論文溫度控制系統(tǒng)smith預(yù)估控制器設(shè)計(jì)

1、成教畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目溫度控制系統(tǒng)的smM預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)院 系機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)班電氣考生姓名8888準(zhǔn)考證號(hào) 8888888888指導(dǎo)老師8888目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 摘要1.前言3.第1章緒論4.選題背景4國內(nèi)外溫度控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 本文研究?jī)?nèi)容.5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第2章溫度控制系統(tǒng)的建模.7. HYPERLI

2、NK l bookmark10 o Current Document 數(shù)學(xué)模型的介紹 7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 工程控制數(shù)學(xué)模型的建立方法 .7 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 數(shù)學(xué)模型的建立 8 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 數(shù)據(jù)分析及建立模塊步驟9 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第3章常規(guī)PID控制器設(shè)計(jì) 17 HYPERLINK l bookmark26 o Curre

3、nt Document PID 概述17 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 數(shù)字PID控制器17 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響21 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第4章溫度控制系統(tǒng)的sm讓h預(yù)估控制器設(shè)計(jì)23 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 史密斯（SMITH）預(yù)估控制23 HYPERLINK l bookmark36 o Current Documen

4、t 純滯后對(duì)象的控制算法一一大林算法25 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 帶smith預(yù)估器PID數(shù)字控制器27 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 第5章Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的 Matlab仿真與實(shí)驗(yàn) 2 9 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document MATLAB仿真軟件的介紹 29 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 帶Smith預(yù)估控制器的鍋爐系統(tǒng)的仿真 29 HYPERLINK l bookmar

5、k66 o Current Document 第6章總結(jié)36 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 致謝37. HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 參考文獻(xiàn)38摘要本文針對(duì)“鍋爐主系統(tǒng)”通過實(shí)驗(yàn)法建立其數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而用 PID控制算 法和Smith控制算法對(duì)其進(jìn)行仿真控制。對(duì)于鍋爐溫度的控制，由于PID控制器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)格低，PID控制得到了廣泛的應(yīng)用，但PID控制參數(shù)整定麻 煩，被控對(duì)象模型參數(shù)難以確定，外界干擾會(huì)使控制效果漂離最佳狀態(tài)，并且電爐加熱器溫度具有純滯后特點(diǎn)，PID的控制效果并不

6、明顯，因?yàn)閰?shù)一經(jīng)設(shè)定， 不隨系統(tǒng)參數(shù)變化而改變，影響控制質(zhì)量。對(duì)于這種情況Smith控制算法在鍋爐 溫度控制中的應(yīng)用，使得鍋爐溫度控制能夠達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的水平，并且能有效的解決系統(tǒng)產(chǎn)生的純滯后效果。最后用Matlab對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出仿真的結(jié)果并且加以分析。關(guān)鍵詞：PID, Smith,鍋爐氣溫，仿真AbstractFor boiler system by the experimental method to establish the mathematical model, and then using the PID control algorithm and Smith con

7、trol algorithm simulation control. Boiler temperature control, PID controller structure is simple, practical, low price, PID control has been widely used, but the PID control parameters tuning trouble, the plant model parameters is difficult to determine, outside interference makes the control effec

8、t drift away from the good condition, and the temperature of the electric furnace heater time delay characteristics of the PID control is not obvious, because the parameters are set, do not change with the system parameters change, affecting the quality control. For this caseSmith control algorithm

9、in the boiler temperature control, boiler temperature control can reach a stable level, and effective solution to the delay effect generated by the system.Systems designed using Matlab simulation, and obtained the simulation results to be analyzed.Keywords: PID, Smith, boiler temperature, the simula

10、tion現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，不少工業(yè)對(duì)象存在著純滯后時(shí)間。這種純滯后時(shí) 問或者是由于物料或能量傳輸過程中所引起的?；蛘呤怯捎趯?duì)象中多容積所引起的，或者是高階對(duì)象低階近似后所形成的等效滯后。在純滯后過程中，由于過程控制通道中存在純滯后，使得被控量不能及 時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)。因此這樣的過程必然會(huì)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，被公認(rèn)為是較難控制的過程，其難控制程度將隨著純滯 后工占整個(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)為純滯后時(shí)間占對(duì)象的時(shí)間常數(shù)T之比大于0.3,則稱該過程為大滯后過程。止匕外，大滯后 會(huì)降低整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從自動(dòng)控制理論可知，對(duì)象純滯后的存在對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性

