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1、安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称 反应釜的温度控制系统学 院 电气信息学院专业班级仪表093姓 名 学 号099064035摘要 反应釜是化工生产过程中的重要设备，反应过程中伴随有大量的吸、放热现象，具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点. 传统的PID控制是一种基于过程参数的控制方法。具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的精确数学模型，在线橄定参数的能力差，而反应釜因为机理复杂、各个参数在系统反应过程中时变，不能建立精确的数学模型，不能满足系统在不同条件下对参数自整定的要求，因而采用一般的PID控制器无法实现对反应釜的精确控制。 模糊
2、控制是一种基于规则的语言控制，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，控制效果好。但模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量，这种控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限和易产生振荡现象。 预测控制是一种优化控制算法，它是通过对某一性能指标的最优来确定未来的控制作用的，具有对模型要求低、鲁棒性好、适用于数字计算机控制的优点。由于计算机模型预测控制具有良好的跟踪性能，能有效地提高系统的稳定性和消除误差，对滞后过程有明显控制效果，更加符合工业温度控制的实际要求，从而大大提高了温度控制系统的性能。 本文比较全面的
3、分析了反应釜温度变化的特点以及控制难点，总结当前温度控制系统精度差的根本原因，在此基础上采用基于预侧的模糊自整定PID集成控制技术实现反应釜温度控制，其主要思想是利用系统模型的预测输出，结合常规PID的控制经验，采用模糊推理方法，对控制器算法进行改进。实验结果表明，与通常的PID控制方案相比，该方案提高了系统的鲁棒性和适应性，较好的解决了反应釜温度控制的难题。 课题完成了反应釜温度控制系统的硬件电路的设计、系统软件的编译与调试，对基于预测的模糊自整定温度控制系统进行了仿真与实验研究，与PID控制方法相比，控制性能更加稳定，可靠性更高，实时性、适应性、鲁棒性都显著增强，控制效果较好。关键词:反应
4、釜，预铡控制，模糊控制，PID控制 Abstract Reactor is the important equipment in the process of chemical production, the chemical reaction accompanied by phenomenon whereby heat is liberated or absorbed, having characteristics of large time delay, time-varying, nonlinear, and the complicate d reaction mechanism. Tr
5、aditional PID control is a control method based on process parameter, having many advantages of a simple control principle, good stability, high reliability and easy adjustment of parameters. But the design of the abject depends on the precise mathematical model and bad at tuning parameter online. T
6、he mechanism of reactor is complex and every parameter changes in the reaction process, unable to establish a precise mathematical model and it can not meet the requirements of self-tuning under different conditions. So the general PID controller can not be achieved on the precise control of reactor
7、. Fuzzy control is a rule-based language control, the precise mathematical model does not need to be established in the design and with good robustness, the effect that interference and the changes of parameters have on the control result is greatly reduce ,with effective Control. However , the fuzz
8、y controller takes error or error change for input variables and this controller has fuzzy proportion-differential control talc. The accuracy is net too high, with a larger steady-state error, limited adaptive ability and easy oscillation. Predictive control is an optimal control algorithm, which de
