【正文】 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 。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????????。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(yù)補償完全補償了純遲延對過程的不利影響。0139。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(yù)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(biāo)上向后推遲的一個時間 t。01ssWt （46）一般稱式（46）表示的預(yù)估器為 Smith 預(yù)估器。00ssest=+= （45）從上式便可得到預(yù)估補償器的傳遞函數(shù)為： ()()39。 39。不至遲延 t，則要求式（44）為：()()()()39。 39。Ys之間傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道之和，即 ()()()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。0Ws是對象除去純遲延環(huán)節(jié) set以后的傳遞函數(shù)， ()39。Smith 預(yù)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(shè)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。039。039。當(dāng)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。Smith 針對具有純遲延的過程，提出在 PID 反饋控制的基礎(chǔ)上引入一個預(yù)補償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。本章對預(yù)估方法進行介紹并對引入預(yù)估器的的系統(tǒng)進行設(shè)計和仿真。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(dāng)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(dǎo)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。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(yīng)采用串級控制系統(tǒng)。，采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)較為簡單。、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。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(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。 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(dǎo)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(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。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。貲嚼餼鞔長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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。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。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。設(shè)主汽溫對象的傳遞函數(shù)為 00021()())nKWssTs??? （318）導(dǎo)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/?。 導(dǎo)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(dǎo)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） 。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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計26遲延小得多。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(xué)本科畢業(yè)設(shè)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。但對于這個雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖 311（b）所示。圖 39 導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)貲嚼餼鞔 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析對于如圖 310 所示的控制系統(tǒng)，當(dāng)去掉導(dǎo)前汽溫的微分信號時，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖 311(a）所示，控制對象 ??0012()()Wss?的遲延、慣性較大。由圖 39 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖我們可以畫出導(dǎo)前汽溫微分信號控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖 310 所示。在動態(tài)時，調(diào)節(jié)器將根據(jù) ?的微分信號和 1與 的給定值之間的偏差而動作；但在靜態(tài)時，2?的微分信號消失，過熱汽溫 ?必然等于給定值。引入了 2的微分信號后。這個系統(tǒng)引入了導(dǎo)前汽溫 2?的微分信號作為調(diào)節(jié)器的補充信號，以改善控制質(zhì)量。微分作用能反映輸出量的變化趨勢，因而能提前反映輸出量的變化，把這種作用用于控制系統(tǒng)，能改善控制性能。在時間和相位上，后一個信號超前于主信號，因此把這種系統(tǒng)稱為導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) [6]。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是：只用了一個調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個信號。這是因為氣溫對象中的純滯后環(huán)節(jié)造成的，若采用串級系統(tǒng)，則必須改進加入消除大延遲的方案。副調(diào)節(jié)器為 P 調(diào)節(jié)器，在這里 δ = 3，反饋通道比例系數(shù)均為1，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(jié)構(gòu)圖如圖 37 所示，其仿真曲線如圖 38 所示。 串級溫度控制系統(tǒng)的仿真以某廠 300MW 機組主汽溫為被控對象為例：惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： 500129sWe??? (314)導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為： 80235s? (315)其中主調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，即 ??1Tis?????????。圖 36 串級控制系統(tǒng)方框圖的等效變換（4）如果 ??2()TWs的參數(shù)值與第（ 1）步得到 ??21()TWs的參數(shù)值基本相同，那么整定就告完成。由圖 35 可以寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程為 201 012()() ()0TT mmWss? ? （311）可得此時等效控制對象的傳遞函數(shù)為 *202212()()()Tmsss? （312）按照單回路系統(tǒng)整定方法求出主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記作 ??1()TWs。在第一次整定副調(diào)節(jié)器時，斷開主環(huán)，即按副回路單獨工作時的單回路系統(tǒng)來整定副調(diào)節(jié)器 2()TWs的參數(shù)，記作 ??21()TWs。（5）觀察控制過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過渡過程。（3）根據(jù)上面得到的 δ1S、 、T 1S、δ 2S、 、T 2S 計算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。（2）在副控制器比例度等于 δ2S，的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度 δ1S。因此在式（311）假定下： 01ccT???????? (310）式中： ??0/cT?為控制對象 0()Ws階躍響應(yīng)實驗曲線上 ?與 cT的比值，它實際往往無法由實驗曲線上直接獲得（如在過汽溫對象中） 。利用級數(shù)展開和低階近似，惰性區(qū)的動態(tài)特征可表示為： 1102())nsKT??? （38）式中： ??22022112。長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計20Wr 2( s ) W0 2( s )Wm 2( s )Wr 1( s )Wm 1( s )1 / Wm 2( s )R2( s )Y2( s )a )W0 1( s )b )R2( s ) Y2( s )圖 35 主副調(diào)節(jié)器分別獨立整定時的方框圖另外，按此方法整定串級系統(tǒng)時還應(yīng)考慮控制對象惰性區(qū)動態(tài)特性的求取。③ 整定指標(biāo)的選擇。 ② 調(diào)節(jié)器類型的選擇。要達到此要求整定時應(yīng)考慮以下幾個問題： ① 對象的動態(tài)特性。可按單回路系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器 ??1TWs的參數(shù)?？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定方法整定副調(diào)節(jié)器 ??2TWs。長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計19 圖 34 串級控制系統(tǒng)方框圖 ：先整定副控制器，后整定主控制器（1）先整定副調(diào)節(jié)器當(dāng)副回路受到階躍擾動時，在較短時間內(nèi)副回路控制過程就結(jié)束。（3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則（1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調(diào)節(jié)器均可以采用比例控制。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。（2）主調(diào)節(jié)器的選型主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。、副調(diào)節(jié)器的選型串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對于它們的選型即控制規(guī)律的選擇也有不同考慮。一旦發(fā)生了共振系統(tǒng)就失去控制，不僅使長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計18系統(tǒng)控制品質(zhì)惡化，如不及時處理，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴(yán)重后果。由于串級系統(tǒng)中主、副回路是兩個相互獨立又密切相關(guān)的回路。一般應(yīng)使副回路的頻率比主回路的頻率高的多，當(dāng)副回路的時間常數(shù)加在一起超過了主回路時，串級控制效果就不明顯。副回路的范圍也不是愈大愈好。但這將與要求副回路控制通道短，反應(yīng)快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計中加以協(xié)調(diào)。（2）副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾。副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。、副回路的設(shè)計原則（1）副參數(shù)的選擇，應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏?？梢姡壪到y(tǒng)中采用了兩級調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器PI2 根據(jù) 2q信號控制減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫 2比 1提早反映，那么