【正文】 pt mon PID system. The context design Smith estimated pensating controller aiming at big lag. It can be seen from simulation result, this controller can make anneal furnace temperature control process soon achieve steady and the system of overshoot is better controlled. Keywords: Annealing furnace。對于這一類的工業(yè)被控對象，采用普通的 PID 控制很難保證系統(tǒng)小超調(diào)或無超調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)方法并且結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定了退火爐對象的傳遞函數(shù)。本文是以煤氣罩式退火爐為研究對象展開的。 （二 〇 一 一 年 六 月 本科畢業(yè)設(shè)計說明書學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 202211204078題 目 ： 退火爐溫度控制系統(tǒng)的 Smith 補(bǔ)償控制策略研究學(xué) 生 姓 名 ： 路 志 強(qiáng)學(xué) 院 ： 電 力 學(xué) 院系 別 ： 自 動 化 系專 業(yè) ： 自 動 化 (電 廠 熱 工 過 程 控 制及 自 動 化 方 向 )班 級 ： 自 （ 電 ） 073指 導(dǎo) 教 師 ： 董 朝 軼 副 教 授內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書摘 要退火爐是冷軋鋼板熱處理的重要熱工設(shè)備，其直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本，在生產(chǎn)中處于關(guān)鍵位置。研究退火爐溫度控制系統(tǒng)在改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、改善生態(tài)環(huán)境和節(jié)約能源方面有著舉足輕重的意義。退火爐是一個比較復(fù)雜的被控對象，它具有時變、非線性、不確定等特性。純滯后環(huán)節(jié)的存在嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制效果，導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時間變長，甚至出現(xiàn)振蕩和發(fā)散。本文針對大滯后系統(tǒng)設(shè)計了 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制器，從仿真結(jié)果可以看出，該控制器能使退火爐的溫度控制過程很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的超調(diào)量得到了較好的控制。 pure timedelay。帶鋼在冷軋過程中會發(fā)生加工硬化，為了消除加工硬化并且同時能生成具有良好成型性能的顯微組織，從而獲得優(yōu)良的機(jī)械性能，需要對冷軋后的帶鋼進(jìn)行退火處理。通過退火可以使帶鋼達(dá)到降低硬度、細(xì)化組織、改善切削加工性能、消除內(nèi)應(yīng)力等目的。薄板企業(yè)能否穩(wěn)定地進(jìn)行退火生產(chǎn)操作，減少鋼材粘接、杯突等質(zhì)量缺陷是一個企業(yè)生存的重要指標(biāo)。 退火爐作為軋鋼企業(yè)主要設(shè)備之一，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和成本，在生產(chǎn)中處于關(guān)鍵位置。在生產(chǎn)中對退火爐的基本要求就是根據(jù)退火處理工藝曲線，提供準(zhǔn)確的升溫，保溫及降溫操作，同時保證爐內(nèi)各處的溫度均勻。生產(chǎn)中，溫度控制性能優(yōu)良的退火爐具有以下現(xiàn)實(shí)意義： 。如果溫度過低，就達(dá)不到退火的預(yù)期目的；溫度過高而又將導(dǎo)致過熱，甚至過燒。，改善生態(tài)環(huán)境。通過對燃燒過程進(jìn)行有效控制，使燃燒在合理的空燃比下運(yùn)行，可以減少退火爐對環(huán)境的污染，對改善生態(tài)環(huán)境和構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展型社會具有積極的意義。通過提高退火爐溫度控制的精度可以大幅度節(jié)約能源。 我國是鋼鐵和能源消耗大國，研究高性能退火爐溫度控制系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。如果不能及時地調(diào)節(jié)溫度，產(chǎn)品的質(zhì)量會受到影響。 