王宏文，朱桂梅，吳玲玲，蔣君杰

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300130）

0 前言

燒結(jié)制粒濕度控制，是燒結(jié)生產(chǎn)比較重要的環(huán)節(jié)，不僅直接影響燒結(jié)過(guò)程的垂直速度，而且影響燒結(jié)礦的成品率、生產(chǎn)率和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)．制粒圓筒的加水到測(cè)知出料濕度中間存在著較大的純滯后．制粒濕度控制系統(tǒng)的控制原理是：首先由水份檢測(cè)儀檢測(cè)到出料濕度信號(hào)，在控制器內(nèi)此信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)相關(guān)的控制運(yùn)算后輸出信號(hào)給閥門，通過(guò)調(diào)整閥門的開(kāi)口度來(lái)控制水流量，從而達(dá)到對(duì)濕度進(jìn)行控制的目的．混合料及水在混合器中混合，一般須經(jīng)3~5min后才能從混合器中排出進(jìn)入運(yùn)輸皮帶，水分的檢測(cè)一般在混合后的運(yùn)輸皮帶上[1]；因此，當(dāng)混合料流量及加水量改變后，需3~5min后才能檢測(cè)到水分的變化，如此大的純滯后時(shí)間，使得傳統(tǒng)的控制法在燒結(jié)制粒濕度控制中一直不理想，影響混合料的造球和臺(tái)車的透氣性，從而影響燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量并最終影響到高爐煉鐵的產(chǎn)品質(zhì)量．

普通的Smith預(yù)估控制在定常滯后系統(tǒng)能夠獲得很好的控制效果，但需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型．本文針對(duì)燒結(jié)制粒濕度控制工藝特點(diǎn)，引入模糊控制，將模糊控制和Smith控制相結(jié)合構(gòu)成Fuzzy-Smith濕度控制器，充分利用模糊控制和Smith控制兩者的優(yōu)點(diǎn)．Fuzzy-Smith預(yù)估器的控制策略，能夠有效地補(bǔ)償燒結(jié)制粒濕度控制系統(tǒng)時(shí)滯，經(jīng)MATLAB仿真驗(yàn)證，該方案具有較好的控制品質(zhì)．

1 Smith預(yù)估器

在工業(yè)過(guò)程控制中，被控對(duì)象往往不同程度地存在著純滯后環(huán)節(jié)．被控對(duì)象的純滯后時(shí)間會(huì)對(duì)控制質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如果滯后時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定．在這種情況下，采用常規(guī)的Pl或PID控制器難以獲得滿意的控制性能，為了維持系統(tǒng)的平衡，控制器的參數(shù)必須整定得遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其最佳整定值，這使得閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，無(wú)法迅速消除快速變化擾動(dòng)的影響．史密斯提出的預(yù)估補(bǔ)償控制方案，針對(duì)純滯后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中含有的純滯后項(xiàng)，在PID反饋控制基礎(chǔ)上，引入一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)閉環(huán)特征方程中不含純滯后項(xiàng)，提高了控制質(zhì)量．

圖1是典型的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)原理框圖．在傳統(tǒng)有延遲單回路控制系統(tǒng)引入一個(gè)純滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，即Smiht預(yù)估補(bǔ)償器，與被控對(duì)象并聯(lián)，補(bǔ)償后被控對(duì)象的閉環(huán)傳遞函數(shù)不包括純滯后項(xiàng)-s．實(shí)際上Smiht預(yù)估器并不并聯(lián)在被控對(duì)象上，而是并聯(lián)在調(diào)節(jié)器上，等效為帶Smiht預(yù)估的調(diào)節(jié)器[2]．

史密斯預(yù)估器控制的基本思路是，預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制，力圖使被延遲了 的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作，以此來(lái)減小超調(diào)量與加速調(diào)節(jié)過(guò)程．

該系統(tǒng)由3部分組成：1）被控對(duì)象；2）Smith預(yù)估控制器；3）控制器．分別見(jiàn)式 (1)、式 (2)、式 (3)．

圖1 Smith預(yù)估器控制原理圖Fig.1 Theprinciplediagram of the Smith Controller

閉環(huán)特征方程為

2 大時(shí)滯系統(tǒng)的Fuzzy-Smith控制

Smith預(yù)估控制器能克服大滯后的影響，傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制中的控制器是個(gè)PID控制器，由于PID控制是基于被控對(duì)象精確模型而設(shè)計(jì)，而實(shí)際中很難獲得對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型．模糊控制器具有不依賴對(duì)象數(shù)學(xué)模型，對(duì)參數(shù)變化不敏感，魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，將模糊控制器引入到Smith預(yù)估控制系統(tǒng)，即將圖1中控制器用模糊控制器取代，這就構(gòu)成Fuzzy-Smith預(yù)估控制系統(tǒng)．

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

對(duì)于不同的被控對(duì)象，模糊控制具體的控制規(guī)則不盡相同，本文針對(duì)燒結(jié)混合料水分控制時(shí)滯現(xiàn)象提出了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，同時(shí)結(jié)合一般二維模糊控制器的通用規(guī)則進(jìn)行了模糊控制器的設(shè)計(jì)．

