【正文】 在熱工過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用，如何克服Smith預(yù)估器的這個(gè)不足至今仍使研究的課題之一。圖35 在對(duì)象參數(shù)準(zhǔn)確情況下史密斯預(yù)估器控制階躍響應(yīng)的曲線 圖36 改變對(duì)象參數(shù)后的仿真圖 抗干擾的Smith預(yù)估器如果在史密斯補(bǔ)償回路中增加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)如圖37所示，則系統(tǒng)可以達(dá)到完全抗干擾的目的。由圖37可看出被調(diào)量對(duì)干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （37） 圖37 實(shí)現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補(bǔ)償器若要完全不受干擾的影響，則只要上式中分子為零，即由此可以得到新增反饋環(huán)節(jié)為 (38)再寫(xiě)出上述系統(tǒng)中被調(diào)量對(duì)設(shè)定值的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （39）將（38）式代入（39）式后可以得到一個(gè)很有意義的結(jié)論，即 （310）這就是說(shuō)如果完全滿足式（38），則系統(tǒng)可完全跟蹤設(shè)定值。而且對(duì)干擾 還可以無(wú)差的進(jìn)行補(bǔ)償。只是完全實(shí)現(xiàn)不是很容易的，尤其在對(duì)象用高階微分方程來(lái)描述時(shí)更是如此。但是這個(gè)結(jié)論對(duì)改善史密斯補(bǔ)償器的抗干擾能力還是有指導(dǎo)意義的。 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案圖38 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案Smith預(yù)估補(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)地向補(bǔ)償器傳送信號(hào)，作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。補(bǔ)償器與過(guò)程特性有關(guān)，而過(guò)程的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過(guò)程特性之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點(diǎn)是模型的誤差會(huì)隨時(shí)間積累起來(lái)，也就是對(duì)過(guò)程特性變化的靈敏度很高。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。增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案方框圖如圖38所示。它在Smith補(bǔ)償模型之外加了一個(gè)除法器，一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)和一個(gè)乘法器。除法器是將過(guò)程的輸出值除以模型的輸出值。導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的，它將使過(guò)程與模型輸出之比提前進(jìn)入乘法器。乘法妻是將預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個(gè)環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過(guò)程輸出信號(hào)之間的比值來(lái)提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)。由圖38所得所以 若，則有 (311)從以上分析可以看出增益自適應(yīng)補(bǔ)償器與Smith補(bǔ)償器具有同樣改善控制性能的效果。 觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案圖39 能觀測(cè)補(bǔ)償時(shí)控制方案觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案如圖39所示，由圖可以得 （312）閉環(huán)特征方程可由下式求得 （313）不管對(duì)象的時(shí)滯有多大，只要的模足夠小，就有 （314）從而閉環(huán)特征方程為 （315）這表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與觀測(cè)器有關(guān)，而與時(shí)滯大小無(wú)關(guān)。若，則式（312）與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方式（36）相同，表明其控制效果與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的相同。但本方案對(duì)于對(duì)象參數(shù)的變化不敏感，且不需要時(shí)滯環(huán)節(jié)。因此，實(shí)施起來(lái)方便，適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，本方案可看作由兩個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)組成。由主控制器與、組成的主隨動(dòng)控制系統(tǒng)，用于使觀測(cè)器輸出值跟蹤設(shè)定值。由副控制器 與組成副隨動(dòng)控制系統(tǒng)用于使觀測(cè)器輸出值與系統(tǒng)的輸出保持同步。當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，由于觀測(cè)器輸出尚未變化，所以主控制器輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制信號(hào)，通過(guò)前饋?zhàn)饔?，使觀測(cè)器輸出較快的跟蹤，以減少控制器的偏差，起到超前的控制作用。同時(shí)，該控制信號(hào)對(duì)過(guò)程本身也起調(diào)節(jié)作用，使輸出較快變化。由于副控制器的控制作用，使觀測(cè)器輸出適應(yīng)系統(tǒng)輸出的變化。