自動化專業(yè)畢業(yè)設計說明書——基于大林算法的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計 說 明 書</p><p>　題目：基于大林算法的鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究 </p><p>　二級學院： 電子信息與電氣工程學院 </p><p><b>　　摘要</b></p>

2、<p>　　本文研究了溫度系統(tǒng)的控制問題，并以退火爐系統(tǒng)為例分析了帶有純滯后特性的一階慣性系統(tǒng)的控制過程。作為熱處理鋼材的重要裝置，退火爐在現(xiàn)代化生產(chǎn)流程中應用相當普遍。</p><p>　　論文首先分析了本課題的課題來源和背景，并給出了當前國內外的研究現(xiàn)狀，當前社會上已經(jīng)出現(xiàn)了多種控制方法,每種方法各有其特點。然后簡要的提及課題的研究目的和意義。接著文章分析了退火爐系統(tǒng)的結構組成和工作原理，通過階

3、躍曲線法得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)數(shù)學模型。接著文章介紹了當前世界上普遍采用的幾種控制方法，包括傳統(tǒng)PID控制方法、大林控制算法、史密斯預估控制算法。并通過比較，分析了各種控制方法的優(yōu)缺點。文章分別通過采用PID控制算法和大林算法對退火爐系統(tǒng)進行軟件仿真，并對仿真圖像進行計較，通過比較發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制方法在解決帶有純滯后特性的控制系統(tǒng)時很難實現(xiàn)很好的控制，系統(tǒng)的超調量很大，系統(tǒng)的調節(jié)時間較長，總體動靜態(tài)特性都不是很好。而采用大林算法進行控制，

4、系統(tǒng)有很好的響應曲線，系統(tǒng)可以實現(xiàn)無超調，而且可以保證在有限步內就可以對被控對象實現(xiàn)無誤差控制，系統(tǒng)的動靜態(tài)特性可以得到合理的配置。最后文章又就大林算法的參數(shù)失配情況進行了分析討論。根據(jù)系統(tǒng)的仿真結果可以看出，大林算法對參數(shù)失配也有很強的適應能力。由此可見，大林算法可以有效的解決帶有純滯后環(huán)節(jié)系統(tǒng)的控制問題。</p><p>　　關鍵詞：退火爐；大林算法； PID控制器；純滯后</p><p&

5、gt;<b>　　Abstract</b></p><p>　　The temperature control is the main problem discussed in this paper, and the annealing furnace system is selected as an example of a typical model of the first-order

6、 inertial system with pure hysteresis characteristics. As an important device for heat treatment of steel, the annealing furnaces are widely applied in the modern production process.</p><p>　　Firstly, the or

7、igin and background of this issue is discussed, and the current research status is briefly introduced, it has been told that there are several control methods in the world, and each of them has its different characterist

8、ics. In the next part, the purpose and significance of our research are mentioned. Then the structure of the system and the working principle of the annealing furnace is discussed in the paper. The transfer function of t

9、he system is achieved by means of the step cu</p><p>　　Key words: the Annealing Furnace;the Dahlin Algorithm; PID Controller; Pure Lag</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>

10、;　　摘要- I -</b></p><p>　　Abstrcat...........................................................................................................................................................- II -</p

11、><p>　　第1章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1課題來源及背景- 1 -</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀- 1 -</p><p>　　1.3 課題研究的目的及意義- 3 -</p><p>　　1.4 課題研究的內容- 4 -</p><p>　　1.5 小結

12、- 5 -</p><p>　　第2章 退火爐系統(tǒng)的模型構建- 6 -</p><p>　　2.1 煤氣罩式退火爐結構- 6 -</p><p>　　2.2 煤氣罩式退火爐在各個溫度階段的特點- 7 -</p><p>　　2.3 煤氣罩式退火爐的建模- 8 -</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)的動態(tài)特

13、性分析- 8 -</p><p>　　2.3.2 理論建模和實驗建模- 10 -</p><p>　　2.4被控對象參數(shù)確定- 10 -</p><p>　　2.4.1對象參數(shù)識別和實驗數(shù)據(jù)的處理- 11 -</p><p>　　2.4.2對象的傳遞函數(shù)的確定- 12 -</p><p>　　2.5 小結-

14、 12 -</p><p>　　第3章 常用控制算法- 14 -</p><p>　　3.1 工業(yè)控制方法的研究現(xiàn)狀- 14 -</p><p>　　3.2 傳統(tǒng)PID控制算法- 17 -</p><p>　　3.3 PID控制算法的程序設計- 20 -</p><p>　　3.4 小結- 21 -</

15、p><p>　　第4章 大林算法- 22 -</p><p>　　4.1 大林算法的原理- 22 -</p><p>　　4.2 振鈴現(xiàn)象發(fā)生的原因- 25 -</p><p>　　4.3 振鈴現(xiàn)象的消除方法- 27 -</p><p>　　4.4 大林算法和PID算法的比較- 28 -</p>&

16、lt;p>　　4.5小結- 28 -</p><p>　　第5章 控制系統(tǒng)仿真- 30 -</p><p>　　5.1 MATLAB軟件介紹- 30 -</p><p>　　5.2 PID控制算法的系統(tǒng)仿真- 30 -</p><p>　　5.3 大林算法的系統(tǒng)仿真- 31 -</p><p>　　5.

17、4 當模型失配時的大林控制- 32 -</p><p>　　5.5 小結- 35 -</p><p><b>　　結論- 36 -</b></p><p><b>　　致謝- 37 -</b></p><p>　　參考文獻- 38 -</p><p>　　附錄1：P

18、ID控制源程序- 1 -</p><p>　　附錄2：大林算法源程序- 2 -</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題來源及背景</p><p>　　在工業(yè)控制過程中，經(jīng)常會碰到一些帶有大滯后環(huán)節(jié)的成產(chǎn)系統(tǒng)。鋼材的加工和成品生產(chǎn)過程的關鍵工序是退火工藝，退火的目的是為了改善鋼

19、材的工藝性能，使得生產(chǎn)出來的鋼材能夠滿足所要求的機械性能和適應性能。退火過程處理的好壞直接影響產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。近年來，隨著鋼材市場競爭的不斷加劇，人們對鋼材的質量要求越來越高，因而對于生產(chǎn)過程中的溫度控制要求也更佳精確。為了獲得滿足質量要求的鋼材，關鍵要保證退火爐中溫度的控制精確。本篇論文的課題來源于工件生產(chǎn)中技術改造煤氣罩式退火爐。因為當前使用的退火爐普遍設計不合理，因此產(chǎn)生了一系列問題，導致鍋爐溫度有較大的波動，引起能源浪費，增加

