【正文】 深入的討論，并提出了一種改進(jìn)型Smith預(yù)估控制器，該控制器把自適應(yīng)控制與史密斯預(yù)估器有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定，而且還通過仿真對(duì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時(shí)具有好的性能指標(biāo) ,但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配 ,而在實(shí)際中這是很難做到的 ,當(dāng)模型失配時(shí),Smith 預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果,因此提出了改進(jìn)型Smith控制系統(tǒng)。對(duì)于無滯后或滯后比較小的系統(tǒng)，通常采用PID控制。傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用的是原料油出口溫度同燃料油流量或同爐膛溫度的串級(jí)控制，但由于燃料油流量存在波動(dòng)，使得溫度控制效果較差。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（題 目：基于改進(jìn)型Smith控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二 〇 一 一 年 六 月內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書摘 要大遲延對(duì)象的控制一直是控制領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)問題。加熱爐溫度控制便屬于這類復(fù)雜的控制對(duì)象。而且由于近年來爐膛改造，爐膛容積增大，使得控制系統(tǒng)主副被控對(duì)象均存在較大的時(shí)間滯后。對(duì)于大滯后系統(tǒng)，PID控制效果并不好，需要另加補(bǔ)償，因此提出了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)。本文研究的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)適用于燃燒控制過程的控制規(guī)律和控制算法。仿真實(shí)驗(yàn)中，若采用PID控制算法，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，采用史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制沒有超調(diào)量。改進(jìn)型Smith算法不僅能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且振蕩次數(shù)少，收斂速度快。 gain adaptive control。在純滯后過程中，由于過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量不能及時(shí)反映所承受的擾動(dòng)。則稱過程是大滯后過程。此外大滯后會(huì)降低整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此大滯后過程控制一直備受關(guān)注。因此近年來，對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾[1]?；谀Ｐ偷姆椒ㄓ衧mith預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)報(bào)控制、預(yù)測(cè)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制等。其控制方法也己經(jīng)由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向智能控制，或者是二者的結(jié)合。在工業(yè)過程控制中大多采用PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、通用性強(qiáng)、魯棒性好間。（1）國外最早在1958年提出預(yù)估控制器[2]，這是一個(gè)時(shí)滯預(yù)估補(bǔ)償算法，其最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但其過于依賴精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用比較困難。另一種是在參數(shù)整定上的改進(jìn)，這種方法將 項(xiàng)通過泰勒多項(xiàng)式展開用魯棒性能指標(biāo)及其他的指標(biāo)函數(shù)對(duì)控制器進(jìn)行解析設(shè)計(jì)，或者對(duì)其中的控制參數(shù)進(jìn)行魯棒調(diào)整，還有的方法是對(duì)Smith預(yù)估系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)進(jìn)行改進(jìn),以增強(qiáng)它的魯棒性和穩(wěn)定性。它不需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，也不需要精確的數(shù)學(xué)模型，其簡單有效的特點(diǎn)適合工業(yè)應(yīng)用。在辨識(shí)方面，用于辯識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時(shí)間,在控制方面，主要有模型參考自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制。（3）模糊控制是一種基于專家規(guī)則的智能控制方法[3]，它無需知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)。模糊算法在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用大致有以下幾個(gè)方面[4]:l)模糊Smith控制控制器，它一般是由Smith預(yù)估器解決對(duì)象的時(shí)滯問題，模糊控制器控制對(duì)象的大慣性環(huán)節(jié)。模糊預(yù)估模型是通過一系列有針對(duì)性的推導(dǎo)得到的，模糊預(yù)估器得到的增量經(jīng)過補(bǔ)償器的作用產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償校正。其中較為有名的是提出的改進(jìn)Smith預(yù)估模型，對(duì)主反饋通道傳遞函數(shù)中的濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行模糊整定。（4） 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化具有魯棒性這正是魯棒控制所需要解決的問題。非時(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究己形成較完整的理論體系，而時(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制理論是一個(gè)具有潛力的研究方向。工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模化使得工業(yè)過程變得更為復(fù)雜，大時(shí)滯、不確定性、嚴(yán)重非線性、時(shí)變性對(duì)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 課題研究的內(nèi)容在工業(yè)生產(chǎn)中,經(jīng)常會(huì)遇到具有純滯后特性的被控對(duì)象,并常將這種被控對(duì)象看成是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中,普遍采用PID控制算法。