基于Smith模糊PID控制算法的換熱站溫度控制系統

　　隨著經濟和社會的發展以及人民生活水平的提高，人們對基本生活水平的要求越來越高。作為人民基本生活要求之一的冬季采暖，也越來越受到人們的關注。我國的城市集中供熱真正起步是從50年代開始的。黨的十一屆三中全會后，特別是國務院1986年下發《關于加強城市集中供熱管理工作的報告》，對我國的集中供熱實業的發展起到極大的推動作用。作為集中供熱系統中的重要環節，換熱站在整個供熱系統中起到了舉足輕重的作用。但是我國現行的換熱站運行管理仍處于手工操作階段，大部分依靠經驗來進行溫度調節，影響了集中供熱優越性的充分發揮。

　　換熱站溫度主要特點是時變性、大滯后性，對于大滯后系統，PID控制效果并不好，需要另加補償，因此提出了Smith預估補償控制系統。而 Smith 預估算法則在模型匹配時具有好的性能指標 ,但是由于這種算法嚴重依賴模型的精確匹配 ,而在實際中這是很難做到的 ,特別是針對時變的換熱站溫度控制系統。當模型失配時,Smith 預估算法就難以取得良好的控制效果。本文研究了Smith模糊PID智能控制器的設計，該方法將模糊PID與Smith預估控制方案相結合，從而提高了控制系統的穩定性和魯棒性。

　　1.Smith預估器

　　Smith預估器是O.J.M. Smith[1]提出的一種純滯后補償辦法。Smith預估器結合對象模型對對象變量進行預估，將純滯后移到閉環之外，然后將被控對象作為無滯后的對象進行控制器的設計。

　　在圖1中， 代表被控對象中不含純滯后部分的傳遞函數， 代表被控對象的純滯后部分， 代表純滯后時間， 代表控制器的傳遞函數， 代表對象模型中不含純滯后部分的傳遞函數， 代表對象模型純滯后部分。

　　補償后的閉環傳遞函數為：

　　該結論是在以下的條件下得出的：

　　由式(1.1)看出，Smith預估器從理論上消除了滯后因子 對系統穩定性的影響。對應的等效帶純滯后補償的調節器 為：

　　2模糊PID控制

　　2.1模糊控制器

　　模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制【2】，其基本原理如下圖2所示。它的核心部分為模糊控制器，控制規律由計算機的程序實現。微機經中斷采樣獲取被控制量的精確值，與給定值比較得到誤差信號 ，再進行模糊化變成模糊量 。模糊量可用相應的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集 ( 是一個模糊量)，再由 和模糊控制規則 (模糊算予)根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量 為：

　　為了對被控對象施加精確的控制，還要將模糊量轉換為精確量，得到精確的數字控制量后，經數模轉換，變為精確的模擬量后送給執行機構，對被控對象進行控制。

　　2.2模糊PID控制

　　模糊PID控制器是在一般PID控制系統的基礎上，增加一個模糊控制規則環節，利用模糊控制規則在線調整PID參數的一種自適應控制系統。它以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對參數自整定的要求。它將模糊控制和PID控制器兩者結合起來，揚長避短，同時具有模糊控制靈活、適應性強，以及具有PID控制精度高的特點，對復雜控制系統和高精度伺服系統具有良好的控制效果，結構如圖3。

　　調整PID控制器的模糊控制輸出它們分別調整PID控制器的比例、積分和微分。

　　PID參數模糊自整定是找出P、I、D3個參數與e和ec之間的模糊關系，在允許中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理來對3個參數進行修改，以滿足不同e和ec時對控制參數的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態性能。

　　本文采用的模糊控制規則如下表所示：

　　2.3 .Smith模糊PID控制

　　對于換熱站來說，溫度控制的精度直接影響了集中供熱系統的供熱質量。針對這一問題，本文提出一種基于Smith預估器和模糊PID的智能控制方案。采用模糊PID控制的動態性能好、抗干擾能力強、魯棒性好等特點來提高系統的穩態精度;采用Smith預估器來實現對換熱站溫度控制系統的大滯后特性的動態補償。同時兩者在一定程度上克服被控對象模型參數的變化帶來的不利影響。

　　3.換熱站溫度控制系統仿真研究

　　本文中的被控對象——換熱站溫度控制系統可用純滯后環節和一階慣性環節來近似描述，換熱站溫度控制系統的動態特性可以取為[3]：

　　根據以上控制器的設計，得到換熱站溫度控制系統的Simulink仿真圖如下圖5所示：

　　3.1.模型匹配時

　　在Smith預估器模型參數和對象模型參數一致時，采用Smith模糊PID控制器、模糊PID控制器對系統進行仿真，響應曲線如圖6所示(1—Smith模糊PID控制器，2—模糊PID控制器)。從仿真結果可以看出，使用用Smith模糊PID控制器的系統與使用模糊PID控制器的系統相比，無超調量，調節時間短。

　　3.2.模型失配時

　　在實際工業過程中，系統工況的變化將使得系統模型發生相應的變化，所以當對象參數變化為 ， 時，Smith模糊PID換熱站溫度控制系統、Smith換熱站溫度控制系統與模糊PID換熱站溫度控制系統的響應曲線如圖7所示(1—Smith模糊PID控制器，2—Smith，3—模糊PID控制器);從以下兩張仿真曲線可以看出，采用Smith模糊PID控制器控制換熱站溫度控制系統，超調量小，調節時間短，穩定性好【3】。

　　4結論

　　基于Smith預估模糊PID控制的換熱站溫度控制系統，消除了以往控制難以解決的問題，有效解決了換熱站溫度的大滯后性、非線性等難題，減少了換熱站溫度的波動，實現了換熱站溫度的精確控制。現場運行表明該控制方法具有動態性能好、穩態精度高、以及魯棒性好的優點。可廣泛用于其它時變、時滯、非線性的復雜工業過程[4]。

　　參考文獻:

　　[1] O. J. M. Smith, Closer control of loops with delay time [J ]. ISA,1959,63(2):28-33.

　　[2]新型PID控制及其應用，[M]陶永華 主編 機械工業出版社 第二版 2002.9　160-170

　　[3]Smith自適應模糊PID控制控制算法的研究及仿真 【J】張明光 王鵬 王兆剛 甘肅科學學報2008.03

　　[4]基于Smith模糊PID控制的加熱器溫度控制系統 【J】王春艷 控制系統 2012(6)