當(dāng)主副控制器均為比例積分作用時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)無(wú)余差。觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案僅適用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，不適用于定值控制系統(tǒng)；當(dāng)?shù)哪：艽髸r(shí)，本控制方案與單回路控制系統(tǒng)相同。 改進(jìn)型Smith預(yù)估器由Hang等提出的改進(jìn)型預(yù)估器，它比原方案多了一個(gè)調(diào)節(jié)器，其方框圖如圖310所示。圖中設(shè)過(guò)程特性的比例增益，從圖310中可以看到，它與Smith補(bǔ)償器方案的區(qū)別在于主反饋回路，其它反饋通道傳遞函數(shù)不是1而是，即 圖310 改進(jìn)型Smith預(yù)估器方框圖改進(jìn)型Smith預(yù)估器方案比原Smith補(bǔ)償方案多了一個(gè)調(diào)節(jié)器，但其參數(shù)整定還比較簡(jiǎn)單。為了保證系統(tǒng)輸出相應(yīng)無(wú)余差，要求兩個(gè)調(diào)節(jié)器均PI為動(dòng)作調(diào)節(jié)器。其中主調(diào)節(jié)器只需按模型完全準(zhǔn)確的情況下進(jìn)行整定。至于輔助調(diào)節(jié)器的整定似乎要復(fù)雜一些，但經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，輔助調(diào)節(jié)器是在反饋通道上，且與模型傳遞函數(shù)一起構(gòu)成。如果假設(shè)是一階環(huán)節(jié)。且設(shè)，即使調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間等于模型的時(shí)間常數(shù)，則可簡(jiǎn)化為：這樣，反饋回路上出現(xiàn)了一個(gè)一階濾波器，其中只有一個(gè)整定參數(shù)，實(shí)質(zhì)上只有中的比例增益需要整定。下面我們同樣以傳遞函數(shù) 為對(duì)象對(duì)改進(jìn)型Smith預(yù)估器進(jìn)行仿真研究，其Simulink結(jié)構(gòu)圖如圖311所示，仿真圖如圖312所示。把遲延時(shí)間由原來(lái)的50s改為40s，得到的仿真圖如圖313所示。從圖31313的仿真曲線我們可以看出改進(jìn)型的Smith預(yù)估器穩(wěn)定性比較好，各方面的性能都不錯(cuò)，當(dāng)我們改變對(duì)象的參數(shù)時(shí)（遲延時(shí)間由55s改為40s）系統(tǒng)的性能沒(méi)有發(fā)生大的變化，穩(wěn)定性還是比較好，可見(jiàn)改進(jìn)型的Smith預(yù)估器有相當(dāng)好的適應(yīng)性，魯棒性比較好。圖311 Simulink結(jié)構(gòu)圖圖312 對(duì)象參數(shù)準(zhǔn)確的情況下系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)曲線圖313 改變對(duì)象參數(shù)后的仿真圖第四章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真在火電廠中，主汽溫這一調(diào)節(jié)對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性、大滯后、大慣性的復(fù)雜控制對(duì)象，控制起來(lái)是相當(dāng)不容易。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制從理論上為解決時(shí)滯的控制問(wèn)題提供了一種有效的方法。但是傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補(bǔ)償由于缺乏被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型且不適應(yīng)參數(shù)變化的大延遲過(guò)程控制，很難在該類控制中取得令人滿意的效果。所以，人們?cè)趯?shí)踐中提出一些改進(jìn)方案，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制進(jìn)行了改進(jìn)，使得此類控制得以解決，同時(shí)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性也提高的許多。下面我們就從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，主汽溫的原理方框圖如圖41所示。惰性區(qū)傳遞函數(shù)為導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為圖41 主汽溫控制原理方框圖其中；。從上面的傳遞函數(shù)可以看出被控對(duì)象存在遲延，所以我們首先應(yīng)該消除大延遲對(duì)系統(tǒng)的不利影響，從前面已經(jīng)討論過(guò)Smith預(yù)估器可以滿足這一目的,它的原理是在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。從Smith預(yù)估補(bǔ)償原理來(lái)看，預(yù)估器模型午已不適于掌握過(guò)程特性的精度有關(guān)。因此，無(wú)論是模型的精度或者運(yùn)行條件的變化都將影響控制效果。為了分析這種影響，下面對(duì)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過(guò)主蒸汽的原理圖我們可以畫(huà)出控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖，如圖42所示。其中內(nèi)擾動(dòng)及副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用來(lái)快速消除內(nèi)擾，一般情況下可選用純比例調(diào)節(jié)器，在這里取。圖42 串級(jí)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)Simulink結(jié)構(gòu)圖圖43 串級(jí)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)曲線現(xiàn)把惰性區(qū)傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)t由90改變?yōu)?0和延遲時(shí)間常數(shù)從50改變?yōu)?0時(shí)，控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖和仿真結(jié)果圖如圖445所示。