【文章內容簡介】 特性設想的一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，以補償過程的動態(tài)特性。這種補償反饋也因其構成模型的方法形成不同而有不同的方案。常用的有史密斯(Smith)預估補償方法，當然還有一些改進過的史密斯(Smith)預估補償方法，比如1977年甲而思和巴特利在史密斯方法的基礎上提出了增益的自適應補償方案。它們在模型匹配的條件下均可以獲得比較好的效果。通過理論分析可以證明改進型方案的穩(wěn)定性優(yōu)于未改進的史密斯方案，而且對模型精度的要求也有所降低，有利于改善系統(tǒng)的控制性能。盡管史密斯(Smith)預估補償方案中多了一個調節(jié)器，其整定參數還是比較簡單的。為了保證系統(tǒng)輸出響應無殘差，一般要求兩個PID動作調節(jié)器。其中主調節(jié)器只需要按照模型完全精確的情況進行整定。至于輔助調節(jié)器的整定，只要在輔助調節(jié)器的反饋通道上與模型傳遞函數的模型相匹配即可。無論在設定值擾動或者負荷擾動下，史密斯(Smith)預估器對模型精度都是十分敏感的，另外改進型的方案有很好的適應能力。1959年由Smith率先提出了大滯后系統(tǒng)的預估補償方案，其主要原理是預先估計出被控過程的動態(tài)模型，然后將預估器并聯在被控過程上，使其對過程中的純滯后特性進行補償，力圖將被延遲的時間的被控量提前送入調節(jié)器，因而調節(jié)器能提前動作，這樣就通過補償裝置消除了純滯后特性在閉環(huán)中的影響。從而可明顯地減少過程的超調量、縮短過渡過程時間，有效地改善控制品質，所以它是一種比較理想的大滯后系統(tǒng)控制方案。+– Smith預估補償器方案原理框圖圖中 ——PID調節(jié)器；——廣義被控對象的數學模型，為不包括純滯后時間的對象模型；——Smith預估補償器。顯然，在未進行Smith預估補償情況下，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數為 () 故其閉環(huán)特征方程式為 =0 () 由于在系統(tǒng)特征方程式中出現了純時間滯后項，這就在系統(tǒng)中引入了易造成不穩(wěn)定的相角滯后，因此增加了系統(tǒng)的控制難度。引入Smith預估補償器的目的，是使調節(jié)器所控制的等效對象中能消除純滯后部分， += () 由此可得Smith預估補償器的數學模型為 = () 于是。 Smith預估補償系統(tǒng)一般型框圖。 () 故閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式為 =0 () Smith等效預估補償系統(tǒng)框圖這就是Smith預估補償的基本思路，即從系統(tǒng)特征方程式中消除純滯后因素，因而可消除過程純滯后特性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響。 加熱爐溫度控制簡介在過程控制系統(tǒng)中，溫度控制是一種常見的控制形式，本文主要通過加熱爐溫度控制的模型結構，來闡述最優(yōu)控制，即用粒子群算法的思想，來對PID參數進行自整定。 加熱爐系統(tǒng)的重要特點在加熱爐爐溫控制過程中都會遇到純滯后調節(jié)控制問題，因為加熱爐的溫度控制是一個典型的純滯后工藝對象，爐溫的滯后不僅僅浪費能源。而且影響加熱產品質量與產量。隨著計算機控制技術的發(fā)展與應用，許多加熱爐都裝備有先進的計算機控制系統(tǒng)，以實現加熱爐的最佳燃燒控制。有的加熱爐還配有二級計算機控制系統(tǒng)，以實現最佳爐溫設定值在線計算與設定[11]的都是降低能耗，減少污染，提高加熱質量與產量。在實現了最佳燃燒控制與最佳爐溫控制后，克服爐溫慣性問題愈顯重要。(1)純滯后系統(tǒng)的特性純滯后是物理系統(tǒng)的一種性質，具有純滯后的工藝過程當外界對其施加了一定作用后，工藝過程不會立即做出反應，而總要滯后一段時間。