【正文】 1(a）所示，控制對象 ??0012()()Wss?的遲延、慣性較大。當系統(tǒng)加入導前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結構。但對于這個雙回路系統(tǒng)作適當?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖 311（b）所示。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入仍然是減溫水流量長春理工大學本科畢業(yè)設計25信號 BW，但輸出信號為 *1?，等效控制對象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。其中： * 2100211()()dBsWs?????????? （317）圖 310 采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖a)——單回路系統(tǒng)方框圖；b)——雙回路系統(tǒng)的等效方框圖圖 311 采用微分信號改變控制對象特性的方框圖在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出；在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號外，還疊加了導前汽溫的微分信號。由于等效對象的輸出的慣性遲延比控制對象小得多，因而等效對象的輸出的慣性長春理工大學本科畢業(yè)設計26遲延小得多。因此加入導前汽溫微分信號的作用可以理解為改變了控制對象的動態(tài)特性，在控制對象慣性遲延較大的情況下導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)是控制品質(zhì)遠比單回路控制系統(tǒng)好。 導前微分控制系統(tǒng)的整定按補償法進行整定根據(jù)前面對系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補償法的整定規(guī)則：整定微分器 ??dWs的參數(shù)（ DK、 T）以形成一個等效對象，這個等效對象的動態(tài)特性等于（或近似等于）在動態(tài)時為導前區(qū)的特性，在靜態(tài)時為主汽溫的特性，而調(diào)節(jié)器 T(S)的參數(shù)（ ?， i）則按等效對象的特性整定（按一般單回路控制系統(tǒng)得到整定方法） 。下面分析如何通過調(diào)整微分器的參數(shù)來獲取等效對象的特性。設主汽溫對象的傳遞函數(shù)為 00021()())nKWssTs??? （318）導前區(qū)汽溫對象的傳遞函數(shù)為 202()1)nsTs?? （319）則等效對象的傳遞函數(shù)為 ??2* 202202022 2()()()dnKWssWWsTs??????????? （320）由上式可得 012()()dKss????????12?? （321） 可見微分器的參數(shù)時根據(jù)控制對象的惰性區(qū)來整定的，用控制對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法，由 102/?。則式（321）可寫為： 112()()Dd nKTsWTs??????????? (322)假設汽溫對象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時一階的（即 ?） ，則有長春理工大學本科畢業(yè)設計27 11122DKTsKTss???????? （323）比較等式兩邊的對應項可得 DT＝ 1 K＝ 2??微分器按此組參數(shù)整定，則等效對象的傳遞函數(shù)為： 2*00()1)nWsTs?? （324）則實現(xiàn)了完全補償?shù)念A定目的。但是汽溫對象的惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次都是高于一階的（通常 12n?） ，那么，式（322）等號兩邊就只能作到近似相等，而不能實現(xiàn)完全補償。下面推導 1時，微分器參數(shù)的確定方法。將式（322 ）等號的兩邊展開為冪級數(shù)的形式：等式左邊為 ??23DDDKTsTss????… （325）等式右邊為 ????1 1211 122!n nKKTssTs???????????????????? （326）令等式兩邊 s的低階項（二階以下項）的系數(shù)相等。由此可以確定微分器的整定參數(shù) 12DnK???? 12DnT?? （327）按式（327 ）求得的 ??dWs參數(shù)僅能實現(xiàn)對象的近似補償，即使 *002()KsW? （328）在確定了等效對象的傳遞函數(shù)之后，對于調(diào)節(jié)器 ()Ts的參數(shù) ?和 iT應按等效對象 *0()s來整定（按一般單回路系統(tǒng)的整定方法） ，其原理框圖如圖 312 所示。貲嚼餼鞔長春理工大學本科畢業(yè)設計28圖 312 補償法整定框圖補償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。 導前微分控制系統(tǒng)的仿真仍以某廠 300MW 機組主汽溫為被控對象為例：惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： 500129sWe??? (329)導前區(qū)傳遞函數(shù)為： 80235s? (330)令 ， , ， 的值都為 1。經(jīng)過整定可得：ZK?1??2 127??s.)(Wd (331)其中調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，用補償法整定得 δ=16， Ti=56。在無擾動的情況下，輸入為單位階躍信號，用 MATLAB 進行仿真，其結構圖如圖 313 所示，其仿真曲線如圖 314 所示 313 導前微分控制系統(tǒng)系統(tǒng) Simulink 結構圖長春理工大學本科畢業(yè)設計29圖 314 導前微分控制系統(tǒng)階躍給定響應曲線由圖可知，應用導前微分控制的系統(tǒng)也能達到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)器對給定的變化響應速度比串級控制系統(tǒng)要快，系統(tǒng)性能也不錯，對大滯后系統(tǒng)有較好的調(diào)節(jié)作用，是一種不錯的控制方案。 兩種自動控制系統(tǒng)的比較及控制方案選擇前面討論了串級過熱汽溫控制系統(tǒng)和導前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)，他們在實際應用中一般都能滿足生產(chǎn)上的要求，但這兩種控制系統(tǒng)在控制質(zhì)量、系統(tǒng)構成、整定調(diào)試等方面各有特點。時，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為 PI 調(diào)節(jié)器。但對于實際的串級汽溫控制系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調(diào)節(jié)器應采用 P 或 PD 調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應采 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。因此，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統(tǒng)；在主回路中，串級系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器可具有微分作用，故控制品質(zhì)也比雙回路系統(tǒng)好，特別對于慣性、延遲較大的系統(tǒng)，雙回路系統(tǒng)的控制質(zhì)量不如串級系統(tǒng)。