温度控制系统曲线模式识别及仿真.doc

锅炉温度定值控制系统模式识别及仿真

专业：电气工程及其自动化 姓名：郭光普 指导教师：马安仁

摘 要 本文首先简要介绍了锅炉内胆温度控制系统的控制原理和参数辨识的概念及切线近似法模式识别的基本原理，然后对该系统的温控曲线进行模式识别，而后着重介绍了用串级控制和Smith预估器设计一个新的温度控制系统，并在MATLAB的Simulink中搭建仿真模型进行仿真。
关键词 温度控制，模式识别，串级控制，Smith预测控制

ABSTRACT
This article first briefly introduced in the boiler the gallbladder temperature control system's control principle and the parameter identification concept and the tangent approximate method pattern recognition basic principle, then controls the curve to this system to carry on the pattern recognition warm, then emphatically introduced designs a new temperature control system with the cascade control and the Smith estimator, and carries on the simulation in the Simulink of MATLAB build simulation model.
Key Words: Temperature control, Pattern recognition, Cascade control, Smith predictive control

1.引言
随着现代工业生产的迅速发展,对工艺操作条件的要求更加严格,对安全运行及对控制质量的要求也更高。在工业生产中，某些生产过程对温度的要求较高，只有在特定的温度下才能有较好的质量，比如医药化工行业、钢铁行业、种子的培育和鸡蛋的孵化等，都对温度有较高的要求，所以往往要对温度进行精确控制以达到生产的要求。研究锅炉内胆水温定值控制系统有很大的意义。而水温定值控制系统由于其具有大纯滞后性和不确定性，使得采用一般的PID控制达不到工艺要求。为此，研究一种鲁棒性好、抗干扰能力强的具有大纯滞后补偿能力的控制方案是必要的。本文用串级控制和Simth预估控制分别对锅炉内胆温度控制系统的控制方法进行改进，收到了很好的效果。
2.锅炉内胆温度控制系统概述
锅炉内胆水温定值控制系统的结构图和方框图如下图1所示：
TT1
TC

(a)结构图

(b)方框图
图1 锅炉内胆水温定值控制系统
锅炉内胆水温定值控制系统以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控量。要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数整定方法与其他单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。
通常锅炉内胆水温定值控制系统的控制方法采用传统PID控制，控制效果不够理想，其理论阶跃响应曲线如下图2所示：

图2 温度控制系统理论阶跃响应曲线
由曲线知传统PID控制的阶跃响应曲线有较大超调且响应速度较慢，动态性能较差，控制效果不够理想，应采取有效措施改进。
3.锅炉温度控制系统曲线模式识别
对锅炉内胆水温定值控制系统进行智能仪表控制，采用传统的PID控制方法，合理整定P、I、D三个参数，待系统达到稳定后，突然增加一正的阶跃量，系统会在自动调节下重新达到稳定。记录试验结果曲线如下图3所示：

图3 传统PID锅炉温度定值控制阶跃响应曲线
由图3中曲线和图2中曲线比较可知，实际响应曲线和理论曲线不一致。理论上温度定值控制系统属于二阶以上高阶系统，但实际上为分析与处理方便，往往将其简化为一阶系统。本试验所得曲线就可近似为一阶曲线，故我们在分析时也可以将其看作一阶系统来处理。
工程上常用阶跃响应曲线求对象传递函数的方法有切线近似法、图解法和两点法，因切线近似法简单且实践证明它可以成功地应用于PID控制器的参数整定，所以我们将采用切线近似法将图3所示系统进行模式识别。
3.1 切线近似法的原理
具有纯滞后一阶对象的传递函数为：
(1)
其阶跃响应曲线的切线近似法原理如下图4所示：

图4 有纯滞后对象的切线近似法
其中静态放大系数可由下面的公式求出：
(2)
在图4中响应曲线的拐点做切线，切线与的渐近线交于A点，而与时间轴交于B点，由A点向时间轴作垂线，与时间轴交于C点，则OB对应延迟时间，BC对应时间常数，即可得到传递函数。
3.2 用切线近似法对试验曲线模式识别
利用切线近似法对试验曲线进行模式识别的方法如下图5所示：

图5 锅炉温度控制曲线的切线近似法模式识别
由前面分析知，本系统可近似为具有纯滞后的一阶系统，通过实验数据观察可知为50，而试验初始值为27.5左右，所以可以确定系统的静态放大系数K为：
(3)
从而根据上述的切线近似法可以读出：
(4)
(5)
所以可得曲线的传递函数为： (6)
4.锅炉内胆温度控制系统串级控制设计
4.1 串级控制的原理
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
锅炉内胆温度串级控制系统的设计框图如下图6所示：

