【正文】 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。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) 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 圖 加入干擾的 Smith預(yù)估控制仿真框圖 圖 Smith 預(yù)估控制仿真曲線，引入幅度為 的隨機(jī)干擾信號。 圖 加熱爐溫度 PID 控制系統(tǒng)仿真框圖 圖 基于 PID 控制的輸出曲線 ssGc 5 )( ??內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 Smith 控制系統(tǒng)仿真研究 控制方案和仿真框圖的建立 通過前幾章的講述，本文所設(shè)計的 Smith 控制方案如圖 所示。()Gs se?? )()()1(1 )()()( )( 39。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)估器增益的信號 [13]。 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)行控制 。 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。39。39。39。)(sR)(s?)(sF)(sY)(sWT so esW ??)(39。39。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。 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。 2）增量型算法得出的是控制量的增量，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。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。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。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。 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。 變比值控制系統(tǒng) 要求兩種物料流量的比值隨第三參數(shù)的需要而變化。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 3）根據(jù)求得的 (δ 1p)和 (T1P)、 (δ 2p)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。 4） 被控對象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大。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)）。 (1) 滿足工藝的合理性 (2) 具 有盡可 能大的 靈敏度且線形好 (3) 測量變送裝置的滯后小 。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。 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 。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中 ,普遍采用 PID 控制算法。 （ 4） 變結(jié)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。 （ 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)。 （ 1） 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，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。因此近年來，對時滯系統(tǒng)的控制方法研 究方興未艾 [1]。 gain adaptive control。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)。 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，但由于燃料油流量存在波動，使得溫度控制效果較差。 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。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。 PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。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。 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)。對于時滯系統(tǒng)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。 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 ，改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器是克服純滯后影響的有效方法之一。 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。 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。 圖 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 串級控制系統(tǒng)的基本概念 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]。 串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合 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，可采用串級控制系統(tǒng)。主控制器的作用方向只與工藝條件有關(guān)。 常用的比值控制方案： 單閉環(huán)比值控制 圖 單閉環(huán)比值控制 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。靜態(tài)前饋是前饋控制中的一種特殊形式。 3） 前饋－反饋控制 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。由于 PID 控制器有較好的魯棒性能，對過程模型要求不高，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)。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器 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 （ 31） 并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖 31 所示，簡稱 P（ proportional） I（ integral） D（ differential）調(diào)節(jié)器。增量式算法只需保持現(xiàn)時以前三個時刻的偏差值。 選擇采樣周期 T，一般考慮以下因素： 1）采樣周期應(yīng)比對象的時間常數(shù)小得多?？刂贫榷x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 控制度 (35) 控制度表示數(shù)字控制相對 模擬控制效果，當(dāng)控制度為 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。 ?????0202])(m in[])([m inADdttdttee 10? 50? T 1250? Tτ)]2()1()([ ????? kekekeK pΔ u ( k )KpKpTi TdKp]})2()1(2)([)(1)()({)( ????????? kekekeTTkeTTkekekkΔu dip內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 第四章 改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器控制理論 Smith 預(yù)估器 控制理論 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]。 圖 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng) 圖 中 )(39。 假若系統(tǒng)中無此補(bǔ)償器，則由控制器輸出 )(s? 到被控量 )(sY 之間的傳遞函數(shù)為 so esWssY ?? ?? )()( )( 39。39。39。 sWo se??內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 其中， )()(1 )()()( 39。 sWo 的環(huán)節(jié)，另一個遲延時間等于 ? 的純遲延環(huán)節(jié)。除法器是將過程的輸出值除以模型的輸出值。 所設(shè)計的 FuzzySmith 控制方案如圖 所示 [14]。首先 對被控對象進(jìn)行了常規(guī) PID 控制 ； 其次設(shè)計 了 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。 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。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 24 總 結(jié) 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。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。 。 （ 2） 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。因此，引入增益自適應(yīng) Smith預(yù)估補(bǔ)償控制。 圖 加熱爐溫度 Smith 控制的輸出曲線 (s)Gc內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 為便于比較， 將圖 的 Smith 仿真框圖與圖 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 所示 。 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。 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)。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。 （ 49） 由（ 49）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 se?? 項(xiàng)，即消除了純遲延對控制系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響。 sY)(sWT so esW ??)(39。 39。 sWo 則要求（ 44）式為 )()()()( )( 39。39。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)。改變其值，觀察控制效果，直到滿意為止。 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。 PI