锅炉内胆温度Smith控制算法的仿真研究

锅炉内胆温度Smith控制算法的仿真研究 城市学院 本科毕业设计 锅炉内胆温度Smith控制算法的仿真研究 学生姓名: 黄羲尧 班级:自动化701 学号:07010047 专 业: 自动化 指导教师: 郭 霞 2011年5月 I 摘 要 摘 要 本文针对“THSA-1型 过程综合自动化控制系统实验平台”通过实验法建立其数学模型，进而用PID控制算法和Smith控制算法对其进行仿真控制。对于锅炉温度的控制，由于PID控制器结构简单、实用、价格低，PID控制得到了广泛的应用，但PID控制参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制效果飘离最佳状态，并且电炉加热器温度具有纯滞后特点，PID的控制效果并不明显，因为参数一经设定，不随系统参数变化而改变，影响控制质量。对于这种情况Smith控制算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个稳定的水平，并且能有效的解决系统产生的纯滞后效果。 最后用Matlab中的Simulink工具箱对设计的系统进行仿真，并得出仿真的结果并且加以分析。 关键词:PID，Smith，锅炉内胆，仿真 I 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) II ABSTRACT ABSTRACT In this paper, "THSA-1-type process experimental platform integrated automation control system" established by the mathematical model experiment, and then with Smith control algorithm PID algorithm and its simulation control. The boiler temperature control, as PID controller is simple, practical, low prices, PID control has been widely used, but trouble tuning PID control parameters, the plant model parameters is difficult to determine, floated off outside interference effects will control most good condition, and the electric heater temperature with a pure delay characteristics, PID control is not obvious, because the parameter is set, do not change with changes in system parameters affect the control quality. Smith control algorithm for this situation in the boiler temperature control application, making the boiler temperature control to achieve a stable level, and can effectively solve the system to produce the pure delay effect. Finally, Matlab Simulink toolbox in the design of the system is simulated and the simulation results obtained and analyzed. :PID, Smith, Boiler tank, SimulationKEY WORDS III 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) IV 目录 目 录 摘 要 ............................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................... III 目 录 ..............................................................................................................V 第1章 绪 论 ............................................................................................... 1 1.1 选题背景 ............................................................................................. 1 1.2国内外温度控制研究现状及发展趋势 ............................................... 1 1.3本文研究内容 ..................................................................................... 2 第2章 模拟锅炉内胆温度数学模型的建立 ................................................. 5 2.1数学模型的介绍 .................................................................................. 5 2.2建立数学模型的要求 .......................................................................... 5 2.3工程控制数学模型的建立........................................................... 7 2.4数学模型的建立 .................................................................................. 8 2.5数据分析 ............................................................................................. 9 2.6本章 ............................................................................................. 9 第3章 PID和Smith控制算法 .................................................................... 11 3.1 控制算法的介绍 ............................................................................... 11 3.1.1 PID控制算法 .......................................................................... 11 3.1.2模糊控制算法 .......................................................................... 11 3.1.3神经网络 ................................................................................. 12 3.1.4自适应控制算法 ..................................................................... 12 3.2 PID控制算法 ................................................................................. 13 3.2.1 PID控制的特点 ...................................................................... 13 3.2.2 PID调节规律 ......................................................................... 14 3.3 史密斯预估算法 ............................................................................. 15 3.4 本章小结 ......................................................................................... 16 第4章 锅炉内胆温度控制的仿真 .............................................................. 19 4.1仿真技术的介绍 ................................................................................ 19 4.1.1仿真技术的发展趋势 ..................................................................... 19 4.1.2 Matlab仿真软件的介绍 ......................................................... 20 V 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 4.1.3 Matlab的优势......................................................................... 20 4.1.4 Simulink工具箱的介绍 .......................................................... 22 4.2加入PID校正控制器的锅炉系统 .................................................... 23 4.2.1系统的设计 ............................................................................. 