基于Smith模糊PID控制算法的换热站温度控制系统

　　随着经济和社会的发展以及人民生活水平的提高，人们对基本生活水平的要求越来越高。作为人民基本生活要求之一的冬季采暖，也越来越受到人们的关注。我国的城市集中供热真正起步是从50年代开始的。党的十一届三中全会后，特别是国务院1986年下发《关于加强城市集中供热管理工作的报告》，对我国的集中供热实业的发展起到极大的推动作用。作为集中供热系统中的重要环节，换热站在整个供热系统中起到了举足轻重的作用。但是我国现行的换热站运行管理仍处于手工操作阶段，大部分依靠经验来进行温度调节，影响了集中供热优越性的充分发挥。

　　换热站温度主要特点是时变性、大滞后性，对于大滞后系统，PID控制效果并不好，需要另加补偿，因此提出了Smith预估补偿控制系统。而 Smith 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的 ,特别是针对时变的换热站温度控制系统。当模型失配时,Smith 预估算法就难以取得良好的控制效果。本文研究了Smith模糊PID智能控制器的设计，该方法将模糊PID与Smith预估控制方案相结合，从而提高了控制系统的稳定性和鲁棒性。

　　1.Smith预估器

　　Smith预估器是O.J.M. Smith[1]提出的一种纯滞后补偿办法。Smith预估器结合对象模型对对象变量进行预估，将纯滞后移到闭环之外，然后将被控对象作为无滞后的对象进行控制器的设计。

　　在图1中， 代表被控对象中不含纯滞后部分的传递函数， 代表被控对象的纯滞后部分， 代表纯滞后时间， 代表控制器的传递函数， 代表对象模型中不含纯滞后部分的传递函数， 代表对象模型纯滞后部分。

　　补偿后的闭环传递函数为：

　　该结论是在以下的条件下得出的：

　　由式(1.1)看出，Smith预估器从理论上消除了滞后因子 对系统稳定性的影响。对应的等效带纯滞后补偿的调节器 为：

　　2模糊PID控制

　　2.1模糊控制器

　　模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制【2】，其基本原理如下图2所示。它的核心部分为模糊控制器，控制规律由计算机的程序实现。微机经中断采样获取被控制量的精确值，与给定值比较得到误差信号 ，再进行模糊化变成模糊量 。模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差E的模糊语言集合的一个子集 ( 是一个模糊量)，再由 和模糊控制规则 (模糊算予)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量 为：

　　为了对被控对象施加精确的控制，还要将模糊量转换为精确量，得到精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象进行控制。

　　2.2模糊PID控制

　　模糊PID控制器是在一般PID控制系统的基础上，增加一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线调整PID参数的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和PID控制器两者结合起来，扬长避短，同时具有模糊控制灵活、适应性强，以及具有PID控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果，结构如图3。

　　调整PID控制器的模糊控制输出它们分别调整PID控制器的比例、积分和微分。

　　PID参数模糊自整定是找出P、I、D3个参数与e和ec之间的模糊关系，在允许中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对3个参数进行修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。

　　本文采用的模糊控制规则如下表所示：

　　2.3 .Smith模糊PID控制

　　对于换热站来说，温度控制的精度直接影响了集中供热系统的供热质量。针对这一问题，本文提出一种基于Smith预估器和模糊PID的智能控制方案。采用模糊PID控制的动态性能好、抗干扰能力强、鲁棒性好等特点来提高系统的稳态精度;采用Smith预估器来实现对换热站温度控制系统的大滞后特性的动态补偿。同时两者在一定程度上克服被控对象模型参数的变化带来的不利影响。

　　3.换热站温度控制系统仿真研究

　　本文中的被控对象——换热站温度控制系统可用纯滞后环节和一阶惯性环节来近似描述，换热站温度控制系统的动态特性可以取为[3]：

　　根据以上控制器的设计，得到换热站温度控制系统的Simulink仿真图如下图5所示：

　　3.1.模型匹配时

　　在Smith预估器模型参数和对象模型参数一致时，采用Smith模糊PID控制器、模糊PID控制器对系统进行仿真，响应曲线如图6所示(1—Smith模糊PID控制器，2—模糊PID控制器)。从仿真结果可以看出，使用用Smith模糊PID控制器的系统与使用模糊PID控制器的系统相比，无超调量，调节时间短。

　　3.2.模型失配时

　　在实际工业过程中，系统工况的变化将使得系统模型发生相应的变化，所以当对象参数变化为 ， 时，Smith模糊PID换热站温度控制系统、Smith换热站温度控制系统与模糊PID换热站温度控制系统的响应曲线如图7所示(1—Smith模糊PID控制器，2—Smith，3—模糊PID控制器);从以下两张仿真曲线可以看出，采用Smith模糊PID控制器控制换热站温度控制系统，超调量小，调节时间短，稳定性好【3】。

　　4结论

　　基于Smith预估模糊PID控制的换热站温度控制系统，消除了以往控制难以解决的问题，有效解决了换热站温度的大滞后性、非线性等难题，减少了换热站温度的波动，实现了换热站温度的精确控制。现场运行表明该控制方法具有动态性能好、稳态精度高、以及鲁棒性好的优点。可广泛用于其它时变、时滞、非线性的复杂工业过程[4]。

　　参考文献:

　　[1] O. J. M. Smith, Closer control of loops with delay time [J ]. ISA,1959,63(2):28-33.

　　[2]新型PID控制及其应用，[M]陶永华 主编 机械工业出版社 第二版 2002.9　160-170

　　[3]Smith自适应模糊PID控制控制算法的研究及仿真 【J】张明光 王鹏 王兆刚 甘肃科学学报2008.03

　　[4]基于Smith模糊PID控制的加热器温度控制系统 【J】王春艳 控制系统 2012(6)