11、極為不利。特別 是當(dāng) 0.5時(shí)（為純滯后時(shí)間，T為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)），若采用常規(guī)PID 控制，很難獲得良好的控制質(zhì)量。對(duì)于純滯后，普通的PID反饋控制系統(tǒng)并不能取得很好的效果，這是因?yàn)槠淇刂菩Ч麩o法通過反饋回路及時(shí)反饋，因 而使得控制問題復(fù)雜化了。在歸一化純滯后時(shí)間較大的情況下要保持系統(tǒng)穩(wěn) 定性的唯一方法是縮小增益Kp ,然而這樣作將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期 T變大, 系統(tǒng)響應(yīng)變慢，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。大慣量物體的一個(gè)明顯特征是 慣性滯后。通常在研究數(shù)控設(shè)備時(shí)，忽略其時(shí)滯效應(yīng)。然而，精密定位控制 的大慣量物體，具時(shí)滯效應(yīng)是不容忽視的本文采用預(yù)估補(bǔ)償方案，得出適合 于數(shù)字伺服的控制算法，并與 PI

12、D算法加以比較。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，對(duì) 大慣量帶有時(shí)滯的系統(tǒng)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案能得到優(yōu)良的控制品質(zhì)， 是一種理想的控制方案。Smith預(yù)估控制的提出就較好地解決了這個(gè)問題， 它通過在回路中加入Smith預(yù)估器，從而可以在環(huán)路中使用較大的增益而不 使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。隨著質(zhì)量分析儀表在線控制的推廣應(yīng)用，克服純滯后已 經(jīng)成為提高過程控制自動(dòng)化水平，改進(jìn)控制質(zhì)量的一個(gè)迫切需要解決的問 題。Smith預(yù)估控制已經(jīng)成為克服純滯后的主要方法之一。第1章緒論選題背景在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常由于物料或能量的傳輸帶來時(shí)間延遲的問題，即被控對(duì)象具有不同程度的純滯后，不能及時(shí)反映系統(tǒng)所受的擾動(dòng)。止匕外，測(cè)量信

13、號(hào) 到達(dá)控制器，即使執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受信號(hào)后立即動(dòng)作，也需要經(jīng)過一個(gè)滯后時(shí)間才能 影響到被控制量實(shí)現(xiàn)控制。這種類型的過程必然會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié) 時(shí)間，使過渡過程變壞，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。對(duì)于這種情況史密斯（ Smith）控 制算法在鍋爐溫度控制中的應(yīng)用，使得鍋爐溫度控制能夠達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的水平。 史密斯（Smith）預(yù)估控制的特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出過程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，再由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^程控制技術(shù).它的基本思想是按過程特性設(shè)計(jì)出一種模型加 人到反饋控制系統(tǒng)中，以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使 滯后了 的被控量超前反映到控制器，使控制器提前動(dòng)作，從而明顯地減少超調(diào) 量，加速

14、調(diào)節(jié)過程.特別是對(duì)于那些被控對(duì)象具有不同程度的純滯后，而被控對(duì)象又不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)的控制系統(tǒng)，史密斯（Smith）預(yù)估控制技術(shù)獲 得了廣泛的運(yùn)用。傳統(tǒng)的 PID控制一般難以解決過程控制上的大滯后問題，具 有大滯后的過程控制屬于較難的控制問題，一直以來都是過程控制研究的熱點(diǎn)， 具有重要的實(shí)際意義。國內(nèi)外溫度控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)從20世紀(jì)50年代開始，溫度控制界逐漸發(fā)展了審級(jí)控制、前饋控制、Smith 預(yù)估控制、比值控制、選擇性控制和多變量解耦控制等策略與算法，稱為復(fù)雜控 制。他們?cè)诤艽蟪潭壬蠞M足了復(fù)雜過程工業(yè)的一些特殊控制要求。 他們?nèi)匀灰越?jīng) 典控制理論為基礎(chǔ)，但是結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上各有

15、特色，而且目前仍在繼續(xù)改進(jìn)與發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)過程本省的非線性、時(shí)變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之 有效的解決方法，如推理控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制等，常統(tǒng)稱為先進(jìn)過程控制。近十年來，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 遺傳算法為主要方法的基于知識(shí)的智能處理方法已經(jīng)成為過程控制的一種重要 技術(shù)。先進(jìn)控制方法可以有效地解決那些采用常規(guī)儀表控制效果差，甚至無法控制的復(fù)雜工業(yè)工業(yè)過程的控制問題。 實(shí)踐證明，先進(jìn)控制方法能取得更高的控制 品質(zhì)和更大的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)今國內(nèi)外的溫度控制技術(shù)都

