孙明
四联智能技术股份有限公司 陕西西安 710000
摘要：在集中供暖的热力站控制系统中，由于被控对象本身具有非线性、纯滞后、参数时变等特点，常规的PID控制器难以达到理想的温度控制效果，提出了一种基于Smith预估补偿的模糊自适应PID控制器，并给出了该控制器的具体设计方法，仿真结果表明该控制器具有良好的稳定性和鲁棒性。
关键词：Smith预估补偿；模糊自适应PID；热力站
1 引言
集中供热因其具有减少环境污染、节约能源等优点，得到了广泛应用。集中供热系统是一个包含热源、热网和热用户的复杂系统，热网换热站是连接热源与热用户之间的一个极为重要的中间环节，因此换热站的运行工况直接影响着整个供暖系统的供暖效果。
在换热站控制过程中，由于噪声、负载扰动和其他一些环境条件变化的影响，受控过程参数、模型结构均将发生变化，难以建立模型，针对这一情况，本文设计了一种Smith预估补偿的模糊自适应PID控制器，实现了PID参数的在线自调整功能，进一步完善了PID控制的自适应性能，而且引入了Smith预估补偿器，克服了系统的动态纯滞后问题，并通过仿真取得了较好的控制效果。
2 基于Smith预估补偿的模糊自适应PID控制器的设计
2.1 Smith模糊自适应PID控制器的原理
该控制器的设计思想是先找出PID 3个参数与误差e和误差的变化ec之间的模糊关系[2]，在运行中不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改以满足在不同e和ec时对控制器参数的不同要求，接着由Smith补偿器进行滞后补偿，最终使整个控制系统具有良好的性能指标。其中表示被控对象的传递函数，为被控对象不包含纯滞后部分的传递函数，为被控对象纯滞后部分的传递函数。
2.2 模糊自适应PID控制器的设计
以常规PID控制为基础，采用模糊推理，将被控量的偏差e及偏差变化率ec作为二维模糊控制器的输入变量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊控制规律在线整定PID参数，便构成了自适应模糊PID。
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模糊决策采用Mamdani型推理算法，模糊输入语言变量和输出变量的隶属函数均为三角形。
根据参数、、对系统输出特性的影响情况，可归纳出系统在被控过程中对于不同的偏差E和偏差变化率EC，参数、、的自整定原则[4]如下：
(1)当偏差E较大时，为了加快系统的响应速度,并防止因开始时偏差E的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较大的和较小的通常取=0。
(2)当偏差E和偏差变化率EC为中等大小时，为了使系统响应的超调量减小和保证一定的响应速度，应取小一些;在这种情况下，的取值对系统影响很大,也应取小一些；的取值要适当。
(3)当偏差E较小时，为了使系统具有较好的稳态性能,应增大、值，同时为避免输出响应在设定值附近振荡，以及考虑系统的抗干扰能力,应适当选取。其原则是：当偏差变化率EC较小时，取大一些，当偏差变化率EC较大时，取较小的值；通常为中等大小。
3 系统控制算法的仿真
本系统的被控对象换热器可用纯滞后环节和一阶惯性环节来近似描述，在Matlab里Simulink仿真工具下对控制系统进行搭建得到图1所示的仿真框图。采用MATLAB对系统进行了两种情况下的仿真对比研究。
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3.1 模型匹配时
在Smith预估器模型参数和对象模型参数一致时，,采用Smith模糊自适应PID控制器、Smith-PID控制器对系统进行仿真，响应曲线如图2所示。从图6的仿真结果可以看出，使用Smith模糊自适应PID控制器的系统，与PID控制器相比，无超调量，调节时间短，总体来看，二者控制效果都比较理想。
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3.2 模型失配时
系统工况的变化将使系统模型发生相应的变化，所以当对象参数变化为T=48时，Smith-PID控制系统与Smith模糊自适应PID控制系统的响应曲线如图3所示，从仿真曲线可以看出，采用Smith模糊自适应PID控制器，超调量小，调节时间较短，稳定性好。
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4 结论
具有非线性、大惯性、纯滞后换热站温度控制系统，采用Smith模糊自适应PID控制器弥补了传统的PID控制器不能实时调整参数的不足，同时消除了纯滞后带来的影响，通过两种情况的仿真表明，该控制器具有良好的稳定性和鲁棒性，取得了较好的控制效果。
参考文献
[1] 辛星.工业加热炉温度Smith模糊自适应PID控制算法研究[J]中国科技信息，2009，12:52-53.
[2] 张泾周,杨伟静,张安祥.模糊自适应PID控制的研究及应用仿真[J]计算机仿真，2009，26（9）：132-135.
作者简介：孙明（1983-12-16），男，汉族，陕西省西安市人，新时代（西安）设计研究院有限公司。