圖44 串級(jí)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)在改變惰性區(qū)參數(shù)時(shí)Simulink結(jié)構(gòu)圖圖45 串級(jí)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)在改變惰性區(qū)參數(shù)時(shí)階躍給定響應(yīng)曲線從仿真結(jié)果圖445種可以看出，在給定對(duì)象的情況下，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值；當(dāng)惰性區(qū)傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)t由90改變?yōu)?0和延遲時(shí)間常數(shù)從50改變?yōu)?0時(shí)，曲線的形狀幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，這就說(shuō)明基于改進(jìn)型Smith預(yù)估器對(duì)大慣性、純延遲系統(tǒng)具有較好的控制效果，提高了系統(tǒng)的魯棒性得以提高，使控制品質(zhì)變好。結(jié) 論本設(shè)計(jì)首先對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了分析，并且通過(guò)計(jì)算和整定，發(fā)現(xiàn)在控制方面它們各有特點(diǎn)，但相對(duì)于延遲大，外擾多的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，串級(jí)控制系統(tǒng)更為適用，所以初期采用串級(jí)控制方案。但很快發(fā)現(xiàn)對(duì)純延遲過(guò)程系統(tǒng)的控制是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，單純的串級(jí)控制是無(wú)法滿足的，通過(guò)查閱各種文獻(xiàn)資料，選擇了添加Smith預(yù)估補(bǔ)償器，Smith針對(duì)純延遲控制有很好的改善作用，使控制品質(zhì)大大提高。于是代入傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真，當(dāng)時(shí)間常數(shù)合適時(shí)控制品質(zhì)很好，但當(dāng)時(shí)間常數(shù)有所變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)顯示了明顯的不適應(yīng)，即它的魯棒性還不是很好。于是只好進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，為了克服這一缺點(diǎn)，又分別對(duì)幾種方案進(jìn)行分析，最后采取了改進(jìn)型Smith預(yù)估器，再次進(jìn)行仿真，此時(shí)改變系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，仿真結(jié)果與改變前幾乎一樣，這就說(shuō)明了系統(tǒng)具有了較好的魯棒性。本文對(duì)具有慣性時(shí)間及延遲擾動(dòng)的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)估補(bǔ)償控制。很好的滿足設(shè)計(jì)所要求的性能。提高了對(duì)大慣性、大遲延過(guò)程控制的有效性。提高了電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷(模型變化)的適應(yīng)性，使系統(tǒng)具有了較好的魯棒性。參考文獻(xiàn)[1] 胡壽松 .自動(dòng)控制原理 .北京: 科學(xué)出版社 ，2001：4080[2] 李遵基 .：中國(guó)電力出版社，1992：66106[3] 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Doyle。 Essentials of Robust Control，Prentice Hall。 1998：2335附 錄A. 本論文第一章所用SAMA圖示： 謝 辭在院系領(lǐng)導(dǎo)各個(gè)部門(mén)的大力配合和指導(dǎo)老師的認(rèn)真指導(dǎo)下，并且經(jīng)過(guò)本人的認(rèn)真，細(xì)致的工作，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。這個(gè)設(shè)計(jì)使我對(duì)書(shū)本專業(yè)知識(shí)有了進(jìn)一步的理解，從實(shí)際應(yīng)用上重新學(xué)習(xí)了專業(yè)知識(shí)，使我能夠把所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)合理的運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中，對(duì)我們大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了綜合。這要感謝學(xué)校和各位老師，尤其是我的畢業(yè)指導(dǎo)教師趙繼平老師，是他們盡心的指導(dǎo)和充分的信任使我可以完成這個(gè)富有挑戰(zhàn)的題目。美好的大學(xué)生活即將結(jié)束，在這里我學(xué)到了和多知識(shí)，包括書(shū)本上的和書(shū)本以外的。更重要的是我們學(xué)到了很多為人處世的道理，為我們將來(lái)走上社會(huì)做了充分的準(zhǔn)備。我們即將走上工作崗位，走向社會(huì)，我相信這些收獲會(huì)使我受益終生的！工作后我將再接再厲，繼續(xù)努力上進(jìn)，絕不辜負(fù)老師們對(duì)我的期望和教導(dǎo)，為我們學(xué)院爭(zhēng)光！ 做設(shè)計(jì)一個(gè)多月里，老師們也投入了非常的大的精力，來(lái)幫我們完成設(shè)計(jì)，由其是在百忙之中的老師。他們幫我們解答疑難問(wèn)題，進(jìn)行精神鼓勵(lì)，這些使我們更加堅(jiān)定了信心去努力完成自己的任務(wù)，設(shè)計(jì)的完成也是老師們的成功。53