【正文】 1??Ds??ke1TTT T??ky1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書17專門設(shè)定 個單元作為存放信號 的歷史數(shù)據(jù) [21]，存儲單元的個數(shù) 由式N??kmN決定， 是純滯后時間， 為采樣周期。圖中 為負反饋調(diào)節(jié)器，本論文??sD圖 44 計算機純滯后補償控制系統(tǒng)使用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律； 是純滯后補償器，與對象的特性有關(guān)；零階???speGsD???11保持器的傳遞函數(shù)為 （4?seTh??5） 式中 為采樣周期； 是對象特性， 中不包含純滯后特性。se??圖 42 帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)圖 43 施密斯預(yù)估控制效果 施密斯預(yù)估器的計算機實現(xiàn)針對許多被控制對象具有的純滯后性質(zhì)，施密斯(Smith)提出的純滯后補償控制算法，在計算機控制系統(tǒng)中能夠方便的實現(xiàn)。 （4??speGsDs?????113）經(jīng)過補償后的系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （4??????spsp eDeDs ??? ???????114）從式（44）可以看出，經(jīng)補償后， 在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)se??定性，拉氏變換的位移定理說明了 僅僅將控制作用在時間坐標上推移了一個時s間 ，控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標都與對象特性為 時是相同的。為了改善控制系統(tǒng)的性能，引入了一個與 并聯(lián)的補償環(huán)??sD節(jié)，用來補償被控對象中的純滯后部分。 施密斯預(yù)估控制原理設(shè)具有時間滯后特征的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 41 所示，圖中 表示調(diào)節(jié)器的傳??sD內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書15遞函數(shù)，用于校正 部分， 表示被控對象的傳遞函數(shù)， 為被控對??sGp??spe?? ??sGp象圖 41 帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)， 為被控對象純滯后部分的傳遞函數(shù)。第四章 施密斯預(yù)估控制為了改善大純滯后系統(tǒng)的控制品質(zhì) [19]，1958 年施密斯()針對大純滯后過程提出預(yù)估補償算法，又稱為施密斯(Smith)預(yù)估控制算法。G(s) Gf(s) D(s)R(s) E(s)F(s)U(s) Y(s)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書14圖 32 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)描術(shù)圖 被控對象控制策略的選取鑒于退火爐是一類大慣性、純滯后和非線性的對象，它的溫度控制是一個復(fù)雜而又難以控制的工業(yè)過程，采用常規(guī)的 PID 控制策略已經(jīng)很難取得很好的控制精度，因此研究一種性能良好的控制策略具有一定的實際意義。擾動通道純滯后 的存在不影響系統(tǒng)閉環(huán)極點的分布，它僅表示擾動進入系統(tǒng)f?的時間先后，即擾動在 時刻后作用于系統(tǒng)。當被控對象存在純滯后，控制作用不能及時使被控變量發(fā)生變化；當反饋環(huán)節(jié)存在純滯后，被控變量的變化不能及時傳送到控制器。設(shè)控制通道和擾動通道的傳遞函數(shù)分別為： ????fsffseTKGeTKs ????????1。為使討論具有廣泛性，這里假設(shè)過程特性是廣義對象的動態(tài)特性。在工業(yè)生產(chǎn)中，當純滯后時間與過程時間常數(shù)的比值增加，就會導(dǎo)致過程中的相位滯后增加，使大純滯后現(xiàn)象更為突出，有時會因為超調(diào)嚴重而導(dǎo)致聚爆、結(jié)焦等停產(chǎn)事故。如果純滯后時間與慣性時間常數(shù)相比很大時，我們可近似忽略慣性時間常數(shù)而將其看成單純的純tt00輸入 x輸出 yτtt00輸入x輸出yτ內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書13(a) 階躍輸入響應(yīng) (b) 任意輸入響應(yīng)圖 31 純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出特性滯后過程。此時，純滯后可用 ( 為物料傳輸距離， 為物料傳輸速度)來計算。