20、了一定的安全隱患，而且降低了生產(chǎn)工件的產(chǎn)品質量，所以有必要對退火爐系統(tǒng)進行系統(tǒng)研究和改造。研究工業(yè)控制對象的大時延特性所引起的不利影響，使得能夠得到有效控制，對于保證安全生產(chǎn)，實現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、高效率低消耗，提高產(chǎn)品質量與經(jīng)濟效益都有著舉足輕重的作用。因而，針對具體工業(yè)控制對象研究有效的控制方法有著十分現(xiàn)實的意義。</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各工業(yè)國都對溫度供給設備進行了系統(tǒng)的研究，也取得了一定的

21、進展，長期的工業(yè)實踐表明，保證產(chǎn)品質量、提高能源利用的最為有效的方法就是改進系統(tǒng)的控制技術。其中，鍋爐設備中控制最多的參數(shù)就是溫度，因為溫度參數(shù)在諸如提高能源利用率，改善產(chǎn)品質量，環(huán)保方面都有很大的優(yōu)越性。當前，人們的研究焦點集中在復雜系統(tǒng)的控制方面，這類算法通?？刂扑惴ㄏ鄬碗s，對于較為簡單的溫度系統(tǒng)的研究則少有涉獵，而研究簡單算法控制對市場運作和復雜系統(tǒng)的研究與應用都有很大的價值和參考意義。</p><p>

22、　　工件的退火過程就是一個大時延系統(tǒng)。在退火工藝中，鋼材的熱源由空氣和煤氣的混合氣體的燃燒提供，通過控制煤氣和空氣的進氣閥門來控制煤氣和空氣的比例。這個過程中，爐中溫度帶有很大的滯后特性，使得系統(tǒng)控制變的困難，其嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，會導致系統(tǒng)的超調量變大，調節(jié)時間也大大加長，甚至出現(xiàn)振蕩和發(fā)散現(xiàn)象，系統(tǒng)的動態(tài)品質很差。[1]因此，傳統(tǒng)的PID控制方法很難獲得獲得滿意的控制效果。本文將探求一種新的方法將經(jīng)典控制和只能控制相結合，以便能夠

23、達到較為理想的控制效果。</p><p>　　1.2 國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　從上個世紀50年代，對于具有純滯后環(huán)節(jié)的工業(yè)過程的控制就出現(xiàn)了兩種類型的控制方法：無模型方法和基于模型的方法。其中，常見的包括傳統(tǒng)PID控制算法、Smith 預估補償法、Dahlin算法、自適應控制法、改進的Smith預估控制法等在內的算法都是屬于基于模型的控制方法。而模糊控制算法包括模糊PID法、自

24、適應模糊法、專家控制、模糊自整定法等則屬于無模型的控制方法。[2]控制的方向已經(jīng)由以前的傳統(tǒng)控制轉向了智能控制，或者將兩者相結合。近幾十年來，國內外的學者和工程技術人員對時延控制過程進行了大量的研究，取得了相當?shù)倪M展。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)?；构I(yè)過程變得更為復雜，大時滯對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設計提出了更高的要求，因此需要更高級、更快速、更可靠和更有效的控制方法。</p><p&

25、gt;　　在基于參數(shù)模型的控制方法中，Smith預估控制和Dahlin控制是最經(jīng)典和最成熟的方法，它不僅使設定值和外部擾動輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，還可以結合很多智能控制方法形成各種改進的智能控制系統(tǒng)，提高控制的品質。[3]對于時滯系統(tǒng)模型的不確定性，非參數(shù)模型顯得更為有效，因此智能控制開始進入時滯系統(tǒng)，其中模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制可以發(fā)揮很大的作用。神經(jīng)網(wǎng)絡有學習與適應嚴重不確定性動態(tài)特性的能力，并且具有很強的魯棒性和容錯性，模糊控制理論具有

26、處理不精確信息的能力，從而使模糊控制能模仿人的經(jīng)驗對復雜被控對象進行專家式的控制，但是對于時滯過程，如何獲得有效的控制規(guī)則仍然是一個難題。</p><p>　　自適應控制方法的出現(xiàn)又豐富了時滯系統(tǒng)的控制方法，它的其他方法結合形成了各種有效實用的新方法，有很大的優(yōu)越性。魯棒控制和變結構控制針對時滯控制系統(tǒng)的控制在理論上的研究也很成功，但他們計算復雜，有時會出現(xiàn)找不到解的情況，因此，其應用價值在當前仍然有限。<

27、/p><p>　　因此，時滯系統(tǒng)的控制不是單一的方法就可以完善解決的，工業(yè)計算機的出現(xiàn)與完善可以很容易地實現(xiàn)各種復雜且高級的控制算法，因此，針對時滯過程的特點，開發(fā)與設計出各種智能控制方法或者以不同的形式結合在一起，將是介乎額工業(yè)時滯過程的有效途徑。</p><p>　　到了上世紀80年代后期，國內開始對退火爐的控制算法和系統(tǒng)實現(xiàn)進行了廣泛而深入的研究，由于計算機技術的迅猛發(fā)展，退火爐的計算機

28、控制已經(jīng)逐步實現(xiàn)實用化。當前我國的退火爐控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀表現(xiàn)為如下幾點：</p><p>　　1.采用先進控制設備</p><p>　　計算機技術的不斷發(fā)展使得在工業(yè)領域的工業(yè)生產(chǎn)中以多元化的計算機系統(tǒng)成為主體，同時產(chǎn)生了針對某一個領域的成產(chǎn)變化而進行控制的微型控制計算機。比如，單片機、可編程控制器、集散系統(tǒng)及工業(yè)控制機等先進的控制系統(tǒng)。這些微型控制計算機針對性很強，它們已經(jīng)逐步替代了通過

