【正文】 會(huì)因?yàn)閲?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。此外大滯后會(huì)降低整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此大滯后過程控制一直備受關(guān)注。 國(guó)內(nèi)外基于加熱爐溫度控制的研究滯后環(huán)節(jié)的存在使得整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞甚至引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此近年來，對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾[1]。從50年代以來，時(shí)滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無模型這兩大方法?；谀Ｐ偷姆椒ㄓ衧mith預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)報(bào)控制、預(yù)測(cè)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制等。無模型方法有模糊smith控制、模糊自適應(yīng)控制、模糊PD控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。其控制方法也己經(jīng)由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向智能控制，或者是二者的結(jié)合。PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。在工業(yè)過程控制中大多采用PID控制，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、魯棒性好間。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用是有一定限制的，對(duì)于滯后較大的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制往往顯得無能為力。（1）國(guó)外最早在1958年提出預(yù)估控制器[2]，這是一個(gè)時(shí)滯預(yù)估補(bǔ)償算法，其最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)，但其過于依賴精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用比較困難。為此人們提出了許多改進(jìn)方法，大致可以分為兩種:一種是基于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，這類方法主要是結(jié)合智能控制通過在不同的位置增加一些并聯(lián)或者串聯(lián)的環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。另一種是在參數(shù)整定上的改進(jìn)，這種方法將 項(xiàng)通過泰勒多項(xiàng)式展開用魯棒性能指標(biāo)及其他的指標(biāo)函數(shù)對(duì)控制器進(jìn)行解析設(shè)計(jì)，或者對(duì)其中的控制參數(shù)進(jìn)行魯棒調(diào)整，還有的方法是對(duì)Smith預(yù)估系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)進(jìn)行改進(jìn),以增強(qiáng)它的魯棒性和穩(wěn)定性。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，它可以任意精度逼近非線性函數(shù)，可進(jìn)行在線和離線學(xué)習(xí)，容錯(cuò)性比較強(qiáng)。它不需要復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，也不需要精確的數(shù)學(xué)模型，其簡(jiǎn)單有效的特點(diǎn)適合工業(yè)應(yīng)用。在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于辨識(shí)和控制。在辨識(shí)方面，用于辯識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時(shí)間,在控制方面，主要有模型參考自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和Smith控制結(jié)合對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行控制，該方法也較有效。（3）模糊控制是一種基于專家規(guī)則的智能控制方法[3]，它無需知道系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，只需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時(shí)滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。模糊算法在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用大致有以下幾個(gè)方面[4]:l)模糊Smith控制控制器，它一般是由Smith預(yù)估器解決對(duì)象的時(shí)滯問題，模糊控制器控制對(duì)象的大慣性環(huán)節(jié)。2)模糊預(yù)估控制方法，它是在模糊控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行并聯(lián)模糊補(bǔ)償。模糊預(yù)估模型是通過一系列有針對(duì)性的推導(dǎo)得到的，模糊預(yù)估器得到的增量經(jīng)過補(bǔ)償器的作用產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償校正。3)模糊自整定方法，它是對(duì)模型的某些參數(shù)進(jìn)行模糊整定，以達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。其中較為有名的是提出的改進(jìn)Smith預(yù)估模型，對(duì)主反饋通道傳遞函數(shù)中的濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行模糊整定。該方法具有較強(qiáng)的魯棒性和較好的控制性能，但是計(jì)算效率不是很高。（4） 變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化具有魯棒性這正是魯棒控制所需要解決的問題。變結(jié)構(gòu)控制的這一優(yōu)點(diǎn)，己廣泛地引起了人們的重視。非時(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究己形成較完整的理論體系，而時(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制理論是一個(gè)具有潛力的研究方向。迄今為止，時(shí)滯系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制理論的研究仍處于萌芽和興起階段，成果較少，有待于進(jìn)一步完善。工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模化使得工業(yè)過程變得更為復(fù)雜，大時(shí)滯、不確定性、嚴(yán)重非線性、時(shí)變性對(duì)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)的控制不是單一的方法就可以完全解決的，開發(fā)與設(shè)計(jì)出各種智能控制方法或以不同的形式結(jié)合在一起，將是解決時(shí)滯過程的有效途徑。 課題研究的內(nèi)容在工業(yè)生產(chǎn)中,經(jīng)常會(huì)遇到具有純滯后特性的被控對(duì)象,并常將這種被控對(duì)象看成是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)。這類系統(tǒng),一般要求具有較好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性. 