9、termines the future control role by optimization of a performance index; having advantages of low model, good robustness, applicability to the merits of digital computer control. The predictive control of computer model has a good tracking performance, and it can effectively improve system stability
10、 and eliminate the error, has significant control result for lag process, more in line with the actual industrial temperature control requirements, so it greatly improves the performance of temperature control system. In this paper, the characteristics and control difficulty of reactor temperature c
11、hange are analyzed, and the root causes of poor accuracy for the current temperature control system is summarized, on the basis ,a technology of fuzzy self-tuning PID control based on prediction is used to achieve reactor temperature control. The main idea is to use the prediction output of system m
12、odel, combined with the experience of conventional PID control, using fuzzy reasoning algorithm to improve the algorithm of controller. The experimental results show that the PID control scheme, compared to the common PID control scheme, can improve the system robustness and adaptability, with a bet
13、ter solution to the reactor temperature control problem. This subject completes the hardware circuit design of the reactor temperature control system, the compilers and debugging of system software. Simulation and experimental study are done for fuzzy self-tuning PID control based on prediction, com
14、pared to the PID control method, the method has more stable control performance, higher reliability and the teal-time performance,adaptability, robustness are significantly increased. The control result is better.Keywords: Reactor, predictive control, fuzzy control, PID control.目录摘要2Abstract3第 1 章 绪
15、论71.1 国内外化工控制发展现状71.2 控制方案的设计及不足81.3 本课题采用的方案及内容81.4 本论文结构安排9第 2 章 温度控制系统方案102.1 微机控制系统简介102.1.1 微机控制系统分类102.1.2 微机控制系统硬件112.1.3 微机控制系统软件112.2 PID 及新型 PID 控制算法简介122.2.1 PID 控制算法的理论基础122.2.2 数字 PID 控制算法的改进142.2.3 新型 PID 控制算法142.3 反应釜温度控制系统162.4 小结17第 3 章 温度控制系统硬件设计183.1 中央控制单元183.1.1 中央控制单片机183.1.2 看
16、门狗193.2 A/D 转换采样输入单元203.3 D/A 转换输出控制单元223.3.1 控制原理223.3.2 芯片及参数的选取233.4 键盘显示报警单元263.4.1 键盘显示部分263.4.2 报警部分273.5 电源单元273.6 小结28第 4 章 温度控制系统软件设计294.1 系统软件设计基本原理294.2 系统软件设计基本结构294.2.1 主程序结构294.2.2 参数调节中断服务程序304.2.3 采样中断程序314.3 Smith-PID 算法软件设计32第 5 章 系统调试335.1 控制算法参数整定与软件调试335.1.1 PID 整定简介335.1.2 PID