29、人工操作的大規(guī)模的模擬式儀表和繼電器。像諸如PLC、DCS等軟件，其操作非常簡單，滿足于大多數(shù)人的操作要求，而且編輯也較為簡單，不需要煩人的編排程序過程，使用專門的操作語言，又不需要專門的編程人員就能夠自己進行編譯程序，但是這類軟件存在一個問題：它們必須通過借助其他的輔助設備完成工作而不可以單獨使用。它們的優(yōu)點是有較強的通訊能力，方便連接入網(wǎng)。</p><p>　　2.采用新式控制方法</p>&l

30、t;p>　　當前人們一直嘗試著發(fā)現(xiàn)新的控制算法來完善系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)的PID控制調節(jié)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代控制設備的控制的需求。人們通過對傳統(tǒng)的PID調節(jié)控制系統(tǒng)采取多種多樣的補充和完善使其得以實現(xiàn)較好的控制性能。，燃料與空氣的處理關系在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中通常采取按照比例配比進行系統(tǒng)調節(jié)，因為燃料與空氣的調節(jié)回路響應速度通常并不一致，而且燃燒噴嘴的性質不能保持相對的穩(wěn)定性，因而燃料和空氣的配比關系很難實現(xiàn)。尤其是當燃燒負荷產(chǎn)生變化的時候，這

31、種最佳配比的保持就更難實現(xiàn)。針對燃燒過程中產(chǎn)生的這些問題，工業(yè)領域產(chǎn)生了適用于解決空氣燃料比的關系問題的3種交叉限幅法: 1)改進型雙交叉限幅法;2)雙交叉限幅法;3)單交叉限幅法。利用這三種方法就可以很好實現(xiàn)控制空燃比以達到預期的目的。</p><p>　　3.現(xiàn)代控制理論中的應用</p><p>　　現(xiàn)在越來越多的在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中,最優(yōu)控制、自校正控制器、自適應控制、現(xiàn)代控

32、制理論、自整定PID參數(shù)的控制器等愈來愈廣泛的被工廠采用，因此這些控制理論在工業(yè)生產(chǎn)中應用非常廣泛。有很大一部分大型的煉鋼廠早已開始運用罩式退火爐微型機控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代控制理論的輸出跟蹤的自適應控制技術可以使顯著的改善系統(tǒng)的控制精度，使得系統(tǒng)控制更為精確。總而言之，微型機控制的應用給現(xiàn)代控制理論的數(shù)學計算提供了很好的條件。</p><p>　　4.管理系統(tǒng)中的應用</p><p>　　計

33、算機控制不僅應用于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，還運用咋退火爐的控制管理上面。退火爐中運用了計算機控制使得工業(yè)生產(chǎn)效率空前提高。同時由于罩式退火爐群中每一個都有內外罩，空燃混合氣體得以在其中間燃燒，計算機控制技術的引入更好的指導爐臺裝鋼板，智能選取剛取下的熱外罩，很大程度上節(jié)約了燃料。</p><p>　　綜上所述，當前我國研究退火爐的重點主要集中在一些大型企業(yè)的大型設備上，而這些設備通?；芈繁容^多，控制的節(jié)點相對比較復雜

34、，這使得現(xiàn)場總線控制和集散控制系統(tǒng)有著很強的優(yōu)勢，能更有效的對退火爐群進行控制。至于較小的系統(tǒng)，既要節(jié)約成本，又想要在時間上和需求上實現(xiàn)控制的穩(wěn)定快速則很難利用DCS、PLC等系統(tǒng)實現(xiàn)控制，因而目前控制小型退火爐的智能系統(tǒng)仍然采用人工控制的現(xiàn)場儀表。[4]</p><p>　　1.3 課題研究的目的及意義</p><p>　　本文我們將研究煤氣罩式退火爐。退火爐加熱鋼材主要是以空氣和煤氣的

35、混合氣體作為燃料，煤氣空氣的混合氣體燃燒產(chǎn)生較高的溫度能夠很好的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需要的溫度要求，同時由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應用?，F(xiàn)如今自動化控制水平日臻完善，控制領域已經(jīng)涵蓋了退火爐系統(tǒng)。因而如何控制退火爐系統(tǒng)，怎樣進行控制以及控制性能如何成為了我們關注的焦點問題。在這個過程中，控制系統(tǒng)的核心問題就在于溫度，因而溫度參數(shù)成為了系統(tǒng)需要進行控制的控制量。在退火爐系統(tǒng)中，如果溫度參數(shù)出現(xiàn)了超調，系統(tǒng)就會無法實現(xiàn)自動控制。

36、因此如何將超調量控制在最小的范圍內成為工作的核心問題，在條件許可的情況下，理想的狀態(tài)是完全消除系統(tǒng)的超調量或者至少把超調量控制在我們期望值之內。</p><p>　　退火爐系統(tǒng)是一類帶有時滯特性的溫度系統(tǒng)。文中以工業(yè)生產(chǎn)中常見的退火爐系統(tǒng)為出發(fā)點進行分析，通過對退火爐系統(tǒng)中出現(xiàn)的大時滯現(xiàn)象進行傳統(tǒng)PID控制方法和大林控制方法的控制，解決熱處理過程中的控制問題，進而比較分析PID控制方法和大林算法的差異，得到大林算

37、法在處理帶有時滯的控制系統(tǒng)過程中的鮮明優(yōu)勢。以退火爐系統(tǒng)為入口，將大林算法引入溫度控制系統(tǒng)， 使溫度系統(tǒng)的響應更快，系統(tǒng)超量很小甚至無超調，實現(xiàn)無誤差控制。從而使得工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品質量更佳，又可以減緩工業(yè)設備的損耗，延長設備使用壽命。</p><p>　　解決工業(yè)系統(tǒng)中帶有純滯后環(huán)節(jié)的設備控制問題，抑制其產(chǎn)生的有害影響，有利于改善生產(chǎn)產(chǎn)品的質量，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高能源的利用效率等方面都有很重要的作用。所以，提出并

38、設計改進的純滯后特性的系統(tǒng)的方案有很強的現(xiàn)實意義。</p><p>　　1.4 課題研究的內容</p><p>　　如果系統(tǒng)的控制對象的純滯后出現(xiàn)在擾動通道中，那么系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)方程就不會受到影響。而倘若純滯后環(huán)節(jié)出現(xiàn)在系統(tǒng)的控制對象調節(jié)通道和測量元件中時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)方程就會存在純滯后環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)的調節(jié)質量下降。而且，如果系統(tǒng)的純滯后時間很大，系統(tǒng)甚至會變得不穩(wěn)定，因而很難控

