換熱站溫度主要特點是時變性、大滯后性，對于大滯后系統(tǒng)，PID控制效果并不好，需要另加補償，因此提出了Smith預(yù)估補償控制系統(tǒng)。而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時具有好的性能指標 ,但是由于這種算法嚴重依賴模型的精確匹配 ,而在實際中這是很難做到的 ,特別是針對時變的換熱站溫度控制系統(tǒng)。當模型失配時,Smith 預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果。本文研究了Smith模糊PID智能控制器的設(shè)計，該方法將模糊PID與Smith預(yù)估控制方案相結(jié)合，從而提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

1．Smith預(yù)估器

Smith預(yù)估器是O.J.M. Smith[1]提出的一種純滯后補償辦法。Smith預(yù)估器結(jié)合對象模型對對象變量進行預(yù)估，將純滯后移到閉環(huán)之外，然后將被控對象作為無滯后的對象進行控制器的設(shè)計。

該結(jié)論是在以下的條件下得出的：

 

由式(1.1)看出，Smith預(yù)估器從理論上消除了滯后因子 對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。對應(yīng)的等效帶純滯后補償?shù)恼{(diào)節(jié)器為：

 

2模糊PID控制

2.1模糊控制器

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制【2】，其基本原理如下圖2所示。它的核心部分為模糊控制器，控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。微機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，與給定值比較得到誤差信號e，再進行模糊化變成模糊量E。模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集^e(^e 是一個模糊量)，再由^e和模糊控制^R規(guī)則 (模糊算予)根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量^u為：

為了對被控對象施加精確的控制，還要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，得到精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制。

PID參數(shù)模糊自整定是找出P、I、D3個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在允許中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

本文采用的模糊控制規(guī)則如下表所示：

2.3 .Smith模糊PID控制

3．換熱站溫度控制系統(tǒng)仿真研究

本文中的被控對象——換熱站溫度控制系統(tǒng)可用純滯后環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)來近似描述，換熱站溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以取為[3]：

根據(jù)以上控制器的設(shè)計，得到換熱站溫度控制系統(tǒng)的Simulink仿真圖如下圖5所示：

3.1.模型匹配時

在Smith預(yù)估器模型參數(shù)和對象模型參數(shù)一致時，采用Smith模糊PID控制器、模糊PID控制器對系統(tǒng)進行仿真，響應(yīng)曲線如圖6所示（1—Smith模糊PID控制器，2—模糊PID控制器）。從仿真結(jié)果可以看出，使用用Smith模糊PID控制器的系統(tǒng)與使用模糊PID控制器的系統(tǒng)相比，無超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間短。

4結(jié)論

基于Smith預(yù)估模糊PID控制的換熱站溫度控制系統(tǒng)，消除了以往控制難以解決的問題，有效解決了換熱站溫度的大滯后性、非線性等難題，減少了換熱站溫度的波動，實現(xiàn)了換熱站溫度的精確控制。現(xiàn)場運行表明該控制方法具有動態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高、以及魯棒性好的優(yōu)點?？蓮V泛用于其它時變、時滯、非線性的復(fù)雜工業(yè)過程[4]。

參考文獻:

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

[2]新型PID控制及其應(yīng)用，[M]陶永華 主編 機械工業(yè)出版社 第二版  2002.9　160-170

[3]Smith自適應(yīng)模糊PID控制控制算法的研究及仿真 【J】張明光 王鵬 王兆剛  甘肅科學(xué)學(xué)報2008.03 

[4]基于Smith模糊PID控制的加熱器溫度控制系統(tǒng) 【J】王春艷 控制系統(tǒng) 2012（6）