溫度大時滯串級—Smith預估控制系統建模與仿真

張程　張卓

【摘 要】本文針對大時滯系統在控制過程中存在的容量滯后較大、調節作用不及時、干擾比較頻繁和動態偏差量大等常見問題，建立了溫度大時滯串級-Smith預估控制系統的數學模型，該模型有效地改善了系統性能，解決了溫度控制品質難以提高的問題。以典型溫度大時滯控制系統——聚合釜溫度控制系統為例，通過引入串級-Smith預估控制以改善系統性能，提高溫度控制品質。根據聚合釜溫度控制系統的一般特性，進行了聚合釜溫度控制系統的系統模型建立和控制器參數整定，并通過MATLAB/Simiulink進行了仿真分析。實驗結果表明，相對于單回路PID控制和串級PID控制系統，采用串級-Smith預估控制系統可以明顯改善聚合釜溫度控制系統的品質，大幅度降低了大時滯系統中由于容量滯后對系統動態性能的影響，使系統具有更優的動態特性和魯棒性。

【關鍵詞】大時滯；Smith預估；PID；仿真分析

【Abstract】Aiming at common problems of Large time-delay system in control process， such as large capacity lag regulation is not timely， frequent interference and large amount of dynamic deviation， this paper establishes the temperature delay cascade-Smith predictive control system mathematical model. The model can effectively improves the system performance， and solves the problem of difficult to improve the temperature control quality. In this paper， the typical temperature control system with delay-polymerization kettle temperature control system as an example. By introducing the cascade-Smith control to improve system performance and improve the quality of temperature control. According to the general characteristics of polymerization kettle temperature control system， the system model of the temperature control system of polymerization reactor is established and the tuning of the controller， and simulation analysis by MATLAB/Simiulink. Experimental results show that compared with single loop PID control and cascade PID control system， using cascade Smith predictive control system can significantly improve the polymerization kettle temperature control system of quality， greatly reduces the large time delay system due to the capacity of lag effects on the dynamic performance of the system， the system has better dynamic performance and robustness.

【Key words】Large time delay； Smith predictor； PID； Simulation analysis

0 引言

在工業生產過程中，具有時滯特性的控制對象是非常普遍的。在各種時滯系統中，特別是溫度控制系統對象的純滯后時間τ對控制系統的控制性能極為不利，由此，大時滯系統的相關控制問題一直都是工業生產過程中存在的一大難題[1]。本文以典型大時滯系統——聚合釜溫度控制系統為例分析，其存在容量滯后較大、調節作用不及時、干擾比較頻繁和動態偏差量大等常見問題，采用單回路控制通常無法達到理想的控制效果。為提高大時滯系統的控制品質，通過引入串級-Smith預估控制可以有效地改善系統性能，采用PID控制配合Smith預估器的方案，及時地限制被調量的動態偏差，從而使系統達到良好的性能，大幅度降低容量滯后對系統動態性能的影響，為研究包括聚合釜溫度控制系統在內的大時滯系統提供了一種行之有效的解決方案。

1 聚合釜溫度控制系統分析

大時滯現象存在于許多工業生產過程中，諸如建材行業中的水泥窯煅燒過程、玻璃熔窯的傳熱等，克服大時滯是改善此類過程控制質量的一個關鍵問題。聚合釜溫度控制系統是一種典型的溫度大時滯控制系統。

一般的單回路聚合釜溫度控制系統如圖1所示，其生產過程以乙烯為原料，在聚合釜內通過聚合反應，生成聚乙烯（強放熱反應），該系統的控制目標為保持聚合釜內溫度恒定不變[2]。

溫度控制系統的基本擾動來自兩個方面，一是原料的擾動，二是冷卻水的擾動。由于該系統容量滯后較大，所以如果采用上述的以聚合釜內溫度T1為被控量的單回路控制系統（參見圖1），當冷卻水擾動產生時，系統無法及時做出調整，直至擾動經過較大的容量滯后使得聚合釜內溫度發生改變時，系統的控制作用才開始反應，調節作用不及時而導致控制系統無法滿足工藝要求。