【正文】 爐窯自動化水平較高，裝備有完善的檢測儀表和計算機控制系統(tǒng)。其計算機控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。 我國的溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段[1]： 第一階段：基地式儀表。四十年代初，當(dāng)時由于石油、化工、電力等工業(yè)對自動化的需要，出現(xiàn)了將測量、記錄、調(diào)節(jié)儀表組裝在一個表殼里的基地式儀表。如自力式溫度調(diào)節(jié)器?；厥絻x表一般結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，它們的功能僅限于單回路控制且控制精度低。 第二階段:單元組合式儀表。隨著大型工業(yè)企業(yè)的出現(xiàn)，生產(chǎn)向綜合自動化和集中控制的方向發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)基地式儀表的結(jié)構(gòu)不夠靈活，不如將儀表按功能劃分，制定若干種能獨立完成一定功能的標(biāo)準(zhǔn)單元，各單元之間以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號相互聯(lián)系，這樣儀表的精度可以提高。在使用中可根據(jù)需要，選擇一定的單元，積木式地把儀表組合起來，構(gòu)成各種復(fù)雜程度不同的自動控制系統(tǒng)，這種積木式的儀表就稱為單元組合式儀表[2]。 以上兩個階段，無論是基地式儀表階段，還是單元組合式儀表階段，都是利用各種儀表對溫度進(jìn)行檢測、調(diào)節(jié)、控制。對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制精度不高。 第三階段:微機控制階段。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展、大規(guī)模集成電路制造的成功和微處理器的問世、計算機性能價格比的明顯提高以及微型計算機在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得溫度控制系統(tǒng)發(fā)展到微機控制階段。溫度微機控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，克服了其調(diào)節(jié)精度差、可靠性不高的缺點。由于計算機具有高速的數(shù)據(jù)運算處理功能和大容量存貯信息的能力，使得此類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、維護方便、抗干擾能力強， 而且可以采用先進(jìn)的控制算法以進(jìn)一步提高控制性能。計算機技術(shù)的發(fā)展極大地推動了工業(yè)控制系統(tǒng)的進(jìn)步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。計算機硬件與控制軟件的緊密結(jié)合必然導(dǎo)致新型的微機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類[35]:經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案和智能控制方案。 第一類:經(jīng)典控制方案 經(jīng)典控制方案可分為數(shù)字控制器的間接設(shè)計方案和數(shù)字控制器的直接設(shè)計方案。 數(shù)字控制器的間接設(shè)計方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計方案轉(zhuǎn)換而來的設(shè)計方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設(shè)計己有一套成熟的方法，其中以 PID 控制器為代表。PID 控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點。將模擬控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制器是用離散時間近似方法將一連續(xù)時間系統(tǒng)的控制規(guī)律離散為數(shù)字控制器的控制規(guī)律，其中為確保數(shù)字控制器與模擬控制器的近似，要適當(dāng)選擇采樣周期。數(shù)字控制器的參數(shù)整定方法有擴充臨界比例度法和擴充響應(yīng)曲線法等。數(shù)字控制器的直接設(shè)計方案是根據(jù)對象的離散數(shù)學(xué)模型直接設(shè)計數(shù)字控制器的方法。其目標(biāo)是要設(shè)計一個數(shù)字控制器使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能,實現(xiàn)的方法基本上可以看成是極點配置問題。其主要的設(shè)計方法有最小拍控制算法、根軌跡法、模型跟蹤法、達(dá)林算法和 Smith 預(yù)估器算法等。 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方案清晰明了，采樣周期的選擇范圍擴大，在一定條件上，能獲得較好的控制品質(zhì)。第二類:基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來分析和設(shè)計控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和提示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能?；诂F(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案是建立在對系統(tǒng)內(nèi)部模型的描述之上的。它是通過數(shù)學(xué)方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合。控制規(guī)律的確定是通過極小化預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)而推導(dǎo)出來的[6]。此類設(shè)計方案主要有:系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、自校正控制等。這類設(shè)計方案適用范圍廣，適合于多輸入多輸出系統(tǒng)、某些非線性時變系統(tǒng)和一些具有隨機擾動的系統(tǒng)。該方法理論嚴(yán)謹(jǐn)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題可以嚴(yán)格證明，性能指標(biāo)能定量分析，得到的控制品質(zhì)較好。但這類方法需要知道精確的被控對象的數(shù)學(xué)模型形式。對于許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨機干擾因素多而不易獲取對象模型形式的系統(tǒng)，這類方法的使用受到了限制。第三類:智能控制方案 智能控制方案是一類無需人的干預(yù)就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計算與分析的困難性。它實質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道對象精確模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。 智能控制系統(tǒng)有以下一些特點：(l) 智能控制系統(tǒng)一般具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程。它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在己知算法的生產(chǎn)過程。 (2) 智能控制具有信息處理和決策機構(gòu)，它實際上是對人神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機構(gòu)的一種模仿。 (3) 智能控制器具有非線性。這是因為人的思維具有非線性，作為模仿人的思維進(jìn)行決策的智能控制也具有非線性的特點。 (4) 智能控制器具有變結(jié)構(gòu)的特點。 (5) 智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點。 智能控制方案主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法控制等，由于PID 控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點，在本文中將選擇經(jīng)典控制方案來設(shè)計一個PID溫控系統(tǒng)。 并用MATLAB(Matrix Laboratory)軟件包來對溫控系統(tǒng)進(jìn)行仿真運行。 