17、控制算法的整定335.1.3 算法软件调试345.2 实验结果345.3 抗干扰措施365.4 小结36结 论37参考文献38致谢39第 1 章 绪论1.1 国内外化工控制发展现状 进入现代社会，材料工业和人们的生活密不可分，如化工工业、医药、农药、染料、高新产业、信息产业等无不与材料工业密切相关，材料工业已经与能源，信息产业成为当代科学技术的三大支柱产业。 高分子聚合物作为材料领域之中的后起之秀，已经广泛应用到尖端技术、国防建设、建筑业、电子行业等国民经济的各个领域之中1，高分子聚合物的生产在经济建设中占有非常重要的地位2。随着石化工业的蓬勃发展和新工艺、新技术的不断进步，对高分子聚合物的产
18、品质量和生产过程自动化提出了更高的要求。 高分子聚合物生产中的聚合反应主要是在间歇式反应釜中进行，约占总聚合装置的 90%。为了高效的进行生产，必须对聚合反应生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制。其中最重要的环节就是反应器的温度控制3，其调节品质的好坏将直接影响产品质量和产量。但是由于加料数量和品种的影响,聚合反应中存在的一系列复杂化学变化，以及聚合反应本身强烈的放热效应，使得聚合反应釜聚合反应温度的动态特性具有时变、强烈非线性、大纯时滞的特点4，这使得建立精确的聚合反应数学模型非常困难，很难实现反应温度的精确控制，这可能严重影响最终的产品质量，还会危及生产的安全
19、性。因此聚合反应温度对于保证产品质量和安全性起着关键作用。本论文以进行 MMA(methyl methacrylate ,甲基丙烯酸甲酯)聚合反应的反应釜温度控制为研究对象，采用 先进的控制算法实现反应釜温度的精确控制，全面提高PMMA(polymethyl methacrylate, 聚甲基丙烯酸甲酯)的产品产量和质量。目前，化工自动化的底层控制仍然以PID 为主流5。PID 算法控制具有原理简单、实现方便、无静态误差等特点，能满足多数工业过程的需要。经过多年的发展和应用，从模拟控制器发展到数字控制器，性能不断提高。但是对于象聚合反应温度这样的，大纯时滞、非线性、无精确数学模型、时变的控制对
20、象，PID 往往很难取得满意的控制效果6，通常需要采取一些特殊的控制手段，在 PID 基本算法的基础上进行改进，如抑制积分饱和的积分分离 PID 算法和变速 PID 算法，防止微分饱和的不完全微分 PID 算法和前置滤波 PID 算法，抑制振荡的带死区 PID 算法等等。但至今仍无一种通用的行之有效的方法。 同时随着计算机技术的快速发展，一些新的现代控制理论在工业控制中得到较好的应用，比如模糊控制算法、自适应控制算法、神经网络控制算法、Smith 预估控制算法7。它们和 PID 算法相结合，互相取长补短，形成模糊 PID 算法、自适应 PID 算法、神经网络 PID 算法等，在复杂工业控制中得
21、到广泛的应用，取得较好的控制效果。但到目前为止，Smith 预估控制算法仍然是大纯滞后温度控制最成功的算法，可以消除大纯滞后对系统的影响，但是 Smith 预估控制算法对预估模型的精度要求高，需要精确的数学模型8,9，且对系统扰动的抑制能力较差，因而很难在工程上实用。1.2 控制方案的设计及不足在反应釜温度控制这个环节中，原厂配置的控制器采用的是如下方案：由铂电阻采样温度信号，采用一个 NE-6402 型温度控制器，实现对温度的控制。我们对 NE-6402 型温度控制器做了简单的分析，该控制器以微处理器为基础，采用的控制算法是增量式 PID 调节，如图 1-1 所示。按下式计算本次控制调节增量
22、输出。图 1-1 控制器算法原理框图 可见该控制器采用传统的 PID 调节方案。从控制对象的特征来看，反应釜温度具有非线性、大滞后、时变以及多干扰等特点，使用常规的 PID控制方法，很难获得满意的动态静态控制效果。实验室实际运转时，MMA聚合反应温度控制非常不稳定，静态效果差，同时产生很大的超调，甚至超调达 50 ，静态控制效果也不是很理想，在控制温度附近波动达 30 ，严重影响聚合反应。 因此必须寻找一种合适的温度控制方案，以达到满意的控制效果。1.3 本课题采用的方案及内容 本文较为深入的研究和分析了 PID 控制算法和 Smith 预估控制的控制原理，将二者的优点结合起来设计了一种温度控
23、制系统。 课题要求反应釜温度控制(反应釜最大反应容积为 5 升，最高温度为300 )，超调量尽量小，温度静态控制精度 10左右，为此我们采用一种改进 Smith 预估算法积分分离分段式抗饱和 PID 位置控制算法。 本算法分 Smith 预估算法和 PID 算法两部分，其中的 Smith 预估算法采用一种经过改进的、工程实用的预估方法，实现温控的滞后补偿，避免了写出被控对象的精确模型，因而易于实现，预估补偿效果好；PID 算法采用积分分离分段式 PID 位置算法，其不仅具有常规 PID 工作稳定、可靠性高的特性，同时又保证了控制超调小，稳态控制精度高，工程可操作性强。 本算法优点是不需要掌握受
24、控对象的精确数学模型，有较强的鲁棒性，对噪声干扰有较强的抑制能力，非常适合这种模型未知或多变的聚合反应温度控制系统，具有很高的工业实用价值。 本课题首先完成了单片机硬件控制电路的设计与制作，其中包括数据采集，人机交互以及加热控制三部分的设计、制作、安装，然后进行了软件的设计、编写和调试，最后在实验室分别进行反应釜空箱和加料反应联调。全套系统基本上满足反应釜温度控制的要求，明显优于原控制方案，而且对于 MMA 聚合具有很好的控制性能。 1.4 本论文结构安排 本文依据课题的内容做了如下结构安排： (1)化工控制在国内外的发展和应用状况，本课题来源及内容，论文的结构安排(第 1 章)。 (2)温度
