基于改進(jìn)型Smith預(yù)估控制器在安鋼加熱爐溫度控制中的應(yīng)用

宋強(qiáng)，喬冠博

（1.安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000，；2.中山大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，廣東 中山 528406）

傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足，需要做出改革，便有了溫度與流量?jī)煞矫娴慕Y(jié)合構(gòu)成了大時(shí)滯的爐溫控制系統(tǒng)，溫度用來(lái)將測(cè)煙氣熱值，流量查看余氧的剩余量，兩方面達(dá)到氣體和空氣的優(yōu)化調(diào)節(jié)。這種比例對(duì)于爐子的高效燃燒控制和較快反應(yīng)控制得到了良好實(shí)現(xiàn)。在純滯后這一流程中并不能良好發(fā)揮，控制量由于控制通道的純滯后對(duì)產(chǎn)生的干擾做不到及時(shí)反饋。使這一階段會(huì)出現(xiàn)明顯的過(guò)沖，也同時(shí)延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)它的時(shí)間。因此，想取得控制效果的完美產(chǎn)生的難度是很高的。傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，滯后過(guò)程是建立在純滯后τ和過(guò)程時(shí)間T的比值上的，界限值為0.5，大于0.5就很高了。相位滯后和過(guò)沖的增大，嚴(yán)重過(guò)沖這些問(wèn)題都會(huì)在T比率增大時(shí)出現(xiàn)。對(duì)于滯后時(shí)間的控制依然需求廣大研究者所著手聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

1 加熱爐串級(jí)控制模型

此類(lèi)系統(tǒng)是存在雙控制器的，能使兩條回路快速作業(yè)，主子變量分別為爐溫值與小滯后流量。控制質(zhì)量的改良與爐溫和流量的串級(jí)控制密切相關(guān)，從而大大降低工業(yè)成本。控制閥則被二級(jí)控制器控制的，但與此同時(shí)，后者又是被主控制器是的輸出控制的。因此在此系統(tǒng)中，受控對(duì)象是有兩方的，也就是主次對(duì)象，換而言之即溫度和交通對(duì)象。顯然控制參數(shù)也是有兩方的，即溫度與流量這雙方。作為主控參是溫度。主控參發(fā)出的信號(hào)被主控器接收到，輔控參信號(hào)這一測(cè)量值又會(huì)被次控器接收。同理會(huì)有兩個(gè)閉合回路，即主次級(jí)回路也就是通常叫法上的內(nèi)外回路（圖1）。

圖1 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

它的工作過(guò)程其實(shí)是在一定干擾下主變量與輔助變量的預(yù)定值遠(yuǎn)離，其二者可以抗除擾動(dòng)也使系統(tǒng)獲得新的穩(wěn)態(tài)。

2 改進(jìn)型Smith預(yù)估控制器補(bǔ)償方案

PID調(diào)節(jié)器其實(shí)也就是史米斯預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制的源動(dòng)力，不斷的信號(hào)發(fā)送到補(bǔ)償器里。補(bǔ)償器與過(guò)程的特征是息息相關(guān)的，在過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際過(guò)程特征這兩者是存在一定誤差，因此，缺點(diǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，模型的誤差也會(huì)越大。意思就是，敏感性在工藝特性變化時(shí)也會(huì)出乎意料的高。增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制是可以抵制這個(gè)缺點(diǎn)的出現(xiàn)的。

圖2所示便是上述方案的框圖。一個(gè)除法器、一個(gè)領(lǐng)先的差分鏈路和一個(gè)乘法器在史密斯中得到增加。預(yù)測(cè)器的輸出乘以導(dǎo)數(shù)鏈路的輸出，這一操作必須先于前乘法器在將其輸出到調(diào)節(jié)器發(fā)生，將乘法器在將其輸出到調(diào)節(jié)器之前Td=τ，將預(yù)測(cè)器的輸出乘以導(dǎo)數(shù)鏈路的輸出。模型的輸出信號(hào)與過(guò)程之間的比率是決定三條鏈路的功能的，預(yù)測(cè)器的增益則是通過(guò)這種手段自動(dòng)校正。

圖2 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案

由圖2所得：

若τ=τm，則有：

由以上分析可知，增益自適應(yīng)補(bǔ)償器在改善控制性能方面具有與Smith史米斯補(bǔ)償器相同的效果。

3 MATLAB仿真

在現(xiàn)實(shí)中非理論情況下，干擾有高有低，通常干擾是很大的，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性則是很不利的。系統(tǒng)過(guò)沖增高，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變更久，不穩(wěn)定的系統(tǒng)出現(xiàn)，故而這一研究是很有必要的?？创嗽O(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足要求，在兩個(gè)控制系統(tǒng)上去仿真這類(lèi)干擾，便可知此法是否可行。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 Simulink框圖

圖4 加入擾動(dòng)時(shí)Smith控制器響應(yīng)圖

要想達(dá)到控制效果上的完美，該系統(tǒng)若是受到了擾動(dòng)，則做法不成功，從圖3和圖4中可顯出，振蕩和過(guò)沖在一定程度上還是不小的，穩(wěn)態(tài)在過(guò)許久后，重穩(wěn)的狀態(tài)才會(huì)出現(xiàn)。

從圖5和圖6展示圖像可知，當(dāng)史米斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)和改進(jìn)的Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)增加干擾時(shí)，前者去抵制時(shí)間擾動(dòng)并不是沒(méi)有把握的，后者不存在超調(diào)這一情況。30s可使優(yōu)化完成的Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)重回穩(wěn)定值，對(duì)干擾有很好的抑制作用。

圖5 Simulink圖

圖6 加入擾動(dòng)時(shí)改進(jìn)型Smith控制器響應(yīng)圖

綜上，本文提出了一種Smith預(yù)估控制器的使用方案，并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果良好有效。