Smith預(yù)估補(bǔ)償器在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的應(yīng)用.doc

Smith預(yù)估補(bǔ)償器在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：本文介紹Smith預(yù)估補(bǔ)償器在純滯后控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償原理及作用，并在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)中使用Smith預(yù)估補(bǔ)償器獲得了成功應(yīng)用。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制與常規(guī)的PID控制相比，具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)于一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)，有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵字：Smith預(yù)估補(bǔ)償器，PID，超調(diào)量，魯棒性，過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)1.引言在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，許多對(duì)象具有純滯后的性質(zhì)。這類控制系統(tǒng)的純滯后時(shí)間會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，采用常規(guī)的PID的控制運(yùn)算會(huì)引起大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，控制效果不佳。有關(guān)純滯后的控制系統(tǒng)，雖然國(guó)內(nèi)外作過(guò)不少研究工作，但在工程上有效方法并不多。本文介紹的就是其中用得較多且技術(shù)十分成熟的Smith預(yù)估補(bǔ)償器法及其在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)是單元機(jī)組不可缺少的重要組成部分，其性能和可靠性已成為保證單元機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。過(guò)熱蒸汽溫度較高時(shí)，機(jī)組熱效率則相對(duì)較高，但過(guò)高時(shí)，汽機(jī)的金屬材料又無(wú)法承受，氣溫過(guò)低則影響機(jī)組效率。過(guò)熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行非常重要，所以對(duì)其控制有較高的要求。但是由于過(guò)熱蒸汽溫度是一個(gè)典型的大遲延、大慣性、非線性和時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制以提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控-串級(jí)控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。通過(guò)使用該系統(tǒng)，可以使得鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過(guò)熱器營(yíng)壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。2. Smith預(yù)估器的補(bǔ)償原理2.1單回路控制系統(tǒng)于有純遲延過(guò)程的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用PID控制規(guī)律時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降的愈大。Smith針對(duì)具有純遲延的過(guò)程，提出在PID反饋控制的基礎(chǔ)上引入一個(gè)預(yù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對(duì)Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行更詳細(xì)地介紹。采用簡(jiǎn)單回路控制時(shí)，如圖2.1所示。圖2.1單回路控制系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)為，對(duì)象的傳遞函數(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： （2.1）擾動(dòng)作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： （2.2）如果分母中的項(xiàng)可以除去，情況就大有改善，遲延對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在。2.2 Smith預(yù)估補(bǔ)償器Smith預(yù)估補(bǔ)償方案主題思想就是消去分母中的項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)的方法是把對(duì)象的數(shù)字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)估器補(bǔ)償原理圖如圖2.2所示。圖2.2 Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理圖從圖2.2可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 = （2.3）式中為無(wú)延遲環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。 （2.4）由式（2.4）可見(jiàn)，對(duì)于隨動(dòng)控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中已消去了項(xiàng)，即消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至于分子之中的僅僅將系統(tǒng)控制過(guò)程曲線在時(shí)間軸上推遲了一個(gè)，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)過(guò)程的不利影響?？刂破焚|(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純遲延完全相同。 對(duì)于定值控制，由式（2.3）可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成。第一項(xiàng)為擾動(dòng)對(duì)象只有時(shí)才產(chǎn)生控制作用，當(dāng)時(shí)無(wú)控制作用。