图6 锅炉内胆温度串级控制系统的设计框图
4.2 锅炉内胆温度串级控制的设计
由以上分析所得锅炉内胆温度控制系统模式识别的结果和锅炉内胆温度串级控制系统的设计框图，选择合理的控制器整定值，可以在MATLAB的Simulink中搭建锅炉内胆温度串级控制的仿真图如下图7所示：

图7 锅炉内胆温度串级控制Simulink仿真图
串级控制系统从主回路来看是一个定值控制系统，对主变量有较高的质量要求，其控制质量指标与单回路定值控制系统要求一样。从副回路来看，是一个随动系统，对副变量的控制质量一般要求不高，只要求能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。因此必须根据两个回路各自的作用对主、副变量的要求去确定主、副控制器的参数。
两步法整定串级控制系统的参数：
1、先整定副回路。在主、副回路均闭合，主、副控制器都置于纯比例作用的条件下，现将主控制器的比例带放在100%处。按照单回路控制系统整定方法整定副回路：逐渐降低副控制回路的比例度，得到副变量在4:1递减比下的副控制器的比例度和副变量振荡周期。
2、然后整定主回路。主、副回路仍然闭合，将副控制器的比例度置于值上，将副回路看作主回路的一个环节，用同样的办法整定主控制器：即降低主控制器的比例度，得到主变量在4:1递减比下的主控制器的比例度和副变量振荡周期。
3、按上面得到的、、和值，分别计算主、副控制器的整定参数值：比例度、积分时间和微分时间。
4、按先副环后主环，先比例次积分后微分的顺序，将计算出的参数设置到相应的控制器上。
在图7的仿真图中按上面的步骤整定好各参数的值后，可得仿真曲线如下图8所示：

图8 锅炉温度控制系统串级控制仿真曲线
5.锅炉温度控制系统Smith预估控制
5.1 Smith预估控制器的原理
假定广义对象的传递函数为
(7)
式中，是广义函数中不包含纯时延的部分。在这个广义对象上并联一个补偿环节，补偿环节的传递函数为，如图9所示：

图9 纯时延的补偿原理图
令并联后的传递函数为，即
(8)
得到 (9)
当上式满足时，图9中并联环节的传递函数与纯时延部分无关，即消除了纯时延的影响。
设对象有纯时延的单回路控制系统如下图10所示：

图10 有纯时延的单回路控制系统
利用Smith补偿法给具有纯时延的对象加上Smith补偿器，并构成单回路控制系统，即为Smith预估补偿控制系统，如下图11所示：

图11 Smith预估补偿控制系统原理图
5.2 锅炉内胆温度Smith预估控制器的设计
Smith预估控制从理论上提供了将含有纯滞后的对象简化为不含纯滞后的对象进行控制的方法。由以上分析所得到的锅炉内胆温度控制系统模式识别的结果和锅炉内胆温度Smith预估补偿控制系统的原理图，选择合理的PID控制器整定值，可以在MATLAB的Simulink中搭建锅炉内胆温度Smith预估补偿控制的仿真图，如下图12所示：

图12锅炉内胆温度Smith预估控制Simulink仿真图
实际中，Smith预估控制模型不是并联在控制过程上，而是反向并联在控制器上。反向并联的传递函数与被控对象的传递函数相同，反向并联的纯时延和被控对象纯时延相同，都为。合理整定PID控制器的参数后，运行Simulink可得到仿真曲线如下图13所示：

图13锅炉温度控制系统Smith预估控制仿真曲线
6.串级控制与Smith预估控制结果比较
由图3 传统PID锅炉温度定值控制阶跃响应曲线与图8 锅炉温度控制系统串级控制仿真图比较可看出，传统PID控制的调节时间很长，而串级控制的调节时间明显比传统PID控制的调节时间短。再由图8 锅炉温度控制系统串级控制仿真曲线与图13锅炉温度控制系统Smith预估控制仿真曲线比较可看出，在串级控制和Smith预估控制的PID控制器参数相同的情况下，串级控制和PID预估控制的调节时间基本相同，都约为500s，但Smith预估控制的超调量明显比串级控制的超调量小，串级控制的超调量约为36%，而Smith预估控制的超调量却只有16%，明显比串级控制的小，且Smith预估控制的控制曲线圆滑。综合以上对比分析可看出，Smith预估控制使系统的阶跃响应性能得到了提高,超调量明显下降,响应速度快,稳定性得到提高，可见Smith预估控制的控制效果最好。
7.总结
本文首先介绍了对锅炉内胆温度控制系统阶跃响应曲线的切线近似法模式识别，然后通过比较传统PID控制、串级控制和Smith预估控制三种不同控制方法，对比分析各控制方法的优点和缺点，可得出对于大延时系统，用哪种控制方案较好。通过在Simulink中分别对以上三种控制方案搭建仿真模型进行仿真，并对比各自的仿真效果后可知，对于具有大纯滞后的对象，用Smith预估控制方案可以达到很好的控制效果，Smith预估控制是对具有纯时延对象的一种很好的控制方案。

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