對于加熱爐來說，熱容量愈大滯后時間愈長。在通常的反饋調節(jié)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)之所以能對控制對象施加一個校正作用，是因為工藝過程的輸出有變化。但對具有純滯后的工藝對象而言，控制系統(tǒng)對其施加校正作用后，工藝過程并不立即變化。因而也就不能立即對輸入施加應有的作用。正因為如此，純滯后被認為是最難控制的工藝過程。(2)加熱爐爐溫滯后的特點及其克服加熱爐爐溫的滯后不同于通常的測量系統(tǒng)的滯后，一般的測量滯后是由于測量取樣過程產生的，也有測量元件本身引起的滯后。對于測量系統(tǒng)產生的滯后可以用常規(guī)的滯后補償系統(tǒng)進行校正，而加熱爐溫度滯后是加熱爐固有的物理特性，是由于爐溫變化速度低于燃料流量變化速度造成的，因此用常規(guī)的滯后補償軟件進行校正效果是不好的。在加熱爐最佳溫度控制系統(tǒng)中，配備了先進的計算機控制系統(tǒng)，建立了復雜的數學模型。當計算機給出了最佳爐溫設定值后，由于爐溫的滯后作用，實際爐溫不會很快達到設定值，而總要圍繞設定值上下波動延遲一段時間后才能達到設定值。使得最佳設定值變的不佳。如欲將爐溫由900℃升到1000℃，當爐溫達到設定值1000℃ 后，由于其慣性作用，溫度值會偏離設定值而升到1100℃。這是因為控制爐溫是通過控制燃料流量間接控制的。當調節(jié)系統(tǒng)得到偏差信號后，燃料流量能夠迅速響應偏關信號而改變流量的大小。但由于爐溫信號的滯后，雖然燃料流量產生了變化，爐溫并不立即變化。確切的說是爐溫變化的速度跟不上。這樣控制系統(tǒng)認為爐溫偏差信號仍沒有得到校正而進一步對燃料流量實施作用，其結果導致了較長時間的超調。這個超調量不僅僅浪費了能源，使得最佳燃燒控制系統(tǒng)的作用降低，更使得爐溫調節(jié)的過渡過程時間大大延長。從上面的分析我們得知，造成爐溫滯后的原因是爐溫有了偏差后，控制爐溫的燃料流量變化迅速，而溫度要滯后一段時間才會改變。在滯后的這段時間內，溫度偏差沒有改變，因而控制系統(tǒng)的P、I.、D仍按原來的偏差繼續(xù)改變燃料的流量。當爐溫有反應時，燃料流量已超過了所需的設定值，從而引起燃料流量的浪費，造成爐溫大幅度波動。 加熱爐的模型結構加熱爐對象是一個自衡系統(tǒng)，即在其他條件不變，一定的燃油流量和助燃風量的作用下，爐出口溫度和煙氣中的氧體積分數是一定的。資料顯示，在大多數情況下，自衡對象的動態(tài)特性都可以用一階、一階滯后、二階、二階滯后4種模型來描述。對加熱爐測試的結果表明：燃油流量qm(s)及助燃風量擋板開度X(s)對爐出口溫度T(s)及煙氣中氧體積分數φO2(s)的關系均可用二階滯后傳遞函數來描述。設在本控制系統(tǒng)中采用傳遞函數：第 4 章 系統(tǒng)仿真研究 工程上的參數整定對于本文選中的加熱爐模型。這里采用臨界穩(wěn)定法對系統(tǒng)進行初始整定，步驟如下： 1. 置調節(jié)器的積分時間為最大值，微分時間為0，比例帶d取適當大小的值，使系統(tǒng)進入運行狀態(tài)。2. 待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到出現等幅振蕩為止，即所謂的臨界振蕩過程。記錄下此時的比例帶d值，并計算兩個波峰的間距，記做。3. ，求出調節(jié)器各參數K，的數值。 臨界比例度法計算公式參數調節(jié)規(guī)律比例帶積分時間微分時間P2__ __PI2．20．85 __PID1．60．50．125按如下結構對工程法優(yōu)化的PID用MATLAB進行仿真： 加熱爐溫度的PID控制框圖 單位階躍響應的等幅振蕩曲線得到初始結果為：=18580=105K=根據上表，可以計算用PID調節(jié)器調節(jié)時的各參數為：==，==，==，=，=。 粒子群算法參數整定用粒子群算法優(yōu)化后得到的參數為=，=，=。 