基于改进型Smith预估控制器在安钢加热炉温度控制中的应用

宋强，乔冠博

（1.安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000，；2.中山大学数学学院，广东 中山 528406）

传统的控制方式已经不能满足，需要做出改革，便有了温度与流量两方面的结合构成了大时滞的炉温控制系统，温度用来将测烟气热值，流量查看余氧的剩余量，两方面达到气体和空气的优化调节。这种比例对于炉子的高效燃烧控制和较快反应控制得到了良好实现。在纯滞后这一流程中并不能良好发挥，控制量由于控制通道的纯滞后对产生的干扰做不到及时反馈。使这一阶段会出现明显的过冲，也同时延长了调节它的时间。因此，想取得控制效果的完美产生的难度是很高的。传统意义上来说，滞后过程是建立在纯滞后τ和过程时间T的比值上的，界限值为0.5，大于0.5就很高了。相位滞后和过冲的增大，严重过冲这些问题都会在T比率增大时出现。对于滞后时间的控制依然需求广大研究者所着手联合开发。

1 加热炉串级控制模型

此类系统是存在双控制器的，能使两条回路快速作业，主子变量分别为炉温值与小滞后流量。控制质量的改良与炉温和流量的串级控制密切相关，从而大大降低工业成本。控制阀则被二级控制器控制的，但与此同时，后者又是被主控制器是的输出控制的。因此在此系统中，受控对象是有两方的，也就是主次对象，换而言之即温度和交通对象。显然控制参数也是有两方的，即温度与流量这双方。作为主控参是温度。主控参发出的信号被主控器接收到，辅控参信号这一测量值又会被次控器接收。同理会有两个闭合回路，即主次级回路也就是通常叫法上的内外回路（图1）。

图1 加热炉温度串级控制系统结构方框图

它的工作过程其实是在一定干扰下主变量与辅助变量的预定值远离，其二者可以抗除扰动也使系统获得新的稳态。

2 改进型Smith预估控制器补偿方案

PID调节器其实也就是史米斯预测补偿控制的源动力，不断的信号发送到补偿器里。补偿器与过程的特征是息息相关的，在过程的数学模型和实际过程特征这两者是存在一定误差，因此，缺点时间越长，模型的误差也会越大。意思就是，敏感性在工艺特性变化时也会出乎意料的高。增益自适应预估补偿控制是可以抵制这个缺点的出现的。

图2所示便是上述方案的框图。一个除法器、一个领先的差分链路和一个乘法器在史密斯中得到增加。预测器的输出乘以导数链路的输出，这一操作必须先于前乘法器在将其输出到调节器发生，将乘法器在将其输出到调节器之前Td=τ，将预测器的输出乘以导数链路的输出。模型的输出信号与过程之间的比率是决定三条链路的功能的，预测器的增益则是通过这种手段自动校正。

图2 增益自适应补偿方案

由图2所得：

若τ=τm，则有：

由以上分析可知，增益自适应补偿器在改善控制性能方面具有与Smith史米斯补偿器相同的效果。

3 MATLAB仿真

在现实中非理论情况下，干扰有高有低，通常干扰是很大的，这对系统的稳定性则是很不利的。系统过冲增高，系统的调节时间变更久，不稳定的系统出现，故而这一研究是很有必要的。看此设计能否满足要求，在两个控制系统上去仿真这类干扰，便可知此法是否可行。仿真结果如图3和图4所示。

图3 Simulink框图

图4 加入扰动时Smith控制器响应图

要想达到控制效果上的完美，该系统若是受到了扰动，则做法不成功，从图3和图4中可显出，振荡和过冲在一定程度上还是不小的，稳态在过许久后，重稳的状态才会出现。

从图5和图6展示图像可知，当史米斯补偿控制系统和改进的Smith补偿控制系统增加干扰时，前者去抵制时间扰动并不是没有把握的，后者不存在超调这一情况。30s可使优化完成的Smith补偿控制系统重回稳定值，对干扰有很好的抑制作用。

图5 Simulink图

图6 加入扰动时改进型Smith控制器响应图

综上，本文提出了一种Smith预估控制器的使用方案，并进行了仿真，仿真结果良好有效。