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  dbsi33 2017-12-16 00:00:00

  Smith補償與大林算法的比較 摘要:研究了兩類用于時滯系統(tǒng)控制的方法，即包括自整定PID控制Smith預(yù)估控制和Dahlin算法在內(nèi)的經(jīng)典控制方法和包括模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拉制在內(nèi)的智能控制方法，經(jīng)過比較后認(rèn)為經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)簡單，可靠性及實用性強，而智能控制則具有自適應(yīng)性和堅固性好，抗干擾能力強的優(yōu)勢，因而將這兩種控制方法結(jié)合起來是控制時滯系統(tǒng)有效實用的方法，具有很好的應(yīng)用前景. 1引言 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，具有時滯特性的控制對象是非常普遍的，例如造紙生產(chǎn)過程，精餾塔提餾級溫度控制過程，火箭發(fā)動機燃燒室中的燃燒過程等都是典型的時滯系統(tǒng).為解決純滯后時間對系統(tǒng)控制性能帶來的不利影響，許多學(xué)者在理論和實氏 上做了大量的研究工作，提出了很多行之有效的方法.本文主要介紹其中兩類研究得比較多的控制方法，即Z早在時滯系統(tǒng)控制中應(yīng)用的幾種經(jīng)典控制方法和近年來受到廣泛關(guān)注的智能控制方法. 2經(jīng)典控制 所謂經(jīng)典控制方法是指針對時滯系統(tǒng)控制問題提出并應(yīng)用得Z早的控制策略，主要包括自整定PID控制，Smith預(yù)估控制，大林算法這幾種方法.這些方法雖然理論上比較簡單，但在實際應(yīng)用中卻能收到很好的控制效果，因而在工業(yè)生產(chǎn)實踐中獲得了廣泛的應(yīng)用. 2.1自整定PID控制 PID控制器由于具有算法簡單，魯棒性好和可靠性高等特點，因而在實際控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的運用，據(jù)統(tǒng)計PID控制是在工業(yè)過程控制中應(yīng)用Z為廣泛的一種控制算法.PID控制的難點在于如何對控制參數(shù)進行整定，以求得到Z佳控制 效果.較早用來整定PID控制器參數(shù)的方法有:Ziegler-Nichols動態(tài)特性法，Cohen-Coon響應(yīng)曲線法，基于積分平方準(zhǔn)則ISE的整定法等.但是這些方法只能在對象模型精確己知的情況下， Cui，Kunfln Zhang，Yifei實現(xiàn)PID參數(shù)的離線整定，當(dāng)被控對象特性發(fā)生變化時，就必須重新對系統(tǒng)進行模型辨識.為了能在對象特性發(fā)生變化時，自動對控制器參數(shù)進行在線調(diào)整，以適應(yīng)新的工況，PID參數(shù)的自整定技術(shù)就應(yīng)運而生了.目前用于自整定的方法比較多，如繼電型自整定技術(shù)，基于過程特征參數(shù)的自整定技術(shù)，基于給定相位裕度和幅值裕度的SPAM法自整定技術(shù)，基于遞推參數(shù)估計的自整定技術(shù)以及智能自整定技術(shù)等.總體來看這類自整定PID控制器對于(T為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù))的純滯后對象控制是有效的，但對于大純滯后對象，當(dāng)時，按照上述方法整定的PID控制器則難以穩(wěn)定. 2.2 Smith預(yù)估控制 Smith于1957年提出的預(yù)估控制算法，通過引入一個與被控對象相并聯(lián)的純滯后環(huán)節(jié)，使補償后的被控對象的等效傳遞函數(shù)不包括純滯后項，這樣就可以用常規(guī)的控制方法(如PID或PI控制)對時滯系統(tǒng)進行控制.Smith預(yù)估控制方法雖然從理論 上解決了時滯系統(tǒng)的控制問題，但在實際應(yīng)用中卻還存在很大缺陷.Palmor提出Smith預(yù)估器存在這樣兩點不足:1.它要求有一個精確的過程模型，當(dāng)模型發(fā)生變化時，控制質(zhì)量將顯著惡化;2.Smith預(yù)估器對實際對象的參數(shù)變化十分敏感，當(dāng)參數(shù)變化較大時，閉環(huán)系統(tǒng)也會變得不穩(wěn)定，甚至完全失效.Watanabe進一步指出Smith預(yù)估器的兩個主要缺陷:1.系統(tǒng)對擾動的響應(yīng)很差;2.若控制對象中包含的極點時，即使控制器中含有積分器，系統(tǒng)對擾動的穩(wěn)態(tài)誤差也不為零.另外Smith預(yù)估器還存在參數(shù)整定上的困難，這些缺陷嚴(yán)重制約了Smith預(yù)估器在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用.針對Smith預(yù)估器存在的不足，一些改進結(jié)構(gòu)的Smith預(yù)估器就應(yīng)運而生了.Hang C C等針對常規(guī)預(yù)估控制方案中要求受控對象的模型精確這一局限，在常規(guī)方案基礎(chǔ)上，外加調(diào)節(jié)器組成副回路對系統(tǒng)進行動態(tài)修正，該方法的穩(wěn)定性和 魯棒性比原來的Smith預(yù)估系統(tǒng)要好，它對對象的模型精度要求明顯地降低了.Watanabe提出的改進結(jié)構(gòu)的Smith預(yù)估器采用了一個YZ擾動的動態(tài)補償器M(s)，通過配置M(s)的極點，能夠獲得較滿意的擾動響應(yīng)及對擾動穩(wěn)態(tài)誤差為零.對于Smith預(yù)估器的參數(shù)整定問題，張衛(wèi)東等人提出了一種解析設(shè)計方法，并證明該控制器可以通過常規(guī)的PID控制器來實現(xiàn)，從而能根據(jù)給定的性能要求(超調(diào)或調(diào)節(jié)時間)來設(shè)計控制器參數(shù). 2.3大林算法 大林算法是由美國IBM公司的Dahlin于1968年針對工業(yè)過程控制中的純滯后特性而提出的一種控制算法.該算法的目標(biāo)是設(shè)計一個合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)，使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間等于被控對象的純滯后時間.大林算法方法比較簡單，只要能設(shè)計出合適的且可以物理實現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器D(z)，就能夠有效地克服純滯后的不利影響，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用.但它的缺點是設(shè)計中存在振鈴現(xiàn)象，且與Smith算法一樣，需要一個準(zhǔn)確的過程數(shù)字模型，當(dāng)模型誤差較大時，控制質(zhì)量將大大惡化，甚至系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定.實際上已有文獻證明，只要在Smith預(yù)估器中按給定公式設(shè)計調(diào)節(jié)器D伺，則Smith預(yù)估器與Dahlin算法是等價的，Dahlin算法可以看作是Smith預(yù)估器的一種特殊情況.

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