用工程的方法整定后的曲線 粒子群算法整定后的波形 結果比較、（臨界 兩種不同方法的仿真曲線比例度法）粗略的確定其初始的三個參數，并通過仿真得到響應曲線，曲線的上升時間雖然比較快，但是過度時間比較長，超調量也過大，這對工程實踐是不利的。再采用粒子群算法整定參數，通過粒子群算法對參數優(yōu)化后的曲線，曲線的各個指標也有了明顯的提高，尤其是超調量有了明顯的減少，上升時間也有了明顯的縮短。這正是我們所期待的。 P、I、D參數對系統(tǒng)性能影響的研究針對本文的研究對象，在仿真中分別改變不同的P、I、D值，觀察其結果，并對其結果進行相關比較。具體步驟如下：(1)分別增大和減小，保持、不變。(2)分別增大、減小以及去掉，保持、不變。(3)分別增大和減小，保持、不變。，增大會增大系統(tǒng)的超調量，但降低了峰值時間和調節(jié)時間；而減少則相對地降低了超調量，但增加了峰值時間和調節(jié)時間。 改變不同的值所觀察到的圖形 改變不同的值所觀察到的圖形，增大增加了系統(tǒng)了超調量；而減少則相對地降低了系統(tǒng)超調量；無則系統(tǒng)存在余差。 改變不同的值所觀察到的圖形，增大會降低系統(tǒng)的超調量；減小會相對地增大系統(tǒng)超調量。 Smith預估補償器 Smith預估補償器所觀察到的圖形，其中Wc(s)中的參數應用經粒子群算法整定后的那組參數，仿真后與粒子群算法整定相比較。，加了Smith預估補償器后，系統(tǒng)的超調量有了明顯進步，穩(wěn)定時間也相對降低，有效的改善了控制品質。結論 本設計采用多變量尋優(yōu)的粒子群算法對控制系統(tǒng)的PID參數進行優(yōu)化設計，通過采用工程上的整定方法（臨界比例度法）粗略的確定其初始的三個參數，并采用粒子群算法用SIMULINK的仿真工具對PID參數進行優(yōu)化，得出系統(tǒng)的響應曲線。從中發(fā)現它的性能指標，都比原來的曲線有了很大的改進。曲線的各個指標也有了明顯的提高，尤其是超調量有了明顯的減少，上升時間也有了明顯的縮短。因此，采用粒子群算法的優(yōu)越性是顯而易見的。除此之外，本設計還研究了P、I、D各參數對系統(tǒng)的影響以及Smith預估補償器對該系統(tǒng)的作用，敘述如下：(1)增大會增大系統(tǒng)的超調量，但降低了峰值時間和調節(jié)時間；而減少則相對地降低了超調量，但增加了峰值時間和調節(jié)時間。(2)增大增加了系統(tǒng)了超調量；而減少則相對地降低了系統(tǒng)超調量；無則系統(tǒng)存在余差。(3)增大會降低系統(tǒng)的超調量；減小會相對地增大系統(tǒng)超調量。(4)加了Smith預估補償器后，系統(tǒng)的超調量有了明顯進步，穩(wěn)定時間也相對降低，有效的改善了控制品質。致 謝 本次畢業(yè)設計論文全程都是在李小華老師一個人的指導下完成的。李老師治學嚴謹，學識淵博，為人和藹，誨人不倦。在我寫論文陷入山窮水盡時，給予及時的幫助和指導，并在關鍵處給予細致的講解，使我時有柳暗花明又一村的感覺，同時及時指正了我論文中粗心馬虎的缺點，使我在做論文的同時又養(yǎng)成了嚴謹的治學態(tài)度，這對我以后的學業(yè)和工作都是有很大的幫助的。同時也感謝其他的同學，在我調試程序時，給予的幫助。參考文獻[1] 邱黎輝，等．模糊PID控制在中央空調系統(tǒng)中的應用[J]．計算機測量與控制，2004，12(1)：1526．[2] Ho MingJzu，Lin ChiaYin．PID controller design for robust performance[J]．IEEE Transactions on Automatic Control，2003，48(8)：38．[3] Ho M．T．Robust and nonfragile PID controller design 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