改进型Smith预估补偿控制在火电厂过热器中的应用

1、摘要现代锅炉的过热器是在高温、高压条件下工作的，锅炉出口的过热蒸汽温度对电厂安全经济运行具有重大的影响。造成过热器出口温度变化的主要原因有：蒸汽扰动、过热器和吸热量扰动、过热器入口汽温扰动。在各种扰动作用下, 过热汽温动态特性具有大延迟、大惯性、时变性和非线性的特点, 从而加大了汽温控制的难度。火电厂采用的常规过热汽温控制系统基于传统的PID 控制, 很难在鲁棒性和控制品质之间取得良好的效果。简单的控制理论无法保证过热汽温的稳定和平衡，运用Smith预估补偿控制系统体现出很好的性能。该控制可以解决因为较大的纯延迟、相位滞后现象的存在而引起的系统的超调量增大，调节时间加长，进而降低整个控制系统的

2、稳定性的问题。Smith控制系统对模型的精度有很大的依赖程度，但其对控制对象参数变化过于敏感，不能获得很好的控制效果。改进型Smith补偿控制系统克服了这个缺点，而且对纯延迟有很好的控制作用。仿真结果明：Smith预估器可以克服超调大、响应速度慢的缺点，但在扰动下，Smith预估器对模型误差非常敏感，并且控制作用随着模型误差的变大，变得越来越弱，难于在过程控制中广泛应用。而改进型Smith预估器克服了模型误差敏感的问题，控制作用明显，具有很强的鲁棒性。关键词：纯延迟；过热器；Smith预估器Abstract Heated steam boiler temperature have a sign

3、ificant impact on power plant safety and economic operation. The superheater outlet temperature of the main reasons are: steam disturbance, superheater and heat absorption disturbance, superheater inlet temperature disturbances. In a variety of perturbations, the superheated steam temperature and dy

4、namic characteristics of large delay, large inertia, time-varying and nonlinear characteristics, thereby increasing the steam temperature control more difficult. Conventional thermal power plants using superheated steam temperature minus the temperature control system is based on the traditional PID

5、 control, it is difficult to achieve good results in the robustness and quality.Simple control theory can not guarantee that the superheated steam temperature stability and balance, the use of the Smith predictor compensation control system can reflect a good advantage. The control can solve the lar

6、ger pure Modern boiler superheater in high temperature, high pressure, pure delay, the existence of the phenomenon of phase lag caused by the overshoot of the system increases, the adjustment longer, thereby reducing the stability of the whole control system.Smith control system a great deal of reli

7、ance on the accuracy of the model, but its effect on the control object parameters changes is too sensitive and can not get good control effect. Improved Smith compensation control system to overcome this shortcoming, a very good control and a pure delay.Simulation results show that: Smith predictor

8、 can overcome the large overshoot, slow response shortcomings, but no matter the value of a given disturbance or load disturbance, the Smith predictor is very sensitive to the model error and model errors is bigger the control action is weaker, it is difficult to widely used in the process control.

9、The improved Smith compensation control system overcome the problem of the model error sensitivity, control obvious, and has strong robustness. Key words: Pure delay; Superheater; Smith predictor 目 录第一章绪 论11.1 研究的背景及意义11.2 设计的主要内容2第二章 过热器的介绍32.1 过热器的概述32.2 过热器的分类32.3 过热器的汽温影响因素及汽温调节4过热器的汽温影响因素42.3.2

10、 过热器的汽温调节42.4 过热器的保护5第三章 改进型史密斯预估补偿控制器设计63.1 史密斯预估补偿控制原理63.2 史密斯预估补偿控制的改进方案83.2.1 抗干扰的史密斯预估器83.2.2 改进型史密斯预估器93.2.3 增益自适应补偿方案103.3 PI调节器的控制规律123.4 控制参数整定方法的介绍14第四章 改进型史密斯补偿控制仿真研究164.1 MATLAB的介绍164.2 史密斯补偿控制控制参数整定与仿真研究174.2.1 整定系统控制参数174.2.2 改进型史密斯补偿控制器仿真研究18总 结23参考文献24谢 辞25第一章 绪 论在工业生产中，有很多的控制特性都会具有很

