【正文】 生波動的加熱爐，采用比例閥，實際空燃比會產(chǎn)生很大的波動，實際效果很差符合客觀實際。，本圖是用單邊限幅的串級比值來實現(xiàn)的。本圖是在串級比值控制的基礎上加入了高低選擇器，作為限幅控制。此控制器的PID參數(shù)為：Kp0=,Ki0=,Kd0=；Kp1=7,Ki1=,Kd1=0。 Kp2=5,Ki2=,Kd2=0 ；r= 。本圖是加入了單邊限幅后仿真結果，由仿真結果可以看出，經(jīng)過18min系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的最大偏差為40℃，系統(tǒng)穩(wěn)定后無余差。當溫度提量時，整條曲線都位于最佳燃燒區(qū)，因此，加入了單邊限幅后，能克服冒黑煙的問題。并且從圖中可以看出，空燃比有個波峰，可得出，帶來能量的浪費和產(chǎn)品的質量下降。 以上分別為單回路控制系統(tǒng)、串級比值控制系統(tǒng)、單邊限幅控制系統(tǒng)。其控制參數(shù)不變。 通過仿真結果比較，單邊限幅控制系統(tǒng)的超調(diào)量最小，過渡時間最小系統(tǒng)穩(wěn)定后無余差。但由于單邊限幅只限制了升負荷時空氣系數(shù)的下限，沒有限制降負荷是空氣系數(shù)的上限，針對這一缺點提出了雙邊限幅控制系統(tǒng)。本圖是用雙邊限幅的串級比值來實現(xiàn)的，是在單邊限幅的基礎上又增加了兩個高低選擇器。此控制器的PID參數(shù)為：Kp0=,Ki0=,Kd0=；Kp1=7,Ki1=,Kd1=0。 Kp2=5,Ki2=,Kd2=0 ；r=。本圖是加入了雙邊限幅后，由仿真結果可以看出，經(jīng)過20min系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)最大偏差為25，系統(tǒng)穩(wěn)定后無余差。當溫度降量時，從圖中可知，空氣過剩系數(shù)位于最佳燃燒區(qū)，因此，加入了雙邊限幅可以防止空氣過量帶來的一系列的問題。當溫度提量時，和單邊限幅一樣，能防止空氣不足帶來的一系列問題。在爐溫燃燒串級控制系統(tǒng)中，溫度的控制是很容易實現(xiàn)的，但既要及時而有效的控制溫度，又要將空氣過剩系數(shù)控制在最佳燃燒區(qū)，就沒那么容易了。對于整個加熱爐控制系統(tǒng)采用串級控制是沒有異議的，而在其中的燃燒控制部分就提出了多種方法：最先想到的是串級簡單比值控制系統(tǒng)，最后通過仿真得出，串級簡單比值控制系統(tǒng)不能克服提量時，空氣不足，降量時，空氣過剩；因此，在串級簡單比值控制系統(tǒng)基礎上改進，加入了單邊限幅控制，能克服提量時，空氣不足，但不能克服降量時，空氣過剩；最后提出了在燃燒控制中基于雙邊限幅的爐溫燃燒串級控制系統(tǒng)，不但能克服提量時，空氣不足，而且還能克服降量時，空氣過剩。通過分析和試驗結果表明，無論單交叉還是雙交叉燃燒控制系統(tǒng)，他們都是用犧牲系統(tǒng)跟蹤負荷的速度，來換取燃料和空氣流量之間相互制約，并限制剩余空氣系數(shù)μ的瞬態(tài)變化，從而達到節(jié)約能源的目的。單交叉限制的相應速度較慢，且主要影響負荷，而雙交叉限制的相應速度更慢，對升、降負荷都有影響。研究結果表明，四個偏置+ a1 (%)、 a2 (%)、 a3 (%)、+ a4 (%)的取值與系統(tǒng)對負荷相應速度和節(jié)能效果有關。從節(jié)能的觀點看，希望四個偏置的取值小點，但這樣一來會使系統(tǒng)對負荷響應速度變慢。此外，由于燃料空氣流量的隨機波動是不可避免的，為了防止由此而引起的高值、低值選擇器不必要的頻繁切換給系統(tǒng)帶來的擾動，也必須用偏置來給系統(tǒng)設置一定的死區(qū)，所以希望四個偏置的取值大點。一般要根據(jù)實際情況和控制要求在調(diào)試中確定四個偏置值。綜合考慮節(jié)能效果和系統(tǒng)對負荷響應的快速性這兩方面的影響，并通過試驗研究，建議選擇a1= a2 =2%~5%，a3= a4 =8%。如果要求調(diào)節(jié)過程短，則取上述偏置的上限值，如果著眼于最大限度節(jié)能，則取下限值。雙交叉控制系統(tǒng)的優(yōu)點是對剩余空氣系數(shù)進行雙向限幅，保證燃燒始終維持在最佳燃燒區(qū)，有利于節(jié)能，但它的缺點是偏置過小使系統(tǒng)對負荷響應速度變慢。第五章 加熱爐爐溫模糊控制系統(tǒng)仿真為了對本文溫度模糊控制器以及各改進算法的性能進行驗證，在此對溫度控制器進行了仿真研究，以比較出哪種算法更適用于加熱爐爐溫控制系統(tǒng)。加熱爐是一個十分復雜的被控對象，目前還沒有加熱爐整體的數(shù)學模型。在進行仿真研究時，僅對影響加熱爐系統(tǒng)控制效果的主要因素－爐膛壓力及各段間溫度的相互影響做出了如下假設：①對于爐膛壓力，采用單回路PID控制，使其保持穩(wěn)定的值。