溫度控制系統(tǒng)曲線模式識(shí)別及仿真

1、鍋爐溫度定值控制系統(tǒng)模式識(shí)別及仿真專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化姓名：郭光普指導(dǎo)教師：馬安仁摘 要 本文首先簡要介紹了鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)的控制原理和參數(shù)辨識(shí)的概念及切線近似法模式識(shí)別的基本原理，然后對(duì)該系統(tǒng)的溫控曲線進(jìn)行模式識(shí)別，而后著重介紹了用串級(jí)控制和 Smith預(yù)估 器設(shè)計(jì)一個(gè)新的溫度控制系統(tǒng)，并在MATLABSimulink中搭建仿真模 型進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞溫度控制，模式識(shí)別，串級(jí)控制，Smith 預(yù)測控制ABSTRACTThis article first briefly introduced in the boiler the gallbladder temperature contro

2、l system's control principle and the parameter identification concept and the tangent approximate method pattern recognition basic principle, then controls the curve to this system to carry on the pattern recognition warm, then emphatically introduced designs a new temperature control system wit

3、h the cascade control and the Smith estimator, and carries on the simulation in the Simulink of MATLAB build simulation model.Key Words: Temperature control, Pattern recognition, Cascade control, Smith predictive control隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)工藝操作條件的要求更加嚴(yán)格 對(duì)安全運(yùn)行及對(duì)控制質(zhì)量的要求也更高。 在工業(yè)生產(chǎn)中，某些生產(chǎn)過 程對(duì)溫度的要求較高，只有在特定的溫度下

4、才能有較好的質(zhì)量，比如醫(yī)藥化工行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、種子的培育和雞蛋的孵化等，都對(duì)溫度有 較高的要求，所以往往要對(duì)溫度進(jìn)行精確控制以達(dá)到生產(chǎn)的要求。研究鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)有很大的意義。 而水溫定值控制系統(tǒng)由 于其具有大純滯后性和不確定性，使得采用一般的PID控制達(dá)不到工 藝要求。為此，研究一種魯棒性好、抗干擾能力強(qiáng)的具有大純滯后補(bǔ) 償能力的控制方案是必要的。本文用串級(jí)控制和Simth預(yù)估控制分別 對(duì)鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行改進(jìn)，收到了很好的效果。2 .鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)概述鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖如下圖1所示：圖1鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)以鍋

5、爐內(nèi)膽作為被控對(duì)象，內(nèi)膽的水溫為系統(tǒng)的被控量。要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定至給定量，將鉗電阻 TT1檢測到鍋爐內(nèi)膽溫度信號(hào)作為反饋信號(hào)，在給定量比較后的差值 通過調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓（即三相電加熱管的端電 壓），以達(dá)到控制鍋爐內(nèi)膽水溫的目的。在鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制 系統(tǒng)中，其參數(shù)整定方法與其他單回路控制系統(tǒng)一樣，但由于加熱過程容量時(shí)延較大，所以其控制過渡時(shí)間也較長，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可選擇 PD或PID控制。通常鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的控制方法采用傳統(tǒng)PID控制,控制效果不夠理想，其理論階躍響應(yīng)曲線如下圖 2所示：圖2溫度控制系統(tǒng)理論階躍響應(yīng)曲線由曲線知傳統(tǒng)PID控制的階躍響應(yīng)曲線有較大超

6、調(diào)且響應(yīng)速度 較慢，動(dòng)態(tài)性能較差，控制效果不夠理想，應(yīng)采取有效措施改進(jìn)。3 .鍋爐溫度控制系統(tǒng)曲線模式識(shí)別對(duì)鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)進(jìn)行智能儀表控制，采用傳統(tǒng)的 PID控制方法，合理整定P、I、D三個(gè)參數(shù)，待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，突 然增加一正的階躍量，系統(tǒng)會(huì)在自動(dòng)調(diào)節(jié)下重新達(dá)到穩(wěn)定。 記錄試驗(yàn) 結(jié)果曲線如下圖3所示：圖3傳統(tǒng)PID鍋爐溫度定值控制階躍響應(yīng)曲線由圖3中曲線和圖2中曲線比較可知，實(shí)際響應(yīng)曲線和理論曲線 不一致。理論上溫度定值控制系統(tǒng)屬于二階以上高階系統(tǒng)，但實(shí)際上 為分析與處理方便，往往將其簡化為一階系統(tǒng)。本試驗(yàn)所得曲線就可 近似為一階曲線，故我們?cè)诜治鰰r(shí)也可以將其看作一階系統(tǒng)來處理。工