11、大的延迟。例如：当通过改变物料流量来调节生产过程时，经过输送过程中的传送时间（延迟）后，物料流量的变化情况才能到达指定的生产设备中，这样就会实现工艺参数的改变，这个输送过程中的传送时间是纯延迟时间。当延迟存在时将会降低系统的稳定性，同时也会增大被控制量的最大动态偏差，这会使系统的动态质量下降。在延迟的时间之内，被控制的参数完全没有响应，使系统不能及时跟随被控制量进行调整来克服系统所受到的扰动。这样必然会产生一个比较明显的超调量，进而需要相对较长的调节时间。对这种具有纯延迟的控制是一个相对麻烦的难题，这种纯延迟如利用一般的串级控制、反馈控制和前馈控制等的一些方法一般无法保证系统控制的质量。本设计

12、主要通过应用Smith预估补偿控制方案来设计纯延迟控制系统，并且介绍了此方案的优点和缺点，从而在其基础之上又提出改进型Smith预估补偿控制方案。该方案能够更好的实现对延迟对象进行补偿控制。1.1 研究的背景及意义锅炉过热汽温的控制对全厂的热效率和过热器管道、汽轮机等设备的安全运行有着直接的影响,过热汽温控制系统在锅炉控制系统中是非常重要的系统之一。过热汽温控制是相对比较困难的一项控制任务,主要原因是过热汽温的扰动因素多、扰动频繁、扰动量大。在各种扰动作用下, 过热汽温动态特性具有大延迟、大惯性、时变性和非线性的特点,加大了汽温控制难度。火电厂采用的常规过热汽温控制系统不容易取得好的效果, 控

13、制品质也很难得到保证。针对过热汽温动态特性的特点, 国内外提出许多改善过热汽温调节性能的措施, 但由于工程实现方面却都面临很多问题, 所以目前工程主要应用Smith预估补偿控制。Smith预估补偿控制优点:史密斯预估控制在控制质量的改善上与常规控制手段相比, 显得快速而有智能,控制的精度是常规反馈控制所不能企及的。其实针对工业模型的大迟延专门设计的控制方案, 方案的设计有着明确的目的性, 即尽可能地改善系统因大迟延而引起的控制质量问题, 其效果是显著的。缺点: 由于Smith是建立在精确的数学模型上的, 当实际工况发生改变时, 控制系统由于鲁棒性差而会引起振荡。这种对模型的误差敏感性, 使得其

14、难于在工业中广泛应用。近年来，Smith预估补偿控制在实际控制系统中应用越来越多。但由于其存在着控制效果过于依赖模型精度的缺点, 因此实际应用中由于各种原因很难获得非常准确的数学模型, 所以实际应用中其控制效果并不非常理想。模型误差, 尤其是纯滞后时间的误差较大时有时会使控制系统不稳定,同时，Smith控制器对于参数变化敏感，控制效果不是非常理想，针对这些问题对被控对象的参数模型在线地修正, 使得Smith预估补偿器中的模型与实际被控对象的模型误差最小或为零。本设计对传统的Smith预估补偿控制方法进行了改进, 较好地解决了传统Smith预估补偿控制方法所存在的缺点和问题,且控制效果优于传统的

15、Smith预估补偿控制方法,具有一定的使用价值。1.2 设计的主要内容1. 通过对相关文献的查阅，对过热器的作用、分类、以及过热器的保护等做到一定的了解。2. 查找相关资料了解Smith预估补偿控制的原理、结构和不同控制方法，但针对Smith预估器对对象参数变化敏感，使得控制效果不够理想的问题，本设计采用改进型的Smith预估补偿对系统进行控制，这便可以有效解决过热器存在的时滞、参数变化敏感、干扰大等问题，进而达到能够及时跟踪对象的变化，继续保持系统的稳定性和控制效果。3. 最后再对系统进行仿真研究，通过仿真结果的进行。通过仿真结果的比较得出结论：Smith预估器可以克服超调大、响应速度慢的缺

16、点，但扰动作用下，Smith预估器对模型误差非常敏感，并且控制作用随着模型误差的变大，变得越来越弱，难于在过程控制中得到应用。而改进型Smith预估器克服了模型误差敏感的问题，控制作用明显，具有很强的鲁棒性，有着很好的使用价值。第二章 过热器的介绍2.1 过热器的概述过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热到具有一定过热温度的合格蒸汽，并要求在锅炉变工况运行时保证过热蒸汽温度在允许范围内变动。过热器内流动的为高温蒸汽，其传热性能差，而且过热器由位于高烟温区，所以管壁温度很高。因此，是过热器管能长期安全工作是过热器实际和运行的主要问题。 过热器具有以下特点：  5

