【正文】 1(a）所示，控制對(duì)象 ??0012()()Wss?的遲延、慣性較大。當(dāng)系統(tǒng)加入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)后，調(diào)節(jié)器將同時(shí)接受兩個(gè)輸入信號(hào)，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對(duì)于這個(gè)雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個(gè)單回路系統(tǒng)來處理，如圖 311（b）所示。只是由于微分信號(hào)的引入改變了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。這個(gè)新的控制對(duì)象的輸入仍然是減溫水流量長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)25信號(hào) BW，但輸出信號(hào)為 *1?，等效控制對(duì)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(dǎo)前汽溫微分信號(hào)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(hào)改變控制對(duì)象特性的方框圖在靜態(tài)時(shí)，微分器輸出為零，所以等效控制對(duì)象的輸出；在動(dòng)態(tài)過程中，等效控制對(duì)象的輸出中除了主汽溫信號(hào)外，還疊加了導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)。由于等效對(duì)象的輸出的慣性遲延比控制對(duì)象小得多，因而等效對(duì)象的輸出的慣性長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)26遲延小得多。因此加入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的作用可以理解為改變了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，在控制對(duì)象慣性遲延較大的情況下導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)是控制品質(zhì)遠(yuǎn)比單回路控制系統(tǒng)好。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定按補(bǔ)償法進(jìn)行整定根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補(bǔ)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(gè)等效對(duì)象，這個(gè)等效對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性等于（或近似等于）在動(dòng)態(tài)時(shí)為導(dǎo)前區(qū)的特性，在靜態(tài)時(shí)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(duì)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(duì)象的特性。設(shè)主汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 00021()())nKWssTs??? （318）導(dǎo)前區(qū)汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 202()1)nsTs?? （319）則等效對(duì)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(shí)根據(jù)控制對(duì)象的惰性區(qū)來整定的，用控制對(duì)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(shè)汽溫對(duì)象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時(shí)一階的（即 ?） ，則有長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)27 11122DKTsKTss???????? （323）比較等式兩邊的對(duì)應(yīng)項(xiàng)可得 DT＝ 1 K＝ 2??微分器按此組參數(shù)整定，則等效對(duì)象的傳遞函數(shù)為： 2*00()1)nWsTs?? （324）則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償?shù)念A(yù)定目的。但是汽溫對(duì)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(hào)兩邊就只能作到近似相等，而不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。下面推導(dǎo) 1時(shí)，微分器參數(shù)的確定方法。將式（322 ）等號(hào)的兩邊展開為冪級(jí)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(xiàng)（二階以下項(xiàng)）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(shí)現(xiàn)對(duì)象的近似補(bǔ)償，即使 *002()KsW? （328）在確定了等效對(duì)象的傳遞函數(shù)之后，對(duì)于調(diào)節(jié)器 ()Ts的參數(shù) ?和 iT應(yīng)按等效對(duì)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(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)28圖 312 補(bǔ)償法整定框圖補(bǔ)償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實(shí)用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時(shí)，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的仿真仍以某廠 300MW 機(jī)組主汽溫為被控對(duì)象為例：惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： 500129sWe??? (329)導(dǎo)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(bǔ)償法整定得 δ=16， Ti=56。在無擾動(dòng)的情況下，輸入為單位階躍信號(hào)，用 MATLAB 進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖 313 所示，其仿真曲線如圖 314 所示 313 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)29圖 314 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)曲線由圖可知，應(yīng)用導(dǎo)前微分控制的系統(tǒng)也能達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)器對(duì)給定的變化響應(yīng)速度比串級(jí)控制系統(tǒng)要快，系統(tǒng)性能也不錯(cuò)，對(duì)大滯后系統(tǒng)有較好的調(diào)節(jié)作用，是一種不錯(cuò)的控制方案。 兩種自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較及控制方案選擇前面討論了串級(jí)過熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)，他們?cè)趯?shí)際應(yīng)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(gòu)成、整定調(diào)試等方面各有特點(diǎn)。時(shí)，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為 PI 調(diào)節(jié)器。但對(duì)于實(shí)際的串級(jí)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(yīng)采用 P 或 PD 調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應(yīng)采 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。