Smith預(yù)估器大時(shí)滯系統(tǒng)研究

word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯摘要大遲延對(duì)象的控制一直是控制領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。加熱爐溫度控制便屬于這類(lèi)復(fù)雜的控制對(duì)象。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。而且由于近年來(lái)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)于無(wú)滯后或滯后比較小的系統(tǒng)，通常采用PID控制。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)。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(lài)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)。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(guò)程的控制規(guī)律和控制算法。具體討論了純滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估器及工程實(shí)現(xiàn)方法，著重對(duì)這種控制算法進(jìn)行了較深入的討論，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(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定，而且還通過(guò)仿真對(duì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。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(méi)有超調(diào)量。若保持控制器和模型的參數(shù)不變，改變對(duì)象參數(shù)，使估計(jì)模型與之失配，此時(shí)史密斯預(yù)估算法出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞。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。關(guān)鍵詞:加熱爐；增益自適應(yīng)；史密斯預(yù)估器 第一章緒論1.1研究的背景及意義加熱爐溫度控制系統(tǒng)為一個(gè)大滯后的系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的控制方式，采用溫度、流量串級(jí)控制，并把煤氣熱值和煙氣殘氧檢測(cè)量引入控制系統(tǒng)，對(duì)煤氣和空氣的配比值進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了加熱爐高效燃燒控制、溫度迅速反應(yīng)控制。在純滯后過(guò)程中，由于過(guò)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)。因此這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，被認(rèn)為是較難控制的過(guò)程，其控制難度將隨著純滯后占整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)的比例增加而增加。一般認(rèn)為純滯后與過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T之比大于0.5，則稱(chēng)過(guò)程是大滯后過(guò)程。當(dāng)與T之比增加時(shí)，過(guò)程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至?xí)驗(yàn)閲?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。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(guò)程控制一直備受關(guān)注。1.2國(guó)內(nèi)外基于加熱爐溫度控制的研究滯后環(huán)節(jié)的存在使得整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞甚至引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此近年來(lái)，對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾[1]。從50年代以來(lái)，時(shí)滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無(wú)模型這兩大方法?；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。無(wú)模型方法有模糊smith控制、模糊自適應(yīng)控制、模糊PD控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家控制等。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。PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。在工業(yè)過(guò)程控制中大多采用PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、魯棒性好間。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用是有一定限制的，對(duì)于滯后較大的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制往往顯得無(wú)能為力。（1）國(guó)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(guò)于依賴(lài)精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用比較困難。為此人們提出了許多改進(jìn)方法，大致可以分為兩種:一種是基于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，這類(lèi)方法主要是結(jié)合智能控制通過(guò)在不同的位置增加一些并聯(lián)或者串聯(lián)的環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償;另一種是在參數(shù)整定上的改進(jìn)，這種方法將eτ項(xiàng)s通過(guò)泰勒多項(xiàng)式展開(kāi)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。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，它可以任意精度逼近非線(xiàn)性函數(shù)，可進(jìn)行在線(xiàn)和離線(xiàn)學(xué)習(xí)，容錯(cuò)性比較強(qiáng);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(jiǎn)單有效的特點(diǎn)適合工業(yè)應(yīng)用。在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于辨識(shí)和控制。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。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和Smith控制結(jié)合對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行控制，該方法也較有效。模糊控制是一種基于專(zhuān)家規(guī)則的智能控制方法[3]，它無(wú)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)。