王蕊 韩启勇

摘 要：氧化铝工业生产中分解温度的控制存在滞后和不稳定的问题。由于种子分解是一个典型的多变量、大滞后、许多工艺参数无法在线获得的复杂工业生产过程，因此很难完全从机理上建立控制模型对其实现优化控制，至今为止仍然采用半人工半自动的方法对种子分解生产过程进行控制。本文采用Smith预估控制算法很好地解决了传统控制方法调节时间长、系统稳定性差的不足，为传统控制方法提供了新的思路。

关键词：PID控制器；分解温度；Smith预估控制；大滞后

1 前言

拜耳法作为当今世界生产氧化铝最主流生产工艺，种子分解是拜耳法生产氧化铝的关键工序，它对最终氧化铝的产量和质量以及全厂的技术经济指标存在很大的影响。但由于它是一个典型的多变量、大滞后、很多工艺参数无法在线获得的复杂工业生产过程，利用滞后几天后的数据进行进料量及中间槽温度的调节，末槽分解率得不到及时、精确的控制，可能會出现分解率不合格，造成能源浪费，甚至产品不合格。因此对分解温度及时、有效的控制和调节尤为重要。想要能够很好地克服大滞后带来的影响，在众多的解决方式中smith预估算法控制器是重要的一种。

2 Smith预估算法在种子分解控制上的应用

温度控制对分解过程的技术经济指标和产品质量有很大影响。当其他条件不变时，合理地控制种子分解的温度，就能够提高分解槽的单位产能和分解率。种子分解的温度是影响氢氧化铝粒度的最主要的因素。氢氧化铝结晶长大的速度在80℃时比50℃时增大约5～9倍。种子分解温度的升高有利于减少或者避免晶核的产生，得到强度大、结晶较完整的Al（OH）3。因此，在拜耳法工厂里生产砂状氧化铝的分解初温一般控制在70～85℃之间，终温也达到60℃，这对分解率和产能显然是不利的。因此当分解原液的成分不变时，确定和控制好温度是种分过程的主要任务之一。

合理的温度控制包括分解初温、降温速度以及终温的控制。实践证明，合理的降温制度应当是，分解初温较快地降温，分解后期则放慢。这样既能保证分解率，又不致明显影响氢氧化铝粒度。而被控制对象的大滞后特征，在许多工业生产控制过程中普遍存在。这种大滞后的控制过程被我们认为是较难控制的部分，其大滞后的时间占整个过程时间越长，控制难度也就越高。由于滞后时间的存在，使得被控量无法立即感受到扰动存在于整个的系统中。因此，像这样的调节过程和控制方式一定存在比较长的调节时间和明显的超调量，使整个种子分解过程的稳定性降低。Smith预估控制器就是在PID控制中并接一个补偿环节，从而实现了这种大滞后的补偿模型。分解温度控制方块图如图1：

如图1所示，由于大滞后特性的存在，使得分解母液的温度y不能及时地反映出扰动D在整个系统中的影响，即使温度变送器的测量信号已经达到了调节阀，调节机构在接受到该调节信号以后立即动作，也仍然需要经过一段大滞后的时间τ后，才能够影响到分解母液的温度y，使其受到应有的控制。

3 种子分解温度Smith预估控制系统的设计

将图1中种子分解温度控制的方块图，将其转化成为单回路控制系统，如图2中所示，其系统方块图为：

如图2，方块图的特征方程为1 + Gc（s）Go（s）e-τs = 0，因为其中存在延迟环节，降低了系统的稳定性，如果延迟时间τ越大，控制系统将越不稳定。而在特征方程中出现了e-τs，是因为从方块图e-τs之后的a点引出了反馈信号，如果能从e-τs之前的b点引出信号，就把回路中的纯延迟环节e-τs移到外面，反馈信号x没有经过e-τs，这个系统的响应时间将会缩短。可是在实际工业生产中，b点也许受现场环境的限制，也许是不存在的，根本无法引出信号。

设分解槽温度的传递函数为：Gp（s）= kpe-τs /（Tps+1）= Go（s）e-τs应用数字smith算法可得：e2（k）= e1（k）- xm（k）+ ym（k）= r（k）- y（k）- xm（k）+ ym（k）如果模型是精确的，则y（k）= ym（k），e2（k）= r（k）- xm（k）。其中e2（k）为数字控制器Gc（z）的输入，Gc（z）一般采用PI算法。

例如在实际种子分解工艺生产中分解槽温度为：Gp（s）=e-20s /（60s+1）每20s采样一次，按照数字Smith算法来设计控制器。其中R为指令信号的类型，R=1时为阶跃响应，R=2时为方波响应，N代表2种情况：N=1为模型精确，N=2为采用PI控制。利用Matlab分别对R=2时N=1和 N=2进行仿真。在PI控制中，kp=0.50，ki =0.01。将这一过程用Matlab进行仿真从得到的结果可以看出，数字smith预估算法使系统的稳定性大大提升，达到了我们的控制预期。

4 小结

通过Matlab对两种情况的仿真证明，数字Smith预估控制对参数的变化适应能力强，对大滞后的非线性时变系统有较理想的控制效果。对于解决分解槽这种大滞后系统有很大的帮助和应用前景。

参考文献

[1]孙增忻.智能控制理论与技术[M].北京：清华大学出版社，1997.

[2]陶永华.新型PID控制及应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]陈炳和.计算机控制系统基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

（作者单位：东北大学设计院（有限公司））