基于Smith模糊PID控制算法的換熱站溫度控制系統(tǒng)

　　隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)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(fā)《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(yè)的發(fā)展起到極大的推動作用。作為集中供熱系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，換熱站在整個供熱系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。但是我國現(xiàn)行的換熱站運行管理仍處于手工操作階段，大部分依靠經(jīng)驗來進行溫度調(diào)節(jié)，影響了集中供熱優(yōu)越性的充分發(fā)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(tǒng)，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(tǒng)。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(tǒng)。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(tǒng)的穩(wěn)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(huán)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(shù)， 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(shù)， 代表對象模型中不含純滯后部分的傳遞函數(shù)， 代表對象模型純滯后部分。

　　補償后的閉環(huán)傳遞函數(shù)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(tǒng)穩(wěn)定性的影響。對應的等效帶純滯后補償?shù)恼{(diào)節(jié)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(guī)律由計算機的程序實現(xiàn)。微機經(jīng)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(guī)則 (模糊算予)根據(jù)推理的合成規(guī)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(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉換，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)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(tǒng)的基礎上，增加一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線調(diào)整PID參數(shù)的一種自適應控制系統(tǒng)。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(shù)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(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果，結構如圖3。

　　調(diào)整PID控制器的模糊控制輸出它們分別調(diào)整PID控制器的比例、積分和微分。

　　PID參數(shù)模糊自整定是找出P、I、D3個參數(shù)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(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

　　本文采用的模糊控制規(guī)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(tǒng)的供熱質(zhì)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(tài)性能好、抗干擾能力強、魯棒性好等特點來提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度;采用Smith預估器來實現(xiàn)對換熱站溫度控制系統(tǒng)的大滯后特性的動態(tài)補償。同時兩者在一定程度上克服被控對象模型參數(shù)的變化帶來的不利影響。

　　3.換熱站溫度控制系統(tǒng)仿真研究

　　本文中的被控對象——換熱站溫度控制系統(tǒng)可用純滯后環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)來近似描述，換熱站溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以取為[3]：

　　根據(jù)以上控制器的設計，得到換熱站溫度控制系統(tǒng)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(shù)和對象模型參數(shù)一致時，采用Smith模糊PID控制器、模糊PID控制器對系統(tǒng)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(tǒng)與使用模糊PID控制器的系統(tǒng)相比，無超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間短。

　　3.2.模型失配時

　　在實際工業(yè)過程中，系統(tǒng)工況的變化將使得系統(tǒng)模型發(fā)生相應的變化，所以當對象參數(shù)變化為 ， 時，Smith模糊PID換熱站溫度控制系統(tǒng)、Smith換熱站溫度控制系統(tǒng)與模糊PID換熱站溫度控制系統(tǒng)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(tǒng)，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)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(tǒng)，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(xiàn)了換熱站溫度的精確控制。現(xiàn)場運行表明該控制方法具有動態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高、以及魯棒性好的優(yōu)點。可廣泛用于其它時變、時滯、非線性的復雜工業(yè)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(yè)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(tǒng) 【J】王春艷 控制系統(tǒng) 2012(6)