24 4.2.2加入 PID控制器后的锅炉系统的仿真 ................................. 24 4.2.3加入干扰后的PID控制器的锅炉系统仿真 .......................... 24 4.3采用Smith预估器的锅炉控制系统 ................................................. 25 4.3.1系统的设计 ............................................................................. 25 4.3.2带Smith预估控制器的锅炉系统的仿真 ............................... 26 4.3.3加入干扰后的带Smith预估控制器的锅炉系统的仿真 ........ 26 4.4 本章小结 .......................................................................................... 27 第5章 结论与展望 ..................................................................................... 29 第6章 致 谢 ............................................................................................... 31 参 考 文 献 ................................................................................................... 33 VI 绪 论 第1章 绪 论 1.1 选题背景 对于锅炉温度的控制，由于PID控制器结构简单、实用、价格低，PID控制得到了广泛的应用，但PID控制参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制效果飘离最佳状态。对于这种情况史密斯(Smith)控制算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个稳定的水平。史密斯(Smith)预估控制的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，再由预估器进行补偿的过程控制技术(它的基本思想是按过程特性设计出一种模型加人到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使滞后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减少超调量，加, 速调节过程(特别是对于那些被控对象具有不同程度的纯滞后，而被控对象又不能及时反映系统所承受的扰动的控制系统，史密斯(Smith)预估控制技术获得了广泛的运用(煤气流量的控制过程内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢(参数间关联密切。 1.2国内外温度控制研究现状及发展趋势 从20世纪50年代开始，温度控制界逐渐发展了串级控制、前馈控制、Smith预估控制、比值控制、选择性控制和多变量解耦控制等策略与算法，称为复杂控制。他们在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。他们仍然以经典控制理论为基础，但是结构与应用上各有特色，而且目前仍在继续改进与发展。 从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本省的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如推理控制、预测控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络和遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进控制方法可以有效地解决那些采用常规仪表控制效果差，甚至无法控制的复杂工业工业过程的控制问题。实践证明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。 当今国内外的温度控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的重要部分:测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才 1 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 能更好地纠正系统，PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年的历史，由于PID具有简单、直观、鲁棒性好的特点，成为工业过程控制最为常用的控制方式。 目前，不管是国外还是国内的锅炉温度控制主要采用PID控制，效果与控制参数的选择有很大关系，而PID参数的整定是一项十分繁琐的工作，虽然PID参数的整定和优化的方法很多，但传统的非智能整定方法如法显然是一种经验法并非最优解，不能获得理想的控制效果。目前智能型整定方法如模糊PID、神经网络PID虽然较好地实现了PID控制参数的优化，但需要在线整定，计算亮量大，使得控制器的负担很重。锅炉水温的控制受到被控对象、环境及燃料等诸多因素的影响，难以建立精确的数学模型，采用传统的控制方式，控制器参数选择将是很困难的事。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。 目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面: 1) 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。 2) 商品化产品以PID控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。3) 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如:在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。 随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。 1.3本文研究内容 本文是以锅炉为模拟对象，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控 2 绪 论 制锅炉温度的Smith控制算法进行仿真研究。 本校自动化实验室采用的“THJ—3型高级过程控制系统实验装置”设备中的模拟锅炉可进行温度控制系统的实验。系统中锅炉内胆为动态循环水，磁力泵、电动调节阀、锅炉内胆组成循环供水体系。实验前，先通过变频器-磁力泵动力之路给锅炉内胆打满水，然后实验台上电，对锅炉内的水进行电加热。电炉加热器温度具有纯滞后特点，PID的控制效果并不明显，因为参数一经设定，不随系统参数变化而改变，影响控制质量。但采用Smith控制算法后能有效的解决系统产生的纯滞后效果。 3 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 4 模拟锅炉内胆温度数序模型的建立 第2章 模拟锅炉内胆温度数学模型的建立 2.1数学模型的介绍 数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一个抽象的、简化的结构。具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。 是近些年发展起来的新学科，数学理论与实际问题相结合的一门科学。它将现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进行深入的分析和研究，从而从定性或定量的角度来刻画实际问题，并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。 数学模型的历史可以追溯的人类开始使用数字的时代。随着人类使用数字，就不断地建立各种数学模型，以解决各种各样的实际问题。对于广大的科学技术工作者对大学生的综合素质测评，对教师的工作业绩的评定以及诸多访友、采购等日常活动，都可以建立一个数学模型，确立一个最佳。建立数学模型是沟通摆在面前的实际问题与数学工具之间联系的一座必不可少的桥梁。 2.2 建立数学模型的要求 1.真实完整 (1)真实的、系统的、完整的、形象的客观现象; (2)必须具有代表性; (3)具有外推性，即能得到原型客体的信息，在模型的研究实验时，能得到关于原型客体的原因; (4)必须反映完成基本任务所达到的各种业绩，而且要与实际情况相符合。 2. 简明实用 在建模过程中，要把本质的东西及其关系反映进去，把非本质的、对反映客观真实程度影响不大的东西去掉，使模型在保证一定精确度的条件下，尽可能的简单和可操作，数据易于采集。 3. 适应变化 随着有关条件的变化和人们认识的发展，通过相关变量及参数的调整，能很好的适应新情况。 根据研究目的，对所研究的过程和现象(称为现实原型或原型)的主要特征、 5 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 主要关系、采用形式化的数学语言，概括地、近似地表达出来的一种结构，所谓“数学化”，指的就是构造数学模型(通过研究事物的数学模型来认识事物的方法，称为数学模型方法(简称为MM方法。 数学模型是数学抽象的概括的产物，其原型可以是具体对象及其性质、关系，也可以是数学对象及其性质、关系。数学模型有广义和狭义两种解释(广义地说，数学概念、如数、集合、向量、方程都可称为数学模型，狭义地说，只有反映特定问题和特定的具体事物系统的数学关系结构方数学模型大致可分为二类:(1)描述客体必然现象的确定性模型，其数学工具一般是代效方程、微分方程、积分方程和差分方程等，(2)描述客体或然现象的随机性模型，其数学模型方法是科学研究相创新的重要方法之一。在体育实践中常常提到优秀运动员的数学模型。如经调查统计(现代的世界级短跑运动健将模型为身高1.80米左右、体重70公斤左右，100米成绩10秒左右或更好等。 用字母、数字和其他数学符号构成的等式或不等式，或用图表、图像、框图、数理逻辑等来描述系统的特征及其内部联系或与外界联系的模型。它是真实系统的一种抽象。数学模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是分析、设计、预报或预测、控制实际系统的基础。数学模型的种类很多，而且有多种不同的分类方法。 静态和动态模型 静态模型是指要描述的系统各量之间的关系是不随时间的变化而变化的，一般都用代数方程来表达。