù)字PID位置型控制算法為</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p&

62、gt;　　式（4-1-2）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k),所以被稱為數(shù)字PID置型控制算法。</p><p>　　2、數(shù)字PID增量型控制算法</p><p>　　由式（4-1-2）可看出，位置型控制算法不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(j),它不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對上式進(jìn)行如下改進(jìn)。</p><p><b>　　

63、（3-3）</b></p><p>　　將式（4-1-2）和式（4-1-3）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算法為</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　可見,增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被稱為數(shù)字PID增量型控制算法。增量式算法只需保持現(xiàn)時以前三個時刻的偏差值。</p><

64、p>　　3、兩種標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法比較</p><p>　　增量型算法較位置型算法，雖然只是在算法上改動了一點(diǎn)，但卻有不少優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，對控制量的計算影響較小。位置型算法由于累加過去誤差，容易產(chǎn)生大的累加誤差。</p><p>　　2）增量型算法得出的是控制量的增量，不會嚴(yán)重

65、影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。</p><p>　　3）增量型算法算式中不出現(xiàn)u0項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的切換。</p><p>　　3.2 PID的參數(shù)整定</p><p>　　數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的任務(wù)是確定 、 、 和采樣周期[7]。</p><p><b>　　1、采

66、樣周期的選擇</b></p><p>　　從Shannon采樣定理可知，只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號不失真地復(fù)現(xiàn)原來的信號。</p><p>　　選擇采樣周期T，一般考慮以下因素：</p><p>　　1）采樣周期應(yīng)比對象的時間常數(shù)小得多。</p><p>　　2）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對象擾動信號

67、的周期。</p><p>　　3）當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時，應(yīng)按純滯后大小選擇T。</p><p>　　4）考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度，T應(yīng)大于執(zhí)行器的響應(yīng)速度。</p><p>　　5）采樣周期的下限是完成采樣、運(yùn)算和輸出所需要的時間。</p><p>　　2、PID參數(shù)的工程整定法</p><p>　　（1）擴(kuò)充臨界比例

68、度法</p><p>　　1）選擇合適的采樣周期。</p><p>　　2）投入純比例控制，逐漸增大比例系數(shù) ，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。</p><p>　　3）選擇控制度。控制度定義為：數(shù)字控制系統(tǒng)與對應(yīng)的模擬控制系統(tǒng)誤差平方的積分之比，即</p><p>　　控制度

69、 (3-5)</p><p>　　控制度表示數(shù)字控制相對模擬控制效果，當(dāng)控制度為1.05時，數(shù)字控制與模擬控制效果相同；當(dāng)控制度為2時，數(shù)字控制比模擬控制的質(zhì)量差一倍。</p><p>　　4）按擴(kuò)充臨界比例度法參數(shù)整定計算公式求取采樣周期T、比例系數(shù) 、積分時間常數(shù) 和微分時間常數(shù) 。</p><p>　?。?）歸一參數(shù)整定法</p>

70、<p>　　Roberts PD在1974年提出一種簡化擴(kuò)充臨界比例度整定法。該方法只需整定一個參數(shù)即可，故稱其為歸一參數(shù)整定法。</p><p>　　增量型PID控制的公式為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　如令,, 。式中 為純比例作用下的臨界振蕩周期，則

71、 </p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　這樣，整個問題都簡化為只要整定一個參數(shù) 。改變其值，觀察控制效果，直到滿意為止。</p><p>　　(3)湊

72、試法確定PID參數(shù)</p><p>　　在PID參數(shù)整定方法中，最基本和最簡單的方法為湊試法，即對參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。</p><p>　　第四章 改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制理論</p><p>　　4.1 Smith預(yù)估器控制理論</p><p>　　Smith控制的工作原理是將被控對象在基本擾動作用下的動態(tài)特性，簡化

