Smith预估器大时滞系统研究详解.docVIP

摘 要 大迟延对象的控制一直是控制领域研究的焦点问题。加热炉温度控制便属于这类复杂的控制对象。传统的加热炉温度控制系统采用的是原料油出口温度同燃料油流量或同炉膛温度的串级控制，但由于燃料油流量存在波动，使得温度控制效果较差。而且由于近年来炉膛改造，炉膛容积增大，使得控制系统主副被控对象均存在较大的时间滞后。对于无滞后或滞后比较小的系统，通常采用PID控制。对于大滞后系统，PID控制效果并不好，需要另加补偿，因此提出了Smith预估补偿控制系统。而 Smith 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的 ,当模型失配时,Smith 预估算法就难以取得良好的控制效果,因此提出了改进型Smith控制系统。 本文研究的重点是设计与实现适用于燃烧控制过程的控制规律和控制算法。具体讨论了纯滞后系统的Smith预估器及工程实现方法，着重对这种控制算法进行了较深入的讨论，并提出了一种改进型Smith预估控制器，该控制器把自适应控制与史密斯预估器有机地结合起来，实现对控制系统的参数自整定，而且还通过仿真对设计和改进的结果进行了分析。仿真实验中，若采用PID控制算法，系统会出现较大的超调量，采用史密斯预估补偿控制没有超调量。若保持控制器和模型的参数不变，改变对象参数，使估计模型与之失配，此时史密斯预估算法出现振荡，系统稳定性被破坏。改进型Smith算法不仅能够保持系统的稳定，而且振荡次数少，收敛速度快。 关键词:加热炉；增益自适应；史密斯预估器 第一章 绪论 1.1 研究的背景及意义 加热炉温度控制系统为一个大滞后的系统，改变传统的控制方式，采用温度、流量串级控制，并把煤气热值和烟气残氧检测量引入控制系统，对煤气和空气的配比值进行优化、调节，实现了加热炉高效燃烧控制、温度迅速反应控制。在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在的纯滞后，使得被控量不能及时反映所承受的扰动。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间，被认为是较难控制的过程，其控制难度将随着纯滞后占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。一般认为纯滞后与过程的时间常数T之比大于0.5，则称过程是大滞后过程。当与T之比增加时，过程中的相位滞后增加而使超调增大甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。此外大滞后会降低整个控制系统的稳定性，因此大滞后过程控制一直备受关注。 1.2 国内外基于加热炉温度控制的研究 滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定。因此近年来，对时滞系统的控制方法研究方兴未艾[1]。从50年代以来，时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型这两大方法。基于模型的方法有smith预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等。无模型方法有模糊smith控制、模糊自适应控制、模糊PD控制、神经网络控制、专家控制等。其控制方法也己经由传统控制转向智能控制，或者是二者的结合。PID控制是迄今为止应用最广泛的一种控制方法。在工业过程控制中大多采用PID控制，其优点是原理简单、通用性强、鲁棒性好间。然而PID控制在纯滞后系统中的应用是有一定限制的，对于滞后较大的系统，常规PID控制往往显得无能为力。 （1））Smith预估器是克服纯滞后影响的有效方法之一。该方法不要求建立准确的对象数学模型，且能通过控制对象和模型输出信号比较来对模型增益作出适应性修正。相对而言,改进型Smith算法的稳定性和鲁棒性比较好 ,在模型失配时也能够进行有效地控制 ，能够保持一定的动态性能，快速地使系统收敛。 仿真结果表明,改进型Smith算法在模型失配时 ,具有良好的稳定和鲁棒性 ,对于大时间滞后系统是一种比较实用的控制方法。 第二章 传统的加热炉温度控制系统 2.1 加热炉及其模型的建立 加热炉在工业生产中应用很广，有各种形式的加热炉，其中管式加热炉最常见，其型式有可分为箱式、立式和圆筒炉三大类[5]。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行气化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产平质量。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命，因此加热炉出口温度必须严格控制。 2.1.1 加热温度控制系统总体结构图 图2.1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。 图2.1 加热炉温度