國際發(fā)展現(xiàn)狀國際上 20 世紀(jì) 70 年代就開始了退火爐計算機(jī)控制的研究 [3]，近幾十年來，由于計算機(jī)技術(shù)以及智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，退火爐計算機(jī)控制的應(yīng)用日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了很多實(shí)際的應(yīng)用成果 [4][5]，其中具有代表性的研究成果如表 11所示： 廠家名稱 所用機(jī)型 應(yīng)用現(xiàn)狀日本 KASHIMA 鋼廠 PLC 控制器實(shí)現(xiàn)鋼坯目標(biāo)出爐溫度計算，溫度預(yù)報，空燃比控制，爐溫最優(yōu)控制瑞典 DOMNARVE 公司 PLC 控制器 確定最佳加熱曲線和爐溫控制美國 DOFASCO 公司 I 級：PLC 控制器 HONEYWELLTDC3000 II 級：DEC VAX8350空燃比控制，爐溫控制，溫度預(yù)報，爐溫設(shè)定值調(diào)節(jié)設(shè)備診斷，系統(tǒng)報警、記錄、報告等美國CONSHOHOCHEN 公司DEV MICRO VAXIII 空燃比控制，爐內(nèi)壓力控制，設(shè)定值選擇，生產(chǎn)調(diào)度模型等內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書3表 11 退火爐計算機(jī)控制在國外的一些應(yīng)用現(xiàn)狀隨著數(shù)字計算機(jī)向高速、大容量、小型方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的 PID 控制已經(jīng)漸漸的在一些特定對象的控制領(lǐng)域顯得力不從心，傳統(tǒng)的 PID 控制不斷發(fā)展改進(jìn)的同時，現(xiàn)代控制理論也在不斷發(fā)展。70 年代以來，預(yù)測控制作為一類新型的計算機(jī)控制算法在復(fù)雜工業(yè)過程中得到成功應(yīng)用，由于它突破了傳統(tǒng)控制算法的約束，采用了預(yù)測模型，滾動優(yōu)化和反饋校正等新的控制思想，獲取了更多的系統(tǒng)運(yùn)行信息，因而使控制效果和系統(tǒng)的魯棒性得以提高。再考慮到現(xiàn)場隨機(jī)噪聲干擾影響，罩式退火爐可用一個帶可測煤氣壓力干擾，有控制項的自由回歸滑動平均模型來描述，當(dāng)采樣周期為 60s，得到一個有純滯后的一階慣性的數(shù)字模型。6℃，恒溫段溫度在177。隨著控制技術(shù)的日益提高，退火工藝也不斷改進(jìn)。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著國內(nèi)科技人員的努力，目前我國在熱處理爐窯控制方面的理論研究水平已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，但在實(shí)際運(yùn)用中還是有差距的。20 世紀(jì) 80 年代以后，國內(nèi)對退火爐溫度控制進(jìn)行了廣泛的研究。先進(jìn)的控制設(shè)備支持聯(lián)網(wǎng)通信，使用方便，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，改善了勞動條件。在以前的燃燒控制系統(tǒng)中，通常采用配比調(diào)節(jié)處理煤氣與空氣的關(guān)系，由于燃料與空內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書4氣調(diào)節(jié)回路的響應(yīng)速度不一致，這種配比關(guān)系難以保證。為了解決這些情況，提出了三種處理煤氣和空氣關(guān)系的交叉限幅法：①單交叉限幅法；②雙交叉限幅法；③改進(jìn)型雙交叉限幅法。退火爐除了使用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制以外，還使用上位機(jī)進(jìn)行管理。管理系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，很大程度上提高了退火爐控制系統(tǒng)的實(shí)用價值和應(yīng)用性能，大大提高了生產(chǎn)過程的效率。這些控制方法在退火爐控制中也逐步得到了應(yīng)用。國內(nèi)外許多科技人員在對退火爐溫度控制方面進(jìn)行了大量的研究，在控制方法和控制手段上取得的研究成果推動了退火爐研制工作的發(fā)展。丁起英和馮麗偉等人對罩式光亮退火爐控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究 [9]，使用 PID算法進(jìn)行編程，在爐電氣控制系統(tǒng)中采用可編程序控制器，生產(chǎn)效益良好。PIDNN 解耦溫度控制器可以自主調(diào)整連接權(quán)值，使系統(tǒng)無靜態(tài)誤差，超調(diào)量小于5%，縮短了調(diào)節(jié)時間。在工業(yè)鍋爐溫度控制中設(shè)計了神經(jīng)模糊溫度控制器。從仿真結(jié)果可知：計算值的誤差較小，得到的結(jié)果令人滿意。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書6第二章 退火爐的建模本文是以國內(nèi)某冷軋廠煤氣罩式退火爐為背景展開研究的。首先對其系統(tǒng)進(jìn)行介紹并確立其對象模型。它的爐體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示:圖 21 煤氣罩式退火爐結(jié)構(gòu)圖煤氣罩式退火爐分為內(nèi)罩與外罩，內(nèi)罩是放入退火鋼卷的地方，并投入保護(hù)性氣體防止氧化。它的 12 個噴嘴分為上下兩層，每層 6個環(huán)繞排列。保護(hù)氣體的溫度是爐溫控制系統(tǒng)的測點(diǎn)。整個系統(tǒng)可以認(rèn)為是以電動執(zhí)行器帶動的碟閥開度(煤氣的輸入量)為輸入以保護(hù)氣體溫度為輸出的一個單輸入單輸出的溫度控制系統(tǒng)。升溫段是在一段時間內(nèi)按一定的工藝曲線要求升高溫度，保溫段則要求溫度在該時間段內(nèi)保持恒溫，降溫段為自由降溫。10℃。從 Y1 開始到 Y2(700℃)的保溫點(diǎn)，溫度按 45℃/h～75℃/h 的速率上升，此段為升溫段。鋼卷保溫(T2～T3)后?