73、為一個純遲延與一個一階慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)估器根據(jù)這個輸入的數(shù)學(xué)模型，預(yù)先估計出所采用的控制作用對被控量的可能的影響，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制動作，這有利于改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能[8]。</p><p>　　當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時，如圖4.1所示，控制器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　圖4.1 單回路控制系統(tǒng)</p><p>　　當(dāng)被控對象

74、的傳遞函數(shù)為時，從設(shè)定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　擾動作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　如果以上兩式特征方程中的項(xiàng)可以消除，則遲延對閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在

75、。</p><p>　　Smith預(yù)估補(bǔ)償方案主體思想就是消去特征方程中的項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)的方法是把被控對象的數(shù)學(xué)模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4.2中是被控對象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù),是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的

76、傳遞函數(shù)。</p><p>　　假若系統(tǒng)中無此補(bǔ)償器，則由控制器輸出到被控量之間的傳遞函數(shù)為 </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式（4-3）表明，受到控制作用之后的被控量要經(jīng)過純遲延之后，才能返回到控制器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)償器，則控制器與反饋到控制器的之間的傳遞函數(shù)是兩個

77、并聯(lián)通道之和，即</p><p><b>　　（4-4）</b></p><p>　　為使控制系統(tǒng)的反饋信號不延遲，且等于則要求（4-4）式為 </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　從（4-5）式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為</p><p>

78、<b>　?。?-6）</b></p><p>　　一般稱（4-6）式表示的預(yù)估器為Smith預(yù)估器,其框圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 Smith預(yù)估器框圖</p><p>　　從圖4.3可以導(dǎo)出Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的擾動傳動函數(shù)為</p><p><b>　?。?-7）</b>

79、;</p><p>　　其中， （4-8） </p><p>　　式4-7中為無遲延環(huán)節(jié)時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　由以上分析可知，對于定值控制，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成：第一項(xiàng)為擾動對被控制量的影響；第二項(xiàng)為用來補(bǔ)償擾動對被控制量的影響的控制作用。</p><p>

80、;　　從圖4.3中可以推倒出Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　由（4-9）式可知，對于隨動控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中以消去了項(xiàng)，即消除了純遲延對控制系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響。</p><p>　　從圖4.3中可知，Smith預(yù)估補(bǔ)償器由兩部分組成，即一個是被控對象除去純遲延后

81、傳遞函數(shù)為的環(huán)節(jié)，另一個遲延時間等于的純遲延環(huán)節(jié)。這就是Smith預(yù)估補(bǔ)償器，他將消除大遲延對系統(tǒng)控制過程的不利影響，控制系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程無純遲延時，完全相同[9][10]。</p><p>　　然而，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制也有其缺點(diǎn)，即對模型誤差較為敏感，對于具有時變特性的對象，當(dāng)模型誤差較大時，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的品質(zhì)會變壞，甚至失去穩(wěn)定性。針對這種情況，因此采用了改進(jìn)的Smith 預(yù)估補(bǔ)償對系統(tǒng)進(jìn)行控

82、制。</p><p>　　4.2 改進(jìn)型Smith控制理論</p><p>　　4.2.1 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案</p><p>　　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)的向補(bǔ)償器傳遞，作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。補(bǔ)償器與過程特性有關(guān)，而過程的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過程之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點(diǎn)是模型的誤差會隨時間累積起來，也就是對過程特性變化的靈敏度很高

83、[11][12]。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制。</p><p>　　它在Smith補(bǔ)償模型之外加了一個除法器，一個導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)(識別器)和一個乘法器。除法器是將過程的輸出值除以模型的輸出值。導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（識別器）的 ，它使過程與模型輸出之比提前進(jìn)加法器。乘法器是將預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值來提供一個自動校正預(yù)

84、估器增益的信號[13]。</p><p>　　圖4.4 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制</p><p><b>　　由上圖得：</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>

85、;<b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　（4-13）</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　若，則有 </b></p><p><b>　　（4-15）</b&g

86、t;</p><p>　　4.2.2 Fuzzy—Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案</p><p>　　模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。在用模糊控制方法解決控制問題時，只需對控制中所可能出現(xiàn)的各種

