Smith预估控制的工程实现

Technology技术纵横76AUTOMATIONPANORAMA2012.4文献标识码：B文章编号：1003-0492(2012)04-0076-05中图分类号：TP202张连城（杭州和利时自动化有限公司，北京100176）Smith预估控制的工程实现EngineeringRealizationofSmithPredictiveControl摘要：Smith预估控制也叫纯滞后补偿控制。本文介绍了Smith预估控制的应用领域和应用对象，叙述了Smith预估控制在工程上如何实现及其基本原理，以及北京和利时集团的DCS系统关于Smith预估控制的工程实现方法和各种扰动试验的结果。关键词：Smith预估控制；纯滞后补偿控制Abstract:SmithPredictiveControlisalsocalledpurelagcompensationcontrol。ThispaperdescribesapplicationfieldsandapplicationobjectsoftheSmithpredictioncontrol,aswellasthebasicprincipleofengineeringrealization。WefurtherapplytheSmithpredictioncontrolengineeringmethodtotheDCSsystemoftheBeijingHollySysGroup,andtheresultsundervariousdisturbancesareprovided.Keywords:SmithPredictiveControl;PureLagCompensationControl是对过程参量的控制。过程控制通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。如图1所示。图1中控制器、执行器、测量元件或变送器这三个环节都属于自动化仪表，它们都是过程控制的工具。执行器和测量元件或变送器无论怎样升级换代，它们的功能比较单一，在控制系统中的作用一直没有什么变化，也不会有什么花样。控制器已经经历了几次大的变革，由模拟调节器、可编程调节器一直发展到DCS控制系统。2被控对象、对象特性、纯滞后图1中有三个环节是过程控制的工具，过程控制工具都是围绕着被控对象(过程)开展工作的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。不顾被控对象的特性，所有的控制方案都一概采用简单PID控制方案，其控制效果是不可能理想的。过程控制中绝大多数的被控对象都是有自平衡能力的对象。人们对被控对象特性的描述通常都使用传递函数作为工具。人们本文的目的是抛砖引玉，使大家有兴趣探讨各种各样复杂控制方案的工程实现。目前，DCS控制系统仍然是过程控制的重要控制工具。DCS控制系统的处理信息能力越来越强大，DCS控制系统的控制功能也越来越强大。同时，DCS控制系统的复杂控制方案的工程实现及DCS功能的二次开发的必要性也越来越大。1过程、过程参量、过程控制、过程控制方式过程控制涉及的领域很广，有石油、化工、冶金、电站、轻工、纺织、建材等行业，这里的“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和相互转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。过程控制就图1过程控制流程示意图㪉Ⰹ䐖㠌⥏㋹䐧㾦⼦㋹䐧㑠⡜㋹⤯㭞ⶪ㦦㋹䐧㡘䐕㾱㡘⥃㑠䊋ミ〓⢅㯮㡘⡜㋹ⰵ㼔⥃Ⰹ䐖772012.4AUTOMATIONPANORAMASmith预估补偿控制是克服纯滞后的一个有效的控制方法。其基本原理是与控制器并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分。Smith预估控制方式的工程实现实际上就是在PID调节器上并接一个Smith预估器，使其等效为一个带Smith预估器的调节器。如图2所示。