动态模型是指描述系统各量之间随时间变化而变化的规律的数学表达式，一般用微分方程或差分方程来表示。经典控制理论中常用的系统的传递函数也是动态模型，因为它是从描述系统的微分方程变换而来的(见拉普拉斯变换)。 分布参数和集中参数模型 分布参数模型是用各类偏微分方程描述系统的动态特性，而集中参数模型是用线性或非线性常微分方程来描述系统的动态特性。在许多情况下，分布参数模型借助于空间离散化的方法，可简化为复杂程度较低的集中参数模型。 连续时间和离散时间模型 模型中的时间变量是在一定区间内变化的模型称为连续时间模型，上述各类用微分方程描述的模型都是连续时间模型。在处理集中参数模型时，也可以将时间变量离散化，所获得的模型称为离散时间模型。离散时间模型是用差分方程描述的。 随机性和确定性模型随机性模型中变量之间关系是以统计值或概率分布的形式给出的，而在确定性模型中变量间的关系是确定的。 参数与非参数模型用代数方程、微分方程、微分方程组以及传递函数等描述的模型都是参数模型。建立参数模型就在于确定已知模型结构中的各个参数。通 6 模拟锅炉内胆温度数序模型的建立 过理论分析总是得出参数模型。非参数模型是直接或间接地从实际系统的实验分析中得到的响应，例如通过实验到的系统脉冲响应或阶跃响应就是非参数模型。运用各种系统辨识的方法，可由非参数模型得到参数模型。如果实验前可以决定系统的结构，则通过实验辨识可以直接得到参数模型。 线性和非线性模型线性模型中各量之间的关系是线性的，可以应用叠加原理，即几个不同的输入量同时作用于系统的响应，等于几个输入量单独作用的响应之和。线性模型简单，应用广泛。非线性模型中各量之间的关系不是线性的，不满足叠加原理。在允许的情况下，非线性模型往往可以线性化为线性模型，方法是把非线性模型在工作点邻域内展成泰勒级数，保留一阶项，略去高阶项，就可得到近似的线性模型。 2.3 工程控制数学模型的建立方法 建立工程数学模型的基本方法有两个，即机理法和测试法。 1(机理法建模 用机理法建模就是根据生产过程中的实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，如物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、想平衡方程，以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需要的数学模型。 2. 测试法建模 测试法一般只用于建立输入/输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的主要特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。过程的动态特性只有当它处于变动状态下才会表现出来，在稳态下是表现不出来的。因此为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态，如施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。为了有效地进行这种动态特性测试，仍然有必要对过程内部的机理有明确的定性了解，如究竟有哪些主要因素在起作用，他们之间的因果关系如何，等 等。丰富的验前知识无疑会有助于成功地用测试法建立数学模型。哪些内部机理尚未被人们充分了解的过程，如复杂的生化过程，也是难以用测试法建立其动态数学模型的。 由于本文采用的是测试法建模，所以对机理法不再做过多的介绍，下面我们来介绍测试法建模: 由于某些生产过程的机理，人们往往还未充分掌握，有时也会出现模型中有些参数难以确定的情况。这时就需要用实验测试方法把数学模型估计出来。 7 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 由于过程的动态特性，只有当它处于变动状态下才会表现出来，在稳定状态下是表现不出来的。因此为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态。根据加入的激励信号和结果的分析方法不同，测试对象动态特性的实验方法也不同，主要有以下几种。 1.测定动态特性的时域法 时域法是对被控对象是施加阶跃输入，测绘出对象输出变量随时间变化的响应曲线，或施加输入测绘出输出的脉冲响应曲线。由响应曲线的结果分析，确定出被控对象的传递函数。这种方法测试设备简单，测试工作量小，因此应用广泛，缺点是测试精度不高。 2.测定动态特性的频域法 频域法是对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的 幅值比和相位差，从而获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。 这种方法在原理和数据处理上都比较简单，测试精度比时域法高，但此法 需要用专门的超低测频设备，且测试工作量大。 3.测定动态特性的统计相关法 统计相关法是对被控对象施加某种随机信号或直接利用对象输入本身存在的随机噪声进行观察和记录，由于它们引起对象各参数变化，故可采用统计相关法研究对象的动态特性。这种方法可在生产过程正常状态下进行，可以在线辨识，精度也较高。但统计相关法要求积累大量数据，并要用相关仪表和计算机对这些数据进行计算和处理。 2.4数学模型的建立 本实验采用的是时域法。 根据常识我们可以假设锅炉的传递函数为一阶惯性加纯滞后环节 K,,s(),Gse (2-1) ，1TS 其中，K为系统的增益，T为系统的时间常数，为系统的滞后时间常数。 , 实验之初我们给系统加一个阶跃信号，然后获取阶跃响应，根据得的数据利用作图法计算出对象特性的函数K、T、。 , 1.计算增益K 设阶跃输入u(t)的变化幅值为?u(t)，如输出y(t)的起始值和稳态值分别y(0)和y(?)，则增益K可根据下式计算，即 yy()(0),,K, (2-2) ,ut() 8 模拟锅炉内胆温度数序模型的建立 2.用作图确定T和τ 在阶跃响应曲线的拐点A处作一切线，它与时间轴交于B点，与曲线的稳 态近线交于A点，这样就可以根据图确定参数τ和T，他们的具体数值如图2-1 y y(?) B P A0 t τT 图2-1 一阶响应曲线法 2.5数据分析 对“THJ—3型高级过程控制系统实验平台”进行实验法建模，得出的数据如表2-1所示，其中T、K、分别为系统的时间常数、比例系数和滞后时间常, 数。 第一组 第二组 第三组 平均值 T 6065 4830 6685 5680 K 0.72 0.64 0.82 0.73 ,30 45 55 43 表2-1 锅炉内胆温度实验数据表 所以系统的数学模型近似为: 0.73,43sGse, (2-3) ()S，56801 2.6本章小结 本章介绍了数学模型的概念，数学模型建立过程中的注意事项和要求，并且介绍了工程中数学建模常用的两种方法即:机理法建模和测试法建模。 详细介绍了测试法建模的概念，测试法建模的中包含的几种方法:测定动态特性的时域法、测定动态特性的频域法、测定动态特性的统计相关法。 由于锅炉内胆温度控制系统可以近似为一个一阶惯性加纯滞后的环节，所以本章采用一阶响应曲线发对系统建模数学建模的分析。 9 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 本章通过给锅炉内胆温度系统一个阶跃输入，得出锅炉内胆温度系统的阶跃响应，通过计算增益K yy()(0),,K, ,ut() 通过作图法计算时间常数T和锅炉内胆温度的滞后时间τ，从而得出锅炉内胆温度系统的传递函数 0.73,43s Gse,()S，56801 10 PID和Smith控制算法 第3章 PID和Smith控制算法 3.1 控制算法的介绍 从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程本省的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如推理控制、预测控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络和遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进控制方法可以有效地解决那些采用常规仪表控制效果差，甚至无法控制的复杂工业工业过程的控制问题。实践证明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。 3.1.1 PID控制算法 PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出空置量进行控制的。 PID控制各校正环节的作用如下: 1.比例环节及时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2.积分环节主要用于消除静差，提高系统的误差度。 3.微分环节能够反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早起修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 3.1.2模糊控制算法 一个模糊控制系统由模糊化、知识库、模糊推理和清晰化4个功能组成。各 11 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 模块功能如下: 1.模糊化:将输入的精确量按某些算法转换为模糊量。先对输入量进行处理，变换成模糊控制器要求的输入量;再将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域;最后将变换到论域范围的输入量进行模糊化处理，把原有的精确量变换成模糊量，并用相应的模糊**语言值来表示。 2.知识库:包含应用领域的只是和控制目标，通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。 3.模糊推理:它是模糊控制器的核心，其推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 4.清晰化(去模糊化):其功能是将模糊推理得到的模糊控制量变换为实际的控制量。它把模糊量经清晰化运算后变换成论域范围的清晰量，再经尺度变换转换成实际的控制量。 3.1.3神经网络 神经网络控制是20世纪80年代末期发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了新途径。 神经网络控制是(人工)神经网络理论与控制理论相结合的产物，是发展中的学科。它汇集了包括数学、生物学、神经生理学、脑科学、遗传学、人工智能、计算机科学、自动控制等学科的理论、技术、方法及研究成果。 在控制领域，将具有学习能力的控制系统称为学习控制系统，属于智能控制系统。神经控制是有学习能力的，属于学习控制，是智能控制的一个分支。 3.1.4自适应控制算法 自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的知识自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辨识。