【文章內(nèi)容簡介】 給現(xiàn)代控制理論的數(shù)學計算提供了很好的條件。 計算機控制不僅應用于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，還運用咋退火爐的控制管理上面。退火爐中運用了計算機控制使得工業(yè)生產(chǎn)效率空前提高。同時由于罩式退火爐群中每一個都有內(nèi)外罩，空燃混合氣體得以在其中間燃燒，計算機控制技術(shù)的引入更好的指導爐臺裝鋼板，智能選取剛?cè)∠碌臒嵬庹?，很大程度上?jié)約了燃料。 綜上所述，當前我國研究退火爐的重點主要集中在一些大型企業(yè)的大型設備上，而這些設備通常回路比較多，控制的節(jié)點相對比較復雜，這使得現(xiàn)場總線控制和集散控制系 統(tǒng)有著很強的優(yōu)勢，能更有效的對退火爐群進行控制。至于較小的系統(tǒng)，既要節(jié)約成本，又想要在時間上和需求上實現(xiàn)控制的穩(wěn)定快速則很難利用 DCS、 PLC 等系統(tǒng)實現(xiàn)控制，因而目前控制小型退火爐的智能系統(tǒng)仍然采用人工控制的現(xiàn)場儀表。 [4] 課題研究的目的及意義 本文我們將研究煤氣罩式退火爐。退火爐加熱鋼材主要是以空氣和煤氣的混合氣體作為燃料，煤氣空氣的混合氣體燃燒產(chǎn)生較高的溫度能夠很好的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需要的溫度要求，同時由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應用。現(xiàn)如今自動化控制水平日臻完善，控制領(lǐng)域已經(jīng)涵 蓋了退火爐系統(tǒng)。因而如何控制退火爐系常州工學院電子信息與電氣學院畢業(yè)設計說明書 4 統(tǒng)，怎樣進行控制以及控制性能如何成為了我們關(guān)注的焦點問題。在這個過程中，控制系統(tǒng)的核心問題就在于溫度，因而溫度參數(shù)成為了系統(tǒng)需要進行控制的控制量。在退火爐系統(tǒng)中，如果溫度參數(shù)出現(xiàn)了超調(diào)，系統(tǒng)就會無法實現(xiàn)自動控制。因此如何將超調(diào)量控制在最小的范圍內(nèi)成為工作的核心問題，在條件許可的情況下，理想的狀態(tài)是完全消除系統(tǒng)的超調(diào)量或者至少把超調(diào)量控制在我們期望值之內(nèi)。 退火爐系統(tǒng)是一類帶有時滯特性的溫度系統(tǒng)。文中以工業(yè)生產(chǎn)中常見的退火爐系統(tǒng)為出發(fā)點進行分析，通過對退火爐系統(tǒng)中出現(xiàn)的大時 滯現(xiàn)象進行傳統(tǒng) PID 控制方法和大林控制方法的控制，解決熱處理過程中的控制問題，進而比較分析 PID 控制方法和大林算法的差異，得到大林算法在處理帶有時滯的控制系統(tǒng)過程中的鮮明優(yōu)勢。以退火爐系統(tǒng)為入口，將大林算法引入溫度控制系統(tǒng)， 使溫度系統(tǒng)的響應更快，系統(tǒng)超量很小甚至無超調(diào)，實現(xiàn)無誤差控制。從而使得工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量更佳，又可以減緩工業(yè)設備的損耗，延長設備使用壽命。 解決工業(yè)系統(tǒng)中帶有純滯后環(huán)節(jié)的設備控制問題，抑制其產(chǎn)生的有害影響，有利于改善生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高能源的利用效率等方面都有很重要的作用。所以，提出并設計改進的純滯后特性的系統(tǒng)的方案有很強的現(xiàn)實意義。 課題研究的內(nèi)容 如果系統(tǒng)的控制對象的純滯后出現(xiàn)在擾動通道中，那么系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)方程就不會受到影響。而倘若純滯后環(huán)節(jié)出現(xiàn)在系統(tǒng)的控制對象調(diào)節(jié)通道和測量元件中時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)方程就會存在純滯后環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量下降。而且，如果系統(tǒng)的純滯后時間很大，系統(tǒng)甚至會變得不穩(wěn)定，因而很難控制此類系統(tǒng)使之有較好的控制效果。