【正文】 模糊整定。 （ 4） 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對干擾和系統(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)?；沟霉I(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象 ,并常將這種被控對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)估內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 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 ,與被控對象相并聯(lián) ,使補(bǔ)償后的被控對象的等效傳遞函數(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 ,但動(dòng)態(tài)性能不理想 .當(dāng)模型失配時(shí) ,PID 算法就無能為力了 。該方法不要求建立準(zhǔn)確的對象數(shù)學(xué)模型，且能通過控制對象和模型輸出信號(hào)比較來對模型增益作出適應(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 圖 所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，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) Tp 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]。 圖 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) 測量變送裝置的滯后小 。 e sssG 10110 1)( ???內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 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)）。 圖 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖 流量對象 設(shè)定值 控制閥 流 量 控制器 干擾 測量變送 溫 度 控制器 溫度對象 干擾 測量變送 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1） 改善了對象特征，起了超前控制的作用 2） 改善了對象動(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 (δ 2p)以及操作周期 (T2P)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 3）根據(jù)求得的 (δ 1p)和 (T1P)、 (δ 2p)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。 比值控制系統(tǒng) 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。F1C F2C F1 F2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 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對操縱變量進(jìn)行控制，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響，所以相對于反饋控制，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。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差都接近或等于零。一般采用在靜態(tài)前饋的基礎(chǔ)上，加上延遲環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，以達(dá)到干擾作用的近似補(bǔ)償。 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合 1. 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制 達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。均勻控制的概念，在石油化工生產(chǎn)中，采用連續(xù)生產(chǎn)方式，各生產(chǎn)過程都與前面的生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系。于是產(chǎn)生了前后設(shè)備之間的供求矛盾和協(xié)調(diào)問題。 先進(jìn)控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)和常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)是以經(jīng)典控制理論為指導(dǎo)的，他 們的基本要素是以 PID 控制器為核心的基本控制回路。 20 世紀(jì)后半葉，以狀態(tài)空間為標(biāo)志的現(xiàn)代控制理論取得了長足進(jìn)步，過程工業(yè)也向大型化、集約化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。它可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 第三章 數(shù)字 PID 控制 理論 PID 控制算法 PID 是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律 [6]。在計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域后，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 的數(shù)字 PID 算法代替了模擬 PID調(diào)節(jié)器，這種控制規(guī)律的應(yīng)用不但沒有受到影響，而且有了新的發(fā)展，它仍然是當(dāng)今工業(yè)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對象的特性和控制要求，也可靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 數(shù)字 PID 位置型控制算法 數(shù)字 PID 位置型控制算法 為 (32) + + rink + 比例 積分 微分 控制對象 uT kekeT dkj jeT iTkeKku 0])1()(0 )()([p)( ????????)()()( tytrte ??內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 )]2()1()([)()]1()([ ????????? kekekekkekkekek dip式（ 412）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 u(k),所以被稱為數(shù)字 PID置型控制算法。 （ 33） 將式（ 412）和式（ 413）相減， 即得數(shù)字 PID 增量型控制算法為 )1()()( ??? kukukΔu （ 34） 可見 ,增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被稱為數(shù)字 PID 增量型控制算法。 兩種標(biāo)準(zhǔn) PID 控制算法比較 增量型算法較位置型算法，雖然只是在算法上改動(dòng)了一點(diǎn)，但卻有不少優(yōu)點(diǎn)： 1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，對控制量的計(jì)算影響較小。 2）增量型算法得出的是控制量的增量，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。 3）增量型算法算式中不出現(xiàn) u0項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的切換。 采樣周期的選擇 從 Shannon 采樣定理可知，只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號(hào)最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)原來的信號(hào)。 2）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對象擾動(dòng)信號(hào)的周期。 4）考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度， T 應(yīng)大于執(zhí)行器的響應(yīng)速度。 PID 參數(shù)的工程整定法 （ 1）擴(kuò)充臨界比例度法 1）選擇合適的采樣周期。 3）選擇控制度。 4）按擴(kuò)充臨界比例度法參數(shù)整定計(jì)算公式求取采樣周期 T、比例系數(shù) 、 積分時(shí)間常數(shù) 和微分時(shí)間常數(shù) 。該方法只需整定一個(gè)參數(shù)即可，故稱其為歸一參數(shù)整定法。式中 為純比例作用下的臨界振蕩周期，則 (37) 這樣，整個(gè)問題都簡化為只要整定一個(gè)參數(shù) 。 (3)湊試 法確定 PID 參數(shù) 在 PID 參數(shù)整定方法中，最基本和最簡單的方法為湊試法，即對參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，如圖 所示，控制器的傳遞函數(shù)為 )(sWT 圖 單回路控制系統(tǒng) 當(dāng)被控對象的傳遞函數(shù)為 soo esWsW ??? )()( 39。39。 Smith 預(yù)估補(bǔ)償方案主體思想就是消去特征方程中的 se?? 項(xiàng)。 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖 所示。 sWo 是被控對象除 去純遲延環(huán)節(jié) se?? 后的傳遞函數(shù) , )(39。)(sR)(s?)(sF)(sY)(sWT so esW ??)(39。 sWs