17、 S  z' d5 ' T1 (1)过热器是锅炉中金属壁温最高的受热面，对材质要求高 ；. A2 f- e+ , s5 / W(2)过热器的阻力不能太大；) E8 f" i: O+ R* y9 J(3)高热负荷区的过热器工质流速高； - O4 D: y" Z9 v; D(4)过热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化；, m+ ；H% l, |& G5 s$(5)过热器和再热器布置受锅炉参数影响； 2(6)在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器要有保护措施。在过热器设计和运行中应注意的问题：(1)运行中应保持汽温恒定，汽温波动不应超过

18、正负（5-10）；(2)过热器要有可靠的调温手段，使运行工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温；(3)尽量保持或减少平行管子之间的热偏差。2.2 过热器的分类根据传热方式的不同，过热器可以分为对流式、辐射式、半辐射式这三种形式。以下对三种过热器分别进行介绍。1.对流式过热器对流式过热器是指布置在对流烟道内主要吸收烟气对流放热的过热器。对流过热器由蛇形管受热面和进、出口联箱组成。蛇形管一般采用无缝钢管弯制而成，管壁厚度由计算决定，管子材料根据其工作条件确定。2.辐射式过热器辐射式过热器是指布置在炉膛中直接吸收炉膛辐射热的过热器。因为炉内热负荷很高，辐射是过热器的工作环境恶劣，管壁与管内的温差可达

19、100-200.为了改善工作条件，在辐射辐射式受热面的设计、布置及运行时采取以下措施：使辐射式受热面远离热负荷最高的火焰中心，布置在远离火焰中心的炉膛上部；将辐射式过热器作为低温级受热面，以较低温度的蒸汽流过这些受热面而达到冷却金属的目的；辐射式过热器内采用较高的蒸汽质量流速，以提高管内工质的放热系数。3.半辐射式过热器半辐射式过热器是指布置在炉膛上部或炉膛出口烟窗处，即吸收炉内的直接辐射热又吸收烟气的对流放热的过热器，通常又称为屏式过热器。半辐射式过热器中紧密排列的各U型管受到的辐射热及烟气有明显的差别，因此各U型管的吸热偏差较大，运行时应注意屏式过热器出口端金属壁温的监视和控制。采取改进的

20、结构，防止外管圈超温，提高其工作的可靠性。2.3 过热器的汽温影响因素及汽温调节过热器的汽温影响因素在锅炉运行中，各种扰动因素都能引起气温的变化，而维持稳定的过热蒸汽温度是机组安全经济运行的重要保证。蒸汽温度过高将引起管壁超温、金属蠕变寿命降低，影响机组的安全性能；蒸汽温度过低将引起循环热效率的降低。 过热器的汽温影响因素主要由以下几种：1燃水比，燃水比增大，过热汽温升高；反之，过热汽温降低。 2给水温度，给水温度降低，蒸发段后移，过热段减少，过热汽温下降；反之，过热汽温升高。3火焰中心位置，火焰中心移动将引起过热器吸收热量的变化，火焰中心位置上移，过热汽温下降，反之，过热汽温升高。 过热器的

21、汽温调节由于影响汽温波动的因素很多，在运行中汽温的波动是不可避免的。为了保证机组安全、经济的运行，锅炉必须设置适当的调温手段，以修正各因素对汽温波动的影响。汽温调节是指在一定的负荷范围内保持额定的蒸汽温度，并且调节灵敏、惯性小、对电厂热效率影响小。汽温调节的方法： 1喷水减温 喷水减温是指将水直接喷入过热蒸汽中，水被汽化、加热和过热，吸收蒸汽中的热量，达到调节汽温的目的。喷水减温调节法是一种最便捷的气温调节方式，有着调节方便、操作灵敏等一系列的特点，在大型锅炉中用作过热蒸汽的主要调温手段。 2调节燃烧火焰中心 改变炉内高温火焰中心的位置，从而改变炉膛出口烟气温度，达到调节气温的目的。例如，当燃

