【正文】 可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成。第一項為擾動對象只有時才產(chǎn)生控制作用，當時無控制作用。所以Smith預估補償控制應用于定值控制其效果不如隨動控制。不過，從系統(tǒng)特征方程看，預估補償方案對定值控制系統(tǒng)品質(zhì)的改善還是有好處的。下面以傳遞函數(shù) 為對象進行仿真研究：其調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，即。用衰減曲線法整定參數(shù)得， 加上Smith預估器用MATLAB進行仿真，其結構圖如圖34所示，其仿真曲線如圖35所示。圖34 史密斯預估器控制的系統(tǒng)Simulink結構圖把對象傳遞函數(shù)中的遲延時間由50s改為40s，再次進行仿真得到的仿真曲線如圖36所示。由仿真圖35與圖36相比較得到，由圖35可以看出Smith預估器使控制品質(zhì)大大提高，系統(tǒng)的特性非常好。但是它對模型的誤差十分敏感，當系統(tǒng)參數(shù)變化時，由于控制參數(shù)不能隨之而變化，不能對受控過程參數(shù)做出適時調(diào)整，從而時過程的品質(zhì)指標惡化。適應性不強，也就是魯棒性非常差。由于主蒸汽溫度被控對象的參數(shù)會隨著時間的變化而產(chǎn)生變化，所以我們需要的是魯棒性好的控制系統(tǒng)，要進一步探討別的方法。 史密斯預估補償器的改進由于Smith預估器對模型的誤差十分敏感，因而難于在熱工過程控制中廣泛應用，如何克服Smith預估器的這個不足至今仍使研究的課題之一。圖35 在對象參數(shù)準確情況下史密斯預估器控制階躍響應的曲線 圖36 改變對象參數(shù)后的仿真圖 抗干擾的Smith預估器如果在史密斯補償回路中增加一個反饋環(huán)節(jié)如圖37所示，則系統(tǒng)可以達到完全抗干擾的目的。由圖37可看出被調(diào)量對干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （37） 圖37 實現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補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)再寫出上述系統(tǒng)中被調(diào)量對設定值的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （39）將（38）式代入（39）式后可以得到一個很有意義的結論，即 （310）這就是說如果完全滿足式（38），則系統(tǒng)可完全跟蹤設定值。而且對干擾 還可以無差的進行補償。只是完全實現(xiàn)不是很容易的，尤其在對象用高階微分方程來描述時更是如此。但是這個結論對改善史密斯補償器的抗干擾能力還是有指導意義的。 增益自適應補償方案圖38 增益自適應補償方案Smith預估補償控制實質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)地向補償器傳送信號，作為輸入而產(chǎn)生補償器輸出。補償器與過程特性有關，而過程的數(shù)學模型與實際過程特性之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點是模型的誤差會隨時間積累起來，也就是對過程特性變化的靈敏度很高。為了克服這一缺點，可采用增益自適應預估補償控制。增益自適應補償方案方框圖如圖38所示。它在Smith補償模型之外加了一個除法器，一個導前微分環(huán)節(jié)和一個乘法器。除法器是將過程的輸出值除以模型的輸出值。導前微分環(huán)節(jié)的，它將使過程與模型輸出之比提前進入乘法器。乘法妻是將預估器的輸出乘以導前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值來提供一個自動校正預估器增益的信號。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補償器與Smith補償器具有同樣改善控制性能的效果。 觀測補償器控制方案圖39 能觀測補償時控制方案觀測補償器控制方案如圖39所示，由圖可以得 （312）閉環(huán)特征方程可由下式求得 （313）不管對象的時滯有多大，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)定性只與觀測器有關，而與時滯大小無關。若，則式（312）與Smith預估補償控制方式（36）相同，表明其控制效果與Smith預估補償控制的相同。但本方案對于對象參數(shù)的變化不敏感，且不需要時滯環(huán)節(jié)。因此，實施起來方便，適應性強。對于隨動控制系統(tǒng)，本方案可看作由兩個隨動系統(tǒng)組成。由主控制器與、組成的主隨動控制系統(tǒng)，用于使觀測器輸出值跟蹤設定值。由副控制器 與組成副隨動控制系統(tǒng)用于使觀測器輸出值與系統(tǒng)的輸出保持同步。當設定值發(fā)生變化時，由于觀測器輸出尚未變化，所以主控制器輸出一個較強的控制信號，通過前饋作用，使觀測器輸出較快的跟蹤，以減少控制器的偏差，起到超前的控制作用。同時，該控制信號對過程本身也起調(diào)節(jié)作用，使輸出較快變化。由于副控制器的控制作用，使觀測器輸出適應系統(tǒng)輸出的變化。當主副控制器均為比例積分作用時，整個系統(tǒng)可以達到穩(wěn)態(tài)無余差。觀測補償器控制方案僅適用于隨動控制系統(tǒng)，不適用于定值控制系統(tǒng)；當?shù)哪：艽髸r，本控制方案與單回路控制系統(tǒng)相同。 改進型Smith預估器由Hang等提出的改進型預估器，它比原方案多了一個調(diào)節(jié)器，其方框圖如圖310所示。圖中設過程特性的比例增益，從圖310中可以看到，它與Smith補償器方案的區(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 改進型Smith預估器方框圖改進型Smith預估器方案比原Smith補償方案多了一個調(diào)節(jié)器，但其參數(shù)整定還比較簡單。為了保證系統(tǒng)輸出相應無余差，要求兩個調(diào)節(jié)器均PI為動作調(diào)節(jié)器。其中主調(diào)節(jié)器只需按模型完全準確的情況下進行整定。