16、是基于反饋的概念。反饋理論的重要部分：測(cè) 量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng) 的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是， 做出正確的測(cè)量和比較后，如何才 能更好地糾正系統(tǒng)，PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 50多年的歷史， 由于PID具有簡(jiǎn)單、直觀、魯棒性好的特點(diǎn)，成為工業(yè)過程控制最為常用的控 制方式。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家 相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于 20世紀(jì)80 年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制

17、及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng) 于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品 化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入 WTQ我國政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相 關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、 技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國溫度等儀表工業(yè)得 到迅速的發(fā)展。本文研究?jī)?nèi)容為了改善純滯后對(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)D 4（s）即Smith 預(yù)估器，與

18、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。本文是以鍋爐為模擬對(duì)象， 通過建立數(shù)學(xué)模型，在 MATLAB環(huán)境下，對(duì)控制鍋爐溫度的 Smith控制算法進(jìn) 行仿真研究。第2章溫度控制系統(tǒng)的建模數(shù)學(xué)模型的介紹數(shù)學(xué)模型是關(guān)于部分現(xiàn)實(shí)世界和為一種特殊目的而作的一個(gè)抽象的、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)。具體來說，數(shù)學(xué)模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)學(xué)及其它數(shù)學(xué)符號(hào)建 立起來的等式或不等式以及圖表、 圖象、框圖等描述客觀事物的特征及其內(nèi)在聯(lián) 系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式。是近些年發(fā)展起來的新學(xué)科

19、，數(shù)學(xué)理論與實(shí)際問題相結(jié)合的一門科學(xué)。 它將 現(xiàn)實(shí)問題歸結(jié)為相應(yīng)的數(shù)學(xué)問題，并在此基礎(chǔ)上利用數(shù)學(xué)的概念、方法和理論進(jìn) 行深入的分析和研究，從而從定性或定量的角度來刻畫實(shí)際問題，并為解決現(xiàn)實(shí) 問題提供精確的數(shù)據(jù)或可靠的指導(dǎo)。數(shù)學(xué)模型的歷史可以追溯的人類開始使用數(shù)字的時(shí)代。隨著人類使用數(shù)字，就不斷地建立各種數(shù)學(xué)模型，以解決各種各樣的實(shí)際問題。對(duì)于廣大的科學(xué)技術(shù)工作 者對(duì)大學(xué)生的綜合素質(zhì)測(cè)評(píng)，對(duì)教師的工作業(yè)績(jī)的評(píng)定以及諸多訪友、采購等日 ?；顒?dòng)，都可以建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，確立一個(gè)最佳方案。建立數(shù)學(xué)模型是溝通擺 在面前的實(shí)際問題與數(shù)學(xué)工具之間聯(lián)系的一座必不可少的橋梁。工程控制數(shù)學(xué)模型的建立方法建立工程數(shù)

20、學(xué)模型的基本方法有兩個(gè)，即機(jī)理法和測(cè)試法。.機(jī)理法建模用機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中的實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、想平衡方程，以及 反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程、物性參數(shù)方程和 某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需要的數(shù)學(xué)模型。.測(cè)試法建模測(cè)試法一般只用于建立輸入/輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。 它的主要特點(diǎn)是把研究的工業(yè)過程視 為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。然而，這并不意味著可以對(duì)內(nèi)部機(jī)理毫無所知。 過程的動(dòng)態(tài)

21、特性只 有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來， 在穩(wěn)態(tài)下是表現(xiàn)不出來的。因此為了獲得 動(dòng)態(tài)特性，必須使被研究的過程處于被激勵(lì)的狀態(tài)， 如施加一個(gè)階躍擾動(dòng)或脈沖 擾動(dòng)等。為了有效地進(jìn)行這種動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，仍然有必要對(duì)過程內(nèi)部的機(jī)理有明 確的定性了解，如究竟有哪些主要因素在起作用， 他們之間的因果關(guān)系如何，等 等。豐富的驗(yàn)前知識(shí)無疑會(huì)有助于成功地用測(cè)試法建立數(shù)學(xué)模型。哪些內(nèi)部機(jī)理尚未被人們充分了解的過程，如復(fù)雜的生化過程，也是難以用測(cè)試法建立其動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型的。2.3數(shù)學(xué)模型的建立本實(shí)驗(yàn)采用的是時(shí)域法。根據(jù)常識(shí)我們可以假設(shè)鍋爐的傳遞函數(shù)為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)G(s)K eTS 1(2-1)其中，K為系統(tǒng)