純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖 31 所示，?圖 31(a)表示輸入為階躍信號時的輸出響應(yīng)，圖 31(b)表示輸入為任一時間函數(shù)時的輸出響應(yīng)曲線。所以，具有純滯后的過程被公認為是較難控制的過程 [16]。當純滯后時間占整個動態(tài)過程的時間越長，控制的難度就越大。在化工、煉油、冶金等一些復(fù)雜工業(yè)過程控制中廣泛存在較大的純滯后，其原因就在于當輸入變量改變后，實際系統(tǒng)變量的測量，設(shè)備的物理性質(zhì)以及信號的采集、傳遞和處理等多方面的因素導(dǎo)致了輸出并不立即改變，而要經(jīng)過一段時間后才反映出來，輸出相對于輸入有了時間滯后現(xiàn)象，這個時間就稱為純滯后時間。一般來說，滯后現(xiàn)象在動力系統(tǒng)中內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書12總是不可避免地存在，也就是說事物的發(fā)展趨勢不僅依賴于當前的狀態(tài)，而且還依賴于事物過去的歷史。滯后是控制系統(tǒng)中一種典型環(huán)節(jié)，具有較大滯后的被控對象其被控過程往往會產(chǎn)生明顯的超調(diào)而使得調(diào)節(jié)時間較長。sec20,???得到此退火爐的傳遞函數(shù)為: ????YTA0PB內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書11圖 23 階躍響應(yīng)曲線第三章 被控對象分析退火爐燃燒系統(tǒng)是一個有自平衡能力的對象，它具有非線性、時變和分布參數(shù)等特征，本文中簡單地用一個純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來描述。切線法的主要缺點是所作的切線1T不夠準確，其優(yōu)點是方法簡單，便于計算。???Y由于階躍響應(yīng)曲線切線法被較多地應(yīng)用到 PID 控制對象的建模上，所以業(yè)界應(yīng)用較為廣泛。?根據(jù)實驗所得的圖 23 去確定傳遞函數(shù)中的參數(shù) ， ， 。二階慣性傳遞函數(shù)擬合，數(shù)據(jù)計算量較大，處理較為復(fù)雜，但匹配程度較好。 被控對象的實驗數(shù)據(jù)處理對于退火爐這類對象的典型傳遞函數(shù)為純滯后加一階或二階慣性環(huán)節(jié)模型，其描述函數(shù)如下式所示:一階慣性純滯后系統(tǒng)傳遞函數(shù): （2??seTKsG????11）內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書10二階慣性純滯后系統(tǒng)傳遞函數(shù): （2????seTsKG????1212）對于被控對象傳遞函數(shù)的選擇，常用的做法是實驗經(jīng)驗法。，使退火爐的初始狀態(tài)處于穩(wěn)定。為了很好地區(qū)分實驗輸入信號與干擾信號，應(yīng)保證輸入信號的幅值足夠大，但是也要考慮輸入信號幅值過大可能引起輸出信號超過允許的變化范圍這一問題。此時可以用 Excel 直接轉(zhuǎn)化為橫坐標為時間，縱坐標為溫度的曲線，此時完成飛升曲線記錄。此時 Herculine2022 會接收到控制信號，電機旋轉(zhuǎn)達到閥門開度最大值。階躍信號是由 AVR 初始化 AD420 后，通過 SPI 送出 0xFF，同時將 AD420 配置為 4～20mA 輸出模式產(chǎn)生的，此時可通過電路控制回路串入電流表的方式判斷控制信號的輸出是否為 20mA。因此，當輸入為階躍信號時，將系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)并將原有的控制器置于手動位置，階躍地改變控制器的輸出電壓，記錄傳感器輸出的溫度信號，可得到一條階躍響應(yīng)曲線，就可以從曲線中到該過程的特性參數(shù)。實踐證明，對于許多復(fù)雜的被控對象，用實驗法建立的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書9近似的數(shù)學(xué)模型來描述其動態(tài)特性完全能夠設(shè)計出比較滿意的控制系統(tǒng) [14]。工程中的許多被控對象都是相當復(fù)雜的設(shè)備或系統(tǒng)，以至于它們的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜，采用理論法獲得其數(shù)學(xué)模型相當困難，也就是說需要用很復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來描述其動態(tài)特性。理論法是根據(jù)被控對象基本的物理、化學(xué)定律和工藝參數(shù)，在一定的假設(shè)條件下導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型，這種方法一般只用來描述新研制的被控對象的動態(tài)特性。