基于Smith预估器的换热器温度控制系统的研究

　　在供暖系统中为保证热源工作安全，在热源与用户管网之间通过换热器完成热量的传递及介质的隔离。

　　对于决定换热器动态响应的特性参数，机理分析和工程实践都表明，换热器是一个惯性和滞后均较大的被控系统，且是分布参数的。通常认为当过程的纯延迟时间S与其动态时间常数T的关系满足S/T 3时，则为大延迟控制系统。由于大延迟控制系统具有超调量大、响应时间长及系统稳定性差等缺点，故通常在设计这类系统时采用微分先行或中间反馈方案来提高控制系统的品质，但是有效的仍是Smith预测控制方案，因为它能有效补偿系统大延迟所带来的不良后果。

　　本文介绍了Smith预估器的工作原理、其在换1换热器温度控制原理为蒸汽-水换热器的工作原理图。加热介质为蒸汽，冷流体为水，控制目标是通过调节蒸汽流量来保证换热器出口热水温度稳定。温度控制器由微机控制。

　　其工作原理为：温度传感器T测量换热器出水温度，把信号传送至DDC现场控制器，此为温度控制的主回路。同时，控制器还接受室外温度传感器T3发出的辅助信号，控制器根据预先设置的工作曲线，调整出水温度的设定值，控制电动调节阀M的开度，调节换热器入口的高温介质流量。使扰。从可以得出换热器一般温控系统闭环传递函数为：由于特征方程里含有e-Ss项，这对控制系统稳定性极其不利，若S足够大，系统就很难稳定；而且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器的设计变得复杂。

　　2.2Smith预估器的控制机理Smith预估器控制的基本思路是：预先估计过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了S的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量并加速调节过程。其控制原理图如所示。

　　2.1换热器一般温控系统根据换热器的结构及一般热力学原理，可得被控对象传递函数的近似表达式为分。

　　-对象的传递函数；-对象的放大系数；-对象的时间常数；-对象的纯时间滞后；-对象传递函数中不含纯滞后的部可以看出，它是一个带纯滞后的一阶惯性环节。

　　-般的温控系统如所示。图中幻为参9分别给出了PID控制及Smith预估控制定值阶跃扰动下的闭环仿真曲线。

　　曲线显示Smith预估器控制的作用完全实现，即常规PID控制由预估器进行补偿控制后，使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调使之成为单调上升的过程，预从，9可以看出，Smith预估控制的超调量及调节时间都明显小于PID控制。仿真表明Smith预估器控制具有较好的响应速度和良好的对象适应能力。

　　5实际应用效果通过对仿真结果的分析可知，当系统模型确定后即Smith预估器模型准确时，此控制器能获得较好的控制效果。实际系统工作状况复杂，被控对象的模型往往没有仿真时那样理想，这种情况下Smith预估控制器的作用如何有待考验。为此，笔者在天津某单位针对带Smith预估器的调节器和常规PID调节器对换热器的控制效果进行了大量实验研究，结果均证明Smith预估控制优于常规PID控制。0给出室外温度-6°C时的典型控制曲线，此时由可知换热器的设定出水温度为66°C.时间/min 0Smith预估器控制与PID控制效果比较0中曲线1为常规PID算法的控制效果，其纯滞后特性无法克服，纯滞后时间为4min，且过渡过程时间近43min，大超调量近2°C；曲线2为带Smith预估器的复合控制，完全消除了纯滞后，过渡过程时间缩至20min，且大超调量减小至1°C以下。实验与仿真分析结果吻合。

　　6结论6.1具有大时滞特征的换热器温度控制系统，采用Smith补偿的控制方案，可以取得比常规PID更好的控制效果，控制系统的稳定性好、超调量小、控制精度高。

　　6.2基于Smith预估器的控制系统能有效克服大纯滞后对系统稳定性的影响，且实现简单，可靠性好，非常适用于换热器的温度控制系统，对其他工业过程的温控也有借鉴意义。