Smith预估器的描述为：上式中也有3个参数：放大系数K，时间常数T和纯滞后时间。被控对象中的纯滞后环节是客观存在的，而带Smith预估器的调节器中的纯滞后环节是人为设计和加入的。理论上可以证明，如果预估模型匹配，也就是说，如果预估器中的K、T、这3个参数与被控对象的K、T、这3个参数一致，Smith预估器会十分有效地消除纯滞后对控制系统的影响，使控制系统的控制效果大大提高。4对象特性的获取、飞升曲线当然，Smith控制方法的前提是必须确切地知道被控对象的数学模型，在此基础上才能建立精确的预估模型。那么，如何确切地知道被控对象的对象特性呢？换句话说如何确切地知道被控对象的放大系数K，时间常数T和纯滞后时间这3个参数呢？对被控对象动态特性的了解，一种方法是通过分析被控对象的工作机理，建立被控对象的数学模型。但由于连续生产过程的复杂性，完全从机理上揭示其内在规律，获得精确的数学模型会有较大的困难。另一种方法是工程上经常使用的方法，它采用实验法来获得被控对象的数学模型。这种方法通过测量被控对象的阶跃响应曲线（又称为飞升曲线），近似确定被控对象的数学模型，研究被控对象的动态特性。过程控制中大多数被控对象都具有较大的惯性和时间延迟，一般不具有振荡特性，其飞升曲线是单调变化的。图3是飞升曲线的一个例子。对有自平衡能力的对象特性的描述结果通常都是一阶环节、二阶环节或高阶环节。然而，很多学者依据理论和实验双重手段的研究，都证明所有有自平衡能力的对象，不论是一阶、二阶还是高阶对象，其对象特性的描述都可以用一阶惯性环节和纯滞后环节的组合来加以表述。上式中表示的被控对象有3个参数：一阶惯性环节的放大系数K，一阶惯性环节的时间常数T和纯滞后环节的纯滞后时间。工程上，被控对象通常以过程参量(温度、压力、流量、液位、成分、浓度)来描述，因此就有温度对象、压力对象、流量对象等，相应的就有温度控制、压力控制、流量控制等。在这些被控对象中，温度对象具有较大的惯性和纯滞后。例如，应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、酒精、淀粉、制药等诸多行业领域的各种加热炉的炉温控制以及热交换器温度控制、过热汽温控制、超塑性微挤压装置温度控制、反应釜温度控制、导热油炉温度控制等各种温度控制的被控对象,即温度对象都可以用一阶惯性环节和纯滞后环节的组合来加以表述，而且它们都存在着较大的纯滞后。由于纯滞后的存在，被控量不能及时地反映系统所承受的扰动，从而产生明显的超调，使得控制系统的稳定性变差，调节时间延长，对系统的控制增加了很大的困难。对于这样的被控对象，采用什么样的控制方式会达到较理想的控制效果呢？答案是十分肯定的，使用常规的简单PID控制方式是不行的，理智的选择应该是Smith预估控制方式。从实际整定中可以看到，当纯滞后时间相对于时间常数K较小时，采用Smith预估控制方式和简单PID控制方式的控制效果差不多，但是当纯滞后时间相对于时间常数K较大时，Smith预估控制方式就比简单PID控制方式的控制效果好很多。3纯滞后的补偿、纯滞后补偿的工程实现Smith预估控制也叫纯滞后补偿控制，顾名思义，这种控制方式主要作用就是针对纯滞后进行补偿。Smith预估控制是一个十分成熟的控制方式，很多研究生以Smith预估控制为题书写毕业论文，很多人在理论上对它做出各种各样的研究。本文不打算在理论上再去探究和推导，而只想说明Smith预估控制在工程上如何实现。sPeTsksG⋅−+=1)()1(1seTsk⋅−−+图2Smith预估控制方式示意图㪉Ⰹ䐖㠌⥏㋹䐧㾦⼦㋹䐧㑠⡜㋹⤯㭞ⶪ㦦㋹䐧㡘䊅⹡㡘䐕㾱㡘⥃㑠䊋ミ〓⢅㯮㡘⡜㋹ⰵ㼔⥃Ⰹ䐖Technology技术纵横78AUTOMATIONPANORAMA2012.4得到飞升曲线的方法是：将PID调节器置于手动工作方式，手动输出一个阶跃信号，该信号就是广义被控对象(含有执行器、变送器的被控对象)的输入信号，广义被控对象的响应就是PID调节器的过程输入信号，从阶跃信号开始到响应信号达到稳态值，响应信号的变化过程就是一条曲线。