工厂化海水养殖水温Smith补偿控制.pdf

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1、旦应用技术工厂化海水养殖水温Smith补偿控制水徐今强王荣辉王筱珍(1．广东海洋大学信息学院2．广东交通职业技术学院机电工程学院)摘要：针对工厂化海水养殖的特点，建立养殖水温调节系统的二阶迟滞数学模型，设计Smith补偿器，并在MATLAB环境下进行仿真研究。结果表明：所设计的Smith补偿器性能稳定，可靠性高；与直接PID控制相比，基于Smith补偿器的养殖水温调节系统响应迅速，调节时间短，具有良好的动静态性能，对工厂化海水养殖具有积极的指导作用。关键词：工厂化海水养殖；水温：Smith补偿；仿真O引言(或冷却)养殖海水。工厂化海水

2、养殖温度调节系统方框图如图1所工厂化海水养殖是一种现代化的水产养殖方式，示，该系统是一个误差控制的负反馈系统。设最佳养依托水产养殖工程和水处理设施与设备，按工艺过程殖温度为；养殖池当前温度为；温度传感器检的连续性和流水作业性原则，在生产中运用机械、电测温度为；误差信号由与比较得到。串级气、物理、化学、生物及自动控制等现代技术，对养控制器对运算处理后输出控制电压U，U通过控制殖水体温度、酸碱度、溶解氧、氨氮、氧化还原电位比例调节阀开度来调节钛金属板式换热器淡水侧的等水质参数进行自动监测与控制，为养殖鱼类创造最冷热水流量，从而调节养殖池温

3、度。其中钛金属板适宜生长的水体环境，达到健康、快速、高效养殖之式换热器淡水侧温度为Tw1(即储水池的淡水温度)；目的[1。在工厂化海水养殖系统中，水体温度不仅与海水侧温度为2。养殖鱼类的进食及生长等生命活动直接相关，还与水体溶解氧的浓度有关，而且不同的养殖鱼类要求的温度不同，故保持适宜的养殖水体温度非常重要【3】。由于工厂化海水养殖水温控制系统是一个大惯性的时滞系统，如采用常规的控制方法，很难达到实时、快图1工厂化海水养殖温度调节系统方框图速和准确性要求，本文在建立工厂化海水养殖水温调节系统模型的基础上，设计了Smith补偿器。实验结

4、控制器输出电压U与储水池中的淡水温度l之果表明：与直接PID控制相比，引入Smith补偿器的间的传递函数为比例环节，如式(1)所示系统在加快响应速度、减少超调量及提高控制精确等】=ku(1)方面得到明显改善。其中比例系数k为5。1海水养殖温度调节系统模型钛金属板式换热器与鱼池之间的传递函数为时滞环节，如式f21所示工厂化海水养殖系统中的养殖水体温度调节工艺为：当检测到养殖水体需要加热(或冷却)时，启动制热(制冷)装置，对储水池中存储的淡水进行加其中时滞时间乃为3S。热(或冷却)，储水池中的淡水与养殖海水通过钛金热电偶温度传感器传递函数

5、及钛金属板式换热属板式换热器进行热交换，通过海水循环泵不断加热木基金项目：广东省科技计划项目(2011B020307007)；广东2014年第35卷第5期自动化与信息工程27省教育部产学研结合项目(2012B010300023)。器的热交换传递函数均为一阶惯性，分别如式(3)、：【厂()∽P一(一6)(4)所示d_L=一(3)式(6)表明，受到控制作用之后的被控量要经过纯迟滞之后才能返回到控制器。(4)若系统采用Smith补偿器，则控制量【)与反馈到控制器的信号】，‘)之间的传递函数是两个并联通设惯性时间和分别为10S和6S。道之和，

6、即合并被控制对象、执行器和传感器为广义被控对象，可将系统等效为单位负反馈系。根据上述分丽：G)e-rs+)(7’)析，广义被控对象的传递函数如式(5)所示为使控制器采集的信号】，’)不至迟滞要求G(s、：：k×-_~e-×L己，()Z'hS+1+l⋯州)(8)5P()P一于是，可得Smith补偿器的传递函数2Smith补偿器设计()=()(1一e)(9)工厂化海水养殖温度调节系统是二阶大迟滞系Smith补偿控制实旌框图如图3所示。统，为了改善其控制品质，考虑采用Smith补偿控制。Smith补偿是一种以模型为基础的预估器补偿控制方法，

7、其特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由补偿器进行补偿，使被时延了f的被控变量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程[6-。Smith补偿控制原理图如图2所示。图3Smith补偿控制实施框图根据图3，可以推导出整个系统的闭环传递函数一I+Gc(s)Gp+GcGp(l—e-)(10)))e-图2Smith补偿控制原理图1+Gc图2中，)是控制器传递函数；)是广义被由式(10)可以看出，经Smith补偿后，系统的闭控对象除去纯迟滞环节后的传递函数；Gs(s)是Snfith环特征方程式中，不再包含

8、纯迟滞环节一，说明纯补偿器的传递函数。迟滞被消除了。因此，采用Smith补偿控制方法可以若系统中无此补偿器，则控制器输出己)到被控消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。量y)之间的传递函数为徐今强王荣辉王筱珍：工厂化海水养