、副兩個控制回路的工作相對比較獨立，因此系統(tǒng)投運時的整定、調(diào)試直觀、方便。而有導前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)的兩個回路在參數(shù)整定時相互影響，不容易掌握。，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)較為簡單。一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng)已能夠滿足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛的應用。若被控對象的遲延較大，外擾頻繁，而且要求有較高的控制質(zhì)量，則應采用串級控制系統(tǒng)。長春理工大學本科畢業(yè)設計30綜上分析，本次設計采用串級溫度控制系統(tǒng)，而氣溫對象具有較大的延遲，我們要在串級控制系統(tǒng)的基礎上加以改進，消除大滯后的影響，對系統(tǒng)的響應速度加以改善。第 4 章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進與仿真在鍋爐機組的運行過程中，氣溫對象特性具有較大的純延遲，使得被調(diào)量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，且當過程控制通道或測量環(huán)節(jié)存在延遲時候，會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會導致被控制量的最大動態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量下降，而且 /cTt之比越大越不容易控制。對于閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若單單采用上述的串級控制等方案是無法保證其控制質(zhì)量，且響應速度也和很慢，如果在控制精度很高的場合，則須采取其他長春理工大學本科畢業(yè)設計31控制手段，例如補償控制，采樣控制等等。本章對預估方法進行介紹并對引入預估器的的系統(tǒng)進行設計和仿真。 Smith 預估補償器對于有純遲延過程的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用 PID 控制規(guī)律時，系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標下降的愈大。Smith 針對具有純遲延的過程，提出在 PID 反饋控制的基礎上引入一個預補償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對 Smith 預估補償?shù)脑磉M行更詳細地介紹。當采用簡單回路控制時，如圖 41 所示圖 41 單回路控制系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)為 ()TWs，對象的傳遞函數(shù)為 ()()39。00sWset=時，從設定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： ()()()39。039。1TsYeRt=+ （41）擾動作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： ()()39。039。1sTseFWtt=+ （42）如果分母中的 set項可以除去，情況就大有改善，遲延對閉環(huán)極點的不利影響將不復存在。Smith 預估補償方案主題思想就是消去分母中的延遲項，實現(xiàn)的方法是把對象的數(shù)字模型引入到控制回路之內(nèi)，設法取得更為及時的反饋信息，以改進控制品質(zhì)，這種方案可按不同的角度進行解釋說明，下面從內(nèi)模（模型置于回路之內(nèi)）的角度來介紹。Smith 預估器補償原理圖如圖 42 所示：圖 42 Smith 預估補償控制原理圖長春理工大學本科畢業(yè)設計32在圖 42 中 ()39。0Ws是對象除去純遲延環(huán)節(jié) set以后的傳遞函數(shù)， ()39。sW是Smith 預估補償器的傳遞函數(shù)，假若系統(tǒng)中無此補償器，則由調(diào)節(jié)器輸出()sm到被調(diào)量 ()Y之間的傳遞函數(shù)為： ()()39。0sYstm= （43）上式表明，受到控制作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過純遲延 t之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采用預估補償器，則調(diào)節(jié)器 ()與反饋到調(diào)節(jié)器的 ()39。Ys之間傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道之和，即 ()()()39。 39。 39。0sYsWetm=+ （44）為使調(diào)節(jié)器采集的信號 ()39。不至遲延 t，則要求式（44）為：()()()()39。 39。 39。 39。00ssest=+= （45）從上式便可得到預估補償器的傳遞函數(shù)為： ()()39。 39。01ssWt （46）一般稱式（46）表示的預估器為 Smith 預估器。其實施框圖如圖 43 所示，只要一個與對象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù) ()39。s相同的環(huán)節(jié)和一個遲延時間等于 t的純遲延環(huán)節(jié)就可以組成 Smith 預估模型，它將消除大遲延對系統(tǒng)過度過程的影響，使調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)與過程無遲延環(huán)節(jié)時的情況一樣，只是在時間坐標上向后推遲的一個時間 t。貲嚼餼鞔圖 43 Smith 補償系統(tǒng)方框圖從圖 43 可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ()()()()39。0139。1ssTYsWeRt t==+ （47）長春理工大學本科畢業(yè)設計33式中 ()1Ws為無延遲環(huán)節(jié)時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：由式（47 ）可見，對于隨動控制經(jīng)預估補償，其特征方程中已消去了et項，即消除了純遲延對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至于分子中的 set僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲了一個 t，所以預補償完全補償了純遲延對過程的不利影響?？刂破焚|(zhì)與被控過程無純遲延完全相同。下面以傳遞函數(shù) 為對象進行仿真研究：s5001e92???其調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，即 ??1TiWs????????。用衰減曲線法整定參數(shù)得δ=，Ti=60 ， 加上 Smith 預估器，在無擾動的情況下，輸入為單位階躍信號，用 MATLAB 進行仿真，其結構圖如圖 44 所示，其仿真曲線如圖 45 所示。圖 44 史密斯預估器控制的系統(tǒng) Simulink 結構圖圖 45 史密斯預估器控制階躍響應的曲線貲嚼餼鞔