本文建立鋼材生產(chǎn)工藝中退火爐系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過階躍響應曲線法建立起退火爐系統(tǒng)的帶有純滯后一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)學模型 。接著主要介紹了幾種處理帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的控制算法，包括傳統(tǒng) PID 算法、史密斯預估控制算法、大林算法。在分析各種算法設計規(guī)律的基礎上，討論了各種控制算法的性能及其改進方法。然后針對退火爐系統(tǒng)的數(shù)學模型采用 PID 控制算法和大林算法分別對系統(tǒng)進行仿真控制，并對控制中出現(xiàn)的問題進行改進。 對于控制系統(tǒng)的仿真而言，采用數(shù)字控制器對系統(tǒng)進行控制，先采用 PID 算法進行仿真，由系統(tǒng)仿真圖得出傳統(tǒng) PID 控制算法不能很好適用于帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)控制。再通過大林算法設計程序進行仿真，得到并分析系統(tǒng)仿真圖，尋找與傳統(tǒng) PID算法相比的優(yōu)勢。接著討論大林算法中存在的振鈴現(xiàn)象，分析振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并結(jié)合國內(nèi)外的經(jīng)驗給出解決振鈴現(xiàn)象的幾種方法。最后，討論系統(tǒng)控制對象參數(shù)發(fā)生失配的情況下，大林控制器的控制效果。反映大林控制器的控制穩(wěn)定性，同時也揭示了大林控制器不能工作于系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定或者系統(tǒng)參數(shù)是變量的情況中，即說明了大林算法無法大范圍的應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的原因。 [5] 第 1章 緒論 5 通過傳統(tǒng) PID 控制算法和大林控制算法的研究兩種方法對系統(tǒng)動靜態(tài)特性的影響，要使得系統(tǒng)響應無超調(diào)，而且動靜態(tài)特性都比較合理，控制器的控制效果穩(wěn)定。 小結(jié) 本章主要介紹了論文的課題背景及課題來源，分析了當前工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，研究工業(yè)控制對象的大時延特性所引起的不利影響，使得能夠得到有效控制，對于保證安全生產(chǎn)，實現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、高效率低消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟效益都有著舉足輕重的作用。文章然后分析了國內(nèi)外關(guān)于溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，目前為止已經(jīng)出現(xiàn)了包括 PID控制、大林控制、史密斯預估控制以及各種智能控制在內(nèi)的算法，我國的學者和技術(shù)人員對帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的研究也有了很大的突破。接著文章討論了本課題研究的目的及意義，解決工業(yè)系統(tǒng)中帶有純滯后環(huán)節(jié)的設備 控制問題，抑制其產(chǎn)生的有害影響，有利于改善生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高能源的利用效率等方面都有很重要的作用和很強的現(xiàn)實意義。最后文章介紹了課題研究的內(nèi)容，介紹了本文進行課題研究的思路和研究過程，采用 MATLAB仿真軟件，對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行仿真，并通過仿真圖對不同控制算法進行比較。 第 2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建 6 第 2 章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建 本文我們將研究煤氣罩式退火爐?？諝夂兔簹獾幕旌蠚怏w是退火爐加熱鋼材的燃料，煤氣空氣的混合氣體燃燒產(chǎn)生較高的溫度能夠很好的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn) 所需要的溫度要求，同時由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應用?