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

1、<p><b>　　（</b></p><p>　　二 〇 一 一 年 六 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　大遲延對(duì)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(duì)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(jí)控制，

2、但由于燃料油流量存在波動(dòng)，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(duì)象均存在較大的時(shí)間滯后。對(duì)于無滯后或滯后比較小的系統(tǒng)，通常采用PID控制。對(duì)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(shí)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(shí),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(jì)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(duì)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(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定，而且還通過仿真對(duì)設(shè)計(jì)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(huì)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(duì)象參數(shù)，使估計(jì)模型與之失配，此時(shí)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(guó)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(jiǎn)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(jí)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(gè)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(jí)控制，并把煤氣熱值和煙氣殘氧檢測(cè)量引入控制系統(tǒng)，對(duì)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(shí)反映所承受的擾動(dòng)。因此這樣的過程必然會(huì)

16、產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)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(gè)過程動(dòng)態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)，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(huì)降低整個(gè)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(guó)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(gè)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(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾[1]。從50年代以來，時(shí)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。基于模型的方法有smith預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)報(bào)控制、預(yù)測(cè)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(jiǎn)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(duì)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(guó)外最早在1958年提出預(yù)估控制器[2]，這是一個(gè)時(shí)滯預(yù)估補(bǔ)償算法，其最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)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(duì)控制器進(jìn)行解析設(shè)計(jì)，或者對(duì)其中的控制參數(shù)進(jìn)行魯棒調(diào)整，還有的方法是對(duì)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>　　（2）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(cuò)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(jiǎn)單有效的特點(diǎn)適合工業(yè)應(yīng)用。在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于辨識(shí)和控制。在辨識(shí)方面，用于辯識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時(shí)間,在控制方面，主要有模型參考自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和Smith控制結(jié)合對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行控制，該方

21、法也較有效。</p><p>　?。?）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(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時(shí)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(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用大致有以下幾個(gè)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(duì)象的時(shí)滯問題，模糊控制器控制對(duì)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(duì)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(gè)補(bǔ)償校正。3)模糊自整定方法，它是對(duì)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(duì)主反饋通道傳遞函數(shù)中的濾波時(shí)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(jì)算效率不是很高。</p><p>　　（4） 變結(jié)

23、構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制理論是一個(gè)具有潛力的研究方向。迄今為止，時(shí)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)?；沟霉I(yè)過程變得更為復(fù)雜，大時(shí)滯、不確定性、嚴(yán)重非線性、時(shí)變性對(duì)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)于時(shí)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(jì)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(shí)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(huì)遇到具有純滯后特性的被控對(duì)象,并常將這種被控對(duì)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(dòng)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(dòng)、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(duì)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(jì)的目標(biāo)是引入一個(gè)純滯后環(huán)節(jié) ,即Smith預(yù)估器,與被控對(duì)象相并聯(lián),使補(bǔ)償后的被控對(duì)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(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(duì)于具有大時(shí)間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時(shí)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制 ,但動(dòng)態(tài)性能不理想.當(dāng)模型失配時(shí) ,PID 算法就無能為力了。而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時(shí)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(shí),

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(duì)象數(shù)學(xué)模型，且能通過控制對(duì)象和模型輸出信號(hào)比較來對(duì)模型增益作出適應(yīng)性修正。相對(duì)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(shí)也能夠進(jìn)行有效地控制 ，能夠保持一定的動(dòng)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(shí) ,具有良好的穩(wěn)

28、定和魯棒性 ,對(duì)于大時(shí)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(gè)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(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行氣化，其溫度的高低會(huì)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(zhǎng)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(gè)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(duì)象是一個(gè)多容量的復(fù)雜

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

32、b>　　(2-2)</b></p><p>　　2.2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)</p><p>　　簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是指由一個(gè)受控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)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(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)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(duì)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(cè)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(shí)，可選擇一個(gè)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(cè)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(gè)對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)</p><p>　　但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對(duì)加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.3 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1、串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的采用了兩個(gè)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個(gè)被控對(duì)象，即主對(duì)象（溫度對(duì)象）和副對(duì)象（流量對(duì)象），所以有兩個(gè)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(hào)送往主控制器，而副被控參數(shù)的信號(hào)被送往副控制器作為測(cè)量，這樣就構(gòu)成了兩個(gè)閉合回路，即主回路（外環(huán)）和副回路（內(nèi)環(huán)）。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程[5]，就是指在擾動(dòng)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(dòng)，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(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　2、 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　1） 改善了對(duì)象特征，起了超前控制的作用</p><p>　　2） 改善了對(duì)象動(dòng)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(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)原則：</b></p><p>　　1） 在選擇副參數(shù)時(shí)，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(jì)時(shí)，應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)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(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合</p><p>　　1）被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時(shí)

42、，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2）對(duì)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(shí)，可采用串級(jí)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(duì)象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大。</p><p>　　5 、串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用中的問題</p><

43、p>　　（1） 主、副控制器控制規(guī)律的選擇</p><p>　　串級(jí)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(jiǎn)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(jí)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(gè)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(shí)間和微分時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)量F1，空氣為從動(dòng)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(shí)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(cè)取進(jìn)入過程的干擾，并按其信號(hào)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(shí)，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(shì)對(duì)操縱變量進(jìn)行控制，來補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響，所以相對(duì)于反饋控制，前饋控制是比較及時(shí)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(hào)是按干擾大小隨時(shí)間變化的，它是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可以不考慮時(shí)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)作用下控制過程的動(dòng)態(tài)偏差依然存在。對(duì)于擾動(dòng)變化頻繁和動(dòng)態(tài)精度要求比較高的生產(chǎn)過程，對(duì)象兩個(gè)通道動(dòng)態(tài)特性又不相等時(shí)，靜態(tài)前饋往往不能滿足工藝上的要求，這時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)前饋方案。</p><p>

