溫度大時(shí)滯串級(jí)—Smith預(yù)估控制系統(tǒng)建模與仿真

張程　張卓

【摘 要】本文針對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)在控制過程中存在的容量滯后較大、調(diào)節(jié)作用不及時(shí)、干擾比較頻繁和動(dòng)態(tài)偏差量大等常見問題，建立了溫度大時(shí)滯串級(jí)-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，該模型有效地改善了系統(tǒng)性能，解決了溫度控制品質(zhì)難以提高的問題。以典型溫度大時(shí)滯控制系統(tǒng)——聚合釜溫度控制系統(tǒng)為例，通過引入串級(jí)-Smith預(yù)估控制以改善系統(tǒng)性能，提高溫度控制品質(zhì)。根據(jù)聚合釜溫度控制系統(tǒng)的一般特性，進(jìn)行了聚合釜溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)模型建立和控制器參數(shù)整定，并通過MATLAB/Simiulink進(jìn)行了仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于單回路PID控制和串級(jí)PID控制系統(tǒng)，采用串級(jí)-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)可以明顯改善聚合釜溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)，大幅度降低了大時(shí)滯系統(tǒng)中由于容量滯后對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，使系統(tǒng)具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性。

【關(guān)鍵詞】大時(shí)滯；Smith預(yù)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(yè)生產(chǎn)過程中，具有時(shí)滯特性的控制對(duì)象是非常普遍的。在各種時(shí)滯系統(tǒng)中，特別是溫度控制系統(tǒng)對(duì)象的純滯后時(shí)間τ對(duì)控制系統(tǒng)的控制性能極為不利，由此，大時(shí)滯系統(tǒng)的相關(guān)控制問題一直都是工業(yè)生產(chǎn)過程中存在的一大難題[1]。本文以典型大時(shí)滯系統(tǒng)——聚合釜溫度控制系統(tǒng)為例分析，其存在容量滯后較大、調(diào)節(jié)作用不及時(shí)、干擾比較頻繁和動(dòng)態(tài)偏差量大等常見問題，采用單回路控制通常無法達(dá)到理想的控制效果。為提高大時(shí)滯系統(tǒng)的控制品質(zhì)，通過引入串級(jí)-Smith預(yù)估控制可以有效地改善系統(tǒng)性能，采用PID控制配合Smith預(yù)估器的方案，及時(shí)地限制被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到良好的性能，大幅度降低容量滯后對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，為研究包括聚合釜溫度控制系統(tǒng)在內(nèi)的大時(shí)滯系統(tǒng)提供了一種行之有效的解決方案。

1 聚合釜溫度控制系統(tǒng)分析

大時(shí)滯現(xiàn)象存在于許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如建材行業(yè)中的水泥窯煅燒過程、玻璃熔窯的傳熱等，克服大時(shí)滯是改善此類過程控制質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵問題。聚合釜溫度控制系統(tǒng)是一種典型的溫度大時(shí)滯控制系統(tǒng)。

一般的單回路聚合釜溫度控制系統(tǒng)如圖1所示，其生產(chǎn)過程以乙烯為原料，在聚合釜內(nèi)通過聚合反應(yīng)，生成聚乙烯（強(qiáng)放熱反應(yīng)），該系統(tǒng)的控制目標(biāo)為保持聚合釜內(nèi)溫度恒定不變[2]。

溫度控制系統(tǒng)的基本擾動(dòng)來自兩個(gè)方面，一是原料的擾動(dòng)，二是冷卻水的擾動(dòng)。由于該系統(tǒng)容量滯后較大，所以如果采用上述的以聚合釜內(nèi)溫度T1為被控量的單回路控制系統(tǒng)（參見圖1），當(dāng)冷卻水?dāng)_動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)無法及時(shí)做出調(diào)整，直至擾動(dòng)經(jīng)過較大的容量滯后使得聚合釜內(nèi)溫度發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)的控制作用才開始反應(yīng)，調(diào)節(jié)作用不及時(shí)而導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法滿足工藝要求。