22、烧喷嘴向上倾斜时，火焰中心向上移，炉内吸热量减少，炉膛出口烟温升高，对流受热面的吸热量增大，离炉膛出口越远，吸热量增加的越小。此种调节方法具有很大的灵敏度。2.4 过热器的保护 锅炉在运行中，必须对过热器提供必要的监视和保护手段，尤其在锅炉启动、停炉阶段，由于此时的工作条件差，更要对过热器进行保护。1压力保护在过热器出口管道上装设两只动力控制泄放阀（PCV阀），一只安全阀；在高温过热器进口管道装设四只安全阀。出口管道PCV阀和安全阀的整定压力幅度低于进口管道安全阀的整定压力，因此当锅炉超压引起出口管道PCV阀和安全阀启跳时，能确保整个过热器系统中总有足够的蒸汽流过。而出口管道PCV阀的整定压力

23、是低于过热器出口安全阀的，使安全阀免于经常动作而得到保护。2温度监测保护过热器系统的温度测点是锅炉在启停、运行时对过热蒸汽温度和管子金属壁温进行监视和保护的重要手段。过热器系统的监视是通过设置在系统管道上不同位置的热电偶来实现的，管子金属壁温监视是通过装设在过热器各级受热面出口段的壁温测点来实现的.第三章 改进型Smith预估补偿控制器设计纯延迟补偿控制的大致思路是：在控制系统中某一处采取补偿措施，使改变后系统的控制通道和系统传递函数的分母不再含有纯延迟环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性能。Smith预估补偿控制针对具有纯延迟的过程，提出引入了一个预估补偿环节，使控制品质大大提高。但由于

24、Smith预估器对模型的误差十分敏感，因而难于在过程控制中广泛应用，所以提出改进型Smith预估补偿控制方案，使之能够更好的实现对延迟对象进行补偿控制。3.1 Smith预估补偿控制原理系统采用单回路控制系统，如图3-1所示。图3-1 单回路控制系统控制器传递函数为，对象传递函数为e-s时，设定值作用至被控变量的闭环传递函数： (3-1) 扰动作用至被控变量闭环传递函数： (3-2)如果分母中的e-S项可以消掉，情况将有所改善，这样迟延对闭环极点的所有不利影响将不再存在。Smith预估补偿控制方案主要思想是消去分母中所含有的e-s项，实现的方法是把对象的数学模型引入到控系统制回路之内，这样可以

25、取得更为及时的反馈信息，进而改进控制的品质，此方案可以按照不同的角度来说明，下面从内模来介绍。Smith预估器补偿原理图如图3-2所示。图3-2Smith预估器补偿原理图在图3-2中，是对象除去纯迟延环节e-s之后的传递函数，是Smith预估补偿器的传递函数。如果系统中无此补偿器，则由调节器输出到被调量之间的传递函数为： (3-3) 上式表明，受到控制作用之后的被调量要经过纯延迟之后才能返回到调节器。若系统采用预估补偿器，则调节器与反馈到调节器的之间传函是两个并联通道之和，即: (3-4) 为使调节器采集的信号不再存在迟延，则要求式(3-4)为： (3-5) 从上式便可得到预估补偿器的传递函数

26、为： (3-6)一般称式(3-6)表示的预估器为Smith预估器。其实施框图如图3-3所示。 只要一个与对象除去纯延迟环节后的传递函数相同的环节和一个延迟时间等于的纯延迟环节就可以组成Smith预估模型，它将消除大延迟对系统过渡过程的影响，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4。从图3-3可以推出系统干扰传递函数为： (3-7) 式中，W1(s)为无迟延环节时系统闭环传递函数。 (3-8)图3-3史密斯补偿系统方框图由式(3-8)可知，对于随动控制预估补偿，其特征方程中已消去了e-s项，即消除了纯延迟对系统控制品质的影响。至于分母之中的e-s仅仅将系

27、统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个，所以预补偿完全消除了纯延迟对控制过程的不利影响，控制品质与被控过程无纯延迟完全相同5。3.2 Smith预估补偿控制的改进方案各种改进的补偿控制方案都是在Smith补偿控制基础上发展起来的。3.2.1 抗干扰的史密斯预估器如果在Smith补偿回路中增加一个反馈环节W(s)如图3-4所示，则系统可以达到完全抗干扰的目的。由图3-4可以看出被调量Y(s)对干扰F(s)的闭环传递函数为： (3-9) 图3-4为实现完全抗干扰的Smith补偿器，以下将对其进行分析。有图我们可以知道如果要实现完全抗干扰的目的则有式（3-10）的形式。图3-4实现完全抗干扰的Smith

