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0. 引言
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，具有大慣性、純滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)的被控對(duì)象十分普遍。隨著生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的運(yùn)行狀況和運(yùn)行環(huán)境的改變，被控對(duì)象往往表現(xiàn)出一定的不確定性。
為了解決系統(tǒng)中的大延遲，國(guó)內(nèi)外的不少學(xué)者、科技工作者作了大量的研究，但是成功地用于工程實(shí)踐中的具體實(shí)例卻沒(méi)有多少?；诖?，本文對(duì)一種新型的Smith預(yù)估器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并利用其對(duì)電加熱爐的傳統(tǒng)爐溫控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)被控對(duì)象的模型隨時(shí)間變化的情況，進(jìn)行了仿真，證實(shí)了其在工業(yè)控制中的可行性。
1. 傳統(tǒng)兩種控制方法介紹
1．1 PID控制方法
PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制方法之一，由于其算法簡(jiǎn)單，通用性好，魯棒性強(qiáng)且可靠性高，被廣泛用于工業(yè)過(guò)程控制，對(duì)于一般受控對(duì)象或τ/T<0.6的純滯后對(duì)象的控制問(wèn)題可獲得較好的控制效果。而對(duì)于大純滯后和參數(shù)不確定的上述被控對(duì)象，常規(guī)PID控制器對(duì)運(yùn)行工況適應(yīng)性很差，所以控制性能難以取得令人滿意的效果[2]。
1．2 Smith預(yù)估器
Smith預(yù)估器是得到廣泛應(yīng)用的時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法。該方法的基本思路是:預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性,然后由預(yù)估器對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償,力圖使被延遲了的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器,使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作,從而抵消掉時(shí)滯特性所造成的影響:減小超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和加速調(diào)節(jié)過(guò)程,提高系統(tǒng)的快速性。但是，在實(shí)際工業(yè)過(guò)程中，被控對(duì)象通常是時(shí)變的，這就使補(bǔ)償器模型和實(shí)際對(duì)象的模型發(fā)生了不一致，一般當(dāng)Kp和τ的變化為10%~15%時(shí)，史密斯預(yù)估補(bǔ)償器就失去了良好的控制效果。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中要獲得精確的廣義對(duì)象模型是十分困難的，況且對(duì)象特性又往往隨著運(yùn)行條件變化而變化。因此，雖然理論上證明了史密斯預(yù)估補(bǔ)償?shù)牧己醚a(bǔ)償效果，但在工程應(yīng)用上還有一定的局限性。需要控制工作者做出進(jìn)一步的改進(jìn)。
2． 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制[1]
無(wú)論是經(jīng)典的PID控制、Smith補(bǔ)償控制，還是自適應(yīng)控制技術(shù)和智能控制技術(shù)的應(yīng)用，都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可避免的局限性，綜合考慮技術(shù)的工業(yè)可行性與在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中的難度，我分別采用了PID控制器、Smith預(yù)估器和增益自適應(yīng)Smith補(bǔ)償控制對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行了對(duì)比仿真，并給出了在變化工況下的特性曲線?，F(xiàn)對(duì)增益自適應(yīng)Smith補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制是1997年由賈巴斯（R.F.Giles）和巴特利（T.M.Bartley）提出的。它是Smith預(yù)估補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估控制系統(tǒng)框圖
除法器是將過(guò)程斬輸出值除以預(yù)估模型的輸出值；識(shí)別器中的微分時(shí)間Td=τp，它將使過(guò)程輸出比估計(jì)模型輸出提前τp的時(shí)間進(jìn)入乘法器，乘法器將預(yù)估器輸出乘以識(shí)別器輸出后送入控制器。這三個(gè)環(huán)節(jié)的作用是根據(jù)預(yù)估補(bǔ)償模型和過(guò)程輸出信號(hào)之間的差值，提供一個(gè)能自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)。
