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1、-范文最新推荐- MATLAB预测控制的锅炉温度史密斯预估器的改进 摘要：大迟延对象的控制一直是控制领域研究的焦点问题。加热炉温度控制便属于这类复杂的控制对象。传统的加热炉温度控制系统采用的是原料油出口温度同燃料油流量或同炉膛温度的串级控制，但由于燃料油流量存在波动，使得温度控制效果较差。而且由于近年来炉膛改造，炉膛容积增大，使得控制系统主副被控对象均存在较大的时间滞后。对于无滞后或滞后比较小的系统，通常采用PID控制。对于大滞后系统，PID控制效果并不好，需要另加补偿，因此提出了Smith预估补偿控制系统。而 Smith 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型
2、的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的 ,当模型失配时,Smith 预估算法就难以取得良好的控制效果,因此提出了改进型Smith控制系统。7591本文研究的重点是设计与实现适用于燃烧控制过程的控制规律和控制算法。具体讨论了预测控制系统的Smith预估器及工程实现方法，着重对这种控制算法进行了较深入的讨论，并提出了一种改进型Smith预估控制器，该控制器把预测控制与史密斯预估器有机地结合起来，实现对控制系统的参数自整定，而且还通过仿真对设计和改进的结果进行了分析。仿真实验中，若采用PID控制算法，系统会出现较大的超调量，采用史密斯预估补偿控制没有超调量。若保持控制器和模型的参数不变，改变对象参数
3、，使估计模型与之失配，此时史密斯预估算法出现振荡，系统稳定性被破坏。改进型Smith算法不仅能够保持系统的稳定，而且振荡次数少，收敛速度快。关键词: 加热炉；预测控制；史密斯预估器AbstractLarge delay time has been the focus of research in the control field. Furnace temperature control is belong to this complex control object .Traditional furnace temperature control system uses raw oil ou
4、tlet temperature with the fuel oil flow cascade control or furnace temperature, but due to volatility in fuel flow, making the temperature control less effective. In recent years, due to the furnace chamber volume increases, the control system exists in a large time lag. For no or less delay, the sy
5、stem usually adopts PID control. For large delay system, PID control effect is not good, need additional compensation. Thus puts forward Smith-predictor compensator control system. The Smith-predictor in the matching model has good performance when, but this algorithm heavily depends on the exact ma
6、tch model, but it is difficult to do in practice. Smith-predictor algorithm is difficult to obtain good control effect when the model mismatch. Thus put forward an improved Smith-predictor control system. 1绪论11.1 研究的背景与意义11.2国内外基于加热炉温度控制的研究11.3本文研究内容22 文献综述（研究概况以及发展趋势）43 传统的加热炉温度控制系统63.1加热炉及其模型的建立63
7、.1.1加热温度控制系统总体结构图63.1.2加热温度控制系统模型的建立63.2 简单控制系统73.2.1被控变量的选择73.2.2 选择被控变量的原则83.2.3操纵变量的选择83.3先进控制系统84 常规PID控制器设计94.1 PID概述94.2数字PID控制器94.3 PID调节器参数对系统性能的影响135 预测控制系统的smith预估控制器设计155.1史密斯预估器的介绍155.2 预测控制的介绍195.3基于预测控制的史密斯预估器215.31模型控制215.32数学模型的介绍215.33工程控制数学模型的建立方法225.34数学模型的建立225.35 数据分析及建立模块步骤235.
8、4 MATLAB仿真软件的介绍295.5 MATLAB仿真306 总 结367 致谢378 参考文献381绪论1.1 研究的背景与意义 （1）国外最早在1958年提出预估控制器2，这是一个时滞预估补偿算法，其最大优点是将时滞环节移到了闭环之外，提高了系统的控制品质，但其过于依赖精确的数学模型，实际应用比较困难。为此人们提出了许多改进方法，大致可以分为两种:一种是基于结构上的改进，这类方法主要是结合智能控制通过在不同的位置增加一些并联或者串联的环节进行补偿;另一种是在参数整定上的改进，这种方法将项通过泰勒多项式展开用鲁棒性能指标及其他的指标函数对控制器进行解析设计，或者对其中的控制参数进行鲁棒调
9、整，还有的方法是对Smith预估系统的反馈传递函数进行改进,以增强它的鲁棒性和稳定性。（2）神经网络具有自组织和自学习的特点，它可以任意精度逼近非线性函数，可进行在线和离线学习，容错性比较强;它不需要复杂的控制结构，也不需要精确的数学模型，其简单有效的特点适合工业应用。在时滞系统中的应用，神经网络主要用于辨识和控制。在辨识方面，用于辩识系统的参数和滞后时间,在控制方面，主要有模型参考自适应控制和预测控制。另外，神经网络也和Smith控制结合对时滞系统进行控制，该方法也较有效。（3）模糊控制是一种基于专家规则的智能控制方法，它无需知道系统精确的数学模型，只需要现场操作人员的经验和操作数据。模糊算
10、法对于时滞系统比较适用，它是处理时滞系统中难以定量化环节和不确定性的有效手段。模糊算法在时滞系统中的应用大致有以下几个方面:l)模糊Smith控制控制器，它一般是由Smith预估器解决对象的时滞问题，模糊控制器控制对象的大惯性环节。2)模糊预估控制方法，它是在模糊控制的基础上，进行并联模糊补偿。模糊预估模型是通过一系列有针对性的推导得到的，模糊预估器得到的增量经过补偿器的作用产生一个补偿校正。3)模糊自整定方法，它是对模型的某些参数进行模糊整定，以达到改善系统控制品质。其中较为有名的是提出的改进Smith预估模型，对主反馈通道传递函数中的滤波时间常数进行模糊整定。该方法具有较强的鲁棒性和较好的
11、控制性能，但是计算效率不是很高。 3.1加热炉及其模型的建立加热炉在工业生产中应用很广，有各种形式的加热炉，其中管式加热炉最常见，其型式有可分为箱式、立式和圆筒炉三大类5。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行气化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产平质量。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命，因此加热炉出口温度必须严格控制。3.1.1加热温度控制系统总体结构图图2-1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定
12、温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。2-1 加热炉温度系统3.1.2加热温度控制系统模型的建立加热炉对象是一个多容量的复杂对象。根据实验测试，并作了一些简化，可以用一阶环节加时滞来近似，即其时间常数 和时滞时间 与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关5。本文针对的是河北唐山某轧钢厂加热炉温度控制系统, 其被控对象的传递函数为:3.2 简单控制系统简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀
13、）所组成的闭环控制系统。图3-2 加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图3.2.1被控变量的选择被控变量选择方法：方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为被控变量，称为直接参数法。 4 常规PID控制器设计4.1 PID概述目前主要控制有比例积分控制（Proportional-Integral-Differential Control）、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。已经应用在温控领域的有PID控制、模糊控制、自适应控制以及PID控制与模糊控制和自适应控制相结合的一些方法，如Fuzzy-PID控制、Adaptive-PID控制、模糊自适应PID控制等。图41基本
14、PID控制系统原理图PID控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理， 基本PID控制系统原理如图4-1所示。PID控制是最早展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。4.2数字PID控制器在计算机控制系统中，PID控制规律的实现是采用数值逼近的方法。差分方程： MATLAB预测控制的锅炉温度史密斯预估器的改进(5): 13 / 13