【正文】 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。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。這要感謝學(xué)校和各位老師，尤其是我的畢業(yè)指導(dǎo)教師凌呼君教授和席東民老師，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。本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是《大型單元機(jī)組汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，是電廠里比較重要的部分。 Essentials of Robust Control，Prentice Hall。 S. Forrest, Using genetic algorithms for controller design: Simultaneous stabilization and Eigenvalue placement in a region,Technical Report ,Department of Computer Science, College of Engineering, University of New Mexico, USA,1992[13] . Fogel, . Owens, amp。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。很好的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所要求的性能。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。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(mǎn)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。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(xiàn)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(xiàn)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。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。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。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)。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；。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(lèi)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。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。從圖31313的仿真曲線(xiàn)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。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。如果假設(shè)是一階環(huán)節(jié)。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。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。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。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)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)饔茫褂^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。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。因此，實(shí)施起來(lái)方便，適應(yīng)性強(qiáng)。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。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。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。除法器是將過(guò)程的輸出值除以模型的輸出值。增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案方框圖如圖38所示。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。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。而且對(duì)干擾 還可以無(wú)差的進(jìn)行補(bǔ)償。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(xiàn) 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。由于主蒸汽溫度被控對(duì)象的參數(shù)會(huì)隨著時(shí)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(jìn)一步探討別的方法。但是它對(duì)模型的誤差十分敏感，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，由于控制參數(shù)不能隨之而變化，不能對(duì)受控過(guò)程參數(shù)做出適時(shí)調(diào)整，從而時(shí)過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)惡化。圖34 史密斯預(yù)估器控制的系統(tǒng)Simulink結(jié)構(gòu)圖把對(duì)象傳遞函數(shù)中的遲延時(shí)間由50s改為40s，再次進(jìn)行仿真得到的仿真曲線(xiàn)如圖36所示。下面以傳遞函數(shù) 為對(duì)象進(jìn)行仿真研究：其調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，即。所以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動(dòng)控制。對(duì)于定值控制，由式（35）可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成。至于分之中的僅僅將系統(tǒng)控制過(guò)程曲線(xiàn)在時(shí)間軸上推遲了一個(gè)，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)過(guò)程的不利影響。圖33 Smith補(bǔ)償系統(tǒng)方框圖從圖33可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為= （35）式中為無(wú)延遲環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。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)器的之間傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即 （33）為使調(diào)節(jié)器采集的信號(hào)不至遲延，則要求式（33）為 從上式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為： （34）一般稱(chēng)式（44）表示的預(yù)估器為Smith預(yù)估器。Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理圖如圖32所示。當(dāng)采用簡(jiǎn)單回路控制時(shí)，如圖31所示圖31 單回路控制系統(tǒng)控制器的傳遞函數(shù)為，對(duì)象的傳遞函數(shù)為時(shí)，從設(shè)定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： （31）擾動(dòng)作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： （32）如果分母中的項(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針對(duì)具有純遲延的過(guò)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。本章僅就預(yù)估控制方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。 第三章 大遲延控制系統(tǒng)在熱工過(guò)程控制中，有的過(guò)程控制（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(guò)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，而且之比越大越不容易控制。一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng)已能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)主、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。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)采用PI或PID調(diào)節(jié)器。 兩種汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較前面討論了串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)，他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中一般都能滿(mǎn)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)。整定步驟和前面已討論過(guò)的串級(jí)控制系統(tǒng)相同。圖29 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。下面推導(dǎo)時(shí)，微分器參數(shù)的確定方法。設(shè)主汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （215）導(dǎo)前區(qū)汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （216）則等效對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （217）由上式可得 （218） 可見(jiàn)微分器的參數(shù)時(shí)根據(jù)控制對(duì)象的惰性區(qū)來(lái)整定的，用控制對(duì)象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法，可得：且 則式（218）可寫(xiě)為 (219)假設(shè)汽溫對(duì)象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時(shí)一階的（即），則有比較等式兩邊的對(duì)應(yīng)項(xiàng)可得＝ ＝微分器按此組參數(shù)整定，則等效對(duì)象的傳遞函數(shù)為則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償?shù)念A(yù)定目的。 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：整定微分器的參數(shù)（、）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(S)的參數(shù)（，）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）。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，可見(jiàn)，等效控制對(duì)象是輸出比主汽溫的響應(yīng)有很大的改善。其中： （214）圖27 采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖圖28 采用微分信號(hào)改變控制對(duì)象特性的方框圖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(guò)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)。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。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)。它包括兩個(gè)閉合的控制回路： 由控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)，導(dǎo)前汽溫變送器、微分器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成的副回路（導(dǎo)前補(bǔ)償回路）；由控制對(duì)象的惰性區(qū)、主汽溫變送器和副回路組成的主回路。如果不采用導(dǎo)前信號(hào)的微分信號(hào)，則在靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器將保持等于給定值，而不能保持等于給定值。將有助于調(diào)節(jié)器的動(dòng)作快速性。因?yàn)楹椭髌麥氐淖兓厔?shì)是一致的，切的變化比快的多，因此它能迅速反映的變化趨勢(shì)。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理采用導(dǎo)前微分信號(hào)的過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)如圖26所示。又因?yàn)樗袃蓚€(gè)信號(hào)直接送入到調(diào)節(jié)器，所以也稱(chēng)這樣的系統(tǒng)為具有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙沖量控制系統(tǒng)。一個(gè)信號(hào)是主汽溫經(jīng)變送器直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器的信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調(diào)節(jié)器的信號(hào)。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)在溫度控制系統(tǒng)中，常用的一種便是導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。用“補(bǔ)償法”的概念整定串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，不必考慮主、副回路之間相互影響的程度。這就是“補(bǔ)償法”整定的概念。在這個(gè)等效單回路系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為控制對(duì)象為 （213）因此，串級(jí)系統(tǒng)可按下述步驟進(jìn)行整定：（1）適當(dāng)選擇主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以造成一個(gè)動(dòng)態(tài)特性較好的等效控制對(duì)象。補(bǔ)償法 當(dāng)控制對(duì)象導(dǎo)前區(qū)的動(dòng)態(tài)特性與整個(gè)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性相比，遲延和慣性不夠小時(shí)，控制系統(tǒng)經(jīng)整定后主、副回路的振蕩頻率差別不夠大，這時(shí)就不能 用“兩步整定法”整定，可以采用“補(bǔ)償法”整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。（4）如果的參數(shù)值與第（1）步得到的參數(shù)值基本相同，那么整定就告完成。由圖25可以寫(xiě)出串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程為 （29）可得此時(shí)等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （210）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。在第一次整定副調(diào)節(jié)器時(shí)，斷開(kāi)主環(huán)，即按副回路單獨(dú)工作時(shí)的單回路系統(tǒng)來(lái)整