【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 特性設(shè)想的一種模型加入到反饋控制系統(tǒng)中，以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性。這種補(bǔ)償反饋也因其構(gòu)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(yù)估補(bǔ)償方法，當(dāng)然還有一些改進(jìn)過的史密斯(Smith)預(yù)估補(bǔ)償方法，比如1977年甲而思和巴特利在史密斯方法的基礎(chǔ)上提出了增益的自適應(yīng)補(bǔ)償方案。它們?cè)谀Ｐ推ヅ涞臈l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(jìn)型方案的穩(wěn)定性優(yōu)于未改進(jìn)的史密斯方案，而且對(duì)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(yù)估補(bǔ)償方案中多了一個(gè)調(diào)節(jié)器，其整定參數(shù)還是比較簡(jiǎn)單的。為了保證系統(tǒng)輸出響應(yīng)無殘差，一般要求兩個(gè)PID動(dòng)作調(diào)節(jié)器。其中主調(diào)節(jié)器只需要按照模型完全精確的情況進(jìn)行整定。至于輔助調(diào)節(jié)器的整定，只要在輔助調(diào)節(jié)器的反饋通道上與模型傳遞函數(shù)的模型相匹配即可。無論在設(shè)定值擾動(dòng)或者負(fù)荷擾動(dòng)下，史密斯(Smith)預(yù)估器對(duì)模型精度都是十分敏感的，另外改進(jìn)型的方案有很好的適應(yīng)能力。1959年由Smith率先提出了大滯后系統(tǒng)的預(yù)估補(bǔ)償方案，其主要原理是預(yù)先估計(jì)出被控過程的動(dòng)態(tài)模型，然后將預(yù)估器并聯(lián)在被控過程上，使其對(duì)過程中的純滯后特性進(jìn)行補(bǔ)償，力圖將被延遲的時(shí)間的被控量提前送入調(diào)節(jié)器，因而調(diào)節(jié)器能提前動(dòng)作，這樣就通過補(bǔ)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(diào)量、縮短過渡過程時(shí)間，有效地改善控制品質(zhì)，所以它是一種比較理想的大滯后系統(tǒng)控制方案。+– Smith預(yù)估補(bǔ)償器方案原理框圖圖中 ——PID調(diào)節(jié)器；——廣義被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為不包括純滯后時(shí)間的對(duì)象模型；——Smith預(yù)估補(bǔ)償器。顯然，在未進(jìn)行Smith預(yù)估補(bǔ)償情況下，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)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(xiàn)了純時(shí)間滯后項(xiàng)，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(yù)估補(bǔ)償器的目的，是使調(diào)節(jié)器所控制的等效對(duì)象中能消除純滯后部分， += () 由此可得Smith預(yù)估補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型為 = () 于是。 Smith預(yù)估補(bǔ)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(yù)估補(bǔ)償系統(tǒng)框圖這就是Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)幕舅悸罚磸南到y(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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響。 加熱爐溫度控制簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，來闡述最優(yōu)控制，即用粒子群算法的思想，來對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自整定。 加熱爐系統(tǒng)的重要特點(diǎn)在加熱爐爐溫控制過程中都會(huì)遇到純滯后調(diào)節(jié)控制問題，因?yàn)榧訜釥t的溫度控制是一個(gè)典型的純滯后工藝對(duì)象，爐溫的滯后不僅僅浪費(fèi)能源。而且影響加熱產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，許多加熱爐都裝備有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)加熱爐的最佳燃燒控制。有的加熱爐還配有二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最佳爐溫設(shè)定值在線計(jì)算與設(shè)定[11]的都是降低能耗，減少污染，提高加熱質(zhì)量與產(chǎn)量。在實(shí)現(xiàn)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(zhì)，具有純滯后的工藝過程當(dāng)外界對(duì)其施加了一定作用后，工藝過程不會(huì)立即做出反應(yīng)，而總要滯后一段時(shí)間。對(duì)于加熱爐來說，熱容量愈大滯后時(shí)間愈長(zhǎng)。在通常的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)之所以能對(duì)控制對(duì)象施加一個(gè)校正作用，是因?yàn)楣に囘^程的輸出有變化。但對(duì)具有純滯后的工藝對(duì)象而言，控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)輸入施加應(yīng)有的作用。正因?yàn)槿绱?