在MATLAB環(huán)境下鍵入Fuzzy命令進(jìn)入模糊邏輯工具箱,通過(guò)具有交互式界面的模糊推理系統(tǒng)編輯器和隸屬度函數(shù)編輯器設(shè)計(jì)輸入輸出變量和隸屬函數(shù)形狀．模糊控制器的輸入變量有兩個(gè)，即控制器以誤差 和誤差變化率 為輸入量，控制量為輸出量，輸入變量 和 及輸出量的模糊子集量化為7個(gè)等級(jí)，均為 {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中 和 的論域都為 {6， 5， 4， 3， 2， 1，0，1，2，3，4，5，6}，的論域?yàn)?{7， 6， 5， 4，3， 2， 1，0，1，2，3，4，5，6，7}， 、 和的隸屬函數(shù)圖如圖3和圖4所示．隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)．

圖2 模糊控制器控制框圖Fig.2 Thediagram of the Fuzzy controller

2.2 模糊規(guī)則的指定

通過(guò)模糊規(guī)則庫(kù)編輯器確定“if and,then”形式的模糊控制規(guī)則．本文中共有49條控制規(guī)則，生成的模糊控制規(guī)則見(jiàn)表1所示．

圖3 輸入變量 和 的隸屬度函數(shù)圖Fig.3 The Membership functionsof the Input variables and

圖4 輸出變量 的隸屬度函數(shù)圖Fig.4 The Membership functionsof theoutput variables

表1模糊控制規(guī)則表Tab.1 The rules diagram of fuzzy control

模糊規(guī)則確定后，即可進(jìn)行模糊推理．對(duì)三角分布隸屬度函數(shù)，同時(shí)考慮運(yùn)算的簡(jiǎn)便和快速性，在本系統(tǒng)中采用mamdani推理法．首先根據(jù)以上總結(jié)出的模糊控制規(guī)則，確定并計(jì)算模糊關(guān)系，共49條．然后根據(jù)所求得的模糊關(guān)系，將輸入的偏差和偏差變化率的模糊值矢量由合成推理的方法求解輸出量的模糊值矢量．即可得出對(duì)應(yīng)模糊控制器的輸出控制量的模糊值矢量．

2.3 Fuzzy-Smith控制器

針對(duì)Smith預(yù)估控制和模糊控制的特點(diǎn)，應(yīng)用Fuzzy-Smith預(yù)估控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)制粒大時(shí)滯系統(tǒng)的較好控制，F(xiàn)uzzy-Smith控制系統(tǒng)控制框圖如圖5．

模糊Smith控制器控制的基本原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主[5]．

圖5 Fuzzy-Smith控制系統(tǒng)控制框圖Fig.5 Thestructureof thefuzzy-smith control system

3 Fuzzy-Smith控制系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)燒結(jié)制粒濕度控制系統(tǒng)參數(shù)建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，傳遞函數(shù)為．從嚴(yán)格意義上講，很難對(duì)此系統(tǒng)給出精確數(shù)學(xué)模型，常用的方法是用一階慣性加純滯后模型來(lái)擬合過(guò)程對(duì)象，因?yàn)橐浑A時(shí)滯模型對(duì)對(duì)象有很強(qiáng)的逼近能力，此傳遞函數(shù)是對(duì)燒結(jié)制粒濕度系統(tǒng)的近似擬合[6]．

圖6 Fuzzy-Smith控制器仿真模型Fig.6 Thesimulation model of the Fuzzy-Smith controller

使用Matlab下的Simulink仿真工具對(duì)本文采用Fuzzy-Smith控制方案進(jìn)行仿真研究，仿真模型如圖6．

對(duì)上述控制對(duì)象分別采用PID-Smith控制、Fuzzy-Smith控制進(jìn)行仿真，得到的仿真曲線如圖7~圖8．

由圖7~圖8可知，F(xiàn)uzzy-Smith控制器的仿真曲線同沒(méi)有延遲PID仿真曲線延遲了一個(gè)時(shí)間 ，而控制品質(zhì)沒(méi)有下降．比較圖7和圖8仿真曲線可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的PID-Smith控制存在超調(diào)，而Fuzzy-Smith控制減小了調(diào)節(jié)時(shí)間，并極大地降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，對(duì)燒結(jié)制粒濕度大時(shí)滯系統(tǒng)有良好的控制品質(zhì)．

圖8所示，由Fuzzy-Smith進(jìn)行補(bǔ)償控制后，使被延遲了的被調(diào)量提前反饋到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作，以此來(lái)減小超調(diào)量使之成為單調(diào)上升的過(guò)程，可見(jiàn)Fuzzy-Smith的控制作用十分突出與明顯．

圖7 PID-Smith控制曲線Fig.7 Thecontrol curveof PID-Smith

圖8 Fuzzy-Smith控制曲線Fig.8 The Control curveof Fuzzy-Smith

4 結(jié)論

通過(guò)仿真研究，驗(yàn)證本文所應(yīng)用的Fuzzy-Smith控制系統(tǒng)綜合了模糊控制和Smith預(yù)估器的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠抑制時(shí)滯帶來(lái)的不良影響，而且提高了系統(tǒng)的控制精度，簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性．并對(duì)該控制策略和PID-Smith控制策略對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)的控制品質(zhì)進(jìn)行了仿真比較，最后得出Fuzzy-Smith控制策略對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的控制可以收到良好的控制效果，基于Smith算法的模糊控制器在消除了純滯后現(xiàn)象的影響的同時(shí)保持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性．對(duì)于克服燒結(jié)混合料水分控制系統(tǒng)的時(shí)滯具有明顯的作用，可以明顯改善燒結(jié)制粒濕度純滯后系統(tǒng)的控制質(zhì)量．

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