电加热炉炉温控制系统设计与仿真.pdf

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电加热炉炉温控制系统设计与仿真《自动化与仪器仪表》2006年第3期(总第125期)朱肖强，陈三宝(武汉理工大学自动化学院湖北武汉，430063)摘要：针对电加热炉炉温被控对象的大迟延、模型不确定的特点，介绍了一种Smith预估补偿器的改进结构，即增益自适应Smith预估控制策略，改善了控制特性。并对其进行了仿真研究，结论证实，其控制效果在一定程度上优于PID控制和单纯Smith预估控制。经过实验，实现了对电加热炉炉温的控制。关键词：时变性；纯滞后；自适应控制中图分类号：TP317文献标识码：B文章编号：1001--9227(2006)03一0017—03在实际工业生产过程中，具有大惯性、纯滞后、时变性等特点的被控对象十分普遍。随着生产过程或设备的运行状况和运行环境的改变，被控对象往往表现出一定的不确定性。为了解决系统中的大延迟，国内外的不少学者、科技工作者作了大量的研究，但是成功地用于工程实践中的具体实例却没有多少。基于此，本文对一种新型的Smith预估器进行了简单的介绍，并利用其对电加热炉的传统炉温控制方法进行了改进，针对被控对象的模型随时问变化的情况，进行了仿真，证实了其在工业控制中的可行性。1传统两种控制方法介绍PID控制是最早发展起来的控制方法之一，由于其算法简单、通用性好、鲁棒性强且可靠性高，被广泛用于工业过程控制，对于一般受控对象或r／T<0．6的纯滞后对象的控制问题可获得较好的控制效果。而对于大纯滞后和参数不确定的上述被控对象，常规PID控制器对运行工况适应性很差，所以控制性能难以取得令人满意的效果03。Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。该方法的基本思路是：预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小超调量，提高系统的稳定性和加速调节过程，提高系统的快速性。但是，在实际工业过程中，被控对象通常是时变的；这就使补偿器模型和实际对象的模型不一致，一般当Kp和r的变化为10％～15％时，史密斯预估补偿器就失去了良好的控制效果。在工业生产过程中要获得精确的广义对象模型是十分困难的，况且对象特性又往往随着运行条件变化而变化。因此，虽然理论上证明了史密斯预估补偿的良好补偿效果，但在工程应用上还有一定的局限性。需要控制工作者做出进一步的改进。2增益自适应Smith预估补偿控制n3无论是经典的PID控制、Smith补偿控制，还是自适应控制技术和智能控制技术的应用，都有其独特的优点和不可避免的局限性，综合考虑技术的工业可行性与在实际实施过程中的难度，我们分别采用了PID控制器、Smith预估器和增益自适应Smith补偿控制对同一对象进行了对比仿真，并给出了在变化工况下的特性曲线。现对增益自适应Smith补偿的结构进行简单介绍。objintroduced0引言PID控制方法Smith预估器Abstract：AccordingthecontrolledoftemperaturewithdelayingandmodelimprovedSmithpredictionmethodthispaper，thatis．Ithascharactercontrolling，andemulationresearchaboutriedon．TheresultprovedadaptiveonlyPIDcontrollermethod．Thoughexperiment，haverealizedcontrolelectricheatingfurnace．words：Time--varying；Strongtime--delay；Adaptivestronguncertainty，aisinitgainsstrategy，tocertainsuperiorKey1．11．2收稿日期：2005—10一10】7toectstructureextent，acar—
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模型选用瓯(s)一丽5(1--e-20,)。增益自心惴制是1997年由贾巴斯(R——一D／A转换器HscR调节器卜-—_．．-—一A／D转换器}+一温度变送器卜一数学模型为Go(s)一菊晶e一‰；故Smith预估器对象特性变化前Go(s)一丽鬲eq畦；对象特性变化后G。’(s)一而j士亍e_2讣；PID控制器传递函电加热炉炉温控制系统设计与仿真田小果，等和巴特利(T．M．Bartley)提出的。它是在Smith预估补偿控制基础上的改进，其结构图如图1所示。增益自适应Smith预估补偿控制是在Smith补偿模型之外另加一个除法器，一个一阶微分环节(识别器)和一个乘法器。除法器是将过程输出值除以预估模型的输出值；识别器中的微分时间Td—b，它将使过程输出