模糊算法對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時(shí)滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。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(wèn)題，模糊控制器控制對(duì)象的大慣性環(huán)節(jié)。2)模糊預(yù)估控制方法，它是在模糊控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行并聯(lián)模糊補(bǔ)償。模糊預(yù)估模型是通過(guò)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(guò)補(bǔ)償器的作用產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償校正。3)模糊自整定方法，它是對(duì)模型的某些參數(shù)進(jìn)行模糊整定，以達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。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。該方法具有較強(qiáng)的魯棒性和較好的控制性能，但是計(jì)算效率不是很高。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(wèn)題。變結(jié)構(gòu)控制的這一優(yōu)點(diǎn)，己廣泛地引起了人們的重視。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。迄今為止，時(shí)滯系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制理論的研究仍處于萌芽和興起階段，成果較少，有待于進(jìn)一步完善。工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)?；沟霉I(yè)過(guò)程變得更為復(fù)雜，大時(shí)滯、不確定性、嚴(yán)重非線(xiàn)性、時(shí)變性對(duì)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的控制不是單一的方法就可以完全解決的，開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)出各種智能控制方法或以不同的形式結(jié)合在一起，將是解決時(shí)滯過(guò)程的有效途徑。1.3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)。這類(lèi)系統(tǒng),一般要求具有較好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性.例如爐溫控制系統(tǒng)。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中,普遍采用PID控制算法。但是在一些具有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中,PID控制很難兼顧動(dòng)、靜兩方面的性能,而且多參數(shù)整定也很難實(shí)現(xiàn)最佳控制。為了改善純滯后對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的不良影響,將預(yù)估法用于此類(lèi)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)D,z(s)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)eτ，基于sSmith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(jiǎn)單,可靠性好。使閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到最佳。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,但動(dòng)態(tài)性能不理想.當(dāng)模型失配時(shí),PID算法就無(wú)能為力了。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(lài)模型的精確匹配,而在實(shí)際中這是很難做到的,因此模型失配時(shí),Smith預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果，改進(jìn)型Smith預(yù)估器是克服純滯后影響的有效方法之一。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(guò)控制對(duì)象和模型輸出信號(hào)比較來(lái)對(duì)模型增益作出適應(yīng)性修正。相對(duì)而言,改進(jìn)型Smith算法的穩(wěn)定性和魯棒性比較好,在模型失配時(shí)也能夠進(jìn)行有效地控制，能夠保持一定的動(dòng)態(tài)性能，快速地使系統(tǒng)收斂。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。第二章傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)2.1加熱爐及其模型的建立加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，有各種形式的加熱爐，其中管式加熱爐最常見(jiàn)，其型式有可分為箱式、立式和圓筒爐三大類(lèi)[5]。加熱爐工藝過(guò)程為：被加熱物料流過(guò)排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。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。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。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長(zhǎng)爐管使用壽命，因此加熱爐出口溫度必須嚴(yán)格控制。2.1.1加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖2.1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。加熱爐工藝過(guò)程為：被加熱物料流過(guò)排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。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。燃料燃料T1支路1支路2爐膛出口被加熱物料圖2.1加熱爐溫度系統(tǒng)2.1.2加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立加熱爐對(duì)象是一個(gè)多容量的復(fù)雜對(duì)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并作了一些簡(jiǎn)化，可以用一階環(huán)節(jié)加時(shí)滯來(lái)近似，即 KpesGp(s)Tps1(2-1)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]。本文針對(duì)的是河北唐山某軋鋼廠加熱爐溫度控制系統(tǒng),其被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為: 1e10s (2-2)G(s)10s12.2簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是指由一個(gè)受控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖2.2加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2.1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(guò)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(chēng)為直接參數(shù)法。