至于輔助調(diào)節(jié)器的整定似乎要復雜一些，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)一起構成。如果假設是一階環(huán)節(jié)。且設，即使調(diào)節(jié)器的積分時間等于模型的時間常數(shù)，則可簡化為：這樣，反饋回路上出現(xiàn)了一個一階濾波器，其中只有一個整定參數(shù)，實質(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) 為對象對改進型Smith預估器進行仿真研究，其Simulink結構圖如圖311所示，仿真圖如圖312所示。把遲延時間由原來的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型的Smith預估器穩(wěn)定性比較好，各方面的性能都不錯，當我們改變對象的參數(shù)時（遲延時間由55s改為40s）系統(tǒng)的性能沒有發(fā)生大的變化，穩(wěn)定性還是比較好，可見改進型的Smith預估器有相當好的適應性，魯棒性比較好。圖311 Simulink結構圖圖312 對象參數(shù)準確的情況下系統(tǒng)階躍給定響應曲線圖313 改變對象參數(shù)后的仿真圖第四章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計與仿真在火電廠中，主汽溫這一調(diào)節(jié)對象是一個時變的、非線性、大滯后、大慣性的復雜控制對象，控制起來是相當不容易。Smith預估補償控制從理論上為解決時滯的控制問題提供了一種有效的方法。但是傳統(tǒng)的Smith預估補償由于缺乏被控對象的精確數(shù)學模型且不適應參數(shù)變化的大延遲過程控制，很難在該類控制中取得令人滿意的效果。所以，人們在實踐中提出一些改進方案，通過對傳統(tǒng)的Smith預估補償控制進行了改進，使得此類控制得以解決，同時使系統(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行分析設計，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)可以看出被控對象存在遲延，所以我們首先應該消除大延遲對系統(tǒng)的不利影響，從前面已經(jīng)討論過Smith預估器可以滿足這一目的,它的原理是在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。從Smith預估補償原理來看，預估器模型午已不適于掌握過程特性的精度有關。因此，無論是模型的精度或者運行條件的變化都將影響控制效果。為了分析這種影響，下面對主蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行仿真。通過主蒸汽的原理圖我們可以畫出控制系統(tǒng)的Simulink結構圖，如圖42所示。其中內(nèi)擾動及副調(diào)節(jié)器的任務是用來快速消除內(nèi)擾，一般情況下可選用純比例調(diào)節(jié)器，在這里取。圖42 串級主蒸汽溫度控制系統(tǒng)Simulink結構圖圖43 串級主蒸汽溫度控制系統(tǒng)階躍給定響應曲線現(xiàn)把惰性區(qū)傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)t由90改變?yōu)?0和延遲時間常數(shù)從50改變?yōu)?0時，控制系統(tǒng)的Simulink結構圖和仿真結果圖如圖445所示。圖44 串級主蒸汽溫度控制系統(tǒng)在改變惰性區(qū)參數(shù)時Simulink結構圖圖45 串級主蒸汽溫度控制系統(tǒng)在改變惰性區(qū)參數(shù)時階躍給定響應曲線從仿真結果圖445種可以看出，在給定對象的情況下，所設計的系統(tǒng)能快速、準確地跟蹤設定值；當惰性區(qū)傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)t由90改變?yōu)?0和延遲時間常數(shù)從50改變?yōu)?0時，曲線的形狀幾乎沒有發(fā)生改變，這就說明基于改進型Smith預估器對大慣性、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 論本設計首先對串級控制系統(tǒng)和導前微分控制系統(tǒng)分別進行了分析，并且通過計算和整定，發(fā)現(xiàn)在控制方面它們各有特點，但相對于延遲大，外擾多的系統(tǒng)來說，串級控制系統(tǒng)更為適用，所以初期采用串級控制方案。但很快發(fā)現(xiàn)對純延遲過程系統(tǒng)的控制是個非常復雜的問題，單純的串級控制是無法滿足的，通過查閱各種文獻資料，選擇了添加Smith預估補償器，Smith針對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)進行仿真，當時間常數(shù)合適時控制品質(zhì)很好，但當時間常數(shù)有所變動時，系統(tǒng)顯示了明顯的不適應，即它的魯棒性還不是很好。于是只好進行進一步改進，為了克服這一缺點，又分別對幾種方案進行分析，最后采取了改進型Smith預估器，再次進行仿真，此時改變系統(tǒng)的時間常數(shù)，仿真結果與改變前幾乎一樣，這就說明了系統(tǒng)具有了較好的魯棒性。本文對具有慣性時間及延遲擾動的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行了預估補償控制。很好的滿足設計所要求的性能。提高了對大慣性、大遲延過程控制的有效性。提高了電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)對負荷(模型變化)的適應性，使系統(tǒng)具有了較好的魯棒性。參考文獻[1] 胡壽松 .自動控制原理 .北京: 科學出版社 ，2001：4080[2] 李遵基 .：中國電力出版社，1992：66106[3] 邵欲森，:機械工業(yè)出版社，1999：6585[4] : 機械工業(yè)出版社，2004：4550[5] 金以慧 .:清華大學出版社,1993：4550[6] 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