28、补偿器若要完全不受干扰F(s)的影响，则只要上式中分子为零，即: (3-10)由此可以得到新增反馈环节W(s)为： (3-11)再写出上述系统中被调量Y(s)对设定值R(s)的闭环传递函数为： (3-12)将式(3-11)代入式(3-12)后可以得到一个很有意义的结论，即 (3-13)这就是说如果完全满足式(3-11)，则系统可完全跟踪设定值,而且对干扰F(s)还可以无差的进行补偿。只是完全实现不是很容易的，但是这个结论对改善Smith补偿器的抗干扰能力还是很有意义的6。3.2.2 改进型史密斯预估器改进型预估器比原方案多了一个调节器，其方框图如图3-5所示。图中设过程特性的比例增益K=1，从

29、图3-5中可以看到，它与Smith补偿器方案的区别在于主反馈回路，其反馈通道传递函数不是1而是W即： (3-14)改进型Smith预估器方案比原史密斯补偿方案多了一个调节器，但其参数整定还比较简单。为了保证系统输出相应无余差，要求两个调节器均为PI动作调节器。其中，主调节器只需按模型完全准确的情况下进行整定。至于辅助调节器的整定似乎要复杂一些，但经分析发现，辅助调节器是在反馈通道上，且与模型传递函数一起构成。如果假设是一阶环节。且设，即使调节器的积分时间等于模型的时间常数，则可简化为: (3-15) (3-16)改进型Smith预估器方案比原Smith补偿方案多了一个调节器，但其参数整定还比较

30、简单。为了保证系统输出相应无余差，要求两个调节器均为PI动作调节器。其中，主调节器只需按模型完全准确的情况下进行整定。至于辅助调节器的整定似乎要复杂一些，但经分析发现，辅助调节器是在反馈通道上。只需整定参数，实质上只有中的比例增益需要整定。图3-5改进型史密斯预估器方框图理论分析证明改进型方案的稳定性优于Smith补偿控制方案，其对模型精度的要求明显降低，有利于改善系统的控制性能。在扰动下，Smith预估器对模型误差十分敏感，而改进型方案确有相当好的适应能力，是一种有希望的Smith改进方案。3.2.3 增益自适应补偿方案Smith预估补偿控制实质上是PID调节器连续地向补偿器传送信号，作为输

31、入而产生补偿器输出。补偿器与过程特性有关，而过程的数学模型与实际过程特性之间又有误差，所以这种控制方法的缺点是模型的误差会随着时间积累起来，也就是对过程特性变化的灵敏度很高。为了克服这一缺点，可采用增益自适应预估补偿控制。增益自适应补偿方案方框图如图3-6所示。它在Smith补偿模型之外加了一个除法器，一个导前微分环节和一个乘法器。除法器是将过程的输出值除以模型的输出值。导前微分环节的Td=，它将使过程与模型输出之比提前进入乘法器。乘法器是将预估器的输出乘以导前微分环节的输出，然后送到调节器。这三个环节的作用量要根据模型和过程输出信号之间的比值来提供一个自动校正预估器增益的信号。图3-6增益自

32、适应补偿方案由图3-6所得： (3-17)所以 (3-18)若=，则有： (3-19)从以上分析可以看出增益自适应补偿器与Smith补偿器具有同样改善控制性能的效果。3.3 PI调节器的控制规律在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图3-5所示。图37 比例积分（PI）调节器比例积分调节器是比例作用和积分作用的叠加，按照运算放大器的输入输出关系，可得 （3-20） 式中 PI调节器比例部分的放大系数； PI调节器的积分时间常数。由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。当初始条件为零时，取式（3-20）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。 （

33、3-21）令 ，则传递函数也可以写成如下形式 （3-22）需要注意的是式（3-22）表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数t 的物理意义是不同的。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性示于图3-8（a），从这个特性上可以看出比例积分作用的物理意义。1突加输入信号时，由于电容两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻，电路等效于一个放大系数为 的比例调节器，在输出端立即呈现电压 ，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。（a）PI调节器输出特性曲线 （b）PI调节器输出动态过程图3-8 PI