52、;　　動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。顯然這種控制規(guī)律是由對(duì)象的兩個(gè)通道特性決定的，由于工業(yè)對(duì)象的特性千差萬別，如果按對(duì)象特性來設(shè)計(jì)前饋控制器的話，將會(huì)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(duì)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(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和具有對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測(cè)的長(zhǎng)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(chǎng)合</p><p>　　1. 系統(tǒng)中存在著可測(cè)但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。</p><p>　　2. 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，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(jiǎn)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(duì)過程

56、模型要求不高，故對(duì)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(zhǎng)足進(jìn)步，過程工業(yè)也向大型化、集約化方向發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。同時(shí)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(jì)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(cè)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(jiǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后，用計(jì)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(jì)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>　　（3-1）</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(jiǎn)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(duì)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(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)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?jì)算機(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(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此可對(duì)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>　?。?-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(shí)以前三個(gè)時(shí)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(dòng)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(duì)控制量的計(jì)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(huì)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(dòng)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(dòng)到自動(dòng)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(hào)最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)原來的信號(hào)。</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(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多。</p><p>　　2）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)

67、的周期。</p><p>　　3）當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，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(shí)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?？刂贫榷x為：數(shù)字控制系統(tǒng)與對(duì)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(duì)模擬控制效果，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，數(shù)字控制與模擬控制效果相同；當(dāng)控制度為2時(shí)，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(jì)算公式求取采樣周期T、比例系數(shù) 、積分時(shí)間常數(shù) 和微分時(shí)間常數(shù) 。</p><p>　　（2）歸一參數(shù)整定法</p>

70、<p>　　Roberts PD在1974年提出一種簡(jiǎn)化擴(kuò)充臨界比例度整定法。該方法只需整定一個(gè)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(gè)問題都簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)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(jiǎn)單的方法為湊試法，即對(duì)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(duì)象在基本擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)特性，簡(jiǎn)化

73、為一個(gè)純遲延與一個(gè)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(gè)輸入的數(shù)學(xué)模型，預(yù)先估計(jì)出所采用的控制作用對(duì)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(dòng)作，這有利于改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[8]。</p><p>　　當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，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(duì)象

74、的傳遞函數(shù)為時(shí)，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(dòng)作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是</p><p><b>　　（4-2）</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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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>　　（4-3）</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(gè)

77、并聯(lián)通道之和，即</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　為使控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)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(dòng)傳動(dòng)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(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　由以上分析可知，對(duì)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(dòng)對(duì)被控制量的影響；第二項(xiàng)為用來補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)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(duì)于隨動(dòng)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(duì)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(gè)是被控對(duì)象除去純遲延后

81、傳遞函數(shù)為的環(huán)節(jié)，另一個(gè)遲延時(shí)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(duì)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(shí)，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(duì)模型誤差較為敏感，對(duì)于具有時(shí)變特性的對(duì)象，當(dāng)模型誤差較大時(shí)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的品質(zhì)會(huì)變壞，甚至失去穩(wěn)定性。針對(duì)這種情況，因此采用了改進(jìn)的Smith 預(yù)估補(bǔ)償對(duì)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(huì)隨時(shí)間累積起來，也就是對(duì)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(gè)除法器，一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)(識(shí)別器)和一個(gè)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(shí)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(gè)環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過程輸出信號(hào)之間的比值來提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)

84、估器增益的信號(hào)[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>　　（4-11）</b></p><p>

85、;<b>　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　　（4-14）</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(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)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(shí)，只需對(duì)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(shí)，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(jì)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(duì)象參數(shù)時(shí)變時(shí), 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(shí)蹤對(duì)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(duì)仿真結(jié)果的分析。首先對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行了常規(guī)PID控制；其次設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)添加擾動(dòng)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(duì)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(duì)大慣性純滯后對(duì)象式5-1,設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(tái)，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(duì)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(duì)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(duì)大時(shí)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(gè)仿真系統(tǒng)中，并給這兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，兩系統(tǒng)的輸出同接在一個(gè)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(duì)過熱汽溫這類純滯后對(duì)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(duì)模型誤差較為敏感，當(dāng)模型誤差較大時(shí)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的品質(zhì)會(huì)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(hào)。</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(duì)象模型精確的內(nèi)在要求，當(dāng)被控對(duì)象模型參數(shù)不準(zhǔn)確或參數(shù)易變時(shí)．其控制效果將會(huì)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(duì)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(duì)于具有大時(shí)間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時(shí)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制,但動(dòng)態(tài)性能不理想.當(dāng)模型失配時(shí),PID算法就無能為力了。而Smith預(yù)估算法則在模型匹配時(shí)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(shí),Smith預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果。相對(duì)而言,改進(jìn)型Smith算法，在模型匹配時(shí),能夠保持一定的動(dòng)

99、態(tài)性能；而在模型失配時(shí)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(duì)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(shí),具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性,對(duì)于大時(shí)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>　　（1）本文所設(shè)計(jì)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(duì)象的模型較為簡(jiǎn)單，距真正工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還有一定差距，如何能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)還需要做更多的工作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

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107、曉東,王軍,萬紅.基于Smith預(yù)估的純滯后系統(tǒng)的控制[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2004,25(1).</p><p>　　[19] 馮瑤 ,朱學(xué)鋒. 改進(jìn)型Smith預(yù)估器及實(shí)驗(yàn)研究[J].SCUT研究生學(xué)報(bào), 1989,2(2):32-36.</p><p>　　[20] 王月鵑．萬百五．大時(shí)延過程的控制方法．控制理論與應(yīng)用,1986(3)．</p><p&g

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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(chéng)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(duì)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(duì)即將步入社會(huì)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