随着生产过程的不断进行，通过在线辨识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断地改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辨识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辨识和改变 12 PID和Smith控制算法 控制器参数，系统也能逐渐适应。 本章主要研究PID控制下的系统与Smith控制下的系统有什么不同，并且从理论上说明了Smith控制算法相对于常规PID控制算法的优点。 3.2 PID控制算法 3.2.1 PID控制的特点 在20世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，PID控制是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出出多新的控制方法。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。 一般来说，PID控制具有以下优点: 1.原理简单，使用方便。 2.适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油及造纸、建材等各种生产部门。 3.鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 (1) 比例调节 只有比例调节规律的调节器，为P调节器。对PID调节器而言，当积分时间T??时，微分时间T=0时，调节器呈P调节特性。P调节器输出与输入的id 关系式为 ,,pKe (3-1) p K为调节器的比例增益，是一个可调节的放大倍数。在实际调节器中，常p 用比例度来表示比例作用的强弱，比例度就是调节器输入变化的相对值与相应, 的输出变化相对值之比的百分数。 由于P调节器的输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器的输入立即与输出成比例地变化，因此，比例调节作用及时迅速，这是它的一个显著特点。但是，这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现余差。也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原来的数值上，因为如果偏差变化量为零，调节器的输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。因此，P调节器一般用在干扰较小且允许有余差的系统中。 (2) PI调节规律 具有比例积分调节规律的调节器为PI调节器。对PID调节器而言，当微分时间T=0时，调节器呈PI调节特性。PI调节器输出与输入之间的表达式为 d 13 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) t,,，pKeTedt() (3-2) pI,0 或用传递函数表示为: 1GK,，(1) (3-3) ()spTsI 积分输出项表明，只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，调节器的输出才稳定下来。这就是积分作用能消除余差的原因。上式还表明，积分作用输出变化的快慢与输入偏差e的大小成正比，而与积分时间T成反比。T越短，积分速度越快，积分作用就越强。 ii (3) PD调节规律 具有比例微分调节规律的调节器为PD调节器。对PID调节器而言，当积 分时间T取无穷大时，调节器呈PD调节特性。 i 理想的PD调节器的调节特性表达式为 de(),,，pKeT (3-4) pDdt 或用传递函数表示为: GKTs,，(1) (3-5) ()spD 微分作用是根据偏差变化速度进行速度调节的，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就有调节作用输出，故有超前调节之称。在温度、成分等滞后较大的控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性。但是，微分作用的输出不反映偏差的大小，即使偏差很大，只要没有变化，输出就为零。 3.2.2 PID调节规律 理想PID调节器的调节规律可用下式表示: t1de,,，，pKeedtT() (3-6) pD,0TdtI 或用传递函数表示为 1GsKTs,，，()(1) (3-7) pDTsI 式中，第一项比例(P)部分，第二项为积分(I)部分，第三项为微分(D)部分，各参数意义如下: K—调节器的比例增益; p 14 PID和Smith控制算法 T—调节器的积分时间，以秒或分为单位; i T—调节器的微分时间，以秒或分为单位; d PID调节器集比例、积分和微分的优点于一身，既能快速进行调节，又能消除余差，具有较好的调节性能。在实际使用中，要适当调整比例度、积分时间、微分时间，才能获得理想的国度过程曲线。 3.3史密斯预估算法 经典的PID控制理论经过多年的发展在工业控制方面得到了很大的青睐，但是经典的PID控制在系统具有较大纯滞后的时候其控制效果不是那么的理想，所以在经典的PID控制基础上再加上Simth控制器，在对具有大纯滞后环节的控制系统进行控制时起到了非常好的作用。 图3-1为具有纯滞后的对象进行传统PID调节的反馈控制系统，设对象的特性为: ,,sG(s),G(s)e (3-8) pcp D(s) G(s)D ++Y(s)+R(s)-τ××G(s)G(s)ecp - 图3-1 常规PID控制系统 其中，Gp(s)为对象传递函数中不含纯滞后的部分，调节器的传递函数 G(s)，G(s)为PID控制规律，干扰通道的传递函数为G(s) ccp 系统给定作用下的闭环传递函数为 GsGs()()Ys()cp,,s (3-9) ,e，RsGsGs()1()()CP 系统对干扰的传递函数 Gs()Ys(),,sD,e (3-10) DsGsGs()1()()，CP (3-10)式的特征方程为 ,,s1，G(s)G(s)e (3-11) 15 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 在反馈回路中设计一个补偿回路，其传递函数为G(s)，如图3--2所示。 L D(s) G(s)D ++Y(s)+R(s)-τ××G(s)G(s)ecp - Ys ×G(s)L Y1 图3-2 具有时间补偿的反馈控制系统 为了补偿对象的纯滞后，要求: K,,sGse(), (3-12) Ts，1 史密斯(Smith)补偿函数为 ,,s (3-13) G(s),G(s)(1,e)Lp 于是，史密斯(Smith)预估控制结构图如图3-3所示。 D(s)G(s)D ++Y(s)+R(s)-τs××G(s)G(s)ecp- +Ys-+-τs××G(s)eL +Y1 图3-3 Smith控制结构图 经史密斯补偿后，纯滞后的影响已消除，从而使系统可以使用较大的调节增 益来改变调节品质。 3.4 本章小结 本章通过具体介绍PID控制算法和Smith控制算法，从而得出PID控制算 法的缺点和Smith控制算法的优点。 16 PID和Smith控制算法 比例控制的特点是有差控制。比例增益K越大稳态误差越小，但稳定性越c 差。比例控制有一定的应用范围，超过该范围时，控制器输出与输入之间就不成比例关系了。比例带与控制器比例增益的倒数成正比。比例带代表使控制阀开度改变100%，即从全关到全开时所需要的被变量的变化范围。 积分控制的特点是无差控制，但它的稳定作用比P控制差。具有积分作用的控制器，可能产生积分饱和现象。比例积分控制就是综合比例和积分两种控制的优点，利用P控制快速抵消干扰的影响，同时利用积分控制消除残差。在比例带不变的情况下，增大积分作用将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、控制过程加快、振荡频率升高。 微分控制动作总是力图抑制被控变量的振荡，它有提高系统稳定性的作用。适度引入微分动作后，由于可以采用较小的比例带，结果不但减小了残差，而且也减小了短期最大偏差和提高了振荡频率。由于微分动作太强容易导致控制阀开度向两端饱和，因此在比例微分控制中总是以比例动作为主，微分动作只能起辅助控制作用。 虽然PID控制系统因为其价格便宜，控制结构简单，并且在一些场合下能发挥很好的作用，但PID控制对具有滞后时间的控制系统则显得无能为力。 一般认为，广义对象的纯滞后时间与时间常数只比大于0.5，则说明该过程是具有大滞后的工艺流程。大纯滞后系统的解决方法很多，最简单的是利用常规PID控制器的变形方案，如微分先行控制方案和中间微分反馈控制方案等。 如果在控制精度要求很高的场合，则需要采取其他控制手段，例如补偿控制等。史密斯预估补偿方法就是得到广泛应用的方案之一。目前，对Smith预估器主要有三种改进方法:增益自适应补偿控制、安全抗干扰的Smith预估器、改进型Smith预估器。 17 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 18 锅炉内胆温度控制的仿真 第4章 锅炉内胆温度控制的仿真 4.1仿真技术的介绍 控制系统理论与技术是现代科学技术的主要内容，已经广泛应用于航天于航空工业、电力工业、核能工业、石油工业、化学工业及冶金工业等众多学科和工程技术领域，并且具有经济、安全、快捷、优化设计和预测的特殊功能等优点，在非工程系统(如社会、管理、经济等系统)中，由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎是不可能的，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识，因此仿真技术已经成为对控制系统进行分析、设计和综合研究中很有效的手段。随着控制系统的日益复杂，任务的多样化，对控制的要求越来越高，利用计算机进行仿真和研究，以及进一步实现计算机控制成为从事控制及相关行业的工程技术人员所必须掌握的一门技术。 4.1.1仿真技术的发展趋势 由于仿真理论、方法的提高，仿真实验任务的扩大以及相关科学的发展，展望仿真技术今后的发展趋势，主要有以下几个方面: 1.高性能的硬件仿真系统 对大型的分布系统、综合系统进行实时仿真，需要处理的信息量大、传输速度快、变化和处理及时迅速，基于多CPU并行处理技术的全数字仿真系统将有效提高仿真系统的速度，从而使仿真系统的实时性得以加强。 2.高效能的仿真软件 在应用软件方面，直接面向用户的高效能数字仿真软件将不断推陈出新，各种专家系统与智能技术将更深入地应用于仿真软件中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。 3.虚拟现实技术 虚拟现实技术的不断完善，为控制系统的数字仿真开辟了一个新时代。虚拟现实将真实环境、模型化物理环境和用户融为一体，为用户提供视觉、听觉、嗅觉和触觉感官逼真的感觉信息仿真系统，使人感到如同身临其境的仿真环境。 4.网络化、智能化的仿真环境 开站系统仿真科学的研究，开发系统仿真技术，需要网络化、智能化得环境。