，純滯后被認(rèn)為是最難控制的工藝過程。(2)加熱爐爐溫滯后的特點(diǎn)及其克服加熱爐爐溫的滯后不同于通常的測(cè)量系統(tǒng)的滯后，一般的測(cè)量滯后是由于測(cè)量取樣過程產(chǎn)生的，也有測(cè)量元件本身引起的滯后。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的滯后可以用常規(guī)的滯后補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)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(bǔ)償軟件進(jìn)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(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，建立了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)計(jì)算機(jī)給出了最佳爐溫設(shè)定值后，由于爐溫的滯后作用，實(shí)際爐溫不會(huì)很快達(dá)到設(shè)定值，而總要圍繞設(shè)定值上下波動(dòng)延遲一段時(shí)間后才能達(dá)到設(shè)定值。使得最佳設(shè)定值變的不佳。如欲將爐溫由900℃升到1000℃，當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定值1000℃ 后，由于其慣性作用，溫度值會(huì)偏離設(shè)定值而升到1100℃。這是因?yàn)榭刂茽t溫是通過控制燃料流量間接控制的。當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)得到偏差信號(hào)后，燃料流量能夠迅速響應(yīng)偏關(guān)信號(hào)而改變流量的大小。但由于爐溫信號(hào)的滯后，雖然燃料流量產(chǎn)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(rèn)為爐溫偏差信號(hào)仍沒有得到校正而進(jìn)一步對(duì)燃料流量實(shí)施作用，其結(jié)果導(dǎo)致了較長(zhǎng)時(shí)間的超調(diào)。這個(gè)超調(diào)量不僅僅浪費(fèi)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(diào)節(jié)的過渡過程時(shí)間大大延長(zhǎng)。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(shí)間才會(huì)改變。在滯后的這段時(shí)間內(nèi)，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?nèi)剂系牧髁?。?dāng)爐溫有反應(yīng)時(shí)，燃料流量已超過了所需的設(shè)定值，從而引起燃料流量的浪費(fèi)，造成爐溫大幅度波動(dòng)。 加熱爐的模型結(jié)構(gòu)加熱爐對(duì)象是一個(gè)自衡系統(tǒng)，即在其他條件不變，一定的燃油流量和助燃風(fēng)量的作用下，爐出口溫度和煙氣中的氧體積分?jǐn)?shù)是一定的。資料顯示，在大多數(shù)情況下，自衡對(duì)象的動(dòng)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(duì)加熱爐測(cè)試的結(jié)果表明：燃油流量qm(s)及助燃風(fēng)量擋板開度X(s)對(duì)爐出口溫度T(s)及煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)φO2(s)的關(guān)系均可用二階滯后傳遞函數(shù)來描述。設(shè)在本控制系統(tǒng)中采用傳遞函數(shù)：第 4 章 系統(tǒng)仿真研究 工程上的參數(shù)整定對(duì)于本文選中的加熱爐模型。這里采用臨界穩(wěn)定法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始整定，步驟如下： 1. 置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間為最大值，微分時(shí)間為0，比例帶d取適當(dāng)大小的值，使系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。2. 待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比例帶，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止，即所謂的臨界振蕩過程。記錄下此時(shí)的比例帶d值，并計(jì)算兩個(gè)波峰的間距，記做。3. ，求出調(diào)節(jié)器各參數(shù)K，的數(shù)值。 臨界比例度法計(jì)算公式參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律比例帶積分時(shí)間微分時(shí)間P2__ __PI2．20．85 __PID1．60．50．125按如下結(jié)構(gòu)對(duì)工程法優(yōu)化的PID用MATLAB進(jìn)行仿真： 加熱爐溫度的PID控制框圖 單位階躍響應(yīng)的等幅振蕩曲線得到初始結(jié)果為：=18580=105K=根據(jù)上表，可以計(jì)算用PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)的各參數(shù)為：==，==，==，=，=。 粒子群算法參數(shù)整定用粒子群算法優(yōu)化后得到的參數(shù)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(jié)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(gè)參數(shù)，并通過仿真得到響應(yīng)曲線，曲線的上升時(shí)間雖然比較快，但是過度時(shí)間比較長(zhǎng)，超調(diào)量也過大，這對(duì)工程實(shí)踐是不利的。