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《計測技術雜志》2015年第二期

1預測PI-PID串級控制方法原理

1.1預測PI控制基本原理溫度系統是非線性、不確定的控制對象，建立精確的數學模型比較困難，并且由于存在大慣性滯后，往往會造成對象不穩定。若采用傳統的控制方法如PID控制，一般難以獲得滿意的控制效果。因此引入控制算法來克服這些特殊動態特性對系統造成的不良影響。預測PI控制有兩部分組成:一部分是PI控制項，另一部分是預測控制項。PI控制項可以提高控制系統的魯棒性和抗干擾性;預測控制項可以預測將來的控制量［3］，從而克服純滯后的影響。預測PI控制無需知道過程的精確模型，只需知道大概的模型，并且可以通過設置不同的控制參數來獲得滿意的結果。

1.2預測PI-PID串級控制方法設計預測PI-PID串級控制設計結構圖如圖4所示。副回路采用PID控制，可以快速抑制二次干擾，起到補償校正作用。主控制器采用預測PI控制，提高控制器的魯棒性和系統控制性能。圖中G副(s)為副控制對象，G主(s)為主控制對象。主副控制對象和副回路PID控制器組成廣義對象。

2離心-溫度復合試驗箱預測PI-PID串級控制系統結構及仿真研究

2.1試驗箱預測PI-PID串級控制結構將預測PI-PID串級控制方法應用于離心-溫度復合試驗箱溫度控制系統中，系統控制原理框圖如圖5所示，副回路由液體溫度變送器、PID控制器和副控制對象載溫腔構成，主回路由氣體溫度變送器、預測PI控制器、副回路PID控制器、調節閥、副控制對象和主控對象內腔氣體構成。

2.2主副控制對象特性測試與建模主控制對象為內腔氣體，主控制變量為氣體溫度。液體溫度影響氣體溫度。主控制對象模型可用一階慣性加延時環節來描述，當載溫腔內液體與內腔氣體溫度熱交換平衡時，即液體與氣體溫度基本不變，此時改變液體溫度，可以得到氣體溫度階躍變化曲線。實驗中，將載溫腔內液體溫度從穩定31.7℃拉到8.6℃，經過熱交換內腔氣體溫度從32.5℃降到6.5℃并穩定。根據氣體溫度階躍變化曲線，由階躍曲線兩點法建模［4］求得氣體溫度在液體溫度階躍激勵下的延時時間和響應速度，從而求得主控對象的傳遞函數。副控制對象為載溫腔液體，副控制變量為液體溫度。在恒溫槽溫度恒定條件下，液體溫度主要受調節閥的開度影響，將副控制對象模型用一階慣性加延時環節來描述，當恒溫槽液體溫度與載溫腔液體溫度恒定后，改變閥的開度，可得到載溫腔液體溫度變化曲線。低溫實驗中，閥的開度由0到50%變化時，由于閥的反作用，載溫液溫度由－43.23℃變化到－42.56℃，由兩點法建模求得液體溫度響應延時時間和響應速度，從而求得副控對象的傳遞函數。

2.3仿真研究分析根據圖4，對廣義對象用Simulink搭建控制系統仿真模型，采用Simulink中PID模塊自整定可以找到最佳PID參數，將副回路和主控對象內腔氣體視為廣義被控對象，則在仿真中廣義對象的傳遞函數為。取K0=0.94，T0=886.7，τ0=88.2，λ取0.5。由2.1節可得到Gc1(s)，Gc2(s)，因此可以得到預測PI控制器。根據所設計的預測PI控制器，分別對預測PI-PID串級控制系統與單純PID、普通PID-PI串級控制系統進行仿真研究。從圖6～8中可以看出，在對階躍激勵的動態響應特性方面，預測PI-PID串級控制相對其他兩種控制方法，響應速度更快;在二次脈沖擾動作用下，預測PI-PID串級控制對擾動能夠快速響應并較快地達到穩定;普通PID-PI串級控制次之;單純PID控制抗干擾能力最差。在模型失配時，預測PI-PID串級控制響應平穩，而普通PID-PI串級控制與單純PID控制在模型失配時，響應不平穩有較大超調。

3結論

本文對離心-溫度復合試驗箱的地面溫控系統進行了闡述，并詳細介紹了預測PI-PID串級控制方法。通過對比預測PI-PID串級控制系統與普通PID-PI串級控制系統、單純PID控制系統在動態響應和抗干擾能力等方面的仿真結果發現，預測PI-PID串級控制方法總體上優于單純PID和普通PID-PI串級控制方法，具有良好的調節品質和較強的抗干擾能力，對控制系統的魯棒性也有所提高。預測PI-PID串級控制方法應用到本文介紹的離心-溫度復合試驗箱溫控系統中是可行的。

作者：李穎奇孟曉風董雪明單位：北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院中航工業北京長城計量測試技術研究所