目前这方面的差距还比较大。但是随着网络技术的不断完善与提高，微型计算机的大量推广和应用，分布式数字仿真系统将被广泛地应用，适合相应环境的仿真 19 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 软件将会得到不断地发展，以达到投资少、见效快的目的。 4.1.2 Matlab仿真软件的介绍 Matlab是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析、矩阵运算和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。它几乎可以轻易地再现C或FORTRAN语言的全部功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。Matlab环境下的Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在它提供的图形用户界面上，只要进行鼠标的简单拖拽操作就可构造出复杂的仿真模型，是目前最优秀、最容易使用的一个仿真环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛的应用。 4.1.3 Matlab的优势 1. 友好的工作平台和编程环境 Matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户使用Matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括Matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着Matlab的商业化以及软件本身的不断升级，Matlab的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的Matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 2. 简单易用的程序语言 Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的Matlab语言是基于最为流行的C，，语言基础上的，因此语法特征与C，，语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是Matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 20 锅炉内胆温度控制的仿真 3. 强大的科学计算机数据处理能力 Matlab是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。Matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 4. 出色的图形处理能力 Matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等)，Matlab同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的Matlab还着重在图形用户界面(GUI)的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。 5. 应用广泛的模块集合工具箱 Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱(Toolbox)家族中有了自己的一席之地。 6. 应用的程序接口和发布平台 新版本的Matlab可以利用Matlab编译器和C/C++数学库和图形库，将自己 21 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 的Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C++代码。允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C++语言程序。另外，Matlab网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。Matlab的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是Matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。 7. 应用软件开发 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口;在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等;在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等;在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。 4.1.4 Simulink工具箱的介绍 Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于Matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与Matlab紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号 22 锅炉内胆温度控制的仿真 参数和测试数据的定义。 丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用Embedded Matlab 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用Matlab算法使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问Matlab从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 4.2加入PID校正控制器的锅炉系统 在简单控制系统分析和设计时，通常将系统中控制器以外的部分组合在一起，即被控对象、执行器和测量变送装置合并为广义被控对象。 系统设计的主要任务是被控变量和控制变量的选择、建立被控对象的数学模型、控制器的设计、测量变送装置和执行器的选择。 如果广义被控对象传递函数可用一阶惯性加纯延迟近似，则可根据广义被控对象的可控比/T选择PID控制器的调节规律。?当/T,0.2时，选择比例或,, 比例积分控制;?当0.2,/T,1.0时，选择比例微分或比例积分微分控制;?, 当/T,0.1时，选用如串级、前馈等复杂控制系统。 , 为了能保证构成工业过程中的控制系统是一种负反馈控制，系统的开环增益必须为负，而系统的开环增益是系统中各环节增益的乘积。 控制器的正作用方式是指实际控制器的输出信号u随着被控变量y的增大而增大，此时称实际控制器的增益为正，取“+”号。反之为反作用方式，此时称其增益为负，取“-”号、 过程控制系统中的实际PID控制器是由信号比较机构和运算环节两部分组成的。实际PID控制器的增益=(-1)×控制器运算环节的增益。 系统整定方法很多，但可归纳为两大类:理论计算法和工程整定法。在工程实际应用中，常采用工程整定法，它一般有动态特性参数法、稳定边界法、衰减曲线法和经验整定法。 PID控制器参数的整定，不论采用的是理论计算法还是工程整定法中的额动态特性参数法，都是以由广义被控对象和等效控制器两部分组成的控制系统为基础的。等效控制器和广义被控对象之间如何划分会直接影响实际控制器参数与等 23 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 效控制器参数之间的关系。 对于工业PID控制器，由于τ、T、T各参数之间存在相互干扰，必须考虑d 控制器各参数实际值与刻度值之间的转换关系。 PID控制器参数的自整定多年来一直是众多工程技术人员重点研究的内容。 4.2.1系统的设计 图4-1为在Matlab的Simulink工具箱中设计的PID控制系统模型，其中K=50、T=100、T=50，输入信号的终值为60。 cid 图4-1 PID控制系统模型 4.2.2加入 PID控制器后的锅炉系统的仿真 加入PID校正控制器后的Matlab系统仿真结果如下: 图4-2 加入PID控制器后的系统仿真图 系统的阶跃响应曲线如图4-2所示。由曲线可以看出PID的控制效果，其中超调量基本为0，调节时间大概为500，但是系统有滞后，这在工程上是不能满足要求的。 4.2.3加入干扰后的PID控制器的锅炉系统仿真 在原有的PID控制的基础上，我们对系统加入一个干扰信号，干扰信号的 24 锅炉内胆温度控制的仿真 平均值为输入的30%，系统设计如图4-3所示: 图4-3 PID控制系统加入干扰信号后的系统设计图 加入干扰后的系统仿真图如图4-4所示: 图4-4 加入干扰后的PID控制系统仿真图 由图4-4所示系统加入干扰后仿真结果和原来没有加入干扰的系统相比并没有多大的变化，说明系统的抗干扰能力是很好的。 4.3采用Smith预估器的锅炉控制系统 4.3.1系统的设计 虽然PID控制器能对系统进行很好的控制，并且系统稳定，但是对于产生的滞后时间问题不能很好的解决。Smith预估控制器能有效的解决系统产生的时间滞后问题。 图4-5为带Smith预估控制器的锅炉内胆温度控制系统，其中K=50、T=100、ciT=0，输入信号的终值为60。 d 25 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 图4-5带Smith预估控制器的系统 4.3.2带Smith预估控制器的锅炉系统的仿真 图4-6为加入Smith预估控制器后的锅炉内胆温度控制系统仿真图 图4-6 加入Smith预估控制器后的系统仿真图 从图4-6可以看出系统的超调量为0，调节时间大概为700左右。 由图4-6可以看到在PID控制的基础上加上Smith预估控制器对具有大时滞的系统的调节作用是明显的，这时输出和输入是同步的，对系统的滞后环节起到了很好的纠正效果。 4.3.3加入干扰后的带Smith预估控制器的锅炉系统的仿真 在原有的Smith控制的基础上，我们对系统加入一个干扰信号，干扰信号的平均值为输入的30%，系统设计如图4-7所示: 26 锅炉内胆温度控制的仿真 图4-7 加入干扰后的Smith预估控制系统 加入干扰后的Smith预估控制系统的仿真图如图4-8所示: 图4-8 加入干扰后的Smith预估控制系统的仿真图 由图4-6和图4-8比较可以看出干扰信号对系统的干扰并不大，所以系统的抗干扰能力是很好的。 4.4 本章小结 经典PID控制算法在对锅炉内胆温度控制系统有很好的调节品质，仿真结果没有超调，并且鲁棒性好，系统稳定。 但是在工业生产过程中，物料、能量的传输所带来的时间延迟问题是传统PID控制器所不能很好解决的控制问题。常规的PID控制系统对于延迟大、非线性强、控制信号反应慢的复杂热加工过程往往不能获得令人满意的控制效果。