而在爐膛壓力穩(wěn)定的前提下，本文中空燃比尋優(yōu)的方法，充分考慮了壓力等因素對爐內(nèi)參數(shù)的改變，將壓力對最佳空燃比的影響降到最低。因此，在壓力保持固定不變的時候，可以忽略其對燃燒過程造成的影響。②正常燃燒時，爐內(nèi)各段間溫度的相互影響并不大，只是當鋼坯在推鋼機的推動下，從相鄰段之間穿越時會對該段爐溫造成較為明顯的影響，因此，在仿真時將該過程當做是一個干擾進行處理。在做出了上述的假設后，根據(jù)加熱爐大滯后、大慣性的特點，為便于控制方法的研究，可以借鑒文獻中已有的被控對象數(shù)學模型，將加熱爐簡化為一個二階環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為: （）此外，燃料流量對象和空氣流量對象本設計將把它們近似看成一階慣性環(huán)節(jié)，相應的傳遞函數(shù)如下：燃料流量對象傳遞函數(shù)： （）空氣流量對象傳遞函數(shù)： （）針對第三章建立的主回路溫度模糊控制器及其改進措施，本文通過 MATLAB 仿真證明所建系統(tǒng)得合理性。MATLAB 具有強大的矩陣運算能力和豐富的 Simulink 工具箱，其中模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）,提供了對模糊控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境它主要有五個基本工具用于建立模糊邏輯推理系統(tǒng)[19]：（1）模糊推理系統(tǒng)編輯器 Fuzzy；（2）隸屬度函數(shù)編輯器 Mfedit；（3）模糊規(guī)則編輯器 Ruleedit；（4）模糊規(guī)則觀察器 Ruleview；（5）模糊推理輸入輸出曲面視圖 Surfview根據(jù)第三章的設計，輸入變量e 有八個模糊子集：NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB，每個模糊子集用高斯函數(shù)表示。輸入變量 ec 有七個模糊子集：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，每個模糊子集用高斯函數(shù)表示。圖 溫度模擬仿真系統(tǒng) 圖 輸入 E 的隸屬度函數(shù)當定義輸入、輸出隸屬度函數(shù)后，可以進入模糊規(guī)則編輯器。根據(jù)隸屬函數(shù)和控制經(jīng)驗設計控制規(guī)則以 if ... then 的形式在 Rule Editor 窗口依次輸入如圖 ，溫度模糊控制器規(guī)則總數(shù) 48 條依次排列，這樣就完成了控制規(guī)則的編輯。在本控制器中，模糊決策采用 Mamdani 型推理算法，逆模糊用重心平均法(Centroid)。圖 爐溫模糊控制器的規(guī)則編輯器 圖 溫度控制模糊控制器的曲面觀察器輸出曲面觀察器給出了模糊推理系統(tǒng)的全部輸出曲面，也就是與整個輸入?yún)^(qū)間相對應的整個輸出區(qū)間。在輸出曲面觀察器中，對于單輸入單輸出情形，可以在一個圖形中看到全部映射，對于二輸入單輸出情形， MATLAB 很容易地繪制三維圖形來進行描述。通過規(guī)則觀察器、輸出曲面觀察器了解調(diào)整結果，可以檢驗前面設計的參數(shù)是否合理，以便更好的調(diào)整參數(shù)。圖 為本系統(tǒng)曲面觀察器中的輸入輸出曲面。假設在連續(xù)加熱爐中以爐中心溫度為一個主監(jiān)控點，以燃料流量為副監(jiān)控點，并且在副回路加一階躍信號代替相鄰段之間穿越時的干擾[20]。主控點的控制對象的傳遞函數(shù)為，副控點控制對象的傳遞函數(shù)為。 FUZZYPID仿真原理圖 本圖是用FuzzyPID控制來實現(xiàn)的，Kp=,Ki=,Kd=。穩(wěn)態(tài)值設定為12對應與加熱爐穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定1200℃。 FUZZYPID仿真結果 由仿真結果可以看出，經(jīng)過50min系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的最大偏差為160℃，系統(tǒng)穩(wěn)定后無余差。通過第四章以及本章Fuzzy控制器的仿真結果分析，可以看出：（1）整定的不同PID參數(shù)得到的控制效果不同，如穩(wěn)定時間長短、超調(diào)量大小、上升速度的快慢以及振蕩周期數(shù)目多少均不同。但是，可以看到，PID控制效果普遍具有響應速度較快的優(yōu)點和超調(diào)量大、震蕩周期多、穩(wěn)定時間長的缺點，而且當被控對象參數(shù)發(fā)生大的變化時，控制品質明顯變差，抗干擾能力和魯棒性均較差。