39、制此類系統(tǒng)使之有較好的控制效果。本文建立鋼材生產(chǎn)工藝中退火爐系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過階躍響應曲線法建立起退火爐系統(tǒng)的帶有純滯后一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)學模型。接著主要介紹了幾種處理帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的控制算法，包括傳統(tǒng)PID算法、史密斯預估控制算法、大林算法。在分析各種算法設計規(guī)律的基礎上，討論了各種控制算法的性能及其改進方法。然后針對退火爐系統(tǒng)的數(shù)學模型采用PID控制算法和大林算法分別對系統(tǒng)進行仿真控制，并對控制中出現(xiàn)的問題進行改進。</

40、p><p>　　對于控制系統(tǒng)的仿真而言，采用數(shù)字控制器對系統(tǒng)進行控制，先采用PID算法進行仿真，由系統(tǒng)仿真圖得出傳統(tǒng)PID控制算法不能很好適用于帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)控制。再通過大林算法設計程序進行仿真，得到并分析系統(tǒng)仿真圖，尋找與傳統(tǒng)PID算法相比的優(yōu)勢。接著討論大林算法中存在的振鈴現(xiàn)象，分析振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并結合國內外的經(jīng)驗給出解決振鈴現(xiàn)象的幾種方法。最后，討論系統(tǒng)控制對象參數(shù)發(fā)生失配的情況下，大林控制器的控制

41、效果。反映大林控制器的控制穩(wěn)定性，同時也揭示了大林控制器不能工作于系統(tǒng)參數(shù)不穩(wěn)定或者系統(tǒng)參數(shù)是變量的情況中，即說明了大林算法無法大范圍的應用于工業(yè)控制領域的原因。[5]</p><p>　　通過傳統(tǒng)PID控制算法和大林控制算法的研究兩種方法對系統(tǒng)動靜態(tài)特性的影響，要使得系統(tǒng)響應無超調，而且動靜態(tài)特性都比較合理，控制器的控制效果穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.5 小結<

42、;/b></p><p>　　本章主要介紹了論文的課題背景及課題來源，分析了當前工業(yè)控制領域的發(fā)展現(xiàn)狀，研究工業(yè)控制對象的大時延特性所引起的不利影響，使得能夠得到有效控制，對于保證安全生產(chǎn)，實現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、高效率低消耗，提高產(chǎn)品質量與經(jīng)濟效益都有著舉足輕重的作用。文章然后分析了國內外關于溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，目前為止已經(jīng)出現(xiàn)了包括PID控制、大林控制、史密斯預估控制以及各種智能控制在內的算法，我國的

43、學者和技術人員對帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的研究也有了很大的突破。接著文章討論了本課題研究的目的及意義，解決工業(yè)系統(tǒng)中帶有純滯后環(huán)節(jié)的設備控制問題，抑制其產(chǎn)生的有害影響，有利于改善生產(chǎn)產(chǎn)品的質量，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高能源的利用效率等方面都有很重要的作用和很強的現(xiàn)實意義。最后文章介紹了課題研究的內容，介紹了本文進行課題研究的思路和研究過程，采用MATLAB仿真軟件，對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行仿真，并通過仿真圖對不同控制算法進行比較。</p>

44、<p>　　第2章 退火爐系統(tǒng)的模型構建</p><p>　　本文我們將研究煤氣罩式退火爐?？諝夂兔簹獾幕旌蠚怏w是退火爐加熱鋼材的燃料，煤氣空氣的混合氣體燃燒產(chǎn)生較高的溫度能夠很好的實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需要的溫度要求，同時由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應用。現(xiàn)如今自動化控制水平日臻完善，控制領域已經(jīng)涵蓋了退火爐系統(tǒng)。因而如何控制退火爐系統(tǒng)，怎樣進行控制以及控制性能如何成為了我們關注的焦點問

45、題。在這個過程中，控制系統(tǒng)的核心問題就在于溫度，因而溫度參數(shù)成為了系統(tǒng)需要進行控制的控制量。在退火爐系統(tǒng)中，如果溫度參數(shù)出現(xiàn)了超調，系統(tǒng)就會無法實現(xiàn)自動控制。因此如何將超調量控制在最小的范圍內成為工作的核心問題，在條件許可的情況下，理想的狀態(tài)是完全消除系統(tǒng)的超調量或者至少把超調量控制在我們期望值之內。</p><p>　　2.1 煤氣罩式退火爐結構</p><p>　　煤氣罩式退火爐包括內

46、罩和外罩兩個部分。其結構圖如圖2-1所示。[6]其中，外罩的作用是將整個爐結構和外部環(huán)境隔離，爐的內、外罩之間的空間充入空氣和煤氣混合氣體并通過燃燒給系統(tǒng)供熱。內罩用于隔離燃燒氣體和工質，內罩的內部填充保護鋼質的保護性氣體，從而使得鋼質不會因為受熱發(fā)生氧化，保證了工質的純度。另外，外罩和控制閥門通過煤氣閥門連接，這樣可以方便往罩里面充入燃燒氣體。而內罩和保護氣體閥門連接，使得可以往內罩的內部充入保護性氣體而將燃燒過程作用于內、外罩之間。

47、外罩的內側鑲嵌著噴嘴，混合的空氣和煤氣的混合氣體通過噴嘴處釋放，噴嘴總共12個，分上下兩層分布。每一層中6個噴嘴相互交替的排列在內罩邊上。兩個蝶閥主要用來控制空氣和煤氣的燃燒比，調節(jié)蝶閥的不同開合程度就可以調節(jié)煤氣和空氣的混合比。當加熱內罩的時候，需要保持煤氣和空氣的混合比和設定的數(shù)值一致。退火爐測量獲得的溫度數(shù)值實際上是退火爐內罩中保護性氣體的溫度。因為無法對退火爐內部的工質的溫度進行直接測量，而工質位于保護性氣體中，因而可以近似認為

48、測量保護性氣體的溫度就是工質的溫度?？諝夂兔簹獾拈y門都是選用蝶閥，蝶閥的開關一般可以通過電機執(zhí)行機構</p><p>　　圖2-1 罩式退火爐結構圖</p><p>　　2.2 煤氣罩式退火爐在各個溫度階段的特點</p><p>　　罩式退火爐根據(jù)溫度變化大致可以劃分為四個階段，即快速升溫階段，升溫階段，保溫階段和自由降溫階段。退火爐溫度變化趨勢如圖2-2所示，其中