加热炉的炉温控制问题是一个典型的时间滞后问题。史密斯预估控制技术在该系统应用，起到及时检测系统中可能引起被控制量发生变化的一些因素并加以控制，有效地克服了对象等效时间很长的问题，并具有鲁棒性强的特点，改善了控制系统的调节品质。且这种控制方法在热处理、化工、机械加工、金属冶炼等行业中 27 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 也具有广泛的用途和推广价值。 28 结论与展望 第5章 结论与展望 本文是一篇以实验论证为出发点的论文，是以学校自控过程实验室中的“THSA-1型 过程控制综合自动化控制系统实验平台”为数学模型进行的一次验证性实验。这次毕业设计是对我大学四年所学知识的综合考验和测评。 电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。对比经典控制理论和现代控制理论，智能控制在温度控制这类非线性、强耦合系统中表现出了明显的优势。 由实验数据可得虽然常规PID控制系统对锅炉内胆温度系统有很好的控制效果，但是对锅炉内胆温度系统具有的时间滞后环节则显得无能为力。但是Smith控制算法能很好的解决控制系统中存在的时间滞后问题，并且系统稳定，具有鲁棒性强的特点，改善了控制系统的调节品质。，不易受外界的干扰。 对于温度控制还有很多的控制算法，比如:模糊控制算法、神经网络控制算法、自适应控制算法，以及从这些算法中衍生出来的一些新算法，都是值得我们借鉴的，并且这几种控制算法，比PID控制算法和Smith控制算法更加能较好的调节系统的品质，系统稳定，不宜受外界干扰。 本次实验中，还存在很多的不足，请读者对本文中存在的不足和错误给以谅解。 29 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 30 致 谢 第6章 致 谢 本论文是在郭霞老师的指导下完成的，从论文的思路、撰写和最后的定稿， 郭老师都花费了不少的时间和精力，给予了我很大的帮助和指导。同时，老师那渊博的知识、严谨的治学态度、精深的专业造诣、高尚的做人风范、开拓的思想和敏锐的目光，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨对老师致以深深的感谢和衷心的祝福。 其次要感谢西安交通大学城市学院的各位领导对本次实验的关心，以及能提高先进的设备，为这次实验提供了强有力的硬件条件。 最后要感谢同组的王金钰和吉珍珍同学，整个试验过程都是在与这两位同学的讨论与合作中完成的，并且这两位同学给了我和大的帮助和鼓励。他们让我感受到了集体的力量和团队协作的魅力。 再一次衷心感谢我的指导教师郭霞老师，自动化教研室的所有老师。谢谢你们对我的关心、帮助和支持～真心祝愿郭老师、教研室的所有老师和本组的其他成员工作顺利、身体健康、幸福开心! 31 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 32 参考文献 参 考 文 献 [1]肖隽(锅炉温度串级控制系统[M](机电工程，2002，20(1):30—32( [2]李正军(计算机测控系统的设计与应用[M](北京:机械工业出版社，2004(316 320，343( [3]盂华(工业过程检测与控制(北京:航空航天大学出版社，2000(168 175，220 226( [4]黄胜(改进型史密斯(Smith)预估器在过热汽温度控制中的应用[M](自动 (24):1，42 45( 化仪表，2003， [5]金以慧(过程控制[M](北京:清华大学出版社(2001(103 117( [6]王春元，杨永江(水资源经济学及其应用[M](北京:中国水利水电出版社，1999(54—58( [7]水利部，国家发展委员会(全国水资源综合规划任务书[R]，2002( [8]左其亭，陈曦。面向可持续发展的水资源规划与管理[M](北京:中国水利水电出版社，2003(123 147( [9]李国勇。过程控制系统.北京:电子工业出版社.2009. [10]YS1000 Series User Maunal,Yokogawa Electric Corporation,Japan.2008 [11]Technical Overview,fieldbus Foundation,Austin,Taxas,1988. 33 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 34 附录A 附录A(外文文献) Smith predictive control technology in the temperature control system Abstract: The use of gas as fuel, the same main gas pipe to the furnace heating caused by multiple reasons for changes in temperature, the traditional PID control common time lag, introduced Smith predictive control theory, introduced serial control and Smith predictor Control of a combination of automatic control technology applications in temperature control system and implementation. Keywords: Smith predictor control, cascade control, temperature control 0 Introduction The boiler temperature control, as PID controller is simple, practical, low prices, PID control has been widely used, but trouble tuning PID control parameters, the plant model parameters is difficult to determine, floated off outside interference effects will control most Good condition. In this case Smith (Smith) control algorithm for temperature control of the boiler, making the boiler temperature control can reach a stable level. Smith (Smith) predictive control feature is the process of pre-estimated in the basic dynamic characteristics of disturbances, then the predictor to compensate for process control technology. The basic idea is based on a model of the process of design features added to the feedback control system to compensate for the dynamic nature of the process, and then compensate by the predictor, the accused sought to delay the reflected amount of advance controller The controller action in advance, thereby significantly reducing the overshoot, speed up the adjustment process. Especially for those accused of objects with varying degrees of delay, while the controlled object can not reflect the system in time to withstand the disturbance of the control system, Smith (Smith) predictive control techniques have gained wide use. Gas flow control mechanism inherent complexity of the process, the slow response of the control action. Parameters are closely related. In industrial production, widespread use of gas as fuel, the same main gas 1 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) pipeline to more than one furnace heating. When a station furnace location of the valve opening duration changes, the gas pressure changes accordingly set free, the other furnace should adjust its valve opening to ensure a constant flow of gas to ensure the temperature Constant. If using the traditional single-loop PID control, gas flow pressure changes lead to changes in flow caused by temperature changes resulting changes, changes in temperature regulation only after opening the gas valve to change the gas supply, resulting in The process of time lag, so that the object is equivalent to a long delay time, thereby achieving the desired control effect. For these parameters with the incident and nonlinear time delay, large inertia of the control problem, the more