河南城建学院本科毕业设计（论文） 主蒸汽温度控制系统的改进与仿真

5主蒸汽温度控制系统的改进与仿真

在热工过程控制中，有的过程控制（对象特性）具有较大的纯延迟，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，且当过程控制通道或测量环节存在延迟时候，会降低系统的稳定性；另外纯迟延会导致被控制量的最大动态偏差增大，系统的动态质量下降，而且t/Tc之比越大越不容易控制。

解决具有纯迟延的过程控制是一个比较棘手的问题，对于闭环系统内的纯迟延若单单采用上述的串级控制等方案是无法保证其控制质量，且响应速度也和很慢，如果在控制精度很高的场合，则须采取其他控制手段，例如补偿控制，采样控制等等。本章仅就预估控制方法进行详细介绍。

5.1 Smith预估补偿器

对于有纯迟延过程的控制系统，调节器采用PID控制规律时，系统的静态和动态品质均下降，纯迟延愈大，其性能指标下降的愈大。Smith针对具有纯迟延的过程，提出在PID反馈控制的基础上引入一个预补偿环节，使控制品质大大提高。下面就对Smith预估补偿的原理进行更详细地介绍。

当采用简单回路控制时，如图5.1所示

图5.1单回路控制系统

控制器的传递函数为WT(s)，对象的传递函数为W0(s)=W0'(s)e-ts时，从设定值作用至被控变量的闭环传递函数是：

Y(s)R(s)=WT(s)W0'(s)e-tsts1+WT(s)W0'(s)e- （5.1）

扰动作用至被控变量的闭环传递函数是：

Y(s)W0'(s)e-ts= （5.2） '-ts()()()Fs1+WTsW0se 如果分母中的e-ts项可以除去，情况就大有改善，迟延对闭环极点的不利影响将

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不复存在。

Smith预估补偿方案主题思想就是消去分母中的e-ts项，实现的方法是把对象的

数字模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质，这种方案可按不同的角度进行解释说明，下面从内模（模型置于回路之内）的角度来介绍。Smith预估器补偿原理图如图5.2所示。

图5.2 Smith预估补偿控制原理图

在图5.2中W0'(s)是对象除去纯迟延环节e-ts以后的传递函数，Ws'(s)是Smith预估补偿器的传递函数，假若系统中无此补偿器，则由调节器输出m(s)到被调量Y(s)之间的传递函数为：

Y(s)=W0'(s)e-ts m(s)上式表明，受到控制作用之后的被调量要经过纯迟延t之后才能返回到调节器。若系统采用预估补偿器，则调节器m(s)与反馈到调节器的Y'(s)之间传递函数是两个并联通道之和，即

Y'(s)=W0'(s)e-tst+Ws'(s) （5.3）

m(s)为使调节器采集的信号Y'(s)不至迟延t，则要求式（5.3）为

Y'(s)=W0'(s)e-tst+Ws'(s)=W0'(s) m(s)从上式便可得到预估补偿器的传递函数为：

Ws'(s)=W0'(s)(1-e-ts) （5.4）

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一般称式（5.4）表示的预估器为Smith预估器。其实施框图如图5.3所示，只要一个与对象除去纯迟延环节后的传递函数Ws'(s)相同的环节和一个迟延时间等于t的纯迟延环节就可以组成Smith预估模型，它将消除大迟延对系统过度过程的影响，使调节过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟的一个时间t。

图5.3 Smith补偿系统方框图

从图5.3可以推出系统的闭环传递函数为

''??s??Y(s)'??s1?WT(s)W0?s??WT(s)W0(s)e?W0(s)e?? 'R(s)1?W(s)W(s)T0?? =W(s)e'0??s?WT(s)W0'(s)e??s??1?? '?1?WT(s)W0(s)? =W0'(s)e-ts[1-W1(s)e-ts] （5.5）

WT(s)W0'(s)W1(s)= '()()1+WTsW0s式中W1(s)为无延迟环节时系统闭环传递函数。

Y(s)WT(s)W0'(s)e-ts-ts(s)e==W （5.6） 1'()()()Rs1+WTsW0s 由式（5.6）可见，对于随动控制经预估补偿，其特征方程中已消去了e-ts项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。至于分子之中的e-ts仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个t，所以预补偿完全补偿了纯迟延对过程的不利影响。控制品质与被控过程无纯迟延完全相同。

对于定值控制，由式（5.5）可知，闭环传递函数由两项组成。第一项为扰动对象

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只有t>2t时才产生控制作用，当t?2?时无控制作用。所以Smith预估补偿控制应用于定值控制其效果不如随动控制。不过，从系统特征方程看，预估补偿方案对定值控制系统品质的改善还是有好处的。

2 下面以传递函数 W01?e?50s为对象进行仿真研究：

1?90s1?1? 其调节器为PI调节器，即WT?s???1??。用衰减曲线法整定参数得

??Tis???4.1;Ti?55， 加上Smith预估器用MATLAB进行仿真，其结构图如图5.4所示，其

仿真曲线如图5.5所示。

图5.4 史密斯预估器控制的系统Simulink结构图

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