49、退火爐的快速升溫階段為圖中的T1階段。在這段中，煤氣和空氣閥門的開度均達到了最大。這樣是為了期望退火爐系統(tǒng)能夠在盡可能少的時間內使得退火爐外罩的內部溫度升到期望值（通常為400℃）。這個指標的實現(xiàn)需要煤氣和空氣的混合氣體在內、外罩之間的燃燒，同時使保護性氣體充入到內罩的內部。平穩(wěn)升溫階段在圖中表示為T2階段。在此階段中，溫度是按照某一個設定的速度逐步升高到700℃，這個過程需要引入大林算法控制器來進行控制。保溫階段為圖中的T3階段，該階

50、段中爐內罩內部的溫度適中保持固定在700℃。系統(tǒng)的降溫階段為圖中的T4階段。在這個階段中整個系統(tǒng)停止運行，爐子內部不在燃燒供熱，只依靠鋼質自身散熱實現(xiàn)自然降溫。</p><p>　　圖2-2 罩式退火爐溫度變化曲線</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　T1：快速升溫階段。煤氣和空氣閥門的開度均達到最大，退火爐用最快的

51、速度將爐內溫度上升到400℃。</p><p>　　T2：升溫階段。通過控制算法的輸出實現(xiàn)閥門開度的控制，進來使得爐內溫度按照指定的上升規(guī)律上升（通常上升速度為45℃/小時～75℃/小時）。</p><p>　　T3：保溫階段。也是在控制算法作用下通過輸出控制閥門的開度進而使得系統(tǒng)的溫度保持在特定的穩(wěn)定值上。</p><p>　　T4：自由降溫階段。此時系統(tǒng)完全停止

52、運作，鋼質進行自然冷卻。[7]</p><p>　　2.3 煤氣罩式退火爐的建模</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)的動態(tài)特性分析</p><p>　　對于任何一個控制系統(tǒng)而言，被控對象和控制系統(tǒng)都是其必要的組成部分。其中控制器和被控對象是任何復雜控制系統(tǒng)都具有的最基本的元素。若要對退火爐建模，我們就需要對控制設備和被控對象的動態(tài)性能熟悉了解，進而才能對被控對象進

53、行動態(tài)分析。而對被控對象的動態(tài)特性的了解實質上是對被控對象用數(shù)學模型表達其動態(tài)特性的基礎，這個過程需要運用自動控制理論，因此我們需要先要儲備一定量的自動控制理論知識。下面簡要介紹在控制系統(tǒng)中常常會遇到的一些基本環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.帶有慣性環(huán)節(jié)的自動控制系統(tǒng) </p><p>　　慣性環(huán)節(jié)常常包含在自動控制系統(tǒng)中被控對象的傳遞函數(shù)中。慣性環(huán)節(jié)是指：當輸入為單位階躍信號時輸出不能立

54、刻響應輸入信號達到穩(wěn)態(tài)值，而是瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化形式，經(jīng)過一段時間過渡后達到穩(wěn)態(tài)輸出。</p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)的動態(tài)方程可以表示為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中T是被控對象的時間常數(shù)；K是控制系統(tǒng)的放大系數(shù)</p><p>　　對上式兩邊同時進行拉氏變換能夠得到

55、表達式：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　因此可以得到系統(tǒng)的慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　　傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 傳遞函數(shù)方框圖</p&

56、gt;<p>　　其實，當時間常數(shù)T無限趨于零時，慣性環(huán)節(jié)就退化為比例環(huán)節(jié)：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　2. 純滯后環(huán)節(jié)</b></p><p>　　純滯后環(huán)節(jié)是自動控制系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的另一個環(huán)節(jié)。其特點表現(xiàn)為：輸出是輸入的完整復現(xiàn)，只是信號在傳遞過程中延時了

57、一段時間。如果假設系統(tǒng)的輸出為 ，輸入為 ，則可以用來表示延時系統(tǒng)中函數(shù)關系，其中為純延時時間。[8]</p><p>　　對上式兩邊進行拉氏變換可得：</p><p><b>　　（2.5） </b></p><p>　　因此純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)就表示為：</p><p><b>　?。?.6）</b&

58、gt;</p><p><b>　　傳遞函數(shù)方框圖為：</b></p><p>　　圖2-4 純滯后環(huán)節(jié)方框圖</p><p>　　對帶有一階純滯后的慣性環(huán)節(jié)，其微分方程可以表示為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　對上式進行拉氏變換后可得

59、：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　若帶有一階純滯后的慣性環(huán)節(jié)的微分方程表示為：</p><p><b>　　（2.9）</b></p><p>　　則進行拉氏變換后就得到：</p><p><b>　?。?.10）</b&

60、gt;</p><p>　　同樣可以得出相同的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　上式中 T為一階慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，K為系統(tǒng)的放大系數(shù)，為被控對象的滯后時間。</p><p>　　2.3.2 理論建模和實驗建模</p><p>　　通?？梢杂脙煞N方式對

61、被控對象的動態(tài)特性進行研究，即實驗建模和理論建模。其中，實驗建模需要根據(jù)之前做過的實驗數(shù)據(jù)并且通過自己再實驗中積累的經(jīng)驗對實驗得到的數(shù)據(jù)進行分析，據(jù)此為依據(jù)初步確定系統(tǒng)的對象模型結構，然后再對理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行對比分析進而確定出所需要的數(shù)據(jù)參數(shù)。該方法是根據(jù)經(jīng)驗并結合大量的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過反復試驗得出數(shù)學模型。而理論建模相反，它是在已有的化學、物理的一些基本定理的基礎上結合器件的工藝參數(shù)，進而在一定的假設情況下構造出被控對象的數(shù)學模型。

62、該方法通?？梢杂糜趯σ恍┬滦汀⑽粗南到y(tǒng)的動態(tài)特性進行數(shù)學模型。然而實際情況是，很多的被控對象的設備都很復雜，因而構造其數(shù)學模型難度很大。通常在這種情況下，理論建模就不再適合對系統(tǒng)建模，因為描述系統(tǒng)的動態(tài)特性這時就構造出非常復雜的數(shù)學模型，不利于實現(xiàn)。事實上，工程上的數(shù)學建模大多是借助于實驗建模的方法來獲得。通過反復的實驗可以證明，對于系統(tǒng)比較復雜的生產(chǎn)過程而言采用實驗建模來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性的數(shù)學模型通常能夠很好的滿足系統(tǒng)控制要求。&