popular abroad, is the Dahlin control algorithm and the Smith predictive control. Smith predictive control feature is the process of pre-estimated in the basic dynamic characteristics of disturbances, then the predictor to compensate for process control technology. The basic idea is based on process characteristics to design a model of feedback control system to compensate for the dynamic nature of the process, and then by the predictor to compensate, trying to control the lag time was reflected in advance to the controller, the control Control early action, which significantly reduced the overshoot, speed up the adjustment process. Especially for those accused of objects with varying degrees of delay, while the controlled object can not reflect the system time of the perturbed system under the system, Smith predictive control techniques have gained wide use. Gas flow control mechanism inherent complexity of the process, the slow response of the control action, is closely related parameters. In this paper, this type of industrial furnace temperature control system design and technological transformation of the status quo, put forward by the master control loop circuit and vice matched by the second design in the vice control loop disturbance, a disturbance in the main control loop design of Smith predictor Cascade control, you can get better control effect. 1 structure of the system Experiments and experience show that the temperature control object can be approximated as a pure lag element and an integral part of the first order form. Y is selected discharge temperature and gas flow rate Q to form the cascade servo control of the computer, and supplemented by the technical design of the Smith predictor control system. Figure TC said thermostat, FC, said gas flow regulator. TC usually 2 附录A thermostat PID regulation law, the gas flow regulator PI regulation by law of FC, SC Smith predictor. Smith predictor controller as a model to the feedback control loop to compensate for the dynamic nature of the process, bringing the temperature ahead of the object reflects the delay time to the controller, to effectively solve the large inertia of the time lag and pray to reduce the system overshoot, speed up the adjustment process in the role of the system. When the temperature changes, control by the main regulator, the regulator output as Vice given value, and ultimately control the gas valve opening. The output of the master circuit control loop settings as amended, vice basis, the Deputy control loop output as a true vacancy acting on the charged object. Changes in gas flow in the event, Deputy control loop to control the timely opening of the valve position, gas flows quickly overcome the change of the material temperature. Smith predictor in the cascade control system, the valve position and gas flow regulation in a timely manner, and have some adaptive ability to effectively solve the object equivalent delay time is very long question. The second major disturbance for the system disturbance, the main disturbance of the system included in the vice control loop, the regulation control loop through the Deputy role in the disturbance to the main control loop parameters to be adjusted before the greatly weakened the impact of disturbance. Vice control loop includes integrator, reducing the lag phase, thus improving the dynamic quality of the system. When the disturbance occurred in the Vice-loop, the occurrence of such fluctuations in gas flow caused by temperature changes, due to the presence of Vice-control loop, the gas flow regulator to timely action, rapid elimination of the impact of the disturbance; when the disturbance occurred in the vice control loop outside, such as materials, energy, transport temperature changes caused by the change, projected by the Smith predictor controller changes the measured value by the temperature regulator to change its output signal, by changing the gas flow control loop, deputy to overcome the disturbance . The system effectively solve the long object is the equivalent problem of delay time. Cascade control technology and the introduction of Smith predictor control system to improve the regulation of quality control, enhanced anti-jamming capability of the system to overcome the inertia due to associate the object, adjust the delay caused by a large problem of poor quality. In addition, by increasing the gas flow regulator FC proportional gain Kp, the system can get the equivalent time constant smaller value, thus increasing the response speed control loop, deputy to improve the system's 3 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) operating frequency. Cascade control of the system shown in Figure 5. The figure, Qr is given the value of gas flow, D1, D2 is the temperature