例如爐溫控制系統(tǒng)。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中,普遍采用PID控制算法。但是在一些具有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中,PID控制很難兼顧動(dòng)、靜兩方面的性能,而且多參數(shù)整定也很難實(shí)現(xiàn)最佳控制。為了改善純滯后對(duì)系統(tǒng)帶來的不良影響,將預(yù)估法用于此類系統(tǒng)中, Smith預(yù)估法也叫純滯后補(bǔ)償法,設(shè)計(jì)的目標(biāo)是引入一個(gè)純滯后環(huán)節(jié) ,即Smith預(yù)估器,與被控對(duì)象相并聯(lián),使補(bǔ)償后的被控對(duì)象的等效傳遞函數(shù)不包括純滯后項(xiàng) ，基于Smith預(yù)估器的溫控系統(tǒng)能有效克服大純滯后對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可靠性好。使閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到最佳。從以上分析中可以看到,對(duì)于具有大時(shí)間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時(shí)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制 , ,PID 算法就無能為力了。而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時(shí)具有好的性能指標(biāo) ,但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配 ,而在實(shí)際中這是很難做到的 ,因此模型失配時(shí),Smith 預(yù)估算法就難以取得良好的控制效果，改進(jìn)型Smith預(yù)估器是克服純滯后影響的有效方法之一。該方法不要求建立準(zhǔn)確的對(duì)象數(shù)學(xué)模型，且能通過控制對(duì)象和模型輸出信號(hào)比較來對(duì)模型增益作出適應(yīng)性修正。相對(duì)而言,改進(jìn)型Smith算法的穩(wěn)定性和魯棒性比較好 ,在模型失配時(shí)也能夠進(jìn)行有效地控制 ，能夠保持一定的動(dòng)態(tài)性能，快速地使系統(tǒng)收斂。仿真結(jié)果表明,改進(jìn)型Smith算法在模型失配時(shí) ,具有良好的穩(wěn)定和魯棒性 ,對(duì)于大時(shí)間滯后系統(tǒng)是一種比較實(shí)用的控制方法。第二章 傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng) 加熱爐及其模型的建立加熱爐在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，有各種形式的加熱爐，其中管式加熱爐最常見，其型式有可分為箱式、立式和圓筒爐三大類[5]。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。對(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行氣化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)平質(zhì)量。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長(zhǎng)爐管使用壽命，因此加熱爐出口溫度必須嚴(yán)格控制。 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，其任務(wù)是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進(jìn)行加工。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達(dá)到控制溫度的目的。 加熱爐溫度系統(tǒng) 加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立加熱爐對(duì)象是一個(gè)多容量的復(fù)雜對(duì)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并作了一些簡(jiǎn)化，可以用一階環(huán)節(jié)加時(shí)滯來近似，即 (21)其時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯時(shí)間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時(shí)間有關(guān)[5]。本文針對(duì)的是河北唐山某軋鋼廠加熱爐溫度控制系統(tǒng), 其被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為:(22) 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是指由一個(gè)受控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 加熱爐溫度單回路反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 被控變量的選擇被控變量選擇方法：方法一：選擇能直接反映生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又易于測(cè)量的參數(shù)作為 被控變量，稱為直接參數(shù)法。方法二：選擇那些能間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)量的參數(shù)作為被控變量，稱為間接參數(shù)法。 選擇被控變量的原則1. 選擇對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)具有決定性作用的、可直接測(cè)量的工藝參數(shù)為被控變量。2. 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時(shí)，可選擇一個(gè)與直接參數(shù)有單值函數(shù)關(guān)系并滿足如下條件的間接參數(shù)為被控變量。(1) 滿足工藝的合理性(2) 具有盡可能大的靈敏度且線形好(3) 測(cè)量變送裝置的滯后小。 操縱變量的選擇選擇操縱變量，就是從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性良好的輸入?yún)?shù)，作為操縱變量，而其余未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾。 常用復(fù)雜控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)但是，由于加熱爐時(shí)間常數(shù)大，而且擾動(dòng)的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對(duì)加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快速作用，有效地提高控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)要求。提高控制質(zhì)量，采用串級(jí)控制系統(tǒng)。 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念串級(jí)控制系統(tǒng)的采用了兩個(gè)控制器，運(yùn)用副回路的快速作用，以加熱爐溫度為主變量，選擇滯后較小的流量為副變量，構(gòu)成爐溫度與流量的串級(jí)控制系統(tǒng)有效地提高控制質(zhì)量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求[2]。主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定，然后由副控制器的輸出去操縱控制閥。在串級(jí)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個(gè)被控對(duì)象，即主對(duì)象（溫度對(duì)象）和副對(duì)象（流量對(duì)象），所以有兩個(gè)被控參數(shù)，主被控參數(shù)（溫度）和副被控參數(shù)（流量）