对象特性不同，稳态值不同，时间常数T不同，纯滞后时间不同，但是，曲线形状都是飞升曲线。放大系数K表示输入信号通过被控对象后稳态输出是输入的K倍。所以，放大系数K可以通过输出的稳态值与输入阶跃值之比求得。时间常数T和纯滞后时间可以通过飞升曲线上的拐点做切线得到。1985年开始的一些年里我曾经使用可编程单回路调节器中的相关功能块搭过带Smith预估器的调节器，在很多现场应用后，效果不错。我也曾经使用一台可编程单回路调节器搭一个带Smith预估器的调节器，另一台可编程单回路调节器搭一个带纯滞后环节的被控对象，在实验室中通过修改K、T、这3个参数来试验PID调节的效果。试验证明，Smith预估控制的效果确实依赖于我们对被控对象的了解，确实依赖于我们对被控对象特性的描述是否正确。好在飞升曲线很容易做，获取对象特性的K、T、这3个参数的方法很容易实现，只是需要注意对象特性的K、T、这3个参数的准确性越准确，则控制效果越好。5和利时公司DCS系统关于Smith预估控制方式的工程实现（1）和利时公司DCS系统的CoDesys控制器算法的HS_TimeField.lib库中有一个HSFSMITH功能块，功能块的说明是这样的:HSFSMITH(*一阶滞后补偿*)(*Firststepsmithlagcompensate*)。它就是Smith预估器。HSFSMITH功能块的变量说明见表1、表2。HSFSMITH功能块的算法表达式如下：（2）Smith预估器作为一个补偿环节，它的补偿信号是加入HSPID调节器的IC端的，HSPID调节器中有这样的说明：IC:REAL:=0;(*输入补偿,反作用时,补偿后的偏差ek为(SP-PV)+IC,正作用时为-((SP-PV)+IC)*)，这就是说，不论是正作用还是反作用，加到HSPID调节器IC端的输入补偿信号在HSPID调节器中所起作用都是抵消PV的变化。（3）图4所示就是和利时公司DCS系统在控制器算法组态中做出的一个带Smith预估器的调节器，它的核心仍然是一个简单PID调节器，一个简单PID调节器与一个Smith预估器的有机结合，就构成了一个特种调节器，它是一种复杂控制方案。Smith预估器的基本思路是：预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对纯滞后进行补偿，力图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，从而抵消掉纯滞后特性所造成的影响，减小超调量，提高系统的稳定性。Smith预估器的输出表1输入信号输入端数据类型功能描述初始值补充INReal输入信号0KGReal放大系数1TCReal时间常数1LGTByte纯滞后时间1为运算周期个数输出端数据类型功能描述初始值补充AVReal输出信号0表2输出信号)()1(1)(SINeSTCkGSAVsLGT×−+×=×−图4带Smith预估器的调节器73,'$973,'7,79+6)60,7+7607,1$9.*7*/*7+63,'63$939,&2&7376&30&&0&&50377,.'7'272%3,'图3飞升曲线792012.4AUTOMATIONPANORAMA信号对于PID调节器来说只是一个输入信号的补偿。补偿得好，控制效果会有很大的提高，补偿得不好，还是一个简单PID调节器，不会有不良后果。（4）Smith预估器是否因为阀门的气开特性和气关特性不同而需要特别考虑呢？不用。现场的情况很多，但是主要有下面几种情况。例如，减温水控制，控制喷淋水，应该是气开阀搭配调节器的正作用，气关阀搭配调节器的反作用；再例如，加热炉炉温控制，控制燃油，应该是气开阀搭配调节器的反作用，气关阀搭配调节器的正作用。无论怎样搭配，搭配的目的是构成负反馈控制系统，只要是负反馈就行了。Smith预估器作为输入补偿，不用考虑阀门的特性。6仿真及其说明（1）在CoDesys控制器算法的HS_TimeField.lib库中有一个OneStepLag功能块，功能块的说明是这样的:OneStepLag(*一阶纯滞后环节*)(*theonestep