方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)量的參數(shù)作為被控變量，稱(chēng)為間接參數(shù)法。2.2.2選擇被控變量的原則選擇對(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。當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系并滿(mǎn)足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。滿(mǎn)足工藝的合理性具有盡可能大的靈敏度且線(xiàn)形好測(cè)量變送裝置的滯后小。2.2.3操縱變量的選擇選擇操縱變量，就是從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)，作為操縱變量，而其余未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾。2.3常用復(fù)雜控制系統(tǒng)2.3.1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(mǎn)足工藝對(duì)加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，有效地提高控制質(zhì)量，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)。圖2.3加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1、串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念串級(jí)控制系統(tǒng)的采用了兩個(gè)控制器，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐溫度為主變量，選擇滯后較小的流量為副變量，構(gòu)成爐溫度與流量的串級(jí)控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求[2]。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。在串級(jí)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個(gè)被控對(duì)象，即主對(duì)象（溫度對(duì)象）和副對(duì)象（流量對(duì)象），所以有兩個(gè)被控參數(shù)，主被控參數(shù)（溫度）和副被控參數(shù)（流量）。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)）。串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程[5]，就是指在擾動(dòng)作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過(guò)控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。流量對(duì)象控制閥流量流量對(duì)象控制閥流量控制器測(cè)量變送溫度控制器溫度對(duì)象測(cè)量變送圖2.4加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖2、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)改善了對(duì)象特征，起了超前控制的作用改善了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率提高了控制器總放大倍數(shù)，增強(qiáng)了抗干擾能力具有一定的自適應(yīng)能力，適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化3、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則：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。選擇副參數(shù)，進(jìn)行副回路的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配。方案應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。4、串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾。被控對(duì)象具有較大的非線(xiàn)性，而負(fù)荷變化又較大。5、串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用中的問(wèn)題主、副控制器控制規(guī)律的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器的控制規(guī)律選擇都應(yīng)按照工藝要求來(lái)進(jìn)行。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。主、副控制器正、反作用方式的確定。副控制器作用方式的確定，與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相同。主控制器的作用方向只與工藝條件有關(guān)。串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定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(xiàn)法整定副控制器，求取副回路4：1衰減過(guò)程的副控制器比例度(δ)以及操作周期(T)。 2p 2P將副控制器的比例度置于所求的數(shù)值δ上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)2p節(jié)，用同樣的方法整定主控制器，求取主回路4：1衰減過(guò)程的δ和T。 1p 1P根據(jù)求得的(δ)和(T)、(δ)和(T)數(shù)值，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副控制器1p 1P 2p 2P的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。按先副后主、先比例后積分再微分的程序，設(shè)置主、副控制器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。2.3.2比值控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)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)。在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，往往其中一種物料處于主導(dǎo)地位，稱(chēng)為主物料或主動(dòng)量F，而另一種物料隨主物料的變化呈比例的變化，稱(chēng)為從物料或從動(dòng)1量F。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F，空氣2 1為從動(dòng)量F。2常用的比值控制方案：1、單閉環(huán)比值控制FFF1CF2C1F2圖2.5單閉環(huán)比值控制這類(lèi)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是兩種物料流量之比較為精確，實(shí)施比較方便，所以得到廣泛的應(yīng)用。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F＋F不變，因此在1 ２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)。這類(lèi)比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在主流量受到干擾作用開(kāi)始到重新穩(wěn)定在設(shè)定值這段時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用，比較安全。