【正文】 ............. 22 總 結(jié) ................................................................. 24 參考文獻(xiàn) .............................................................. 25 謝 辭 ................................................................. 27 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 緒論 研究的背景及意義 加熱爐溫度控制系統(tǒng)為一個(gè)大滯后的系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)的控制方式，采用溫度、流量串級控制，并把煤氣熱值和煙氣殘氧檢測量引入控制系統(tǒng)，對煤氣和空氣的配比值進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了加熱爐高效燃燒控制、溫度迅速反應(yīng)控制。在純滯后過程中，由于過程控制通道中存在的純滯后，使得被控量不能及時(shí)反映所承受的擾動。因此這樣的過程必然會產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和需要較長的調(diào)節(jié)時(shí)間，被認(rèn)為是較難控制的過程，其控制難度將隨著純滯后 ? 占整個(gè)過程動態(tài)時(shí)間參數(shù)的比例增加而增加。一般認(rèn)為純滯后 ? 與過程的時(shí)間常數(shù) T之比大于 ，則稱過程是大滯后過程。當(dāng) ? 與 T之比增加時(shí)，過程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至?xí)驗(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?smith 預(yù)估補(bǔ)償控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)矩陣預(yù)報(bào)控制、預(yù)測控制、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(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)對控制器進(jìn)行解析設(shè)計(jì)， 或者對其中的控制參數(shù)進(jìn)行魯棒調(diào)整，還有的方法是對 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。 τse?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 （ 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)主要用于辨識和控制。在辨識方面，用于辯識系統(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)測控制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和 Smith 控制結(jié)合對時(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)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)。模糊算法對于時(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)估器解決對象的時(shí)滯問題，模糊控制器控制對象的大慣性環(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)?；沟霉I(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)變性對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對于時(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(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、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)估內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 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 ,與被控對象相并聯(lián) ,使補(bǔ)償后的被控對象的等效傳遞函數(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控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 ,且實(shí)現(xiàn)簡單 ,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 ,但動態(tài)性能不理想 .當(dāng)模型失配時(shí) ,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)確的對象數(shù)學(xué)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(yīng)性 修正。 相對而言 ,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 ,對于大時(shí)間滯后系統(tǒng)是一種比較實(shí)用的控制方法 。 (s)Dzτse?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 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(yán)格控制。 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 圖 所示為某工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐，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。 被 加 熱 物 料燃 料T 1支 路 1支 路 2爐 膛出 口 圖 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(gè)多容量的復(fù)雜對象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試，并作了一些簡化，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) Tp 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]。 1)( ????sT pe sK psG p ?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 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(gè)受控對象、一個(gè)測量變送器、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)。 圖 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(yīng)關(guān)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(jì)運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)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(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。 e sssG 10110 1)( ???內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 常用復(fù)雜控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng) 但是，由于加熱爐時(shí)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(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，采用串級控制系統(tǒng)。 圖 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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。在串級控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個(gè)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(gè)被控參數(shù)，主被控參數(shù)（溫度）和副被控參數(shù)（流量）。主被控參數(shù)的信號送往 主控制器，而副被控參數(shù)的信號被送往副控制器作為測量，這樣就構(gòu)成了兩個(gè)閉合回路，即主回路（外環(huán)）和副回路（內(nèi)環(huán)）。 串級控制系統(tǒng)的工作過程 [5]，就是指在擾動作用下，引起主、副變量偏