【正文】 履行自己的職責，實現(xiàn)自己的價值，為祖國建設貢獻自己的力量。導師為人謙虛誠懇，做事嚴謹認真，治學一絲不茍，以及生活上導師正直的人格品德及其寬以待人的作風，深深地影響著我，并將使我終身受益，在此，對導師的辛勤培養(yǎng)致以崇高的敬意和衷心的感謝。 此外，由于自身能力的限制，論文中還存在一些不足和需要進一步完善的地方，主要包括以下兩點： （ 1）本文所設計增益自適應 Smith 加熱爐溫度控制系統(tǒng)，還有一定的超調(diào)量，在今后的研究工作中有必要進一步改進。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。 增益自適應 Smith 控制系統(tǒng)仿真研究 Smith預估補償控制存在著要求被控對象模型精確的內(nèi)在要求，當被控對象模型參數(shù)不準確或參數(shù)易變時．其控制效果將會變差 。 然而， Smith預估補償控制也有其缺點，即對模型誤差較為敏感，當模型誤差較大時， Smith預估補償控制的品質(zhì)會變壞，甚至失去穩(wěn)定性。 圖 加熱爐溫度 Smith 控制系統(tǒng)仿真框圖 仿真分析 對圖 進行仿真，得到的輸出曲線如圖 所示，由 曲線可知， Smith 控制上升速度快、無超調(diào)且穩(wěn)態(tài)精度高，對大時滯系統(tǒng)有良好的控制品質(zhì)。 PID 控制系統(tǒng)仿真研究 針對大慣性純滯后對象式 51,設計 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 。0sWsWsT esWsWsR sY TdsT?????sdme sTsY sD ???? 1)( )(4內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 18 圖 FuzzySmith 控制方案圖 綜合考慮以上所闡述的兩種改進型 Smith預估補償控制方案，增益自適應補償方案較 FuzzySmith預估補償方案， 更適合該控制系統(tǒng)。 ()Ds? R 039。)()()()( 04 （ 410） )()( sYsA ? （ 411） sc mesWssB ?? ?? )()()( （ 412） sd me sYsTsDsDsD ????? )()1()()()( 34 1 （ 413） （ 414） 若 m??? ，則有 （ 415） Fuzzy— Smith 預估補償控制方案 模糊控制是一類應用模糊集合理論的控制 方法。導前微分環(huán)節(jié) （識別器） 的 ，它使過程與模型輸出之比提前進加法器。補償器與過程特性有關，而過程的數(shù)學模型與實際過程之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點是模型的誤差會隨時間累積起來，也就是對過程特性變化的靈敏度很高 [11][12]。這就是 Smith預估補償器，他將消除大遲延對系統(tǒng)控制過程的不利影響，控制系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程無純遲延時，完全相同 [9][10]。39。39。 sso esWesW ?? ?? ?? （ 47） )(sR )(sY)(sF)(39。 sWsW esWsWsWsWesWsF sYoTsoToTso? ????? ?? ])()(1)()(1[)( 39。 圖 Smith 預估器框圖 從圖 可以導出 Smith 預估控制系統(tǒng)的擾動傳動函數(shù) )(/)( sRsY 為 )()(1])()()()(1[)()( )( 39。39。 sY 不延遲 ? ，且等于 )(39。 （ 43） 式（ 43）表明，受到控制作用之后的被控量要經(jīng)過純遲延 ? 之后，才能返回到控制器。 sWs)(sR )(sY)(s?soTsoesWsW esWW TsR sY ?????? )()(1 )()s()( )( 39。 sWo 是被控對象除 去純遲延環(huán)節(jié) se?? 后的傳遞函數(shù) , )(39。 Smith 預估補償方案主體思想就是消去特征方程中的 se?? 項。 當采用單回路控制系統(tǒng)時，如圖 所示，控制器的傳遞函數(shù)為 )(sWT 圖 單回路控制系統(tǒng) 當被控對象的傳遞函數(shù)為 soo esWsW ??? )()( 39。式中 為純比例作用下的臨界振蕩周期，則 (37) 這樣，整個問題都簡化為只要整定一個參數(shù) 。 4）按擴充臨界比例度法參數(shù)整定計算公式求取采樣周期 T、比例系數(shù) 、 積分時間常數(shù) 和微分時間常數(shù) 。 PID 參數(shù)的工程整定法 （ 1）擴充臨界比例度法 1）選擇合適的采樣周期。 2）采樣周期應遠小于對象擾動信號的周期。 3）增量型算法算式中不出現(xiàn) u0項，易于實現(xiàn)手動到自動的切換。 兩種標準 PID 控制算法比較 增量型算法較位置型算法，雖然只是在算法上改動了一點，但卻有不少優(yōu)點： 1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，對控制量的計算影響較小。 數(shù)字 PID 位置型控制算法 數(shù)字 PID 位置型控制算法 為 (32) + + rink + 比例 積分 微分 控制對象 uT kekeT dkj jeT iTkeKku 0])1()(0 )()([p)( ????????)()()( tytrte ??