34、调节器的输出特性曲线2此后，随着电容被充电，输出电压开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，两端电压等于，R1已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。因此，PI调节器输出是由比例和积分两部分相加而成的。图3-8（b）绘出了比例积分调节器的输入和输出动态过程。假设输入偏差电压DUn的波形如图所示，则输出波形中比例部分和成正比，积分部分是 的积分曲线，而PI调节器的输出电压是两部分之和。可见，既具有快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。除此，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其它控制系统中获得了广泛的应用。 可见，比例积分

35、控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差8。 3.4 控制参数整定方法的介绍一个控制系统的控制质量与被控对象的特性、干扰的形式和幅值、控制方案及控制器的参数等因数密切相关。其中，对象特性和是系统固有的，不会随意改变。所以在控制方案确定的情况下，控制器的参数就决定了控制系统的控制性能。用理论方法设计的控制器需要经历复杂的建模、分析与校正过程。还会因为设计过程中诸多简化而导致获得控制器参数不能直接应用，这就要求在现场使用时进行整定。在工程上常常采用一些近似方法，避开对象特性曲线和数学模型，预先选择一定类型的控制

36、器，直接在控制系统中进行控制器参数的现场整定。经过长期的运行、实验、分析和总结，现在已经有了一系列成熟的、实用的工程整定方法。控制器参数工程整定方法有：经验数据法、试凑法、临界比例度法、衰减曲线法等方法。本设计主要对试凑法进行介绍：试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，一边观察系统的运行，一边修改参数，直到满意为止。（1）比例参数整定：首先采用纯比例控制，不考虑积分和微分作用。由小到大调整比例系数，直到系统的响应速度较快、有一定的超调量为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已经满足设计要求，那么只要纯比例调节起即可。（2）积分参数调节：如果比例控制的静差达不到设计要求，这时可以

37、加入积分作用。在整定时将积分时间常数逐渐减小，积分作用就逐渐增强。观察输出会发现，系统的静差会逐渐减小直至消除。反复实验几次直到消除静差的速度满意为止。注意此时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数K。系统采用比例控制时，系统有稳态误差。所以，为了使系统无静差，选择PI控制方式，采用试凑法整定参数11。试凑法在控制系统的调节器参数整定过程中，被广泛应用，主要是由于其操作比较简单，通过在线整定就可以获得比较理想的控制效果，满足设计的要求。所谓试凑法是指在调试过程中，根据PID参数与系统时间响应之间的基本关系，逐步调整PID参数实现所期望响应的方法。PID参数与系统时间响应之间的基本关系如

38、表3-1所示。参数变化响应速度系统稳定性K增大加快降低T增大加快降低T增大加快增大表3-1 PID参数与系统时间响应之间的基本关系第四章 改进型Smith补偿控制仿真研究4.1 MATLAB的介绍目前比较流行的控制系统仿真软件是MATLAB。使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。本设计主要运用MATLAB中的Simulink这一工具箱对系统进行仿真研究。以下对其进行简单的介绍:Simulink是一个交互式动态系统建模、仿真、分析图形环境。是一个进行基于模型的嵌入式系统开发的基础开发环境。Simulin

39、k提供了一个建立系统方框图，并对系统进行模拟仿真的环境。Simulink库浏览窗口如图4-1所示，以及图4-2所示的模型编辑窗口，图4-3所示的输出方式等。图4-1 Simulink库浏览窗口图4-2 Simulink模型编辑窗口图4-3 Simulink输出方式4.2 Smith补偿控制控制参数整定与仿真研究4.2.1 整定系统控制参数本设计针对某300MW电厂的过热汽温控制系统进行研究。系统数学模型如下： W=eSmith控制系统参数整定的Simulink方框图如图4-4，Smith控制系统参数整定后的阶跃响应图如图4-5所示。图4-4 Smith控制系统参数整定的Simulink方框图图

