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0. 引言
在實際工業生產過程中，具有大慣性、純滯后、時變性等特點的被控對象十分普遍。隨著生產過程或設備的運行狀況和運行環境的改變，被控對象往往表現出一定的不確定性。
為了解決系統中的大延遲，國內外的不少學者、科技工作者作了大量的研究，但是成功地用于工程實踐中的具體實例卻沒有多少。基于此，本文對一種新型的Smith預估器進行了簡單的介紹，并利用其對電加熱爐的傳統爐溫控制方法進行了改進，針對被控對象的模型隨時間變化的情況，進行了仿真，證實了其在工業控制中的可行性。
1. 傳統兩種控制方法介紹
1．1 PID控制方法
PID控制是最早發展起來的控制方法之一，由于其算法簡單，通用性好，魯棒性強且可靠性高，被廣泛用于工業過程控制，對于一般受控對象或τ/T<0.6的純滯后對象的控制問題可獲得較好的控制效果。而對于大純滯后和參數不確定的上述被控對象，常規PID控制器對運行工況適應性很差，所以控制性能難以取得令人滿意的效果[2]。
1．2 Smith預估器
Smith預估器是得到廣泛應用的時滯系統的控制方法。該方法的基本思路是:預先估計出系統在基本擾動下的動態特性,然后由預估器對時滯進行補償,力圖使被延遲了的被調量超前反映到調節器,使調節器提前動作,從而抵消掉時滯特性所造成的影響:減小超調量,提高系統的穩定性和加速調節過程,提高系統的快速性。但是，在實際工業過程中，被控對象通常是時變的，這就使補償器模型和實際對象的模型發生了不一致，一般當Kp和τ的變化為10%~15%時，史密斯預估補償器就失去了良好的控制效果。在工業生產過程中要獲得精確的廣義對象模型是十分困難的，況且對象特性又往往隨著運行條件變化而變化。因此，雖然理論上證明了史密斯預估補償的良好補償效果，但在工程應用上還有一定的局限性。需要控制工作者做出進一步的改進。
2． 增益自適應Smith預估補償控制[1]
無論是經典的PID控制、Smith補償控制，還是自適應控制技術和智能控制技術的應用，都有其獨特的優點和不可避免的局限性，綜合考慮技術的工業可行性與在實際實施過程中的難度，我分別采用了PID控制器、Smith預估器和增益自適應Smith補償控制對同一對象進行了對比仿真，并給出了在變化工況下的特性曲線。現對增益自適應Smith補償的結構進行簡單介紹。
增益自適應補償控制是1997年由賈巴斯（R.F.Giles）和巴特利（T.M.Bartley）提出的。它是Smith預估補償控制基礎上改進，其結構圖如圖1所示。
圖1 增益自適應Smith預估控制系統框圖
除法器是將過程斬輸出值除以預估模型的輸出值；識別器中的微分時間Td=τp，它將使過程輸出比估計模型輸出提前τp的時間進入乘法器，乘法器將預估器輸出乘以識別器輸出后送入控制器。這三個環節的作用是根據預估補償模型和過程輸出信號之間的差值，提供一個能自動校正預估器增益的信號。
在理想情況下，當預估器模型與真實對象的動態特性完全一致時，圖中除法器的輸出是1，所以輸出是也是1，此時即為Smith預估補償控制。
在實際情況下，預估器模型往往與真實對象的動態特性的增益存在著偏差，增益自適應補償控制能起自適應的作用。因為從補償原理可知，若廣義對象的增益由Kp增大到Kp+△K，則除法器的輸出A/B=（Kp±△K）/Kp，假設真實對象動態參數不變，此時，識別器中微分項不起作用,因而識別器輸出也是（Kp±△K）/Kp。這樣，乘法器輸出變為（Kp±△K）Gp(s),可見反饋量也變化了△K，相當于預估模型增益變化了△K，故在對象增益變化△K后，仍能完全補償。
3．電加熱爐建模分析
1）電加熱爐結構：
電加熱爐本身用上、下兩組爐絲進行加熱，用上、下兩組熱電偶檢測爐內溫度，此電加熱爐為一雙輸入雙輸出的受控對象。
2）控制要求：
實驗室用電加熱爐，溫度范圍在200~500℃范圍之內,要求溫度從室溫上升到規定溫度后長期穩定在規定溫度范圍內,其溫差要求最好不超過±2℃。
3）建立模型：
1.用階躍響應法近似確定電加熱爐的連續模型
當在電加熱爐輸入端加一階躍信號μ(t)=4V時,對其輸出端溫度信號y進行采樣,繪制圖形。采樣周期為30s。實驗系統框圖如圖2所示。
圖2 實驗系統框圖
利用圖3所示的方法確定電加熱爐的實驗模型：其中τ為時間軸原點至通過拐點切線與時間軸交點的時間間隔；Td為被控變量y完成全部變化量的63.2%所用的時間τo.則Kd=△y/△u.
圖3 階躍響應曲線
經過計算，可以比較接近實際的得出電加熱爐的數學模型為
故Smith預估器模型選用
4．仿真結果
對象特性變化
;對象特性變化后
;PID控制器傳遞函數為Gc(s)= (80s2+10s+0.5)/(20s+0.1); 經過Matlab仿真實驗，可以得出結果，如圖4、圖5、圖6所示。
圖4 傳統方法對象變化前響應曲線
圖5 傳統方法對象變化后響應曲線
圖6 新型Smith預估器在對象特性變化
前后的響應曲線
5．結束語
從仿真實驗可以看出，在對象特性的增益發生變化時，PID控制和Smith預估控制的階躍響應曲線都在不同程度上變化比較大，包括超調量和過渡時間都發生了變化。但是，通過本系統所采用的增益自適應Smith預估控制方案，在對象增益Ko值發生比較大的變化時，超調量也只是小幅變化，過渡時間基本保持沒有太大的變化，調節品質基本符合要求。對于本系統，為了保證超調量不至于太大，應把Smith預估器模型的增益Ko'設置成對象增益的變化范圍的上限，這樣可以有效抑制超調。另外，有實際實施過程中，本系統所采用的自適應Smith預估控制對其它對象參數如遲延時間τ和慣性常數Td也有一定的適應能力。為了更進一步改進控制效果，可以考慮在原有設計的基礎上，增加一個PID模塊的參數在線調整功能，使PID參數最優化，從而更好的實現對溫度的調節。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號