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Smith预估补偿器在过热蒸汽温度控制系统中的应用 摘要：本文介绍Smith预估补偿器在纯滞后控制系统中的补偿原理及作用，并在过热蒸汽温度控制系统系统中使用Smith预估补偿器获得了成功应用。Smith预估补偿控制与常规的PID控制相比，具有调节时间短、超调量小、鲁棒性好等优点。适应于一般工业生产过程中有纯滞后环节的控制系统，有较大的推广应用价值。 关键字：Smith预估补偿器，PID，超调量，鲁棒性，过热蒸汽温度控制系统 1.引言 在工业生产过程控制中，许多对象具有纯滞后的性质。这类控制系统的纯滞后时间会使系统的稳定性降低，采用常规的PID的控制运算会引起大的超调和长时间的振荡，控制效果不佳。有关纯滞后的控制系统，虽然国内外作过不少研究工作，但在工程上有效方法并不多。本文介绍的就是其中用得较多且技术十分成熟的Smith预估补偿器法及其在过热蒸汽温度控制系统上的应用。 过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重要组成部分，其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性的重要因素。过热蒸汽温度较高时，机组热效率则相对较高，但过高时，汽机的金属材料又无法承受，气温过低则影响机组效率。过热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重要，所以对其控制有较高的要求。但是由于过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，本次设计采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。 2. Smith预估器的补偿原理 2.1单回路控制系统 于有纯迟延过程的控制系统，调节器采用PID控制规律时，系统的静态和动态品质均下降，纯迟延愈大，其性能指标下降的愈大。Smith针对具有纯迟延的过程，提出在PID反馈控制的基础上引入一个预补偿环节，使控制品质大大提高。下面就对Smith预估补偿的原理进行更详细地介绍。采用简单回路控制时，如图2.1所示。 图2.1单回路控制系统 控制器的传递函数为，对象的传递函数为时，从设定值作用至被控变量的闭环传递函数是： （2.1） 扰动作用至被控变量的闭环传递函数是： （2.2） 如果分母中的项可以除去，情况就大有改善，迟延对闭环极点的不利影响将不复存在。 2.2 Smith预估补偿器 Smith预估补偿方案主题思想就是消去分母中的项，实现的方法是把对象的数字模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质，Smith预估器补偿原理图如图2.2所示。 图2.2 Smith预估器补偿原理图 从图2.2可以推出系统的闭环传递函数为 = （2.3） 式中为无延迟环节时系统闭环传递函数。 （2.4） 由式（2.4）可见，对于随动控制经预估补偿，其特征方程中已消去了项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。至于分子之中的仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个，所以预补偿完全补偿了纯迟延对过程的不利影响。控制品质与被控过程无纯迟延完全相同。 对于定值控制，由式（2.3）可知，闭环传递函数由两项组成。第一项为扰动对象只有时才产生控制作用，当时无控制作用。所以Smith预估补偿控制应用于定值控制其效果不如随动控制。不过，从系统特征方程看，预估补偿方案对定值控制系统品质的改善还是有好处的。 3.过热蒸汽温度控制系统 目前，过热蒸汽温度的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发展，新的控制方法不断出现，蒸汽温度控制的质量也不断提高。传统的蒸汽温度控制系统有两种：串级蒸汽温度控制系统和采用导前微分信号的热蒸汽温度控制系统。由于过热蒸汽温度控制通道的迟延和惯性很大，被调量信号反应慢，因此选择减温器后的热蒸汽温度作为局部反馈信号，形成了本次设计所采用的串级控制系统。 过热蒸汽温度串级控制系统的原理方框图如图3.1所示，具有内外两个回路。内回路由导前蒸汽温度变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主蒸汽温度对象、蒸汽温度变送器、主调节器及整个内回路组成。系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主蒸汽温度对象的滞后和惯性较大。 图3.1 过热蒸汽温度串级控制系统的原理方框图 主蒸汽温度这一调节对象是一个时变的、非线性、大滞后、大惯性的复杂控制对象，控制起来是相当不容易。Smith预估补偿控制从理论上为解决时滞的控制问题提供了