40、4-5 Smith控制系统参数整定后的阶跃响应图当K=0.3, K0.08 图4-4所得的阶跃响应如图4-5所示。此时系统无超调量，且响应较快。4.2.2 改进型Smith补偿控制器仿真研究改进型Smith补偿控制是在史密斯补偿控制基础上发展起来的。从理论上讲，该方法可以克服任何干扰。本设计采用改进型Smith补偿控制方案进行研究。1 改进型Smith补偿控制器主控制器参数整定改进型Smith补偿控制系统结构图如图4-6所示。图4-6 改进型Smith补偿控制系统的结构图图4-6中主控制器的参数根据估计模型准确无误差（即=）整定。辅助调节器在系统仿真调整过程中整定。图4-7 主控制器参数整定S

41、imulink框图如图4-7所示，比例系数取0.3，对应的积分系数取0.08。对图4-7进行仿真。图4-8 主控制器参数整定阶跃响应图当系统采用比例控制时，取任何值构成的闭环系统均稳定。所以，本被控对象不能采用稳定边界法整定系统参数。采用试凑法整定参数。当K=0.3, K0.08时系统阶跃响应如图4-8所示，系统无超调量，响应时间很快。2改进型Smith补偿控制器辅助控制器参数整定被控对象实际传递函数为：W=e （4-1）根据改进型Smith预估器的原理，广义对象除迟延部分的传函为： W= (4-2)WT2(s)采用PI调节器。所以有： (4-3)令 (4-4)若令Ti2=4，上式可化简为：

42、(4-5)所以只要整定即可。图4-9 辅控制器参数整定Simulink框图图4-10 辅控制器参数整定阶跃响应图当K=0.005时系统阶跃响应如图4-10所示，系统无超调量,响应速度也很快。2加入扰动时的系统控制研究在实际的系统过程控制过程中，往往会受到不同程度的扰动，这些扰动都可以降低系统的稳定性。增大系统的超调量，增加系统的调节时间，甚至会是系统变得不稳定，所以对加入扰动后系统的仿真研究很有必要。下面重点研究当两种控制系统加入扰动的仿真，看其抗扰性能是否满足设计的要求。当Smith补偿控制系统和改进型Smith补偿控制系统加入扰动时，仿真结果如下图4-12所示。图4-11 加入扰动时Smi

43、th控制器Simulink框图图4-12 加入扰动时Smith控制器响应图当Smith控制系统加入扰动时，从仿真图可以看出控制效果很不理想，具有一定的振荡和超调，而且要经过相当长的时间也未能够达到稳定状态。图4-13 加入扰动时改进型Smith控制器Simulink图图4-14 加入扰动时改进型Smith控制器响应图从以上图4-12、4-14两图中可以得出：当Smith补偿控制系统和改进型Smith补偿控制系统加入扰动时，前者经过一定的时间才能克服扰动，后者受到干扰后没有超调量，改进型Smith补偿控制系统在经过30s左右的时间后达到稳定值，对干扰有很好的抑制作用。因此通过仿真结果的比较可知，

44、改进型Smith补偿控制系统和Smith补偿控制系统有很好的抗干扰能力。 总 结 本设计主要讲述了在过热汽温控制系统中由于各种扰动的作用, 而使过热汽温动态特性具有大延迟、大惯性、时变性和非线性的问题, 从而加大了汽温控制的难度。并且针对此等问题提出了具体的解决方案。一般的前馈控制、PID控制等控制方案无法保证过热汽温的稳定和平衡，获得较好的鲁棒性和控制品质。因而提出了运用Smith预估补偿控制系统。该控制可以很好解决因为较大的纯延迟、相位滞后现象的存在而引起的系统的超调量增大，调节时间加长，进而降低整个控制系统的稳定性的问题。但是Smith控制系统又存在着一些缺点和不足：对模型的精度有着很高的要求，而且其对控制对象参数变化过于敏感，因此在控制过程中不能获得很好的控制效果。而与之相比，改进型Smith补偿控制系统克服了这些缺点，具有很好的控制作用。设计中对Smith补偿控制方案和改进型Smith补偿控制方案进行仿真，最后对改进型Smith补偿方案与Smith补偿控制方案进行了对比。经过比较知道Smith预估器可以克服超调大、响应速度慢的缺点，但在扰动下，Smith预估器对模型误差非常敏感，并且控制作用随着模型误差的变大，变得越来越差，控制效果相对来说很差。而改进型Smith预估器克服了模型误差敏感的问题，控制作用明显，有很强的鲁棒性，具有很好的应用价值。参考文献1