因此，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)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(jí)系統(tǒng)；在主回路中，串級(jí)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(duì)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(jí)系統(tǒng)。、副兩個(gè)控制回路的工作相對(duì)比較獨(dú)立，因此系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)的整定、調(diào)試直觀、方便。而有導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)回路在參數(shù)整定時(shí)相互影響，不容易掌握。，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)較為簡(jiǎn)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(yīng)用。若被控對(duì)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(yīng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)。長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)30綜上分析，本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)溫度控制系統(tǒng)，而氣溫對(duì)象具有較大的延遲，我們要在串級(jí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，消除大滯后的影響，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度加以改善。第 4 章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)與仿真在鍋爐機(jī)組的運(yùn)行過程中，氣溫對(duì)象特性具有較大的純延遲，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，且當(dāng)過程控制通道或測(cè)量環(huán)節(jié)存在延遲時(shí)候，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會(huì)導(dǎo)致被控制量的最大動(dòng)態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降，而且 /cTt之比越大越不容易控制。對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若單單采用上述的串級(jí)控制等方案是無法保證其控制質(zhì)量，且響應(yīng)速度也和很慢，如果在控制精度很高的場(chǎng)合，則須采取其他長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)31控制手段，例如補(bǔ)償控制，采樣控制等等。本章對(duì)預(yù)估方法進(jìn)行介紹并對(duì)引入預(yù)估器的的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。 Smith 預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)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(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降的愈大。Smith 針對(duì)具有純遲延的過程，提出在 PID 反饋控制的基礎(chǔ)上引入一個(gè)預(yù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對(duì) Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行更詳細(xì)地介紹。當(dāng)采用簡(jiǎn)單回路控制時(shí)，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(duì)象的傳遞函數(shù)為 ()()39。00sWset=時(shí)，從設(shè)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(dòng)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(xiàng)可以除去，情況就大有改善，遲延對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在。Smith 預(yù)估補(bǔ)償方案主題思想就是消去分母中的延遲項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)的方法是把對(duì)象的數(shù)字模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時(shí)的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)，這種方案可按不同的角度進(jìn)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(yù)估器補(bǔ)償原理圖如圖 42 所示：圖 42 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)32在圖 42 中 ()39。0Ws是對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié) set以后的傳遞函數(shù)， ()39。sW是Smith 預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，假若系統(tǒng)中無此補(bǔ)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(yù)估補(bǔ)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(gè)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(hào) ()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(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為： ()()39。 39。01ssWt （46）一般稱式（46）表示的預(yù)估器為 Smith 預(yù)估器。其實(shí)施框圖如圖 43 所示，只要一個(gè)與對(duì)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(gè)遲延時(shí)間等于 t的純遲延環(huán)節(jié)就可以組成 Smith 預(yù)估模型，它將消除大遲延對(duì)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(shí)的情況一樣，只是在時(shí)間坐標(biāo)上向后推遲的一個(gè)時(shí)間 t。貲嚼餼鞔圖 43 Smith 補(bǔ)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(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)33式中 ()1Ws為無延遲環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：由式（47 ）可見，對(duì)于隨動(dòng)控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中已消去了et項(xiàng)，即消除了純遲延對(duì)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(shí)間軸上推遲了一個(gè) t，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)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(duì)象進(jìn)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(yù)估器，在無擾動(dòng)的情況下，輸入為單位階躍信號(hào)，用 MATLAB 進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖 44 所示，其仿真曲線如圖 45 所示。圖 44 史密斯預(yù)估器控制的系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖圖 45 史密斯預(yù)估器控制階躍響應(yīng)的曲線貲嚼餼鞔