所以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動(dòng)控制。不過(guò)，從系統(tǒng)特征方程看，預(yù)估補(bǔ)償方案對(duì)定值控制系統(tǒng)品質(zhì)的改善還是有好處的。3.過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)目前，過(guò)熱蒸汽溫度的控制方案很多，而且隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，蒸汽溫度控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的蒸汽溫度控制系統(tǒng)有兩種：串級(jí)蒸汽溫度控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前微分信號(hào)的熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。由于過(guò)熱蒸汽溫度控制通道的遲延和慣性很大，被調(diào)量信號(hào)反應(yīng)慢，因此選擇減溫器后的熱蒸汽溫度作為局部反饋信號(hào)，形成了本次設(shè)計(jì)所采用的串級(jí)控制系統(tǒng)。過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖3.1所示，具有內(nèi)外兩個(gè)回路。內(nèi)回路由導(dǎo)前蒸汽溫度變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主蒸汽溫度對(duì)象、蒸汽溫度變送器、主調(diào)節(jié)器及整個(gè)內(nèi)回路組成。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因?yàn)闇p溫器離過(guò)熱器出口較遠(yuǎn)，且過(guò)熱器管壁熱容較大，主蒸汽溫度對(duì)象的滯后和慣性較大。圖3.1 過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖主蒸汽溫度這一調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性、大滯后、大慣性的復(fù)雜控制對(duì)象，控制起來(lái)是相當(dāng)不容易。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制從理論上為解決時(shí)滯的控制問(wèn)題提供了一種有效的方法。但是傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補(bǔ)償由于缺乏被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型且不適應(yīng)參數(shù)變化的大延遲過(guò)程控制，很難在該類控制中取得令人滿意的效果。所以，人們?cè)趯?shí)踐中提出一些改進(jìn)方案，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制進(jìn)行了改進(jìn)，使得此類控制得以解決，同時(shí)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性也提高的許多。對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，主蒸汽溫度的原理方框圖如圖3.2所示。圖3.2 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理框圖惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： （3.1）導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為： （3.2）其中；。從上面的傳遞函數(shù)可以看出被控對(duì)象存在遲延，所以我們首先應(yīng)該消除大延遲對(duì)系統(tǒng)的不利影響，從前面已經(jīng)討論過(guò)Smith預(yù)估器可以滿足這一目的,它的原理是在PID反饋控制的基礎(chǔ)上,引入一個(gè)預(yù)補(bǔ)償環(huán)節(jié),使控制品質(zhì)大大提高。4.過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)采用Smith 補(bǔ)償電路后, 可改善其動(dòng)態(tài)性能,取得好的控制效果。這種校正裝置用模擬方法是很難實(shí)現(xiàn)的, 但用計(jì)算機(jī)就可較方便地實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上面的設(shè)計(jì)原理框圖，采用MATLAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真，具體的仿真設(shè)計(jì)見(jiàn)以下各小節(jié)。4.1無(wú)補(bǔ)償滯后系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中，純滯后環(huán)節(jié)可以出現(xiàn)在不同的位置，它們對(duì)過(guò)程調(diào)節(jié)的影響是不同的。出現(xiàn)在閉環(huán)的任一環(huán)節(jié)中的純滯后都會(huì)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，調(diào)節(jié)質(zhì)量變差，以一個(gè)純滯后單回路的控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明如何減少純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響。其simulink的仿真框圖和運(yùn)行結(jié)果分別如圖4.1和圖4.2所示。圖4.1 純滯后單回路的控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：階躍信號(hào)的幅值為1，在0時(shí)刻產(chǎn)生階躍，采樣時(shí)間為0.01s。Transport Delay1中的延時(shí)分別設(shè)置成50s,70s,90s和100s，仿真運(yùn)行的時(shí)間設(shè)置成1000s,其它模塊均采用默認(rèn)設(shè)置，并觀察仿真的結(jié)果。 圖4.2（a）為50s 圖4.2（b）為70s 圖4.2（c）為90s 圖4.2（d）為100s從上面的仿真結(jié)果來(lái)看，對(duì)于之后系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)就會(huì)出現(xiàn)震蕩。從的大小來(lái)說(shuō)，的值為50s時(shí)，震蕩不明顯，隨著值的繼續(xù)增大可以很明顯的看出震蕩越來(lái)越厲害，這對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不想看到的。