63、lt;/p><p>　　一般情況下，系統(tǒng)的動態(tài)特性的研究在系統(tǒng)的響應曲線上進行。而系統(tǒng)的輸出響應需要有輸入信號。自動控制理論中有常見的兩種信號：階躍信號和矩形方波信號。[9]其中，階躍信號是最簡單最常見的一種信號，最方便用于問題的研究，很容易被理解。因此，在對退火爐進行研究的過程中，我們選擇階躍信號作為輸入來測定響應曲線。當階躍信號作用于對象時，得到的輸出信號隨時間變化的曲線就稱為階躍響應曲線（也叫做飛升曲線）階躍響

64、應曲線可以很直觀的反映被控系統(tǒng)的動態(tài)性能，被控對象的參數(shù)可以很方便的在階躍響應曲線上面選取獲得。而且不需要對得到的參數(shù)值進行轉換，同時其試驗方法也很簡單。</p><p>　　2.4被控對象參數(shù)確定</p><p>　　本文用階躍信號作為系統(tǒng)被控對象的輸入。首先我們需要將系統(tǒng)由閉環(huán)狀態(tài)變?yōu)殚_環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)本身帶有的控制器設置成為手動調節(jié)方式，并且將原有的控制器斷開，將信號發(fā)生器和被控對象進行

65、連接，這時適當?shù)母淖冃盘柊l(fā)生器的發(fā)出信號并觀測記錄溫度傳感器測得的溫度值，將這些數(shù)據(jù)表示在二位圖像上呈現(xiàn)一條階躍響應曲線，然后再通過簡單的處理就可以獲得系統(tǒng)最終的過程模型參數(shù)。</p><p>　　在實驗中我們需要著重關注下面的情況:</p><p>　　(1) 在實驗進行之前需要對退火爐進行加熱并保持一段時間，退火爐內部初始狀態(tài)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣就可以確保測得較為精確的參數(shù)值。而為了得

66、到較為精確的階躍響應曲線，我們還需要在同樣的實驗條件下，對實驗反復進行至少三次，而且獲得的實驗數(shù)據(jù)需要進行分析以確定數(shù)據(jù)點落在階躍響應曲線上。</p><p>　　(2) 系統(tǒng)的輸入信號的幅值需要依據(jù)退火爐的實際情況進行確定，確保所選擇的輸入信號與退火爐的實際參數(shù)相匹配。通常我們需要確保系統(tǒng)的輸入幅值足夠大，以能夠很好的區(qū)分輸入信號和干擾信號，但是輸入信號的幅值需要控制在一定的范圍內，過大的輸入幅值會使輸出信號的

67、變化超出允許的范圍甚至發(fā)生一些意想不到的結果。通常我們選取的輸入信號的幅值保證為被控系統(tǒng)控制對象額定負載的10%一15%，也就是說要保證輸入幅值為閥門額定開度的10%一15%。</p><p>　　2.4.1對象參數(shù)識別和實驗數(shù)據(jù)的處理</p><p>　　諸如退火爐這樣帶有特殊性質的控制對象，它的傳遞函數(shù)通?？梢越茷橐粋€一階慣性加延時模型或者一個二階慣性加延時模型。我們可以通過以下的討

68、論決定具體選擇哪一類模型。系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)如下式所表示:</p><p>　　一階慣性加延時模型的系統(tǒng)傳遞函數(shù)表示為：</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　二階慣性加延時模型的系統(tǒng)傳遞函數(shù)表示為：</p><p><b>　?。?.13）</b></p>

69、;<p>　　由實驗獲得的階躍響應曲線選擇其中一個傳遞函數(shù)。這種通過實驗獲得的實驗結論來選取系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)是一種非常常見的方法。由比較分析可以發(fā)現(xiàn)：對于相同的階躍響應曲線而言，通常一階傳遞函數(shù)的擬合度比較低，數(shù)據(jù)的處理過程比較簡單，而且計算量非常少，但是系統(tǒng)的精確度往往不是很好；而系統(tǒng)的二階傳遞函數(shù)通常擬合度很好，雖然數(shù)據(jù)的處理過程會比較繁瑣，計算量會很大，但是傳遞函數(shù)與系統(tǒng)匹配程度很高。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)

70、設計對系統(tǒng)被控對象的精度要求不高，因而本文采用相對簡單的一階慣性純延時傳函作為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。</p><p>　　接下來我們就通過實驗獲得的階躍響應曲線來確定表達式(2-12)中的參數(shù)。</p><p>　　如圖2-5所示為某系統(tǒng)的階躍響應曲線，工程上人們普遍采用飛升曲線切線法確定被控對象參數(shù)。[10]參數(shù)的確定：</p><p>　　在自動控制系統(tǒng)中，為系統(tǒng)放大

71、系數(shù)。</p><p>　　的值實際上就是系統(tǒng)的總輸出穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸入信號值的比值：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p><b>　　和參數(shù)的確定:</b></p><p>　　根據(jù)階躍響應曲線示意圖可以看出，在階躍響應曲線的拐點處作曲線的一條切線，則切線會與時間軸交于

72、點A，線段OA數(shù)值就是系統(tǒng)被控對象的純滯后時間常數(shù)。切線和穩(wěn)態(tài)值水平直線相交于點B，切線段AB投影到時間軸上的線段值就是時間常數(shù)T。在采用飛升曲線切線法是明顯的缺點是：如果曲線的切線作的不精確時，切線的各個交點就會產(chǎn)生不可確定的誤差，但是很顯然，這個方法原理很簡單，計算也很簡潔。[11]</p><p>　　圖2-5 階躍響應曲線</p><p>　　2.4.2對象的傳遞函數(shù)的確定<

73、/p><p>　　因為退火爐的被控對象退火爐燃燒系統(tǒng)具有自平衡能力，可以用一個一階慣性加延時環(huán)節(jié)來近似表示，可以得到近似的系統(tǒng)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　其中:</b></p><p>　　為退火爐比例環(huán)節(jié)系數(shù)（放大系數(shù)）；</p&g

