【正文】 會因為嚴重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。此外大滯后會降低整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此大滯后過程控制一直備受關注。 國內(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，對時滯系統(tǒng)的控制方法研究方興未艾[1]。從50年代以來，時滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無模型這兩大方法。基于模型的方法有smith預估補償控制、最優(yōu)控制、自適應控制、動態(tài)矩陣預報控制、預測控制、滑模變結(jié)構控制、魯棒控制等。無模型方法有模糊smith控制、模糊自適應控制、模糊PD控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、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)點是原理簡單、通用性強、魯棒性好間。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應用是有一定限制的，對于滯后較大的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制往往顯得無能為力。（1）國外最早在1958年提出預估控制器[2]，這是一個時滯預估補償算法，其最大優(yōu)點是將時滯環(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)學模型，實際應用比較困難。為此人們提出了許多改進方法，大致可以分為兩種:一種是基于結(jié)構上的改進，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)進行補償。另一種是在參數(shù)整定上的改進，這種方法將 項通過泰勒多項式展開用魯棒性能指標及其他的指標函數(shù)對控制器進行解析設計，或者對其中的控制參數(shù)進行魯棒調(diào)整，還有的方法是對Smith預估系統(tǒng)的反饋傳遞函數(shù)進行改進,以增強它的魯棒性和穩(wěn)定性。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡具有自組織和自學習的特點，它可以任意精度逼近非線性函數(shù)，可進行在線和離線學習，容錯性比較強。它不需要復雜的控制結(jié)構，也不需要精確的數(shù)學模型，其簡單有效的特點適合工業(yè)應用。在時滯系統(tǒng)中的應用，神經(jīng)網(wǎng)絡主要用于辨識和控制。在辨識方面，用于辯識系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時間,在控制方面，主要有模型參考自適應控制和預測控制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡也和Smith控制結(jié)合對時滯系統(tǒng)進行控制，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)學模型，只需要現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對于時滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。模糊算法在時滯系統(tǒng)中的應用大致有以下幾個方面[4]:l)模糊Smith控制控制器，它一般是由Smith預估器解決對象的時滯問題，模糊控制器控制對象的大慣性環(huán)節(jié)。2)模糊預估控制方法，它是在模糊控制的基礎上，進行并聯(lián)模糊補償。模糊預估模型是通過一系列有針對性的推導得到的，模糊預估器得到的增量經(jīng)過補償器的作用產(chǎn)生一個補償校正。3)模糊自整定方法，它是對模型的某些參數(shù)進行模糊整定，以達到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。其中較為有名的是提出的改進Smith預估模型，對主反饋通道傳遞函數(shù)中的濾波時間常數(shù)進行模糊整定。該方法具有較強的魯棒性和較好的控制性能，但是計算效率不是很高。（4） 變結(jié)構控制系統(tǒng)對干擾和系統(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)構控制的這一優(yōu)點，己廣泛地引起了人們的重視。非時滯變結(jié)構控制系統(tǒng)的研究己形成較完整的理論體系，而時滯變結(jié)構控制理論是一個具有潛力的研究方向。迄今為止，時滯系統(tǒng)的變結(jié)構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)過程變得更為復雜，大時滯、不確定性、嚴重非線性、時變性對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。對于時滯系統(tǒng)的控制不是單一的方法就可以完全解決的，開發(fā)與設計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)常會遇到具有純滯后特性的被控對象,并常將這種被控對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)。在溫度控制技術領域中,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、靜兩方面的性能,而且多參數(shù)整定也很難實現(xiàn)最佳控制。為了改善純滯后對系統(tǒng)帶來的不良影響,將預估法用于此類系統(tǒng)中, Smith預估法也叫純滯后補償法,設計的目標是引入一個純滯后環(huán)節(jié) ,即Smith預估器,與被控對象相并聯(lián),使補償后的被控對象的等效傳遞函數(shù)不包括純滯后項 ，基于Smith預估器的溫控系統(tǒng)能有效克服大純滯后對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,且實現(xiàn)簡單,可靠性好。使閉環(huán)系統(tǒng)的指標達到最佳。從以上分析中可以看到,對于具有大時間滯后系統(tǒng)的控制,PID控制算法僅僅在模型匹配時能夠進行穩(wěn)定的控制 , ,PID 算法就無能為力了。而 Smith 預估算法則在模型匹配時具有好的性能指標 ,但是由于這種算法嚴重依賴模型的精確匹配 ,而在實際中這是很難做到的 ,因此模型失配時,Smith 預估算法就難以取得良好的控制效果，改進型Smith預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確的對象數(shù)學模型，且能通過控制對象和模型輸出信號比較來對模型增益作出適應性修正。相對而言,改進型Smith算法的穩(wěn)定性和魯棒性比較好 ,在模型失配時也能夠進行有效地控制 ，能夠保持一定的動態(tài)性能，快速地使系統(tǒng)收斂。仿真結(jié)果表明,改進型Smith算法在模型失配時 ,具有良好的穩(wěn)定和魯棒性 ,對于大時間滯后系統(tǒng)是一種比較實用的控制方法。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調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達到控制溫度的目的。對于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時進行氣化，其溫度的高低會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)操作可以延長爐管使用壽命，因此加熱爐出口溫度必須嚴格控制。 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構圖，其任務是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進行加工。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調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達到控制溫度的目的。 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象是一個多容量的復雜對象。根據(jù)實驗測試，并作了一些簡化，可以用一階環(huán)節(jié)加時滯來近似，即 (21)其時間常數(shù)和時滯時間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時間有關[5]。本文針對的是河北唐山某軋鋼廠加熱爐溫度控制系統(tǒng), 其被控對象的傳遞函數(shù)為:(22) 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）是指由一個受控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機構（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)有單值對應關系、易于測量的參數(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. 選擇對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護具有決定性作用的、可直接測量的工藝參數(shù)為被控變量。2. 當不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(shù)有單值函數(shù)關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)中選擇一個對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。 常用復雜控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)但是，由于加熱爐時間常數(shù)大，而且擾動的因素多，單回路反饋控制系統(tǒng)不能滿足工藝對加熱爐溫度的要求。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運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，采用串級控制系統(tǒng)。 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構圖串級控制系統(tǒng)的基本概念串級控制系統(tǒng)的采用了兩個控制器，運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，構成爐溫度與流量的串級控制系統(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定，然后由副控制器的輸出去操縱控制閥。在串級控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個被控對象，即主對象（溫度對象）和副對象（流量對象），所以有兩個被控參數(shù)，主被控參數(shù)（溫度）和副被控參數(shù)（流量）