MATLAB簡介 MATLAB軟件包，是一種功能強、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)和過程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)據(jù)分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控、制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序和圖形基于便于使用的集成環(huán)境中，在此環(huán)境下所接問題的Matlab語言表達(dá)形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進(jìn)行并能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的計算，同時提供了與其他高級語言的接口，是科學(xué)研究和工程應(yīng)用必備的工具。目前在控制界、圖像信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域得到得到廣泛的應(yīng)用。本論文設(shè)計中PID參數(shù)整定用到的是Matlab中SIMULINK,它是一個強大的軟件包，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)工作，用SIMULINK對設(shè)計好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以預(yù)知效果檢驗設(shè)計的正確性，未涉及人員提供參考[7]。其仿真結(jié)果是否可用，取決于數(shù)學(xué)模型正確與否，因此要注意數(shù)學(xué)模型的極值要準(zhǔn)確的輸入系統(tǒng)參數(shù)。第二章 被控對象及控制策略控制系統(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、結(jié)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量?？刂葡到y(tǒng)同時是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實施的。控制系統(tǒng)使被控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。本文的被控對象為某公司生產(chǎn)的型號為 CK8的電烤箱，其工作頻率為 50HZ，總功率為 600W，工作范圍為室溫 20℃250℃。設(shè)計目的是要對它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差在177。1℃內(nèi)的技術(shù)要求。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣。理論分析和實驗結(jié)果表明:電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。然而，對于二階不振蕩系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型。所以， 電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （21） 式（21）中 K對象的靜態(tài)增益T對象的時間常數(shù)τ對象的純滯后時間目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩庫恩（CohnCoon）公式確定近似傳遞函數(shù)[89]。 給定輸入階躍信號 250℃，用溫度計測量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點，實驗數(shù)據(jù)如下表 21： 表 21 烤箱模型的溫度數(shù)據(jù)時間t(m)0溫度T(℃)20315278104126148168182198210225238250 實驗測得的烤箱溫度數(shù)據(jù) CohnCoon公式如下： (22)△M系統(tǒng)階躍輸入；△C系統(tǒng)的輸出響應(yīng) △C時的時間（分） △C時的時間（分）從而求得K=, T=144s ,τ =30s 所以電烤箱模型為： 控制策略 將感測與轉(zhuǎn)換輸出的訊號與設(shè)定值做比較，用輸出信號源（210V或420mA）去控制最終控制組件。在過程實踐中，應(yīng)用最為廣泛的是比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID的問世已有60多年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具[10]。 當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其他設(shè)計技術(shù)難以使用，系統(tǒng)得到控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID最為方便。即當(dāng)我們不完全了解系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時候，便最適合用PID控制技術(shù)。、積分、微分 21 比例電路 （23） 2 積分器22 積分電路 （24） 3 微分器23 微分控制電路 （25） 實際中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和輸入（誤差）之間的關(guān)系在時域中如公式（26）和（27）： （26） （27） 公式中U(s)和E（s）分別是u（t）和e（t）的拉氏變換，，其中、分別控制器的比例、積分、微分系數(shù)。 P、I、D控制 （P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器輸出與輸入誤差訊號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 （I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號成正比關(guān)系。 對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取關(guān)于時間的積分，隨時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，知道等于零。 因此，比例加積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 （D）控制 在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差訊號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）和有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化有些“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例加微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)數(shù)，從而避免了被控制量的嚴(yán)重的沖過頭。所以對于有較大慣性和滯后的被控對象，比例加微分（PD）的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。由于PID 控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點，在本設(shè)計中對于電烤箱的溫控系統(tǒng)我們選擇PID進(jìn)行控制。第三章 PID最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真 PID作為經(jīng)典控制理論，其關(guān)鍵問題在于PID參數(shù)的設(shè)定。在實際應(yīng)用中，許多被控過程機理復(fù)雜，具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點。在噪聲、負(fù)載擾動等因素的影響下，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會隨時間和工作環(huán)境的變化而變化。故要求在PID控制中不僅PID參數(shù)的整定不依賴與對象數(shù)學(xué)模型，并且PID參數(shù)能夠在線調(diào)整，以滿足實時控制要求。 PID參數(shù)整定法概述 PID參數(shù)整定方法1. Relay feedback ：利用Relay 的 onoff 控制方式，讓系統(tǒng)產(chǎn)生一定的周期震蕩，再用ZieglerNichols調(diào)整法則去把PID值求出來。2. 在線調(diào)整：實際系統(tǒng)中在PID控制器輸出電流信號裝設(shè)電流表，調(diào)P值觀察電流表是否有一定的周期在動作，利用ZieglerNichols把PID求出來，PID值求法與Relay feedback一樣[9]。3. 波德圖amp。跟軌跡：在MATLAB里的Simulin