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。2.3.3前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的基本概念前饋控制是一種按干擾進(jìn)行控制的開(kāi)環(huán)控制方法，其基本原理是測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的干擾，并按其信號(hào)產(chǎn)生合適的控制作用去改變操控變量，使受控量維持在設(shè)定值上。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(chēng)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(lái)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。前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制器的輸出信號(hào)是按干擾大小隨時(shí)間變化的，它是干擾量和時(shí)間的函數(shù)。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。靜態(tài)前饋是前饋控制中的一種特殊形式。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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在一定程度上可改善過(guò)程品質(zhì)，但在擾動(dòng)作用下控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差依然存在。對(duì)于擾動(dòng)變化頻繁和動(dòng)態(tài)精度要求比較高的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)象兩個(gè)通道動(dòng)態(tài)特性又不相等時(shí)，靜態(tài)前饋往往不能滿(mǎn)足工藝上的要求，這時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)前饋方案。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。動(dòng)態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)，而且也是時(shí)間的函數(shù)。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。顯然這種控制規(guī)律是由對(duì)象的兩個(gè)通道特性決定的，由于工業(yè)對(duì)象的特性千差萬(wàn)別，如果按對(duì)象特性來(lái)設(shè)計(jì)前饋控制器的話(huà)，將會(huì)種類(lèi)繁多，一般都比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。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－反饋控制通過(guò)前面的分析，我們知道前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)總是相對(duì)應(yīng)的，若將其組合起來(lái)，構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)，這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動(dòng)和具有對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行反饋檢測(cè)的長(zhǎng)處，因此這種控制系統(tǒng)是適合于過(guò)程控制的較好方式。3、前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合系統(tǒng)中存在著可測(cè)但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對(duì)被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長(zhǎng)，由于反饋控制不及時(shí)影響控制質(zhì)量時(shí)，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。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(guò)程都與前面的生產(chǎn)過(guò)程緊密聯(lián)系。前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)備的進(jìn)料，而后者的出料又源源不斷的輸送給其他設(shè)備做進(jìn)料。于是產(chǎn)生了前后設(shè)備之間的供求矛盾和協(xié)調(diào)問(wèn)題。解決前后工序供求矛盾，使液面和流量的變化互相兼顧均勻變化，這就是均勻控制系統(tǒng)的目的。2.4先進(jìn)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)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。由于PID控制器有較好的魯棒性能，對(duì)過(guò)程模型要求不高，故對(duì)一些不太復(fù)雜的過(guò)程而言，他們是最常用的控制系統(tǒng)。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(zhǎng)足進(jìn)步，過(guò)程工業(yè)也向大型化、集約化方向發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。同時(shí)控制工具常規(guī)儀表也逐漸被以微處理器為核心的DCS和微型機(jī)所取代，它們具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此，以提高控制系統(tǒng)品質(zhì)、生產(chǎn)安全和獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的各種先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這些先進(jìn)控制系統(tǒng)共同的特點(diǎn)是需要較為精準(zhǔn)的過(guò)程數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出各種先進(jìn)控制策略。它可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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。目前應(yīng)用最廣的幾種先進(jìn)的控制系統(tǒng)，包括狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)、內(nèi)模控制系統(tǒng)、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)和多變量解耦控制系統(tǒng)。第三章數(shù)字PID控制理論3.1PID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]。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。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(méi)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(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種。