7、程上常用階躍響應(yīng)曲線求對(duì)象傳遞函數(shù)的方法有切線近似法、 圖解法和兩點(diǎn)法，因切線近似法簡單且實(shí)踐證明它可以成功地應(yīng)用于 PID控制器的參數(shù)整定，所以我們將采用切線近似法將圖3所示系統(tǒng)進(jìn)行模式識(shí)別。3.1 切線近似法的原理具有純滯后一階對(duì)象的傳遞函數(shù)為：W0 s = Ke-s Ts 1(1)其階躍響應(yīng)曲線的切線近似法原理如下圖4所示:圖4有純滯后對(duì)象的切線近似法其中靜態(tài)放大系數(shù)K可由下面的公式求出：K Jyl ) y 0x = yi； ) ：、x (2)在圖4中響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)D做切線，切線與y仔)的漸近線交于A 點(diǎn)，而與時(shí)間軸交于B點(diǎn)，由A點(diǎn)向時(shí)間軸作垂線，與時(shí)間軸交于 C 點(diǎn)，則OB對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間

8、t , BC對(duì)應(yīng)時(shí)間常數(shù)T ,即可得到傳遞函數(shù)。 3.2用切線近似法對(duì)試驗(yàn)曲線模式識(shí)別圖5鍋爐溫度控制曲線的切線近似法模式識(shí)別由前面分析知，本系統(tǒng)可近似為具有純滯后的一階系統(tǒng)， 通過實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察可知y(g)為50,而試驗(yàn)初始值為27.5左右，所以可以確 定系統(tǒng)的靜態(tài)放大系數(shù)K為：K = ly 二 一 y 0 L x = 50 -27.5 10 =2.25(3)從而根據(jù)上述的切線近似法可以讀出：=0.75 60 = 45s(4)T = 49 - 44.625 = 4.375min = 262.5s(5)一.1 2 25e45s所以可得曲線的傳遞函數(shù)為：G(s) =5e (6)262.5s 14

9、 .鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)串級(jí)控制設(shè)計(jì)4.1 串級(jí)控制的原理串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào) 節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往 調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱 主變量(主被控參數(shù))，即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副 調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量(副被控參數(shù))，是為 了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路， 主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥 和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、 調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上 的，而不包括在副回路范

10、圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控 過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。鍋爐內(nèi)膽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如下圖6所示:D2（s）圖6鍋爐內(nèi)膽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖4.2 鍋爐內(nèi)膽溫度串級(jí)控制的設(shè)計(jì)由以上分析所得鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)模式識(shí)別的結(jié)果和鍋爐內(nèi)膽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖， 選擇合理的控制器整定值, 可以在MATLAB勺Simulink中搭建鍋爐內(nèi)膽溫度串級(jí)控制的仿真圖如下圖7所示:50Constant圖7鍋爐內(nèi)膽溫度串級(jí)控制 Simulink仿真圖串級(jí)控制系統(tǒng)從主回路來看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)， 對(duì)主變量有較 高的質(zhì)量要求，其控制質(zhì)量指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)要求一樣。從副回路來看

11、，是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)副變量的控制質(zhì)量一般要求不高， 只要求能快速準(zhǔn)確地跟隨主控制器的輸出變化就行。因此必須根據(jù)兩 個(gè)回路各自的作用對(duì)主、副變量的要求去確定主、副控制器的參數(shù)。兩步法整定串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)：1、先整定副回路。在主、副回路均閉合，主、副控制器都置于純比例作用的條件下，現(xiàn)將主控制器的比例帶放在100%處。按照單回路控制系統(tǒng)整定方法整定副回路：逐漸降低副控制回路的比例度， 得到副變量在4:1遞減比下的副控制器的比例度62s和副變量振蕩周 期 T2S。2、然后整定主回路。主、副回路仍然閉合，將副控制器的比例 度置于62s值上，將副回路看作主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的辦法整 定主控制器：即降

12、低主控制器的比例度，得到主變量在4:1遞減比下的主控制器的比例度 兀和副變量振蕩周期Tis。3、按上面得到的 乳、Tis、82s和T2s值,分別計(jì)算主、副控制器 的整定參數(shù)值：比例度6、積分時(shí)間I和微分時(shí)間Td。4、按先副環(huán)后主環(huán)，先比例次積分后微分的順序，將計(jì)算出的參數(shù)設(shè)置到相應(yīng)的控制器上。在圖7的仿真圖中按上面的步驟整定好各參數(shù)的值后，可得仿真曲線如下圖8所示：50010001500200025003000附10圖8鍋爐溫度控制系統(tǒng)串級(jí)控制仿真曲線5 .鍋爐溫度控制系統(tǒng) Smith預(yù)估控制5.1 Smith預(yù)估控制器的原理假定廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為Gk(s) -K-e-s = G0(s)e-