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的首要工作。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量(或變量)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。被控對象的動態(tài)特性實際上就是被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，即用數(shù)學(xué)方程來描述被控對象各變量間的關(guān)系。只有熟悉了各個量的特性，并把它們合理地構(gòu)成控制系統(tǒng)，才能實現(xiàn)人們預(yù)期的控制目標。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書8 T 1 T 2 T 3時間 T溫度 YY 2Y 1圖 22 溫度變化過程圖 退火爐動態(tài)特性實驗測定簡單控制系統(tǒng)是由一個被調(diào)量、一個控制量、一個調(diào)節(jié)器、和一個調(diào)節(jié)閥組成的一個閉環(huán)回路 [12]。 T3 之后:自由降溫段。這個階段要求系統(tǒng)將溫度保持在一個要求的固定值，同樣應(yīng)控制溫度誤差不超過177。10℃的范圍內(nèi)，采用施密斯預(yù)估控制算法輸出控制碟閥。 T1～T2:升溫段。對冷軋鋼板的熱處理需要遵循一個如圖 22 所示的溫度變化曲線，圖中將溫度變化過程分為了四個階段: 0～T1:快速升溫段。到達 Y2 點，開始進入保溫段。 在 Y1 溫度內(nèi)，保護氣體溫度在供氣閥門開到最大情況下，以自由升溫的速率在最短的時間內(nèi)升到 Y1(400℃)。其中升溫段和保溫段對溫度控制精度要求較高，應(yīng)小于177。退火爐工藝一般分為升溫，保溫，降溫三個階段。煤氣和空氣閥均采用碟閥，由一臺電動執(zhí)行機構(gòu)通過連桿共同帶動執(zhí)行。煤氣與空氣之間的噴燃比由連接到閥門的兩個杠桿調(diào)節(jié)，在燃燒時，外罩內(nèi)罩鋼料空氣閥保護氣體閥煤氣閥內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書7其空燃比不變。燃燒是在內(nèi)罩與外罩之間進行的。 煤氣罩式退火爐系統(tǒng)介紹煤氣罩式退火爐采用高爐煤氣作為燃料，其作用是用于對冷軋鋼板進行熱處理。由于其現(xiàn)有的煤氣罩式退火爐的設(shè)計不太合理，控制系統(tǒng)為較為落后的繼電器輸出模式，控制主要根據(jù)現(xiàn)場儀表和操作中的經(jīng)驗進行手動調(diào)節(jié)，致使爐溫波動較大，很大程度上影響了退火爐的退火質(zhì)量，造成能源浪費，安全隱患多，所以決定對退火爐進行改造。 本論文的主要工作論文的主要工作是：，查閱相關(guān)文獻，以煤氣罩式退火爐為例，收集實驗數(shù)據(jù)，確定退火爐對象的傳遞函數(shù)，建立退火爐的溫度控制系統(tǒng)模型；，分析純滯后系統(tǒng)的特性和解決方法； Smith 預(yù)估補償控制原理，完成退火爐溫度控制系統(tǒng)的 Smith 補償控制器的設(shè)計； MATLAB 仿真軟件，對系統(tǒng)進行常規(guī) PI 控制和 Smith 控制進行仿真實驗，分析仿真結(jié)果； MATLAB 語言的編程實現(xiàn)。通過實驗分析結(jié)果表明：該控制器具有精度高、響應(yīng)速度快內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書5和魯棒性好的特點。 針對退火爐溫度的時變、滯后和非線性特性，趙鵬程、王致杰等人提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合的控制方法 [11]。舒懷林設(shè)計了 PID 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)解耦溫度控制系統(tǒng) [10]，提高了溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能，提出了PID 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，即 PIDNN，它適合于復(fù)雜系統(tǒng)的控制。唐山鋼鐵公司運用模糊控制理論和傳統(tǒng)的 PID 控制相結(jié)合的控制方法 [8]，不僅成功地實現(xiàn)了自動控制，而且還大幅度降低了噸鋼油耗指標，取得了不菲的經(jīng)濟效益。加熱部件是退火爐的主要部件，實現(xiàn)比較均衡穩(wěn)定的溫度控制是研究退火爐的主要目的。 退火爐控制系統(tǒng)的新進展隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法和人工免疫等越來越多的控制算法融入到了控制理論中。上位機應(yīng)用程序分為監(jiān)