22、的增益，T為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)的滯后時(shí)間常數(shù)。實(shí)驗(yàn)之初我們給系統(tǒng)加一個(gè)階躍信號(hào)，然后獲取階躍響應(yīng)，根據(jù)得的數(shù)據(jù)利用作圖法計(jì)算出對(duì)象特性的函數(shù)K、T、。.計(jì)算增益K設(shè)階躍輸入u(t)的變化幅值為？u(t),如輸出y(t)的起始值和穩(wěn)態(tài)值分別y(0) 和y(內(nèi)，則增益K可根據(jù)下式計(jì)算，即(2-2)Ku(t).用作圖確定T和p在階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)A處作一切線，它與時(shí)間軸交于 B點(diǎn)，與曲線的穩(wěn) 態(tài)近線交于A點(diǎn)，這樣就可以根據(jù)圖確定參數(shù) p和T,他們的具體數(shù)值如圖2-1yy(圖2-1階躍響應(yīng)曲線2.4數(shù)據(jù)分析及建立模塊步驟對(duì)“鍋爐主系統(tǒng)”圖 2-2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)法建模圖2-2鍋爐主系統(tǒng)建立模塊步驟：在ma

23、tlab軟件中輸入ident接回車鍵會(huì)出現(xiàn)圖2-3圖2-3點(diǎn)擊圖2-3中的標(biāo)示部分，彈出一個(gè)對(duì)話框如圖2-4,并輸入A側(cè)后屏出口溫度530.0595;530.0750;530.1047;530.1203;530.0905;530.0905;530.1060;530.0905;530. 1358;530.1060;530.1060;530.1060;530.1060;530.1060;530.1512;530.1060;530.1060; 530.1016;530.1016;530.1512;530.1512;530.1214;530.1369;530.1667;530.1667;530.1 6

24、67;530.1822;530.1822;530.1822;530.2175;530.1976;530.1976;530.1678;530.1976;5 30.2131;530.2131;530.1988;530.2441;530.2142;530.2142;530.2297;530.2453;530.27 50;530.2750;530.2905;530.2607;530.3060;530.3060;530.2917;530.2917;530.3369;53 0.3071;530.3524;530.3524;530.3381;530.3679;530.3834;530.3989;530.41

25、44;530.414 4;530.4000;530.4000;530.4652;530.4608;530.4310;530.4310;530.4608;530.4763;530 .4464;530.4619;530.4917;530.4961;530.5072;530.4774;530.4774;530.5227;530.5227 ;530.5084;530.5084;530.5382A側(cè)前屏出口溫度445.6828;445.6519;445.6519;445.6364;445.6209;445.5899;445.5899;445.5590;445. 5590;445.5237;445.512

26、6;445.4971;445.4661;445.4661;445.4352;445.4153;445.4042; 445.3887;445.3533;445.3533;445.3577;445.3423;445.3411;445.3256;445.2958;445.210649;445.2792;445.2339;445.2184;445.2482;445.2327;445.1676;445.1521;445.1709;445.1411;445.1256;445.1101;445.0946;445.0791;445.0438;445.0482;445.0327;445.0172;445.001

27、7;445.0017;444.9862;444.9708;444.9354;444.9354;444.9243;444.9243;444.9088;444.9386;444.9232;444.8934;444.8779;444.9077;444.9077;444.8624;444.8426;444.8470;444.8271;444.8271;444.8315;444.8315;444.8315;444.8160;444.7961;444 .8116;444.7961;444.7961;444.8160;444.8160;444.7961;444.7961;444.7961;444.8160

28、;444.8160;444.8160;444.8160填寫完成后點(diǎn)擊import,出現(xiàn)圖2-5所示圖2-411System Identification Tool - Untitled回雙圖2-5點(diǎn)擊time plot會(huì)顯示圖2-6Time Pilot ul-ylFile Optiors ityle Channel HelpInput and output signals圖2-612圖2-7點(diǎn)擊圖2-7中的標(biāo)示部分選擇傳遞函數(shù)模型，彈出對(duì)話框如圖2 8所示，然后點(diǎn)擊圖，28中的標(biāo)示部分，即可顯示如圖 29。13圖2-8圖2-91411所示。圖 2-1015在圖2-9中點(diǎn)擊Model outpu

