Smith预估补偿器在过热蒸汽温度控制系统系统中的应用.doc

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1、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

2、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，

3、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.

4、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。2.2Smith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2.2Smith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

5、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，

6、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

7、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一种有效的方法。但是传统的Smith预估补偿由于缺乏被控对象的精确数学模型且不适应参数变化的大延迟过程控制，很难在该类控制中取得令人满意的效果。所以，人们在实践中提出一些改进方案，通过对传统的Smith预估补偿控制进行了改进，使得此类控制得以解决，同时使系统的稳定性和鲁棒性也提高的许

8、多。对系统的稳定性和鲁棒性方面进行分析