3.1.1模擬PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器是一種線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差e(t)r(t)y(t) （3-1）并將其比例、積分、微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，如圖3-1所示，簡(jiǎn)稱(chēng)P（proportional）I（integral）D（differential）調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)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。+++-rink+比例積分微分控制對(duì)象圖3.1模擬PID控制3.1.2數(shù)字PID控制算法在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)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(mǎn)足一般的控制要求。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問(wèn)題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。數(shù)字PID位置型控制算法數(shù)字PID位置型控制算法為 Tk e(k)e(k1)u(k)Kp[e(k)e(j)Td(3-2)]u0 Tij0 T式（4-1-2）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(chēng)為數(shù)字PID置型控制算法。數(shù)字PID增量型控制算法由式（4-1-2）可看出，位置型控制算法不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(j),它不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫(xiě)程序，為此可對(duì)上式進(jìn)行如下改進(jìn)。Tk e(k1)e(k2)Tij0 T u(k1)Kp[e(k1)e(j)Td]u0 （3-3）將式（4-1-2）和式（4-1-3）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算法為Δu(k)u(k)u(k1)k[e(k)e(k1)]ke(k)k[e(k)e(k1)e(k2)] （3-4） p i d可見(jiàn),增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被稱(chēng)為數(shù)字PID增量型控制算法。增量式算法只需保持現(xiàn)時(shí)以前三個(gè)時(shí)刻的偏差值。3、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)：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(duì)控制量的計(jì)算影響較小。位置型算法由于累加過(guò)去誤差，容易產(chǎn)生大的累加誤差。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。而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。增量型算法算式中不出現(xiàn)u項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的切換。03.2PID的參數(shù)整定數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的任務(wù)是確定Kp、Ti、Td和采樣周期T[7]。1、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(lái)的信號(hào)。選擇采樣周期T，一般考慮以下因素：采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多。采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)的周期。當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選擇T。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。5）采樣周期的下限是完成采樣、運(yùn)算和輸出所需要的時(shí)間。2、PID參數(shù)的工程整定法（1）擴(kuò)充臨界比例度法選擇合適的采樣周期。投入純比例控制，逐漸增大比例系數(shù)Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。選擇控制度。控制度定義為：數(shù)字控制系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的模擬控制系統(tǒng)誤差平方的積分之比，即 [mine2(t)dt]D 控制度0 (3-5) [mine2(t)dt]A 控制度表示數(shù)字控制相對(duì)模擬控制果，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，數(shù)字控制與模擬控制效果相同；當(dāng)控制度為2時(shí)，數(shù)字控制比模擬控制的質(zhì)量差一倍。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)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td。（2）歸一參數(shù)整定法RobertsPD在1974年提出一種簡(jiǎn)化擴(kuò)充臨界比例度整定法。該方法只需整定一個(gè)參數(shù)即可，故稱(chēng)其為歸一參數(shù)整定法。增量型PID控制的公式為：T T(3-6)[e(k)2e(k1)e(k2)]}Δu(k)k{e(k)e(k1)e(k)dp T T i如令Τ0.1Ττ,Ti0.5Tτ,Td0.125Tτ。式中Tτ為純比例作用下的臨界振蕩周期，則(3-7)Δu(k)Kp[2.45e(k)3.5e(k1)1.25e(k2)]這樣，整個(gè)問(wèn)題都簡(jiǎn)化為只要整定一個(gè)參數(shù)Kp。改變其值，觀察控制效果，直到滿(mǎn)意為止。(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(jiǎn)單的方法為湊試法，即對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。第四章改進(jìn)型Smith預(yù)估器控制理論4.1Smith預(yù)估器控制理論Smith控制的工作原理是將被控對(duì)象在基本擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)特性，簡(jiǎn)化為一個(gè)純遲延與一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)估器根據(jù)這個(gè)輸入的數(shù)學(xué)模型，預(yù)先估計(jì)出所采用的控制作用對(duì)被控量的可能的影響，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制動(dòng)作，這有利于改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[8]。當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，如圖4.1所示，控制器的傳遞函數(shù)為W(s)T)()(sWTsoesW)(')(sR)(s)(sF)(sY當(dāng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為W(s)W'(s)es時(shí)，從設(shè)定值作用至被控變量的閉環(huán)o o傳遞函數(shù)是Y(s)WT(s)Wo'(s)es（4-1）R(s)1W(s)W'(s)es擾動(dòng)作用至被控變量的閉環(huán)傳遞數(shù) Y(s) W'(s)es o （4-2）F(s)1W(s)W'(s)es T o如果以上兩式特征方程中的es項(xiàng)可以消除，則遲延對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在。