74、t;<p>　　為退火爐的純滯后時間；</p><p><b>　　為退火爐的時間常數(shù)</b></p><p>　　通過階躍響應曲線我們很容易得到系統(tǒng)的各個參數(shù)值：</p><p>　　，，，即系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.16）</b></p>

75、<p><b>　　2.5 小結</b></p><p>　　本章節(jié)系統(tǒng)的詳細地分析了煤氣罩式退火爐系統(tǒng)，首先介紹了煤氣罩式退火爐的結構特點及其工作原理，罩式退火爐包括內、外罩兩個部分，內罩放待處理鋼質和充入保護性氣體，內外罩之間則是充入煤氣與空氣的混合氣體，并通過將其燃燒給爐子提供溫度。鋼質的處理過程共包括快速升溫階段、升溫階段、保溫階段、降溫階段四個階段，在生產(chǎn)的各個階段，通過

76、控制煤氣與空氣閥門的開度來調節(jié)和保持爐內溫度。緊接著，文章就煤氣罩式退火爐系統(tǒng)進行抽象建模，由系統(tǒng)的動態(tài)系能特點將退火爐系統(tǒng)等效成了一個帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)系統(tǒng)。由實驗獲得的曲線通過飛升曲線法得到了退火爐系統(tǒng)的數(shù)學模型。為后面采用傳統(tǒng)PID控制和大林算法控制提供了模型依據(jù)。</p><p>　　第3章 常用控制算法</p><p>　　對于像熱工和化工等一些具體的實際工程應用，我們會

77、常常碰到一些具有一定特殊性質的控制對象，具有純滯后的大延遲系統(tǒng)就是其中一種被控對象。這樣的控制系統(tǒng)的滯后時間一般都比較長，如果打算在期望的時間內使調節(jié)時間結束并且在期望的時間使過渡過程結束，那么要想使系統(tǒng)控制在很小或者沒有超調量狀態(tài)通常是非常困難的，甚至不可能。但是對于任何一個控制系統(tǒng)，人們都希望系統(tǒng)的超調量盡量達到最小最好是沒有超調量。而對自動控制原理進行研究的其中最重要的一點就是控制系統(tǒng)的超調量在一個最小的范圍。但是像PID調節(jié)控制

78、系統(tǒng)這樣的傳統(tǒng)的控制得到的系統(tǒng)往往超調量很大。因此解決上面出現(xiàn)的滯后時間較大的控制系統(tǒng)，我們迫切希望能夠找到一種新的控制方法以便可以實現(xiàn)期望的性能指標。</p><p>　　3.1 工業(yè)控制方法的研究現(xiàn)狀</p><p><b>　　1.PID控制</b></p><p>　　傳統(tǒng)PID控制是最早在傳統(tǒng)的控制領域中得到應用的一類控制方法，同時，

79、PID控制器技術現(xiàn)在也非常成熟。由于PID控制方法的簡單、靈活以及很強的穩(wěn)定性和通用性，因而使得PID控制技術成為當前工業(yè)生產(chǎn)過程中得到最廣泛應用的一類算法，幾乎所有工業(yè)生產(chǎn)過程都采用了該控制方法。PID控制器的設計過程中，選定和修改合適的控制器參數(shù)是設計的關鍵步驟。工業(yè)上常采用臨界振蕩法（Z-N法）和衰減曲線法對系統(tǒng)的參數(shù)進行修改整定。通常情況下，傳統(tǒng)PID控制器的控制范圍很小，所以對于一些有特殊性質的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制器很難實

80、現(xiàn)理想的目標值。退火爐系統(tǒng)是一類帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID算法很難實現(xiàn)期望值。</p><p>　　在一定條件下，PID控制器可以和Smith預估器等價，也可以和Dahlin控制器等價，將PID控制方法與其他方法結合起來改善時滯過程的控制效果更佳，同時合理地調整PID參數(shù)也可以達到滯后補償?shù)淖饔谩Ψe分時滯過程，人們提出了一種數(shù)字PID控制結構，通過一個內部反饋回路對積分時滯過程進行預穩(wěn)定控制，并給

81、出了數(shù)字PI控制器的設計算法，仿真結果表明該控制結構具有良好的設定值跟蹤特性，并且對時滯偏差具有很強的魯棒性。[12]</p><p>　　國內外許多學者還提出了多種模糊PID控制算法，它們的結合方式各不相同，因而得到的性能也不一樣。例如，Takagi和Sugeno提粗了確定性模糊模型，工業(yè)上根據(jù)此類確定性模型構造出了模糊PID控制器，這種控制器輸出不是模糊集合而是某個函數(shù)的表示，因而設計起來比較簡單，但是PI控

82、制器的性能由于時間因子的影響大大降低。人們有根據(jù)確定性模型的模糊PID控制器進行了改進，得到了與時間無關的確定性模糊PID控制器，并對參數(shù)進行自動調整，形成了基于參數(shù)自適應模糊PID控制器，設計一種預估控制器可以預測未來的系統(tǒng)偏差，讓未來系統(tǒng)的輸出決定當前控制量的大小，這種超前預估作用克服了時滯的不利影響，是PID控制器可以完全發(fā)揮它原有的作用。PID參數(shù)的整定對過程控制效果有很大的影響，時滯過程更是如此。[13]</p>

83、<p>　　因此，本文將引入大林算法，它能夠很好的解決像退火爐這樣具有大滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。大林算法控制器能很好的控制具有純滯后、大延遲的被控對象，采用大林算法主要是因為大林算法對帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)可以同時滿足系統(tǒng)動靜態(tài)兩個方面的性能，能夠實現(xiàn)零超調，穩(wěn)態(tài)誤差小，有比較理想的控制效果。因此，大林算法控制器在工業(yè)控制中得到了非常廣泛的使用。</p><p>　　2.Dahlin控制</p>

84、<p>　　由于傳統(tǒng)的PID控制方法很難對帶有純滯后環(huán)節(jié)的被動對象進行控制，因此，在1968年，美國IBM公司的Dahlin對工業(yè)控制過程中存在的純滯后特性提出了一種全新的解決方法。其優(yōu)勢在于控制器的設計過程非常簡單，可以在有限的采樣時間內實現(xiàn)系統(tǒng)的無差控制。這個方法的核心問題是設計一個數(shù)字控制器，使得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)相當于一個具有純滯后環(huán)節(jié)特性的一階慣性環(huán)節(jié)，同時要求系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的純滯后時間與被控對象的純滯后時間保持一致