內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 12 )]2()1()([)()]1()([ ????????? kekekekkekkekek dip式（ 412）表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置 u(k),所以被稱為數(shù)字 PID置型控制算法。在實際應用中，根據(jù)對象的特性和控制要求，也可靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 11 第三章 數(shù)字 PID 控制 理論 PID 控制算法 PID 是按偏差的比例、積分和微分進行控制的一種控制規(guī)律 [6]。 20 世紀后半葉，以狀態(tài)空間為標志的現(xiàn)代控制理論取得了長足進步，過程工業(yè)也向大型化、集約化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。于是產(chǎn)生了前后設備之間的供求矛盾和協(xié)調(diào)問題。 前饋控制系統(tǒng)的應用場合 1. 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制 達不到質(zhì)量要求時。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。 2） 動態(tài)前饋控制系統(tǒng) 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，在一定程度上可改善過程品質(zhì)，但在擾動作用下控制過程的動態(tài)偏差依然存在。F1C F2C F1 F2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 9 當干擾出現(xiàn)以后，被控 變量還未變化時，前饋控制器（也稱前饋補償裝置）就根據(jù)干擾的幅值和變化趨勢對操縱變量進行控制，來補償干擾對被控變量的影響，所以相對于反饋控制，前饋控制是比較及時的。 雙閉環(huán)比值控制 為了既能實現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進入系統(tǒng)的總流量 F1＋ F２ 不變，因此在單閉環(huán)比值控制的基礎上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。 比值控制系統(tǒng) 在生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料以一定的比例進行混合或參加化學反應。 （ 3） 串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定 1） 在主回路閉合的情況下，主、副控制器都為純比例作用，并將主控制器的比例度置于 100%，用 4： 1 衰減曲線法整定副控制器，求取副回路 4： 1 衰減過程的副控制器比例度 (δ 2p)以及操作周期 (T2P)。主控制器一般選用 PID 控制規(guī)律，副控制器一般可選 P 控制規(guī)律。 2） 對象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標時，可采用串級控制系統(tǒng)。 圖 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖 流量對象 設定值 控制閥 流 量 控制器 干擾 測量變送 溫 度 控制器 溫度對象 干擾 測量變送 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 7 串級控制系統(tǒng)的特點 1） 改善了對象特征，起了超前控制的作用 2） 改善了對象動態(tài)特性，提高了工作頻率 3） 提高了控制器總放大倍數(shù)，增強了抗干擾能力 4） 具有一定的自適應能力，適應 負荷和操作條件的變化 串級控制系統(tǒng)的設計 設計原則： 1） 在選擇副參數(shù)時，必須把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中。 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。 e sssG 10110 1)( ???內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 6 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。 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。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) Tp 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]。 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。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。 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 預估內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 3 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。 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