[发明专利]一种基于Smith-PID的供暖锅炉温度控制方法

说明书

本发明公开了一种基于Smith‑PID的供暖锅炉温度控制方法，采用史密斯预估控制，表现为对基于采集数据建立的PID控制器并接一个补偿环节，由预估器进行补偿，使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。本发明采用的智能控制算法,不仅可以缩短系统的控制调节时间，减小超调量对于设备的损耗，如对输热管的力学冲击,而且稳态特性也满足供暖站的精度要求；本发明采用的算法具有较强的鲁棒性；同时本发明与通常采用的经典PID算法系统相比,采用本发明算法的换热站可减少煤炭的消耗，间接减少二氧化碳的排放,实现节能环保等目的。

技术领域

本发明涉及锅炉温度的控制方法，具体是一种基于Smith-PID的供暖锅炉温度控制方法。

背景技术

在锅炉温度调节过程中，对于滞后时间与时间常数采用常规的PID算法将难以获得好的控制效果，一般对于纯滞后系统，人们更关心的是如何使超调量达到期望温度值，而对快速性未作太严格的要求。为此，本发明提出一种利用Smith预估器来补偿系统时滞环节的方法，提高供暖锅炉温度调整效率。

发明内容

采用史密斯预估控制，表现为给PID控制器并接一个补偿环节，该补偿环节称为Smith 预估器。Smith预估补偿是在供暖锅炉温度控制系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与主信号部分分离。其特点是预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，使被延迟了的被调量超前反映到温度调节器，使温度调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使供暖锅炉控制系统品质与被控过程无纯滞后时相同。

如图1为带Smith补偿的PID供暖锅炉温度控制系统。控制器的传递函数为D(s)，被控对象即锅炉炉膛系统的传递函数为G_P(s)e^-τs，τ为纯滞后时间常数，s为时间变量。被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为G_P(s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e^-τs。带Smith补偿的PID温度控制系统由控制器D(s)和Smith预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，纯滞后补偿器的传递函数为：

经补偿后系统的闭环传递函数为：

与之相比，未补偿的系统闭环传递函数为：

由此可知经过补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式子中的e^-τs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e^-τs仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个纯滞后时间τ，而温度控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为G_P(s)时完全相同。

由图2可见，基于Smith-PID的纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成：一部分是数字 PID控制器；一部分是Smith预估器。滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定N个单元作为存放信号m(k)的历史数据，存储单元的个数N由下式决定。

N＝τ/T

式中，τ为纯滞后时间常数，T为采样周期，k为时间变量。每采样一次，把m(k)记0单元，同时把0单元原来存放数据移到1单元，1单元原来存放的数据移到2单元，依此类推。从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期m(k-N)信号。