13、s(7)T°s 1式中，Go(s)是廣義函數(shù)中不包含純時(shí)延的部分。在這個(gè)廣義對(duì)象上并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 G<s),如圖9所示:圖9純時(shí)延的補(bǔ)償原理圖Y(s) 1r令并聯(lián)后的傳遞函數(shù)為G£s),即Y(s)2)=G°(s)e-s G (S)=G0(s)(8)P(s)得到G (s) =G°(s)(1-e-s)(9)當(dāng)上式滿足時(shí)，圖9中并聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與純時(shí)延部分無關(guān), 即消除了純時(shí)延的影響。設(shè)對(duì)象有純時(shí)延的單回路控制系統(tǒng)如下圖 10所示:WC s* W°eTYs圖10有純時(shí)延的單回路控制系統(tǒng)利用Smith補(bǔ)償法給具有純時(shí)延的

14、對(duì)象加上 Smith補(bǔ)償器，并構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，即為Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)，如下圖11所示:D(s) 十+，G0(s)eY(s)圖11 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖5.2 鍋爐內(nèi)膽溫度Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)Smith預(yù)估控制從理論上提供了將含有純滯后的對(duì)象簡化為不含純滯后的對(duì)象進(jìn)行控制的方法。由以上分析所得到的鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)模式識(shí)別的結(jié)果和鍋爐內(nèi)膽溫度Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的原理圖，選擇合理的PID控制器整定值，可以在MATLAB的Simulink中搭建鍋爐內(nèi)膽溫度 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的仿真圖，如下圖12所示:圖12鍋爐內(nèi)膽溫度 Smith預(yù)估控制Simulink仿

15、真圖實(shí)際中，Smith預(yù)估控制模型不是并聯(lián)在控制過程上，而是反向并聯(lián)在控制器上。反向并聯(lián)的傳遞函數(shù)與被控對(duì)象的傳遞函數(shù)相同，反向并聯(lián)的純時(shí)延和被控對(duì)象純時(shí)延相同，都為 E=45s合理整定PID控制器的參數(shù)后，運(yùn)行Simulink可得到仿真曲線如 下圖13所示:圖13鍋爐溫度控制系統(tǒng)Smith預(yù)估控制仿真曲線6 .串級(jí)控制與Smith預(yù)估控制結(jié)果比較由圖3傳統(tǒng)PID鍋爐溫度定值控制階躍響應(yīng)曲線與圖 8鍋爐溫 度控制系統(tǒng)串級(jí)控制仿真圖比較可看出，傳統(tǒng)PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間很 長，而串級(jí)控制的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯比傳統(tǒng) PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間短。再由 圖8鍋爐溫度控制系統(tǒng)串級(jí)控制仿真曲線與圖13鍋爐溫度控制系統(tǒng)

16、Smith預(yù)估控制仿真曲線比較可看出，在串級(jí)控制和Smith預(yù)估控制的PID控制器參數(shù)相同的情況下，串級(jí)控制和PID預(yù)估控制的調(diào)節(jié)時(shí) 間基本相同，都約為500s,但Smith預(yù)估控制的超調(diào)量明顯比串級(jí) 控制的超調(diào)量小，串級(jí)控制的超調(diào)量約為 36%而Smith預(yù)估控制的 超調(diào)量卻只有16%明顯比串級(jí)才5制的小，且Smith預(yù)估控制的控制 曲線圓滑。綜合以上對(duì)比分析可看出，Smith預(yù)估控制使系統(tǒng)的階躍 響應(yīng)性能得到了提高，超調(diào)量明顯下降，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性得到提 高，可見Smith預(yù)估控制的控制效果最好。7. 總結(jié)本文首先介紹了對(duì)鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的切線近似法模式識(shí)別，然后通過比較傳統(tǒng)PID 控制、串級(jí)控制和Smith 預(yù)估控制三種不同控制方法，對(duì)比分析各控制方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可得出對(duì)于大延時(shí)系統(tǒng)，用哪種控制方案較好。通過在Simulink 中分別對(duì)以上三種控制方案搭建仿真模型進(jìn)行仿真，并對(duì)比各自的仿真效果后可知，對(duì)于具有大純滯后的對(duì)象，用 Smith預(yù)估控制方案可以達(dá)到很好的控制效果，Smith 預(yù)估控制是對(duì)具有純時(shí)延對(duì)象的一種很好的控制方案。13參考文獻(xiàn)1 邵裕森 . 過程控制工程M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版