為了改善純滯后對(duì)系統(tǒng)帶來的不良影響,將預(yù)估法用于此類系統(tǒng)中, Smith預(yù)估法也叫純滯后補(bǔ)償法,設(shè)計(jì)的目標(biāo)是引入一個(gè)純滯后環(huán)節(jié) ,即Smith預(yù)估器,與被控對(duì)象相并聯(lián),使補(bǔ)償后的被控對(duì)象的等效傳遞函數(shù)不包括純滯后項(xiàng) ，基于Smith預(yù)估器的溫控系統(tǒng)能有效克服大純滯后對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,且實(shí)現(xiàn)簡單,可靠性好。從以上分析中可以看到,對(duì)于具有大時(shí)間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時(shí)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制 , ,PID 算法就無能為力了。該方法不要求建立準(zhǔn)確的對(duì)象數(shù)學(xué)模型，且能通過控制對(duì)象和模型輸出信號(hào)比較來對(duì)模型增益作出適應(yīng)性修正。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)型Smith算法在模型失配時(shí) ,具有良好的穩(wěn)定和魯棒性 ,對(duì)于大時(shí)間滯后系統(tǒng)是一種比較實(shí)用的控制方法。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。對(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行氣化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)平質(zhì)量。 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，其任務(wù)是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進(jìn)行加工。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并作了一些簡化，可以用一階環(huán)節(jié)加時(shí)滯來近似，即 (21)其時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯時(shí)間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時(shí)間有關(guān)[5]。 加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 被控變量的選擇被控變量選擇方法：方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于測(cè)量的參數(shù)作為 被控變量，稱為直接參數(shù)法。 選擇被控變量的原則1. 選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)為被控變量。(1) 滿足工藝的合理性(2) 具有盡可能大的靈敏度且線形好(3) 測(cè)量變送裝置的滯后小。 常用復(fù)雜控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對(duì)加熱爐溫度的要求。提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)。主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定，然后由副控制器的輸出去操縱控制閥。主被控參數(shù)的信號(hào)送往主控制器，而副被控參數(shù)的信號(hào)被送往副控制器作為測(cè)量，這樣就構(gòu)成了兩個(gè)閉合回路，即主回路（外環(huán)）和副回路（內(nèi)環(huán)）。 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1） 改善了對(duì)象特征，起了超前控制的作用2） 改善了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率3） 提高了控制器總放大倍數(shù)，增強(qiáng)了抗干擾能力4） 具有一定的自適應(yīng)能力，適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則：1） 在選擇副參數(shù)時(shí)，必須把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中。3） 方案應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。2）對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。4）被控對(duì)象具有較大的非線性，而負(fù)荷變化又較大。主控制器一般選用PID控制規(guī)律，副控制器一般可選P控制規(guī)律。副控制器作用方式的確定，與簡單控制系統(tǒng)相同。（3） 串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定1） 在主回路閉合的情況下，主、副控制器都為純比例作用，并將主控制器的比例度置于100%，用4：1衰減曲線法整定副控制器，求取副回路4：1衰減過程的副控制器比例度(δ2p)以及操作周期(T2P)。3）根據(jù)求得的(δ1p)和(T1P)、(δ2p)和(T2P)數(shù)值，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。在生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料以一定的比例進(jìn)行混合或參加化學(xué)反應(yīng)。例如在稀硝酸生產(chǎn)中，空氣是隨氨的多少而變化的，因此氨為主動(dòng)量F1，空氣為從動(dòng)量F2。雙閉環(huán)比值控制為了既能實(shí)現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進(jìn)入系統(tǒng)的總流量F1＋F２不變，因此在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。變比值控制系統(tǒng)要求兩種物料流量的比值隨第三參數(shù)的需要而變化。當(dāng)干擾出現(xiàn)以后，被控變量還未變化時(shí)，前饋控制器（也稱前饋補(bǔ)償裝置）就根據(jù)干擾的幅值和變化趨勢(shì)對(duì)操縱變量進(jìn)行控制，來補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響，所以相對(duì)于反饋控制，前饋控制是比較及時(shí)的。而當(dāng)干擾通道和控制通道動(dòng)態(tài)特性相同時(shí)，便可以不考慮時(shí)間函數(shù)，只按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。2） 動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在一定程度上可改善過程品質(zhì)，但在擾動(dòng)作用下控制過程的動(dòng)態(tài)偏差依然存在。動(dòng)態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同。要求前饋控制