在理想情況下，當(dāng)預(yù)估器模型與真實(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性完全一致時(shí)，圖中除法器的輸出是1，所以輸出是也是1，此時(shí)即為Smith預(yù)估補(bǔ)償控制。
在實(shí)際情況下，預(yù)估器模型往往與真實(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的增益存在著偏差，增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制能起自適應(yīng)的作用。因?yàn)閺难a(bǔ)償原理可知，若廣義對(duì)象的增益由Kp增大到Kp+△K，則除法器的輸出A/B=（Kp±△K）/Kp，假設(shè)真實(shí)對(duì)象動(dòng)態(tài)參數(shù)不變，此時(shí)，識(shí)別器中微分項(xiàng)不起作用,因而識(shí)別器輸出也是（Kp±△K）/Kp。這樣，乘法器輸出變?yōu)椋↘p±△K）Gp(s),可見(jiàn)反饋量也變化了△K，相當(dāng)于預(yù)估模型增益變化了△K，故在對(duì)象增益變化△K后，仍能完全補(bǔ)償。
3．電加熱爐建模分析
1）電加熱爐結(jié)構(gòu)：
電加熱爐本身用上、下兩組爐絲進(jìn)行加熱，用上、下兩組熱電偶檢測(cè)爐內(nèi)溫度，此電加熱爐為一雙輸入雙輸出的受控對(duì)象。
2）控制要求：
實(shí)驗(yàn)室用電加熱爐，溫度范圍在200~500℃范圍之內(nèi),要求溫度從室溫上升到規(guī)定溫度后長(zhǎng)期穩(wěn)定在規(guī)定溫度范圍內(nèi),其溫差要求最好不超過(guò)±2℃。
3）建立模型：
1.用階躍響應(yīng)法近似確定電加熱爐的連續(xù)模型
當(dāng)在電加熱爐輸入端加一階躍信號(hào)μ(t)=4V時(shí),對(duì)其輸出端溫度信號(hào)y進(jìn)行采樣,繪制圖形。采樣周期為30s。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖
利用圖3所示的方法確定電加熱爐的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停浩渲笑訛闀r(shí)間軸原點(diǎn)至通過(guò)拐點(diǎn)切線與時(shí)間軸交點(diǎn)的時(shí)間間隔；Td為被控變量y完成全部變化量的63.2%所用的時(shí)間τo.則Kd=△y/△u.
圖3 階躍響應(yīng)曲線
經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以比較接近實(shí)際的得出電加熱爐的數(shù)學(xué)模型為
故Smith預(yù)估器模型選用
4．仿真結(jié)果
對(duì)象特性變化
;對(duì)象特性變化后
;PID控制器傳遞函數(shù)為Gc(s)= (80s2+10s+0.5)/(20s+0.1); 經(jīng)過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)果，如圖4、圖5、圖6所示。
圖4 傳統(tǒng)方法對(duì)象變化前響應(yīng)曲線
圖5 傳統(tǒng)方法對(duì)象變化后響應(yīng)曲線
圖6 新型Smith預(yù)估器在對(duì)象特性變化
前后的響應(yīng)曲線
5．結(jié)束語(yǔ)
從仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，在對(duì)象特性的增益發(fā)生變化時(shí)，PID控制和Smith預(yù)估控制的階躍響應(yīng)曲線都在不同程度上變化比較大，包括超調(diào)量和過(guò)渡時(shí)間都發(fā)生了變化。但是，通過(guò)本系統(tǒng)所采用的增益自適應(yīng)Smith預(yù)估控制方案，在對(duì)象增益Ko值發(fā)生比較大的變化時(shí)，超調(diào)量也只是小幅變化，過(guò)渡時(shí)間基本保持沒(méi)有太大的變化，調(diào)節(jié)品質(zhì)基本符合要求。對(duì)于本系統(tǒng)，為了保證超調(diào)量不至于太大，應(yīng)把Smith預(yù)估器模型的增益Ko'設(shè)置成對(duì)象增益的變化范圍的上限，這樣可以有效抑制超調(diào)。另外，有實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，本系統(tǒng)所采用的自適應(yīng)Smith預(yù)估控制對(duì)其它對(duì)象參數(shù)如遲延時(shí)間τ和慣性常數(shù)Td也有一定的適應(yīng)能力。為了更進(jìn)一步改進(jìn)控制效果，可以考慮在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)PID模塊的參數(shù)在線調(diào)整功能，使PID參數(shù)最優(yōu)化，從而更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。
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