25、控制系统方案总述(第 2 章)。 (3)温度控制系统硬件设计(第 3 章)。 (4)温度控制系统软件设计(第 4 章)。 (5)系统调试(第 5 章)。第 2 章 温度控制系统方案2.1 微机控制系统简介 随着系统硬件费用急剧下降、体积缩小、可靠性提高、运算速度加快以及较容易实现更先进和更复杂的控制算法，计算机用于控制系统的技术日趋成熟广泛10。同时它又促进了自动控制理论在深度和广度更进一步的发展，使计算机控制技术更趋于完善与深化。从单一过程、单一对象的局部控制发展到对整个生产流程、整个车间甚至整个工厂的大规模复杂控制，并逐步向智能化方向发展。 微机控制系统是由微型机与其他器件和装置适当连接起
26、来组成硬件，并在软件的操作下协调运行，执行预定的测量或控制任务。2.1.1 微机控制系统分类 按微机在控制系统之中控制方式，微机控制系统可以分为如下几类： (1)数据采集和数据处理系统、数据采集和数据处理系统从功能上说，主要是对生产现场随时产生的大量数据(如湿度、压力、流量、成份、速度、位移量等)进行巡回检测、收集、记录、统计、运算、分析、判断等处理。 硬件系统中主机与生产过程只通过模拟量输入通道和开关量输入通道来联系，一般不需要输出过程通道。在软件系统方面，它除了有控制数据输入的程序外，还要有与功能要求相适应的数据处理程序。一般这种控制系统作为控制系统的下位机，完成数据的采集。 (2)直接数
27、字控制 DDC(Direct Digital Control)系统 DDC 系统是工业生产计算机控制系统中应用最广泛的一种系统应用形式。这类系统中的计算机除了经过输入通道对多个工业过程参数进行巡回检测采集外，它还代替模拟调节系统中的模拟调节器，按预定的调节规则进行调节运算，然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构，以实现多回路调节的目的。直接数字控制系统可实现常规的 PID(比例、积分、微分)调节，也可实现其它复杂或先进的调节规律，调节规律的改变只需改变控制软件。不同的是硬件部分除按需适当增减通道的数量外，一般不需作大的变动，所以使用比较灵活。显然 DDC 系统是一个“在线”的实时闭
28、环控制系统。 (3)计算机监督控制 SCC(Supervisory Computer Control)系统为两级控制，上位机完成生产过程的数学模型和求解控制策略，其输出作为模拟调节器或 DDC 系统的设定值，这一设定值将根据采集到的生产过程工艺信息，按照预定的数学模型或用其它方法所确定的规律进行自动修改；模拟调节器或 DDC 微机作为下位机直接面向生产过程，完成生产过程的直接执行控制与数据采集。SCC 系统至少是一个两级控制系统。一台上位SCC 微机可监督控制多台 DDC 或模拟调节器，这种系统具有较高的运行性能和可靠性。 (4)计算机多机控制系统 它是三级控制系统：最低级为直接控制级，中间级
29、为计算机监督控制级(SCC)，最高级为管理级 MIS(Management Information System)。直接控制级完成采集的数据、控制的执行，监督控制级如前所述，主要是建立生产过程的数学模型、求解控制策略，并完成与DDC 级以及 SCC 之间的通信，MIS 级可以分为几个层次，它主要是搜集SCC 级相关数据，制作报表，接受上一级的命令，监督和指挥 SCC 级的工作。 (5)分布型综合控制系统 TDCS(Total Distributed Control Systems)也被称为分布型微处理机控制系统 DMCS(Distributed Microprocessors Control
30、Systems)或分布控制系统 DCS(Distributed Control Systems)，简称集散控制系统或分布系统。它是计算机、控制器、通讯和显示技术相结合的产物，多台以微处理器为核心的控制器分散于整个生产过程各部分，整个系统采用单元模块组合式结构。各单元用通讯线路连接成一个整体，不同的系统可用不同的模块来组合以适应不同的要求。但整个系统一般总是由实现DCC局部控制的基本控器、实现监督控制的上级监督控制计算机及控制操作台等组成，它可使整条生产线或整个车间达到全自动控制的目的。集散系统有组成灵活、操作方便、能实现集中控制和可靠性高等优点，它已经成为目前生产工厂控制和监控、车间综合操作的
31、标准解决方案11。2.1.2 微机控制系统硬件 硬件是微机控制系统的基础，在软件的协调下实现生产的检测与控制，硬件包括：主机，人机交互台，传感器，模拟量输入通道，执行机构，模拟量输出通道，接口电路和电源等。 2.1.3 微机控制系统软件 控制系统的软件，包括系统软件和应用软件。 系统软件是微机操作运行的基本条件之一，包括： (1)监控软件或操作系统 监控软件是一种低级计算机的管理软件。它主要是完成键盘扫描，人机对话，接受用户程序，显示、调试、修改和运行用户程序，显示和修改存储器中的内容。上电后立即进入监控程序，各种程序均在监控程序下运行。 操作系统是一种微机的大型管理软件，是在监控程序的基础上
32、进一步扩展许多控制程序形成的。其主要功能是实现人机对话，管理微机、存储器、操作台、外部设备(CRT、打印机等等)、文件和作业进程。它控制各软件的运行。 (2)汇编程序、解释程序和编译程序 汇编程序用于把汇编语言程序变成计算机能够认识和执行的机器语言程序(目标程序)。例如 MCS-5 汇编程序。解释程序能够把用于某种程序设计语言写的源程序(如 BASIC)，翻译成机器语言程序(目标程序)。编译程序能够把高级语言编写的源程序(如FORTRUN)，编译成某种中间语言(如汇编语言)或机器语言程序。应用软件按照对系统功能要求和完成任务的不同而不同，通常由用户来编写，可以分为两类： (1)通用软件 这类软