87、情形加以分析，依據(jù)控制者的經(jīng)驗(yàn)和知識，尋求解決的一般方法，然后用模糊控制規(guī)則集的形式加以體現(xiàn)，模糊控制的精度依賴于模糊控制規(guī)則集制定的是否完整和詳細(xì)。 </p><p>　　所設(shè)計的Fuzzy-Smith控制方案如圖4.5所示[14]。</p><p>　　圖4.5 Fuzzy-Smith控制方案圖</p><p>　　綜合考慮以上所闡述的兩種改進(jìn)型Smith預(yù)估補(bǔ)

88、償控制方案，增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案較Fuzzy-Smith預(yù)估補(bǔ)償方案，更適合該控制系統(tǒng)。當(dāng)對象參數(shù)時變時, 結(jié)合模型參數(shù)的增益自適應(yīng)控制, 可以使預(yù)估參數(shù)及時蹤對象的變化,能夠繼續(xù)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。</p><p>　　第五章 加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　本章主要論述了在MATLAB下進(jìn)行仿真和以及對仿真結(jié)果的分析。首先對被控對象進(jìn)行了常規(guī)PID控制；其次設(shè)計了

89、Smith控制方案并建立了控制方案圖，然后建立了Smith控制系統(tǒng)仿真框圖并進(jìn)行了仿真分析，并對系統(tǒng)添加擾動以驗(yàn)證Smith控制的穩(wěn)定性；最后在Smith控制系統(tǒng)中添加增益自適應(yīng)控制并進(jìn)行了仿真，并對結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究。</p><p>　　5.1 PID控制系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　針對大慣性純滯后對象式5-1,設(shè)計PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 。&l

90、t;/p><p><b>　　（5-1）</b></p><p>　　加熱爐溫度PID控制系統(tǒng)仿真框圖如圖5.1所示，并對其進(jìn)行仿真，得到的輸出曲線如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.1 加熱爐溫度PID控制系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　圖5.2基于PID控制的輸出曲線</p><p>　

91、　5.2 Smith控制系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　5.2.1 控制方案和仿真框圖的建立</p><p>　　通過前幾章的講述，本文所設(shè)計的Smith控制方案如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3加熱爐溫度Smith控制方案圖</p><p>　　由此控制方案圖通過simulink平臺，可把其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的仿真框圖，如下圖3-7所

92、示，并對其進(jìn)行仿真研究，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)品質(zhì)。</p><p>　　圖5.4 加熱爐溫度Smith控制系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　5.2.2 仿真分析</p><p>　　對圖5.4進(jìn)行仿真，得到的輸出曲線如圖5.5所示，由曲線可知，Smith控制上升速度快、無超調(diào)且穩(wěn)態(tài)精度高，對大時滯系統(tǒng)有良好的控制品質(zhì)。</p><p>　　圖5.5

93、 加熱爐溫度Smith控制的輸出曲線</p><p>　　為便于比較，將圖5.4的Smith仿真框圖與圖5.1的PID仿真框圖整合到一個仿真系統(tǒng)中，并給這兩個系統(tǒng)同時輸入一個階躍信號，兩系統(tǒng)的輸出同接在一個Scope 上進(jìn)行比較， 如圖5.6所示。</p><p>　　圖5.6 兩種控制方案仿真輸出曲線</p><p>　　結(jié)果表明，針對過熱汽溫這類純滯后對象，采用

94、Smith控制方案，取得了性能優(yōu)良的仿真結(jié)果。Smith控制與常規(guī)PID控制方案的仿真結(jié)果表明，前者優(yōu)于后者。</p><p>　　然而，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制也有其缺點(diǎn)，即對模型誤差較為敏感，當(dāng)模型誤差較大時，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的品質(zhì)會變壞，甚至失去穩(wěn)定性。</p><p>　　5.2.3 Smith控制穩(wěn)定性分析</p><p>　　圖5.7為加入干擾的Sm