（2）雙環(huán)控制系統(tǒng)要從最大超調(diào)量、衰減比、余差、最大偏差、調(diào)節(jié)時間方面來說明顯優(yōu)于單環(huán)控制系統(tǒng)，但雙邊限幅控制系統(tǒng)其抗干擾能力以及系統(tǒng)恢復能力不如FUZZY控制系統(tǒng)。這一結果與前文結果相同。（3）基于模糊控制器的加熱爐爐膛串級控制系統(tǒng)具有響應速度快、穩(wěn)態(tài)性能好、抗干擾性強等優(yōu)點。但穩(wěn)定時間較長。獲得了較好的控制效果。本章首先選取了加熱爐的模型，采用Matlab軟件對所建立的基本模糊控制器系統(tǒng)進行了較為全面的仿真研究和性能分析。從仿真結果可知，改進后的溫度模糊控制器具有響應快、控制精度高、魯棒性強的特點。在加熱爐控制中，對燃燒產(chǎn)物成分的分析可以進一步說明空燃比是否合理，燃燒是否充分，對燃料的利用是否充分等等，這些在如今節(jié)能降耗的工業(yè)要求下是值得研究的。另外，本文只是將模糊控制應用了一下，這一研究領域正是如今智能算法最有潛力的方向之一。綜合控制策略需要進一步完善，在控制策略復雜程度允許的前提下需要對各個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化控制，這樣對進一步節(jié)能降耗有很大的幫助。應開發(fā)出綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)并將其應用到實際生產(chǎn)中，根據(jù)實際應用中存在的問題對系統(tǒng)加以改進和完善。參考文獻1. 楊永寬. 呂永哉. 加熱爐動態(tài)優(yōu)化控制策略的開發(fā)．北京：冶金工業(yè)出版社，2. 顧根香譯. 加熱爐最佳曲線優(yōu)化控制．國外鋼鐵，1998, No3,118~1223. 陳海耿，楊澤寬. ，1999,34 (5), 57~614. 楊永耀，呂永哉. 板坯加熱爐的遞階計算機控制. 自動化學報,5. 楊志，鄧仁明等. 軋鋼加熱爐的控制與節(jié)能. 儀器儀表學報, 2001,22(3),438~4396. F. G. Shinskey著。 蕭得云, 呂伯明譯. 過程控制系統(tǒng)—應用、設計與整定. 北京：清華大學出版社，7. 邵裕森. ：上海交通大學出版社，8. 蔡喬芳主編. . 北京：冶金工業(yè)出版社，1996. 29. Astrom K J, Hagglund T. Automatic Tuning of PID Controllers. Research Triangle park, North Carolina: Instrument Society of America, 10. 吳慶明. 儀表控制系統(tǒng). 北京：冶金工業(yè)出版社，11. . 連續(xù)加熱爐計算機控制系統(tǒng). 冶金自動化. 12. 蔡自興. 人工智能控制. 北京. 化學工業(yè)出版社，13. 劉金餛. 先進PID控制MATLAB仿真. 北京. 電子工業(yè)出版社. 14. 戚翠芬. 加熱爐. 北京. 冶金工業(yè)出版社. 15. 王永慶. 人工智能原理及其應用. 西安. 西安交通大學出版社. 16. 李士勇. 模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論. 哈爾. 濱哈爾濱工業(yè)大學出版社. 199617. 池桂興等. 工業(yè)爐節(jié)能技術．北京：冶金工業(yè)出版社，18. 王鳴. 基于模糊控制理論的一種PID參數(shù)自整定控制器的設計與仿真. 2000 (1), 14~119. 李友善，李軍. 模糊控制理論及其在過程控制中的應用. 國防工業(yè)出版社，199320. Maiers J, Sherif Y S. Applications of fuzzy set theory. IEEE Trans Syst. Man Cybem,1985附 錄致 謝本設計從題目的確定到完成，經(jīng)歷了“提出問題—不斷學習相關資料—解決問題”的多次重復過程。在本設計和論文完成之際，首先要向閆俊紅老師致以誠摯的謝意。閆俊紅老師學識淵博、治學嚴謹，盡管工作繁忙，仍對本人的學習進行了細致、深刻的指導和無微不至的關懷，并且其正直善良的人品、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L、勤奮的工作態(tài)度對我產(chǎn)生很大的影響。甚至，閆老師抽出休息日為我單獨的指導。我所取得的任何進步都有她傾注的一份心血，言及至此，感激涕零之情無以言表。衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師！衷心地感謝幫助過我的老師、同學和朋友！衷心地感謝我的母校內(nèi)蒙古科技大學給我在此學習的機會！