【正文】 工具常規(guī)儀表也逐漸被以微處理器為核心的 DCS 和微型機所取代，它們具有強大的計算能力，因此，以提高控制系統(tǒng)品質(zhì)、生產(chǎn)安全和獲得最大經(jīng)濟效益為目標(biāo)的各種先進控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，這些先進控制系統(tǒng)共同的特點是需要較為精準(zhǔn)的過程數(shù)學(xué) 模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出各種先進控制策略。由于 PID 控制器有較好的魯棒性能，對過程模型要求不高，故對一些不太復(fù)雜的過程而言，他們是最常用的控制系統(tǒng)。解決前后工序供求矛盾 ，使液面和流量的變化互相兼顧均勻變化，這就是均勻控制系統(tǒng)的目的。前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 備的進料，而后者的出料又源源不斷的輸送給其他設(shè)備做進料。 2. 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。 3） 前饋－反饋控制 通過前面的分析，我們知道前饋與反饋控制的優(yōu)點和缺點總是相對應(yīng)的，若將其組合起來，構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)，這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多個擾動和具有對被控參數(shù)進行反饋檢測的長處，因此這種控制系統(tǒng)是適合于過程控制的較好方式。顯然這種控制規(guī)律是由對象的兩個通道特性決定的，由于工業(yè)對象的特性千差萬別，如果按對象特性來設(shè)計前饋控制器的話，將會種類繁多 ，一般都比較復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難。動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)，而且也是時間的函數(shù)。對于擾動變化頻繁和動態(tài)精度要求比較高的生產(chǎn)過程，對象兩個通道動態(tài)特性又不相等時，靜態(tài)前饋往往不能滿足工藝上的要求，這時應(yīng)采用動態(tài)前饋方案。靜態(tài)前饋是前饋控制中的一種特殊形式。 前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式 1） 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 前饋控制器的輸出信號是按干擾大小隨時間變化的，它是干擾量和時間的函數(shù)。 前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)的基本概念 前饋控制是一種按干擾進行控制的開環(huán)控制方法， 其基本原理是測取進入過程的干擾，并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操控變量，使受控量維持在設(shè)定值上。 這類比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點是在主流量受到干擾作用開始到重新穩(wěn)定在設(shè)定值這段時間內(nèi)發(fā)揮作用，比較安全。 常用的比值控制方案： 單閉環(huán)比值控制 圖 單閉環(huán)比值控制 這類比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點是兩種物料流量之比較為精確，實施比較方便，所以得到廣泛的應(yīng)用。在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，往往其中一種物料處于主導(dǎo)地位，稱為主物料或主動量 F1，而另一種物料隨主物料的變化呈比例的變化，稱為從物料或從動量 F2。 4） 按先副后主、先比例后積分再微分的程序，設(shè)置主、副控制器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達到最佳為止。 2）將副控制器的比例度置于所求的數(shù)值δ 2p 上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主控制器，求取主回路 4： 1 衰減過程的δ 1p和 T1P。主控制器的作用方向只與工藝條件有關(guān)。 （ 2） 主、副控制器正、反作用方式的確定。 5 、串級控制系統(tǒng)應(yīng)用中的問題 （ 1） 主、副控制器控制規(guī)律的選擇 串級控制系統(tǒng)中主、副控制器的控制規(guī)律選擇都應(yīng)按照工藝要求來進行。 3） 控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很 大的干擾。 串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合 1） 被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時，可采用串級控制系統(tǒng)。 2） 選擇副參數(shù)，進行副回路的設(shè)計時，應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)適當(dāng)匹配。 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、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。在串級控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了兩個被控對象，即主對象（溫度對象）和副對象（流量對象），所以有兩個被控參數(shù)，主被控參數(shù)（溫度）和副被控參數(shù)（流量）。 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)的采用了兩個控制器， 運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]。為了提高控制質(zhì)量，采用串級控制系統(tǒng)，運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。 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。 2. 當(dāng)不能用直接參數(shù)作為被控變量時，可選擇一個與直接參數(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。 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。 1)( ????sT pe sK psG p ?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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)）是指由一個受控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行機構(gòu)（控制閥）所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 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 加熱爐對象是一個多容量的復(fù)雜對象。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 。 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格控制。在加熱用的燃料油管道上裝有一個調(diào)節(jié)閥，用以控制燃料油流量，以達到控制溫度的目的。 (s)Dzτse?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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]。 相對而言 ,改進型 Smith 算法的穩(wěn)定性和魯棒性比較好 ,在模型失配時也能夠進行有效地控制 ， 能夠保持一定的動態(tài)性能 ， 快速地使系統(tǒng)收斂 。 而 Smith 預(yù)估算法則在模型匹配時具有好的性能指標(biāo) ,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(yù)估算法就難以取得良好的控制效果 ，改進型 Smith 預(yù)估器是克服純滯后影響的有效方法之一。使閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達到 最佳。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)整定也很難實現(xiàn)最佳控制。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)。對于時滯系統(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，將是解決時滯過程的有效途徑。迄今為止，時滯系統(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，有待于進一步完善。變結(jié)構(gòu)控制的這一優(yōu)點，己廣泛地引起了人們的重視。該方法具有較強的魯棒性和較好的控制性能，但是計算效率不是很高。 3)模糊自整定方法，它是對模型的某些參數(shù)進行模糊整定，以達到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。 2)模糊預(yù)估控制方法，它是在模糊控制的基礎(chǔ)上，進行并聯(lián)模糊補償。模糊算法對于時滯系統(tǒng)比較適用，它是處理時滯系統(tǒng)中難以定量化環(huán)節(jié)和不確定性的有效手段。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也和 Smith 控制結(jié)合對時滯系統(tǒng)進行控制，該方法也較有效。在時滯系統(tǒng)中的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于辨識和控制。 τse?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 （ 2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點，它可以任意精度逼近非線性函數(shù)，可進行在線和離線學(xué)習(xí)，容錯性比較強 。為此人們提出了許多改進方法，大致可以分為兩種 :一種是基于結(jié)構(gòu)上的改進，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)進行補償 。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。 PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種控制方法。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。從 50 年代以來，時滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無模型這兩大方法。 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。當(dāng) ? 與 T之比增加時，過程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至?xí)驗閲乐爻{(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。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)時間，被認為是較難控制的過程，其控制難度將隨著純滯后 ? 占整個過程動態(tài)時間參數(shù)的比例增加而增加。 Smithpredictor 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 目 錄 第一章 緒論 ............................................................ 1 研究的背景及意義 ............................................... 1 國內(nèi)外基于加熱爐溫度控制的研究 ................................. 1 第二章 傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng) ........................................ 4 加熱爐及其模型的建立 ........................................... 4 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 ............................... 4 加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立 ............................... 4 簡單控制系統(tǒng) .................................................... 5 被控變量的選擇 ........................................... 5 選擇被控變量的原則 ....................................... 5 操縱變量的選擇 ........................................... 5 常用復(fù)雜控制系統(tǒng) ............................................... 6 串級控制系統(tǒng) ............................................. 6 比值控制系統(tǒng) ............................................... 8 前饋控制系統(tǒng) ............................................. 8 先進控制系統(tǒng) .................................................. 10 第三章 數(shù)字 PID 控制理論 ............................................... 11 PID 控制算法 .................................................. 11 模擬 PID 調(diào)節(jié)器 .......................................... 11 數(shù)字 PID 控制算法 ...........................