29、t就可以顯示如圖4-10所示.雙擊圖2 9中的,就可以得出所需要辨識(shí)對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)，具結(jié)果如圖2-H Datamodel Info: P1D圖 2-11所以系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型近似為：G(s)0.8323se 81s 116第3章常規(guī)PID控制器設(shè)計(jì)PID概述目前主要的控制方法有比例積分控制(Proportional-Integral-DifferentialControl )、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等。已經(jīng)應(yīng)用在溫控領(lǐng)域的有PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制以及 PID控制與模糊控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合 的一些方法，如Fuzzy-PID控制、Adaptive-PID控制、模糊自適應(yīng)PID控

30、制等。圖31基本PID控制系統(tǒng)原理圖PID控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，基本PID控制系統(tǒng)原理如圖3-1所示。PID控制是最早展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、 魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確 數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)其中數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫 度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)PID參數(shù)(即比例值、積分值、微分值)。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精 度是比較令人滿意的。數(shù)字PID控制器在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PI

31、D控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是采用數(shù)值逼近的方法。差分方17程:t0e(t)dtTe(i) i 0de(t) e(k) e(k 1) dtT式中：T為采樣周期 k為采樣序號(hào)所以由(14)式可知T ke(k) e(k 1)u(k) Kpe(k) e(i) Td1-T| i oT同理u(k 1) Kpe(k 1)；3)TDe(k 1) e(k 2) T| i oT將(3 3)式成(34)式相減，可得PID控制算式Au(k) u(k) u(k 1) KPe(k) e(k 1) K|e(k) KDe(k) 2e(k 1)(Kp K|KD)e(k) ( 2Kp 小腳 1)2)Kp(1 T TD)e(k) Kp(1

32、字)e(k 1) KpTDe(k 2) I I IIIAoe(k) Ae(k 1) A?e(k 2)其中Ao = K p(1 %)，A= kp(1 二)，A2 = Kp -D T|TTT(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)e(k 2)(3-5)18所以，我們可以畫出該P(yáng)ID控制算式的控制系統(tǒng)示意圖，即圖 3-2r(k)圖3219根據(jù)PID的控制算式可以畫出PID的控制算法的總體框圖3-3圖3-3 PID的控制算法的總體框圖20我們由PID控制算式(式(1-5)及程序框圖(圖3-2)可知，該P(yáng)ID 控制算法有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)由于計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量(即對(duì)應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)位置的變化量)， 故機(jī)器

33、無原發(fā)生故障時(shí)影響范圍小，從而不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程。(2)手動(dòng)一自動(dòng)切換時(shí)沖擊小?？刂茝氖謩?dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，可以做到 無憂動(dòng)切換。止匕外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信 號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3)算式中不需要累加，控制增量iu(k)的確定僅與最近K次的采樣值 有關(guān)，較容易獲得比較好的控制效果！PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響(1)比例控制Kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響a對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響：比例控制 Kp加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、速度加快；Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；當(dāng)Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。若Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。b對(duì)穩(wěn)定特性的影響加大比例控制Kp,在系

34、統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但加大Kp只能減小誤差，卻不能完全消除誤差。(2)積分控制Ti對(duì)控制性能的影響a對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響積分控制Ti通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定；Ti偏小，震蕩次數(shù)較多；Ti太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng) Ti合適時(shí)，過度過程比較 理想。b對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響積分控制Ti能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但 T|太大, 積分作用太弱，以致不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分控制Td對(duì)控制性能的影響微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量的減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比 例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。21當(dāng)Td偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)

35、間長(zhǎng)；當(dāng)Td偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng);只有TD合適時(shí)，可以得到比較滿意的過渡過程22第4章 溫度控制系統(tǒng)的smith預(yù)估控制器設(shè)計(jì)4.1史密斯(smith)預(yù)估控制經(jīng)典的PID控制理論經(jīng)過多年的發(fā)展在工業(yè)控制方面得到了很大的青睞， 但是經(jīng)典的PID控制在系統(tǒng)具有較大純滯后的時(shí)候其控制效果不是那么的理想， 所以在經(jīng)典的PID控制基礎(chǔ)上再加上Simth控制器，在對(duì)具有大純滯后環(huán)節(jié)的控 制系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)起到了非常好的作用。圖4-1為具有純滯后的對(duì)象進(jìn)行傳統(tǒng) PID調(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，設(shè)對(duì)象的特 性為：_sGpc(s) Gp(s)e(4-1)圖4-1常規(guī)PID控制系統(tǒng)其中，Gp(s)為對(duì)象