Smith預(yù)估補(bǔ)償方案主體思想就是消去特征方程中的es項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)的方法是把被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時(shí)的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖4.2所示。)(s)(sWTsoesW)(')('sWs)(sR)(sY)(s圖4.2中W'(s)是被控對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié)es后的傳遞函數(shù),W'(s)是Smith預(yù)o s估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。假若系統(tǒng)中無(wú)此補(bǔ)償器，則由控制器輸出(s)到被控量Y(s)之間的傳遞函數(shù)為Y(s)W'(s)es（4-3） (s) o式（4-3）表明，受到控制作用之后的被控量要經(jīng)過(guò)純遲延之后，才能返回到控制器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)償器，則控制器(s)與反饋到控制器的Y(s)之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即Y'(s)W'(s)es（4-4） (s) o為使控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)Y'(s)不延遲，且等于W'(s)則要求（4-4）式為oY'(s)W'(s)esW'(s)W'(s)（4-5） (s) o s o從（4-5）式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為W'(s)W'(s)(1es)（4-6） s o一般稱(chēng)（4-6）式表示的預(yù)估器為Smith預(yù)估器,其框圖如圖4.3所示。)()(sR)(sY)(sF)('sY)(sWTsoesW)(')('sWose從圖4.3可以導(dǎo)出Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的擾動(dòng)傳動(dòng)函數(shù)Y(s)/R(s)為Y(s)W'(s)es[1W(s)W'(s)W(s)W'(s)es] o T o T o F(s) 1WT(s)Wo'(s) W(s)W'(s)es W'(s)es[1T o ] o 1WT(s)Wo'(s)esW'(s)es[1W(s)es]（4-7） o 1W(s)W'(s) 其中，W(s)T o （4-8） 1 1W(s)W'(s) T o式4-7中W(s)為無(wú)遲延環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。1由以上分析可知，對(duì)于定值控制，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成：第一項(xiàng)為擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響；第二項(xiàng)為用來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響的控制作用。從圖4.3中可以推倒出Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)Y(s)/R(s)為Y(s)W(s)W'(s)esR(S)1W(s)W'(s) 1 T o W(s)es（4-9） T o由（4-9）式可知，對(duì)于隨動(dòng)控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中以消去了es項(xiàng)，即消除了純遲延對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響。從圖4.3中可知，Smith預(yù)估補(bǔ)償器由兩部分組成，即一個(gè)是被控對(duì)象除去純遲延后傳遞函數(shù)為W'(s)的環(huán)節(jié)，另一個(gè)遲延時(shí)間等于的純遲延環(huán)節(jié)。這就是Smith預(yù)估補(bǔ)償器，他將除大遲延對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的不利影響，控制系統(tǒng)品質(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純遲延時(shí)，完全相同[9][10]。然而，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制也有其缺點(diǎn)，即對(duì)模型誤差較為敏感，對(duì)于具有時(shí)變特性的對(duì)象，當(dāng)模型誤差較大時(shí)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的品質(zhì)會(huì)變壞，甚至失去穩(wěn)定性。針對(duì)這種情況，因此采用了改進(jìn)的Smith預(yù)估補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。4.2改進(jìn)型Smith控制理論4.2.1增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案Smith預(yù)估補(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)的向補(bǔ)償器傳遞，作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。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)間累積起來(lái)，也就是對(duì)過(guò)程特性變化的靈敏度很高[11][12]。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制。它在Smith補(bǔ)償模型之外加了一個(gè)除法器，一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)(識(shí)別器)和一個(gè)乘法器。除法器是將過(guò)程的輸出值除以模型的輸出值。導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（識(shí)別器）的T，它使過(guò)程與模型輸出之比提前進(jìn)加法器。乘法器是將預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個(gè)環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過(guò)程輸出信號(hào)之間的比值來(lái)提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)[13]。(()DsR0'()sGseYF—A/B1dTsAB'()Gsse圖4.4增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制由上圖得：Y(s)R(s)D(s)W(s)W'(s)es（4-10） 4 T 0A(s)Y(s)（4-11）B(s)(s)W(s)ems（4-12）cD(s)D(s)D(s)(1Tds)Y(s)（4-13）41D(s)31Tsems（4-14）4d Y(s)ems若，則有m Y(s)WT(s)W0'(s)es（4-15）R(s)1(1Ts)W(s)W'(s) d T 0 4.2.2Fuzzy—Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案模糊控制是一類(lèi)應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。在用模糊控制方法解決控制問(wèn)題時(shí)，只需對(duì)控制中所可能出現(xiàn)的各種情形加以分析，依據(jù)控制者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，尋求解決的一般方法，然后用模糊控制規(guī)則集的形式加以體現(xiàn)，模糊控制的精度依賴(lài)于模糊控制規(guī)則集制定的是否完整和詳細(xì)。所設(shè)計(jì)的Fuzzy-Smith控制方案如圖4.5所示[14]。