33、件是在微机控制系统软件设计中经常用到的。比如：数制变换程序、运算程序、查表程序等等。 (2)专用软件 针对某一具体控制系统和不同的控制规律编制的程序。比如：数据采集程序、输出控制程序、各种控制算法程序等。2.2 PID 及新型 PID 控制算法简介2.2.1 PID 控制算法的理论基础 PID(Proportional Integral and Differential)控制是工业过程控制领域应用最早使用最广泛的控制策略12-13，大部分工业过程控制仍然在使用“传统”的 PID 控制14，至今仍有 90左右的控制回路具有 PID 结构。我们今天所熟知的 PID 控制器产生并发展于 1915-1
34、940 年期间15。尽管自 1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但 PID 控制器以其结构简单、可靠性高、对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。概括地讲，PID 控制的优点主要体现在以下两个方面： (1)原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 (2)适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。 事实表明，对于 PID 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性能/价格比在市场中占据着重要地位，充分的反应了 PID 控制器的
35、良好品质。 在大多数微机控制系统中使用以模拟 PID 算法为基础的数字 PID 算法，数字式 PID 控制算法分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。2.2.1.1 模 拟 PID 算 法 模拟 PID算法为：控制器的输入为e (t )= r(t)c(t），其中 r(t)为温度设定值，c(t)为温度实际测定值，e(t)为温度偏差，控制器的输出 u(t)：式中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，dt 为微分时间常数 控制原理框图如图 2-1 所示。 简单说来，PID 控制器各个校正环节的作用如下：图 2-1 模拟 PID 控制原理框图 (1)比例环节 及时成比例地反应控制系统的偏
36、差信号 e (t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节是 PID 控制算法中的决定因素，直接决定控制器的好坏。 (2)积分环节 主要用于消除静差，保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数IT ，IT 越大，积分作用越弱，反之则越强。但同时积分环节也是引起系统超调的主要原因。 (3)微分环节 微分环节主要是改善整个闭环系统的稳定性和动态响应速度。它能反映系统偏差信号的变化趋势，即变化速率，并能在偏差信号值变得太大之前，在闭环系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小系统调节时间。但在控制器中微分环节对随
37、机脉冲干扰很敏感，有可能引入高频噪声，这是我们在设计控制器时应该注意的。2.2.1.2 数字 PID 算法 将模拟 PID 算法离散化得到数字 PID 位置式控制算法。 式(2-2) (2-3)为数字 PID 位置式控制算法，式中积分系数微分系数，Un 为第n次采样时刻计算机输出值，en为第n次采样时刻输入的偏差值，en1为第 n-1 次采样时刻输入的偏差值。 这种算法的缺点是，由于是全量输出，每次输出均与过去状态有关，计算时要对en进行累加，计算机运算工作量大。而且因为计算机输出的Un对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，Un的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往
38、往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而，在位置算法的基础上产生了数字 PID 增量式控制算法。 所谓数字 PID 增量式控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量Un 。执行机构所需要的控制量增量为， 式中，式(2-4)称为数字 PID 增量式控制算法。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Un 对应的是本次执行机构位置(例如阀门开度)的增量。虽然只是算法上的一点改进，却带来了不少的优点： (1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断方法去掉。 (2)手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置
39、具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 (3)算式中不需要累加，控制增量Un 的值仅与最近 n 次采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效果大，有静态误差，溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置式算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。2.2.2 数字 PID 控制算法的改进 在计算机控制系统中， PID 控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟 PID 控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解