36、傳遞函數(shù)中不含純滯后的部分，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)Gc(s), Gc(s)為PID控制規(guī)律，干擾通道的傳遞函數(shù)為Gp(s)系統(tǒng)給定作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Y(s) Gc(s)Gp(s) e sR(s) 1 Gc(s)Gp(s)系統(tǒng)對(duì)干擾的傳遞函數(shù) TOC o 1-5 h z 送GD(s)e s(4-3)D(s) 1 Gc(s)Gp(s)(3-10)式的特征方程為_s1 G(s)G(s)e(4-4)23在反饋回路中設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)彳回路，其傳遞函數(shù)為Gl（s）,如圖4-2所示圖4-2具有時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆答伩刂葡到y(tǒng) 為了補(bǔ)償對(duì)象的純滯后，要求：G(s)K eTs 1(4-5)史密斯（Smith）補(bǔ)償函數(shù)為Gl(s)

37、Gp(s)(1S e )(4-6)于是，史密斯（Smith）預(yù)估控制結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。圖4-3 Smith控制結(jié)構(gòu)圖經(jīng)史密斯補(bǔ)償后，純滯后的影響已消除，從而使系統(tǒng)可以使用較大的調(diào)節(jié)增益來改變調(diào)節(jié)品質(zhì)。24純滯后對(duì)象的控制算法一一大林算法在一些實(shí)際工程中，經(jīng)常遇到純滯后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們的滯后時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì) 于這樣的系統(tǒng)，往往允許系統(tǒng)存在適當(dāng)?shù)某{(diào)量， 以盡可能地縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。人 們更感興趣的是要求系統(tǒng)沒有超調(diào)量或只有很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時(shí)間則允許在較 多的采樣周期內(nèi)結(jié)束。也就是說，超調(diào)是主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，用 一般的隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。針對(duì)這一要求，舊M

38、 公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一種針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后對(duì)象 的控制算法。其目標(biāo)就是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一 階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：可 +1(4-7)其中為為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，二汨 為被控對(duì)象的純延遲時(shí)間，為了簡(jiǎn) 化，其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后 的一階慣性環(huán)節(jié)，即十1 ,其中2仃由于一般控制對(duì)象均與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)，所以相應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的 脈沖傳遞函數(shù)是加號(hào)工25(4-8)于是脈沖傳遞函數(shù)為:以Z)G(

39、2)l-3) G(z) 1 一0一工一 口 一 產(chǎn)門口-21(4-9)D(z)可由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對(duì)象有關(guān)。下面對(duì)一階純滯后 環(huán)節(jié)進(jìn)行討論。當(dāng)被控對(duì)象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，由式(2-1)的傳遞函數(shù)可知,其脈沖傳遞函數(shù)為：式匯科+ 1)1 勺弓$ + 1將此式代入式(4-9)可知率1-“2)口-產(chǎn)&T - 口-產(chǎn)八)Z-WT(4-10)26,一 Ti 閉環(huán)系統(tǒng)式中：T 米樣周期；1 被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù);的時(shí)間常數(shù)帶sm此預(yù)估器PID數(shù)字控制器帶sm計(jì)h預(yù)估器的PID數(shù)字控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示:圖中smith預(yù)估器的輸出為c(k),數(shù)字PID控制器的輸入為e(

40、k)。Smith預(yù)估器的控制規(guī)律為(4-11)C(S) = Gp(S)(1-e s)u(S)(4-12)把上式離散化，得到smith預(yù)估器的輸出形式為C(k) =m(k)-m( k -當(dāng) =NT時(shí)C(k) =m(k)-m( k - N)(4-13)當(dāng) *NT時(shí)，q s用級(jí)數(shù)展開為:e(4-14)代入算式(4-11)得:C(S) = Gp(S)(1-e s)u(S)=Gp(S)u(S)(4-15)把上式離散化，同樣可得smith預(yù)估器的輸出c(k)。27許多工業(yè)對(duì)象可近似看作帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)表示為:G(S)=Uhse s = Gp(s) e(4-16)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的純滯后補(bǔ)償控制