，F(xiàn)如今自動化控制水平日臻完善，控制領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋了退火爐系統(tǒng)。因而如何控制退火爐系統(tǒng)，怎樣進行控制以及控制性能如何成為了我們關(guān)注的焦點問題。在這個過程中，控制系統(tǒng)的核心問題就在于溫度，因而溫度參數(shù)成為了系統(tǒng)需要進行控制的控制量。在退火爐系統(tǒng)中，如果溫度參數(shù)出現(xiàn)了超調(diào)，系統(tǒng)就會無法實現(xiàn)自動控制。因此如何將超調(diào)量控制在最小的范圍內(nèi)成為工作的核心問題，在條件許可的情況下，理想的狀態(tài)是完全消除系統(tǒng)的超調(diào)量或者至少把超調(diào)量控制在我們期望值之內(nèi)。 煤氣罩式退火爐結(jié)構(gòu) 煤氣罩式退火爐包括內(nèi)罩和外罩兩個部分。其結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。 [6]其中，外罩的作用是將整個爐結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境隔離，爐的內(nèi)、外罩之間的空間充入空氣和煤氣混合氣體并通過燃燒給系統(tǒng)供熱。內(nèi)罩用于隔離燃燒氣體和工質(zhì)，內(nèi)罩的內(nèi)部填充保護鋼質(zhì)的保護性氣體，從而使得鋼質(zhì)不會因為受熱發(fā)生氧化，保證了工質(zhì)的純度。另外，外罩和控制閥門通過煤氣閥門連接，這樣可以方便往罩里面充入燃燒氣體。而內(nèi)罩和保護氣體閥門連接，使得可以往內(nèi)罩的內(nèi)部充入保護性氣體而將燃燒過程作用于內(nèi)、外罩之間。外罩的內(nèi)側(cè)鑲嵌著噴嘴，混合 的空氣和煤氣的混合氣體通過噴嘴處釋放，噴嘴總共 12 個，分上下兩層分布。每一層中 6 個噴嘴相互交替的排列在內(nèi)罩邊上。兩個蝶閥主要用來控制空氣和煤氣的燃燒比，調(diào)節(jié)蝶閥的不同開合程度就可以調(diào)節(jié)煤氣和空氣的混合比。當加熱內(nèi)罩的時候，需要保持煤氣和空氣的混合比和設定的數(shù)值一致。退火爐測量獲得的溫度數(shù)值實際上是退火爐內(nèi)罩中保護性氣體的溫度。因為無法對退火爐內(nèi)部的工質(zhì)的溫度進行直接測量，而工質(zhì)位于保護性氣體中，因而可以近似認為測量保護性氣體的溫度就是工質(zhì)的溫度。空氣和煤氣的閥門都是選用蝶閥，蝶閥的開關(guān)一般可以通過電機執(zhí)行機 構(gòu)在連桿的作用下帶動轉(zhuǎn)動，進而可以自動實現(xiàn)閥門開度的自動調(diào)節(jié)。退火爐系統(tǒng)的輸入是蝶閥的開度，輸出為保護性氣體問的近似值，整體構(gòu)成一個單輸入單輸出的溫度控制系統(tǒng)。退火爐的流程主要暴多四個階段，即快速升溫，升溫，保溫，降溫階段。退火爐的升溫階段是按照特定的工藝曲線進行，保溫階段中要求在該段時間中溫度保持不變，而降溫階段是鋼質(zhì)的自由降溫。在四個過程中，升溫階段和保溫階段均要求溫度的控制精度保持在低于177。 10℃。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 7 圖 21 罩式退火爐結(jié)構(gòu)圖 煤氣罩式退火 爐在各個溫度階段的特點 罩式退火爐根據(jù)溫度變化大致可以劃分為四個階段，即快速升溫階段，升溫階段，保溫階段和自由降溫階段。退火爐溫度變化趨勢如圖 22 所示，其中退火爐的快速升溫階段為圖中的 T1 階段。在這段中，煤氣和空氣閥門的開度均達到了最大。這樣是為了期望退火爐系統(tǒng)能夠在盡可能少的時間內(nèi)使得退火爐外罩的內(nèi)部溫度升到期望值（通常為 400℃）。這個指標的實現(xiàn)需要煤氣和空氣的混合氣體在內(nèi)、外罩之間的燃燒，同時使保護性氣體充入到內(nèi)罩的內(nèi)部。平穩(wěn)升溫階段在圖中表示為 T2 階段。在此階段中，溫度是按照某一個設定的速度逐步升 高到 700℃，這個過程需要引入大林算法控制器來進行控制。保溫階段為圖中的 T3 階段，該階段中爐內(nèi)罩內(nèi)部的溫度適中保持固定在 700℃。系統(tǒng)的降溫階段為圖中的 T4 階段。在這個階段中整個系統(tǒng)停止運行，爐子內(nèi)部不在燃燒供熱，只依靠鋼質(zhì)自身散熱實現(xiàn)自然降溫。 