再采用粒子群算法整定參數(shù)，通過粒子群算法對(duì)參數(shù)優(yōu)化后的曲線，曲線的各個(gè)指標(biāo)也有了明顯的提高，尤其是超調(diào)量有了明顯的減少，上升時(shí)間也有了明顯的縮短。這正是我們所期待的。 P、I、D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響的研究針對(duì)本文的研究對(duì)象，在仿真中分別改變不同的P、I、D值，觀察其結(jié)果，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行相關(guān)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(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，但降低了峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間；而減少則相對(duì)地降低了超調(diào)量，但增加了峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)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(diào)量；而減少則相對(duì)地降低了系統(tǒng)超調(diào)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(huì)降低系統(tǒng)的超調(diào)量；減小會(huì)相對(duì)地增大系統(tǒng)超調(diào)量。 Smith預(yù)估補(bǔ)償器 Smith預(yù)估補(bǔ)償器所觀察到的圖形，其中Wc(s)中的參數(shù)應(yīng)用經(jīng)粒子群算法整定后的那組參數(shù)，仿真后與粒子群算法整定相比較。，加了Smith預(yù)估補(bǔ)償器后，系統(tǒng)的超調(diào)量有了明顯進(jìn)步，穩(wěn)定時(shí)間也相對(duì)降低，有效的改善了控制品質(zhì)。結(jié)論 本設(shè)計(jì)采用多變量尋優(yōu)的粒子群算法對(duì)控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(gè)參數(shù)，并采用粒子群算法用SIMULINK的仿真工具對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。從中發(fā)現(xiàn)它的性能指標(biāo)，都比原來的曲線有了很大的改進(jìn)。曲線的各個(gè)指標(biāo)也有了明顯的提高，尤其是超調(diào)量有了明顯的減少，上升時(shí)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(shè)計(jì)還研究了P、I、D各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響以及Smith預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)該系統(tǒng)的作用，敘述如下：(1)增大會(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，但降低了峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間；而減少則相對(duì)地降低了超調(diào)量，但增加了峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間。(2)增大增加了系統(tǒng)了超調(diào)量；而減少則相對(duì)地降低了系統(tǒng)超調(diào)量；無則系統(tǒng)存在余差。(3)增大會(huì)降低系統(tǒng)的超調(diào)量；減小會(huì)相對(duì)地增大系統(tǒng)超調(diào)量。(4)加了Smith預(yù)估補(bǔ)償器后，系統(tǒng)的超調(diào)量有了明顯進(jìn)步，穩(wěn)定時(shí)間也相對(duì)降低，有效的改善了控制品質(zhì)。致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全程都是在李小華老師一個(gè)人的指導(dǎo)下完成的。李老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，為人和藹，誨人不倦。在我寫論文陷入山窮水盡時(shí)，給予及時(shí)的幫助和指導(dǎo)，并在關(guān)鍵處給予細(xì)致的講解，使我時(shí)有柳暗花明又一村的感覺，同時(shí)及時(shí)指正了我論文中粗心馬虎的缺點(diǎn)，使我在做論文的同時(shí)又養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，這對(duì)我以后的學(xué)業(yè)和工作都是有很大的幫助的。同時(shí)也感謝其他的同學(xué)，在我調(diào)試程序時(shí)，給予的幫助。參考文獻(xiàn)[1] 邱黎輝，等．模糊PID控制在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)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 [J]．Robust Nonlinear Control，2001，11：681708．[4] 夏紅，賞星耀，宋建成．PID參數(shù)自整定方法綜述[J]．浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，12(15)：912．[5] 熊志強(qiáng)，王煒，邱祖廉．一種新型PID自整定方法[J]．控制工程, 2003,5(10)：1117．[6] ChiaJu Wu and ChingHuo Huang，A Hybrid Method for Parameter Tuning of PID Controllers[J]．1996，6：215266．[7] Reynolds C W．Flocks，herds and schools：A distributed behavioral 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