by computer digital controller digital controller and flow, the general master loop sampling period T and vice control loop sampling period T equal approach control. If you use the master loop sampling period T and vice control loop sampling time T is equal to control, in order to avoid the master control loop and vice mutual interference between circuits and resonance, should make the difference between T and T 3 times 2 Conclusion In the industrial processes, materials, energy, time delay caused by transmission problems is the traditional PID controller, the control can not solved the problem. Conventional PID control system for the delay large, nonlinear strong, the complexity of the slow response to control signals thermal process, often can not obtain a satisfactory control effect. Furnace temperature control problem is a typical time lag. Smith predictive control technology and the gas flow cascade control applications in the system, play time detection system may cause changes in the controlled volume and controlled some of the factors, the object is equivalent to effectively overcome the problem a long time, and has robust features and improved control system for the regulation of quality. The main disturbance of the system included in the vice control loop, the regulation control loop through the Deputy role in the disturbance to the main control loop parameters to be adjusted before the greatly weakened the impact of disturbance. This control method in heat, chemicals, machinery processing, metal smelting and other industries also have a wide range of uses and promotion of value. 4 附录B 附录B(中文译文) Smith预估控制技术在炉温控制系统中的应用 摘要:分析用煤气作为燃料、同一煤气总管道给多台热炉加热引起炉温变化的原因，传统PID控制普遍存在的时间滞后问题，介绍史密斯预估控制原理，介绍串级控制与史密斯预估控制相结合的自动控制技术在炉温控制系统的应用及实现。 关键词:史密斯预估控制，串级控制，炉温控制 0 引言 对于锅炉温度的控制，由于PID控制器结构简单、实用、价格低，PID控制得到了广泛的应用，但PID控制参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制效果飘离最佳状态。对于这种情况史密斯(Smith)控制算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个稳定的水平。史密斯(Smith)预估控制的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，再由预估器进行补偿的过程控制技术(它的基本思想是按过程特性设计出一种模型加人到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使滞后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减少超调量，加, 速调节过程(特别是对于那些被控对象具有不同程度的纯滞后，而被控对象又不能及时反映系统所承受的扰动的控制系统，史密斯(Smith)预估控制技术获得了广泛的运用(煤气流量的控制过程内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢(参数间关联密切。 在工业生产中，广泛采用煤气作为燃料，同一煤气总管道给多台加热炉加热。当某一台加热炉的工期阀门的开度位置发生变化时，煤气压力也相应地放生变化，其它加热炉也要相应地调整其阀门的开度来保证煤气流量的恒定以保证炉温的恒定。如果采用传统的PID单回路控制，煤气压力的变化导致流量的变化，流量的变化随之引起炉温的变化，炉温的变化以后才调节煤气阀门的开度改变煤气的供给量，因此产生了过程上的时间滞后问题，使对象的等效纯滞后时间很,长，从而达不到预期的控制效果。对于这类具有事变参数和非线性的纯滞后、大惯性环节的控制问题，国外比较流行的控制方法是Dahlin算法和Smith预估控 5 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 制。斯密斯预估控制的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，再由预估器进行补偿的过程控制技术。它的基本思想是按过程特性设计出一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使滞后时间的被控制超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减少超调, 量，加速调节过程。特别是对那些被控对象具有不同程度的纯滞后，而被控对象又不能及时反映系统所承受的扰动的系统系统，史密斯预估控制技术获得了广泛的运用。 煤气流量的控制过程内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢，参数间关联密切。本文针对这类工业加热炉温度控制系统的设计和技术改造的现状，提出采用主控回路和副控回路相配合、二次扰动设计在副控回路、一次扰动设计在主控回路的史密斯预估串级控制，可以获得较好的控制效果。 1 系统的构成 实验和经验表明，炉温控制对象可近似为一个纯滞后环节和一个一阶积分环节组成。现选用出料温度y与煤气流量Q来构成计算机串级随动控制，并辅以史密斯预估控制技术设计该系统。如图TC表示温度调节器，FC表示煤气流量调节器。温度调节器TC通常按PID调节规律，煤气流量调节器FC按PI调节规律，SC是史密斯预估器。斯密斯预估控制器作为一种模型加入到反馈控制回路中，以补偿过程的动态特性，使被炉温对象的纯滞后时间超前反映到控制器，, 有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题，祈祷了减少系统的超调量、加速系统的调节过程的作用。当温度发生变化时，由主调节器进行控制，其输出作为副调节器的给定值，最终控制煤气阀门的开度。主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真正的空置量作用于被控对象。煤气流量一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了煤气流量的变化对出料温度的影响。 在这个史密斯预估串级控制系统中，阀位与煤气流量得到了及时的调节，并且具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间很长的问题。,二次干扰为系统的主要扰动，该系统把主要扰动包含在副控回路中，通过副控回路的调节作用，在扰动影响到主控回路被调参数之前，大大地削弱了扰动作用的影响。副控回路中包含积分环节，减少了相角滞后，从而改善了该系统的动态品质。当扰动发生在副回路内，例如煤气流量发生波动引起炉温变化时，由于有副控回路的存在，煤气流量调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响;当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的传输变化引起温度变化，由史密斯预估控制器推算出其测量值发生的变化，通过温度调节器改变其输出信号，由副控回 6 附录B 路改变煤气流量，克服了扰动影响。该系统有效地解决了对象等效滞后时间很,长的问题。串级控制技术和史密斯预估控制技术的引入改善了控制系统的调节品质，增强了系统的抗干扰能力，克服了因副对象惯性大、滞后大而引起的调节品质差的问题。另外，通过增大煤气流量调节器FC的比例增益Kp，系统的等效时间常数可以获取较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高了系统, 的工作频率。 该系统的串级控制。Qr为煤气流量的给定值，D1、D2是由计算机实现的温度数字控制器和流量数字控制器，一般采用主控回路的采样周期T与副控回路的采样周期T相等的办法进行控制。如果采用主控回路的采样周期T与副控回路的采样时间T相等进行控制时，为了避免主控回路和副控回路之间发生相互干扰和共振，应使T与T之间相差3倍以上。 2 结束语 在工业生产过程中，物料、能量的传输所带来的时间延迟问题是传统PID控制器所不能很好解决的控制问题。常规的PID控制系统对于延迟大、非线性强、控制信号反应慢的复杂热加工过程往往不能获得令人满意的控制效果。加热炉的温度控制问题是一个典型的时间滞后问题。史密斯预估控制技术和煤气流量串级控制技术在该系统应用，起到及时检测系统中可能引起被控制量发生变化的一些因素并加以控制，有效地克服了对象等效时间很长的问题，并且具有鲁棒, 性强的特点，改善了控制系统的调节品质。该系统把主要的扰动包含在副控回路中，通过副控回路的调节作用，在扰动影响到主控回路被调参数之前，大大地削弱了扰动作用的影响。这种控制方法在热处理、化工、机械加工、金属冶炼等行业中也具有广泛的用途和推广价值。 7 西安交通大学城市学院本科生毕业设计(论文) 8