41、系統(tǒng)如圖所示:28第5章Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的 Matlab仿真與實(shí)驗(yàn)Matlab仿真軟件的介紹Matlab是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交 互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以 及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán) 境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了 一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言 （如C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。Matlab是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)

42、算和圖 形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。它幾乎可以輕易地再 現(xiàn)C或FORTRAN語言的全部功能，并設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠 的高質(zhì)量程序來，而且編程效率和計(jì)算效率極高。Matlab環(huán)境下的Simulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，在它提供的圖形用戶界 面上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拽操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個(gè)仿真環(huán)境工具箱，且在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。帶Smith預(yù)估控制器的鍋爐系統(tǒng)的仿真在Matalab軟件中輸入下列程序%Big Delay PID Control with Smith Algorith

43、m clear all;close all;Ts=20;%Delay plantkp=1;Tp=60;29tol=80;sys=tf(kp,Tp,1,inputdelay,tol);dsys=c2d(sys,Ts,zoh);num,den=tfdata(dsys,v);M=2;%Prediction modelif M=1 %No Precise Model: PI+Smithkp1=kp*1.10;Tp1=Tp*1.10;tol1=tol*1.0;elseif M=2|M=3 %Precise Model: PI+Smithkp1=kp;Tp1=Tp;tol1=tol;endsys1=tf(

44、kp1,Tp1,1,inputdelay,tol1);dsys1=c2d(sys1,Ts,zoh);num1,den1=tfdata(dsys1,v);u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;u_4=0.0;u_5=0.0;e1_1=0;e2=0.0;e2_1=0.0;ei=0;xm_1=0.0;ym_1=0.0;y_1=0.0;30for k=1:1:600 time(k)=k*Ts;S=2;if S=1 rin(k)=1.0; %Tracing Step Signalendif S=2rin(k)=sign(sin(0.0002*2*pi*k*Ts); %Tracing Squar

45、e Wave Signal end%Prediction modelxm(k)=-den1(2)*xm_1+num1(2)*u_1;ym(k)=-den1(2)*ym_1+num1(2)*u_5; %With Delayyout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;if M=1%No Precise Model: PI+Smithe1(k)=rin(k)-yout(k);e2(k)=e1(k)-xm(k)+ym(k);ei=ei+Ts*e2(k);u(k)=0.50*e2(k)+0.010*ei;e1_1=e1(k);elseif M=2 %Precise Model: PI+

46、Smithe2(k)=rin(k)-xm(k);ei=ei+Ts*e2(k);u(k)=0.50*e2(k)+0.010*ei;e2_1=e2(k);elseif M=3 %Only PI31e1(k)=rin(k)-yout(k);ei=ei+Ts*e1(k);u(k)=0.50*e1(k)+0.010*ei;e1_1=e1(k);end%Return of smith parametersxm_1=xm(k);ym_1=ym(k);u 5=u 4;u 4=u 3;u 3=u 2;u 2=u 1;u 1=u(k);y_1=yout(k);endplot(time,rin,b,time,you

47、t,r);xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);采用M語言進(jìn)行數(shù)字化仿真。按Smith算法設(shè)計(jì)控制器。S代表指令信號(hào)類型，S=1為階躍響應(yīng)，M代表三種情況下的仿真：M=1為模型不精確，M=2為模型 精確，M=3為采用PI控制。取S=2,針對(duì)M=1 , M=2, M=3三種情況進(jìn)行仿真。 在PI控制中，kp=0.50, K =0.010.其響應(yīng)結(jié)果如圖5-1圖5-3所示。 p / 132Figure 1File Edit View Insert Tools Desktop Vindow Help。已3R相/ 0|口目應(yīng)此房嵬viHe口一noA6200040006C008

48、0001000012000time(s)Note new toolbar buttons:出匕 bruEhing & linkfid圖5-1模型不確定時(shí)方波響應(yīng)（M=1 ）33Figure 1Fihe Edit View Insert Tools Desktop Window H.lp口國R心玲屋二、門充上 0 口園-npAckl-10.90.6040.20-0 2-0.4Q6-0 8Note riav toolbaF buttons: data brushing & linkEd plots / C Pl，y yideo20004000600080001000512000time 0圖5-2模型