；?，進(jìn)入降溫段，在此段中退火爐溫度控制系統(tǒng)復(fù)位，爐溫自由下降。這個階段里閥門應(yīng)為全開狀態(tài)，這樣可以保證煤氣罩式退火爐以最快的速度升溫。這個階段的升溫過程是按照一定的速率升溫，溫度值要求控制在誤差不超過177。 T2～T3:恒溫段。10℃。這個階段溫控系統(tǒng)不起作用，閥門全部關(guān)閉，系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。自動控制系統(tǒng)是由被控對象和控制器兩部分組成的。對被控對象動態(tài)特性了解的多少在很大程度上決定了控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞。 系統(tǒng)建模過程在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在靜態(tài)條件下(即變量各階導(dǎo)數(shù)為零)，描述變量之間關(guān)系的代數(shù)方程式叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程叫動態(tài)數(shù)學(xué)模型 [13]。可以通過兩個途徑獲得被控對象的動態(tài)特性，即理論法和實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)法是人為的給系統(tǒng)施加某種測試信號，記錄其輸出響應(yīng)，并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近，這種方法稱為系統(tǒng)辨識，即就是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)分析確定模型的結(jié)構(gòu)，然后由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其未知參數(shù)。因此，在工程上主要運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法來獲得被控對象可靠的數(shù)學(xué)模型。測定退火爐燃燒系統(tǒng)響應(yīng)曲線時，最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號是階躍信號，其對應(yīng)的隨時間變化的輸出信號曲線稱為階躍響應(yīng)曲線(或飛升曲線)，它能比較直觀地反映被控對象的動態(tài)特性，特性參數(shù)可以直接從曲線中提取，無須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，試驗(yàn)方法也較為簡單。實(shí)驗(yàn)中，為了記錄飛升曲線所獲得的值定制了一段程序來記錄實(shí)驗(yàn)中的輸入和輸出量。將爐溫控制系統(tǒng)的輸出接線接到 Herculine2022 的電流輸入端子處，此時應(yīng)去掉設(shè)備原有的紅色采樣電阻。然后是記錄溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)閥門開度最大時開始采集溫度，采集時間為 30 秒，此時 AVR 需要周期性地將 MAX6675 的溫度數(shù)據(jù)讀出并且用串行口輸出到 PC，PC 機(jī)用串口調(diào)試精靈將接收到的溫度數(shù)據(jù)存儲然后用Excel 轉(zhuǎn)化后即得到溫度數(shù)據(jù) [15]。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下問題:。所以，一般取輸入信號的幅值為被控對象額定負(fù)荷的 10%～15%，即額定符合閥門開度。為了獲得一條準(zhǔn)確的階躍響應(yīng)曲線，應(yīng)該在相同的條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn) 3 次，需要綜合分析確定的相關(guān)曲線。一般來說，對于相同的階躍響應(yīng)曲線，一階慣性傳遞函數(shù)擬合，其數(shù)據(jù)計算簡單，但是結(jié)果不夠準(zhǔn)確。閉環(huán)系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制時，控制系統(tǒng)設(shè)計對被控對象傳遞函數(shù)的精度要求不是很高，所以本文中采用的是一階慣性純滯后系統(tǒng)傳遞函數(shù)： ??seTKsG????1式中 —退火爐控制系統(tǒng)的放大系數(shù)；K —退火爐的時間常數(shù)；1T —退火爐的純滯后時間。 值的計算公式K1T?是 （2??YU??3）式中 表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出， 表示系統(tǒng)的輸入。在圖 23 中，通過階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn) P 作切線，與時間軸 T 交于 A點(diǎn)，與穩(wěn)態(tài)值 作水平線交于 B 點(diǎn)，則 OA 即為退火爐的純滯后時間，切線線段??AB 在時間軸 T 上的投影即為退火爐的時間常數(shù) 。利用階躍響應(yīng)曲線切線法得到的傳遞函數(shù)的相關(guān)參數(shù)值為 [15]:。許多被控對象都具有時變特性，即參數(shù)隨時間和環(huán)境的變化而改變，其中包括放大系數(shù)、時間常數(shù)和滯后時間等。 純滯后介紹 純滯后的產(chǎn)生在大量的自然與社會現(xiàn)象中，可以用常微分方程來描述一類確定性的運(yùn)動規(guī)律，但是客觀事物的運(yùn)動規(guī)律往往是復(fù)雜和多樣的。在過程控