于是我們需要采用Smith預(yù)估補(bǔ)償器作為反饋來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。下小節(jié)對(duì)預(yù)估補(bǔ)償器進(jìn)行仿真研究。4.2 Smith預(yù)估補(bǔ)償器的仿真根據(jù)2.2小節(jié)中的原理框圖設(shè)計(jì)Smith預(yù)估補(bǔ)償器，并進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其仿真的框圖如圖4.3所示。圖4.3 Smith預(yù)估補(bǔ)償器的仿真框圖上面框圖的參數(shù)設(shè)置為：階躍信號(hào)的幅值為1，階躍時(shí)間從0時(shí)刻開(kāi)始，采樣時(shí)間為0.01s。Transport Delay和Transport Delay1模塊的延時(shí)參數(shù)設(shè)置相同，值分別取30s,50s,70s,100s，得到的結(jié)果如圖4.4所示。 圖4.4（a）為30s 圖4.4（b）為50s 圖4.4（c）為70s 圖4.4（d）為100s從上面的四幅不同延時(shí)的仿真結(jié)果可以看出，引入了Smith預(yù)估仿真器后，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)變得更加穩(wěn)定了，系統(tǒng)在得到穩(wěn)定以后就不會(huì)產(chǎn)生震蕩，對(duì)于延時(shí)大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用Smith預(yù)估補(bǔ)償器作為反饋有很明顯的效果，具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。4.3基于Smith預(yù)估補(bǔ)償器的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)根據(jù)第三章中的過(guò)熱系統(tǒng)的原理，首先對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并且通過(guò)計(jì)算和整定，發(fā)現(xiàn)在控制方面它們各有特點(diǎn)，但相對(duì)于延遲大，外擾多的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，串級(jí)控制系統(tǒng)更為適用，所以采用串級(jí)控制方案。但純延遲過(guò)程系統(tǒng)的控制是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，單純的串級(jí)控制是無(wú)法滿足的，選擇了添加Smith預(yù)估補(bǔ)償器，Smith針對(duì)純延遲控制有很好的改善作用，使控制品質(zhì)大大提高。其設(shè)計(jì)仿真框圖如圖4.5所示。 圖4.5 基于Smith預(yù)估補(bǔ)償器的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)框圖參數(shù)設(shè)置：階躍信號(hào)的參數(shù)設(shè)置與上面的相同，惰性區(qū)傳遞函數(shù)和導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)在第三章已經(jīng)做了說(shuō)明，兩個(gè)區(qū)的延時(shí)時(shí)間是相同的，分別取10s,30s,50s和80s做出仿真，其結(jié)果如圖4.6所示。 圖4.6（a）為10s 圖4.6（b）為30s 圖4.6（a）為50s 圖4.6（b）為80s從上面的仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)延時(shí)取30s時(shí)，在給定對(duì)象的前提下所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能準(zhǔn)確快速的跟蹤設(shè)定值。而當(dāng)取10s和50s時(shí)，曲線的形狀幾乎沒(méi)有什么變化，取80s時(shí)稍微有些波動(dòng)，系統(tǒng)需要一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。這說(shuō)明曲線的形狀幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，這就說(shuō)明基于改進(jìn)型Smith預(yù)估器對(duì)大慣性、純延遲系統(tǒng)具有較好的控制效果，提高了系統(tǒng)的魯棒性得以提高，使控制品質(zhì)變好。5.結(jié)論本文對(duì)具有慣性時(shí)間及延遲擾動(dòng)的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)估補(bǔ)償控制，并采用MATLAB中的simulink進(jìn)行了仿真。從仿真的結(jié)果來(lái)看，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取得了成功，達(dá)到預(yù)期的目的，很好的滿足設(shè)計(jì)所要求的性能。提高了對(duì)大慣性、大遲延過(guò)程控制的有效性，使系統(tǒng)具有了較好的魯棒性。 對(duì)控制系統(tǒng)中含有純滯后的環(huán)節(jié)采用Smith預(yù)估補(bǔ)償器法是一種在工程上行之有效的方法之一。實(shí)施Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制方案的關(guān)鍵是補(bǔ)償器模型的求取和純滯后環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。它是基于對(duì)象數(shù)學(xué)模型已知的情況下才采用的，它的控制性能指標(biāo)的優(yōu)劣與對(duì)象數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確度的高低和調(diào)節(jié)器及預(yù)估補(bǔ)償器的參數(shù)整定值有關(guān)。基于Smith預(yù)估補(bǔ)償器的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng), 采用Smith 預(yù)估補(bǔ)償法與常規(guī)的PID 相比, 具有穩(wěn)定性好、超調(diào)量小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)于具有大滯后系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的控制。參考文獻(xiàn)1 吳呂斌，羅自學(xué)，周懷春.主汽溫控制現(xiàn)狀及其新方法應(yīng)用研究J.電站系統(tǒng)工程,2009,1(25):5-72 王俊濤. 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