圖 22 罩式退火爐溫度變化曲線 其中： 工質(zhì) 保護氣體 煤氣閥 空氣閥 外罩 內(nèi)罩 溫度 Y1 Y2 T1 T2 T3 T4 時間 第 2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建 8 T1：快速升溫階段。煤氣和空氣閥門的開度均達到最大，退火爐用最快的速度將爐內(nèi)溫度上升到 400℃。 T2：升溫階段。通過控制算法的輸出實現(xiàn)閥門開度的控制 ，進來使得爐內(nèi)溫度按照指定的上升規(guī)律上升（通常上升速度為 45℃ /小時～ 75℃ /小時）。 T3：保溫階段。也是在控制算法作用下通過輸出控制閥門的開度進而使得系統(tǒng)的溫度保持在特定的穩(wěn)定值上。 T4：自由降溫階段。此時系統(tǒng)完全停止運作，鋼質(zhì)進行自然冷卻。 [7] 煤氣罩式退火爐的建模 系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 對于任何一個控制系統(tǒng)而言，被控對象和控制系統(tǒng)都是其必要的組成部分。其中控制器和被控對象是任何復雜控制系統(tǒng)都具有的最基本的元素。若要對退火爐建模，我們就需要對控制設備和被控對象的動態(tài)性能熟悉了解， 進而才能對被控對象進行動態(tài)分析。而對被控對象的動態(tài)特性的了解實質(zhì)上是對被控對象用數(shù)學模型表達其動態(tài)特性的基礎，這個過程需要運用自動控制理論，因此我們需要先要儲備一定量的自動控制理論知識。下面簡要介紹在控制系統(tǒng)中常常會遇到的一些基本環(huán)節(jié)。 慣性環(huán)節(jié)常常包含在自動控制系統(tǒng)中被控對象的傳遞函數(shù)中。慣性環(huán)節(jié)是指：當輸入 ()Xt為單位階躍信號時輸出 ()Yt不能立刻響應輸入信號達到穩(wěn)態(tài)值，而是瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化形式，經(jīng)過一段時間過渡后達到穩(wěn)態(tài)輸出。 一階慣性環(huán)節(jié)的動態(tài)方程可以表示為： () ( ) ( )dy tT y t Kx tdt ?? （ ） 其中 T 是被控對象的時間常數(shù)； K 是控制系統(tǒng)的放大系數(shù) 對上式兩邊同時進行拉氏變換能夠得到表達式： ( 1) ( ) ( )Ts Y s KX s?? （ ） 因此可以得到系統(tǒng)的慣性環(huán)節(jié)的傳遞 函數(shù)： （ ） 傳遞函數(shù)方框圖如圖 23 所示： ()() ( ) 1Y s KGs X s Ts?? ?常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 9 圖 23 傳遞函數(shù)方框圖 其實，當時間常數(shù) T 無限趨于零時，慣性環(huán)節(jié)就退化為比例環(huán)節(jié)： ()Gs K? （ ） 2. 純滯后環(huán)節(jié) 純滯后環(huán)節(jié)是自動控制系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的另一個環(huán)節(jié)。其特點表現(xiàn)為：輸出是輸入的完整復現(xiàn)，只是信號在傳遞過程中延時了一段時間。如果假設系 統(tǒng)的輸出為 ()yt? ，輸入為 ()yt ，則可以用 ( ) ( )y t y t? ???來表示延時系統(tǒng)中函數(shù)關(guān)系，其中 ? 為純延時時間。 [8] 對上式兩邊進行拉氏變換可得： ( ) ( ) sY s Y s e ?? ?? （ ） 因此純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)就表示為： ()() () sYsG s eYs ??? ?? （ ） 傳遞函數(shù)方框圖為： 圖 24 純滯后環(huán)節(jié)方框圖 對帶有一階純滯后的慣性環(huán)節(jié)，其微分方程可以表示為： () ( ) ( )d y tT y t Kx tdt? ?? ?? ? ? ? （ ） 對上式進行拉氏變換后可得： ( 1) ( ) ( )sTs e Y s KX s? ??? （ ） 若帶有一階純滯后的慣性環(huán)節(jié)的微分方程表示為： () ( ) ( )d y tT y t K x tdt? ? ?? ? ? （ ） 則進行拉氏變換后就得到： ( 1 ) ( ) ( )sT s Y s Ke X s?? ??? （ ） 同樣可以得出相同的傳遞函數(shù)： K 11Ts? se?? 第 2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建 10 () 1 sKG s eTs ??? ?