40、决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。下面介绍几种数字 PID 的改进算法：积分分离 PID 控制算法、遇限削弱积分 PID 控制算法、不完全微分 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法和带死区的 HD 控制算法等。这里我们介绍一下积分分离 PID 控制算法。 在普通的 PID 数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成 PID 运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调。甚至引起系统的振荡，这在某些生产过程中绝对
41、不允许的。引进积分分离 PID 控制算法，在适当的时候加入或是去掉积分作用，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。 写成计算公式，根据实际情况，设定一个阈值( 0)和变量(值为1或者0)： 以数字 PID 增量式控制算法为例，写成积分分离形式即可：2.2.3 新型 PID 控制算法2.2.3.1 新型 PID 控制算法简介 实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性、难以确定精确的数学模型等特点，单单应用 P1D 控制器不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规 PID 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 针
42、对这些问题，长期以来，人们一直在寻求新型 PID 控制器技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已经变成了现实。同时，随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应控制、模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。 近年来，将常规 PID 控制与现代控制理论相结合，出现了许多新型 PID控制器，对于复杂对象，其控制效果远远超过常规 PID 控制。这些新型控制算法有：自适应 PID 控制算法、智能 PID 控制算法、模糊 PID 控制算法、神经网络 PID 控制算法、预测 PID 控制算法、Smith
43、纯滞后补偿 PID 控制算法等等。 2.2.3.2 纯滞后的 Smith 预估补偿控制算法 纯滞后在工业上是一种普遍的现象。例如，冶金、造纸工业中板材厚度的控制，加热炉、窑炉的传热，化工、冶炼生产中物料传输，反应器的化学合成等等系统都存在纯滞后。由于纯滞后在工业生产过程中的存在，会导致控制作用不及时，引起超调或是振荡，影响系统的控制精度，导致生产出的产品精度不高甚至是废品，严重的有可能会损坏生产设备。 对于纯滞后、非线性，PID 控制算法及其改进算法很难取得很好的控制效果，通常需要采取一些特殊的控制手段，但至今仍无一种通用的行之有效的方法。50 年代由 Smith(史密斯)提出的 Smith
44、预估补偿控制仍然是目前大纯滞后温度控制最成功的算法，它通过在回路中并接一补偿环节，这个补偿环节称为 Smith 预估器。由文献22可知，一般工业温度控制对象都可以用一阶系统表示其传递函数： 式中为被控对象中不含纯滞后部分的传递函数，es为被控对象中纯滞后部分的传递函数， 为纯滞后时间。 则所并接的反馈预估环节传递函数为 (为纯滞后时间)，从而可以在环路中补偿纯滞后时间。系统框图如图 2-2 所示。图 2-2 Smith 预估原理框图 由 Smith 预估器和调节器 D(s)(PID)组成补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为 D (s)，即， 经补偿后系统闭环传递函数为 式(2-9)说明，经补
45、偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的es在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，es仅将控制作用推移一个时间 ，控制系统的过渡过程及其性能指标都与对象特性为 GP (s)时完全相同。 数字 PID 控制器和 Smith 预估器都由计算机实现，这时计算机应完成以下几步计算任务： (1)计算反馈回路的偏差。 (2)计算补偿器的输出。(3)进行 PID 运算。 要实现 Smith 预估控制器，首先必须准确知道被控对象的传递函数，即控制方案需要被控对象的精确模型。如果在设计控制系统时，依照某一对象的传递函数进行设计，一旦对象的参数在运行过程中发生变化，或者对象的传
46、递函数本来就不精确，按原参数设计的预估器就不能完全补偿对象的纯滞后。事实上，对于大多数过程控制系统来说，其被控对象的精确传递函数是写不出来的，而对象的纯滞后时间则可通过实验方法获得。因此要对该控制系统作一些改进。 将图 2-2 等效简化得到图 2-3 原理框图。图 2-3 改进 Smith 预估算法原理框图 由图 2-3 可以看出来，系统不需要被控对象的准确数学模型，因而不存在对象参数变化的影响，关键是对被控对象 C(s)未来 时刻其数值 C (s)的准确预估。如果能做到这一点，就能实现系统的无模型控制。2.3 反应釜温度控制系统 本课题要控制的 MMA 聚合反应主要是采用自由基聚合中的本体聚合。直接在 MMA 单体中