95、ith 預(yù)估控制simulink 仿真框圖。</p><p>　　圖5.7 加入干擾的Smith預(yù)估控制仿真框圖</p><p>　　圖5.8為加入干擾的Smith 預(yù)估控制仿真曲線，引入幅度為0.5 的隨機(jī)干擾信號。</p><p>　　圖5.8 加入干擾的Smith 預(yù)估控制仿真曲線</p><p>　　由仿真曲線可知: 輸出曲線震蕩

96、劇烈, 穩(wěn)定性大大降低, 抗干擾能力比較差。</p><p>　　5.3 增益自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制存在著要求被控對象模型精確的內(nèi)在要求，當(dāng)被控對象模型參數(shù)不準(zhǔn)確或參數(shù)易變時．其控制效果將會變差。因此，引入增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制。</p><p>　　圖5.9 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制仿真框圖

97、</p><p>　　圖5.10 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制仿真曲線</p><p>　　與圖5.8的仿真曲線比較可知: 振蕩明顯下降, 穩(wěn)定性也大大提高, 說明改進(jìn)型的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制具有良好的抗干擾能力，可以克服Smith補(bǔ)償控制對參數(shù)敏感這一缺點(diǎn)。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p

98、>　　加熱爐溫度控制的方法有很多種，從以上分析中可以看到,對于具有大時間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制,但動態(tài)性能不理想.當(dāng)模型失配時,PID算法就無能為力了。而Smith預(yù)估算法則在模型匹配時具有好的性能指標(biāo),但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配,而在實(shí)際中這是很難做到的,因此模型失配時,Smith預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果。相對而言,改進(jìn)型Smith算法，在模型匹配時,能夠保持一定的動

99、態(tài)性能；而在模型失配時則能夠快速地使系統(tǒng)收斂，其穩(wěn)定性和魯棒性比較好,只是存在一定的超調(diào)量。這種算法由于在反饋信息中包含了模型失配的信息,然后通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),因此相對于其他算法其魯棒性能大大增強(qiáng)。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)型Smith算法在模型失配時,具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性,對于大時間滯后系統(tǒng)是一種比較實(shí)用的控制方法。 </p><p>　　此外，由于自身能力的限制，論文中還存在一些不足和需要進(jìn)一步完善的地方，主要

100、包括以下兩點(diǎn)：</p><p>　?。?）本文所設(shè)計增益自適應(yīng)Smith加熱爐溫度控制系統(tǒng)，還有一定的超調(diào)量，在今后的研究工作中有必要進(jìn)一步改進(jìn)。</p><p>　?。?）仿真使用的被控對象的模型較為簡單，距真正工業(yè)現(xiàn)場還有一定差距，如何能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到現(xiàn)場還需要做更多的工作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

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110、Ac-26,1989(2):1261-1269.</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　本文的研究工作是在xx老師的精心指導(dǎo)和關(guān)心下完成的。從論文的選題及研究，從資料的收集到構(gòu)思，從思路的形成到仿真，直到最后的撰寫論文階段，一步一步的進(jìn)展，一點(diǎn)一滴的收獲都傾注著導(dǎo)師的大量心血。導(dǎo)師為人謙虛誠懇，做事嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，治學(xué)一絲不茍，以及生活上導(dǎo)師正直的

111、人格品德及其寬以待人的作風(fēng)，深深地影響著我，并將使我終身受益，在此，對導(dǎo)師的辛勤培養(yǎng)致以崇高的敬意和衷心的感謝。 </p><p>　　在論文的完成過程中，我和同學(xué)共同探討、互相幫助、互相學(xué)習(xí)、互相支持，在此向他們表示感謝。</p><p>　　正所謂學(xué)無止境，對即將步入社會的我們來說，同樣要不斷的學(xué)習(xí)、提高。非常榮幸在內(nèi)工大完成了本科學(xué)業(yè)，我將牢記老師們的教誨，做好今后的工作。履行自己的