85、。使用大林算法可以做到系統(tǒng)響應無超調，而且調節(jié)時間段的效果。</p><p>　　Dahlin控制器雖然有很多優(yōu)點，但是實際工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的并不多，只是因為Dahlin控制器使用中會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象會使系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度衰減的振蕩，增加執(zhí)行機構的磨損程度，在一些多參數(shù)的系統(tǒng)中，甚至可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　除了上述的振鈴現(xiàn)象問題外，Dahlin控制器的實現(xiàn)還需要先確

86、定被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)精確模型。這就使得在使用過程中，一旦按照某一對象的傳遞函數(shù)進行設計之后，若該傳遞函數(shù)不夠精確，則控制器就不可能完全補償對象的純滯后問題。在現(xiàn)實情況下系統(tǒng)的精確模型很難確定，因而常規(guī)的Dahlin控制很難實現(xiàn)理想控制。</p><p>　　3.Smith預估控制</p><p>　　通常采用的PID控制方法很難對帶有純滯后環(huán)節(jié)的對象進行理想的控制。1958年，O.J.M.

87、Smith首次提出了預估控制器，這個是一個時滯預估補償算法。其原理是通過預先估計系統(tǒng)在基本擾動情況下的動態(tài)特性，然后對時滯進行補償，使得原系統(tǒng)延遲的被調量得以提前反映到調節(jié)器中，使得調節(jié)器提前工作，從而消除系統(tǒng)由于存在時滯特性而造成的問題，減小了系統(tǒng)的超調量，加速系統(tǒng)調節(jié)過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　理論上，Smith預估器能夠徹底消除系統(tǒng)時滯的影響，它是一種處理帶有時滯特性系統(tǒng)的性能的理想控制算

88、法。然而Smith預估器需要預先確定被動對象的傳遞函數(shù)數(shù)學模型，若預估模型與實際對象不匹配時，控制效果會變得很差。而且，當系統(tǒng)對象的參數(shù)變化很大時，Smith預估器的控制效果甚至不及常規(guī)的反饋控制方法。[14]</p><p>　　對于Smith預估器存在的對系統(tǒng)誤差很敏感的缺點，有大量學者對常規(guī)的Smith預估器進行了研究，提出了幾種改進的方法。其中，增益自適應補償方法就是一種很好的改進方法。其在Smith預估

89、器外圍增加了一個除法器、一個微分環(huán)節(jié)和一個乘法器。通過這三個環(huán)節(jié)，控制器可以對模型和系統(tǒng)實際輸出信號的比值進行自動校正，產(chǎn)生自校正預估增益信號。這種自整定的Smith預估器只產(chǎn)生很短的調節(jié)時間和較小的超調量。還有一種改進型Smith預估器，它比原控制器多一個調節(jié)器，而且其主反饋回路的傳遞函數(shù)為一個一階慣性環(huán)節(jié)，而不是1。它具有相對較好的穩(wěn)定性，同時其對模型的構造精度要求也不高。</p><p><b>

90、　　4.自適應控制</b></p><p>　　自適應控制器可以按照補償特性的改變自動的改變自身的參數(shù)值。由于自適應控制器的參數(shù)整定方法不同，因此自適應控制器可分為不同類型的控制器。通常情況下，自適應控制器伴隨著其他控制方法一起對系統(tǒng)進行控制，而不是單獨對系統(tǒng)控制。一般在帶有大延遲環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中自適應控制算法相對而言使用比較廣泛，其原理是通過參數(shù)辨識器改變系統(tǒng)的滯后時間和慣性時間以及系統(tǒng)的幅值，根據(jù)這些

91、參數(shù)進而設計系統(tǒng)的補償環(huán)節(jié)。</p><p>　　依據(jù)自適應控制的確定性等價原理和分離設計原則，時變系統(tǒng)的控制器設計先假定被控對象的參數(shù)已知且定常，按照給定的性能指標設計相應的控制器，在利用參數(shù)辨識在線估計出被控對象的參數(shù)值，并以參數(shù)估計值代替控制器中所用的真值對系統(tǒng)進行控制。</p><p>　　自適應控制由于具有對時變參數(shù)良好的自適應能力，因而在時變時滯系統(tǒng)中得到廣泛的應用，已經(jīng)提出很

92、多控制方法：模型參考自適應控制、自適應預估最優(yōu)控制、大時滯系統(tǒng)的自抗擾控制、時滯并聯(lián)自適應控制、零極點配置的自校正內?？刂坪蛣討B(tài)矩陣控制等等。自適應系統(tǒng)控制的典型控制框圖如圖1.1所示。[15]</p><p>　　圖3.1 自適應控制系統(tǒng)結構圖</p><p>　　自適應控制雖然對時變系統(tǒng)具有良好的控制效果，但它要求將對象描述為某些特定的數(shù)學模型，自適應控制器的設計取決于這個數(shù)學模型，而

93、實際上許多過程控制系統(tǒng)的數(shù)學模型難以獲得，導致自適應控制應用困難。</p><p><b>　　5.智能控制</b></p><p>　　智能控制無需人的干預就能獨立驅動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制，它包括遞階控制、專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和遺傳算法等。在眾多智能控制方法中，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及二者結合在時滯系統(tǒng)的控制中應用最為廣泛。</p>

94、<p><b>　　1）模糊控制</b></p><p>　　“模糊”概念是L.A.Zadeh于1965年首先創(chuàng)立的，用模糊集描述與人的主觀意識有關的一些概念，后來形成了一個龐大的數(shù)學分支即模糊數(shù)學。1974年，美國工程師E.H.Mamdani首次把模糊數(shù)學應用于對鍋爐和蒸汽機的控制，成為應用模糊控制技術的先驅。</p><p>　　模糊控制比常規(guī)控制具

95、有較強的魯棒性，被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時變和時滯系統(tǒng)的控制，完全是在人們的控制經(jīng)驗基礎上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立被控對象的數(shù)學模型，是解決不確定系統(tǒng)的一種有效的途徑。模糊控制的機理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，從工業(yè)過程的定性過程出發(fā)，較易建立語言變量控制規(guī)則，計算得到控制查表，提高控制系統(tǒng)的實用性。[14]</p><p><b>　　2）神經(jīng)網(wǎng)絡控制

96、</b></p><p>　　當前時滯系統(tǒng)的控制領域研究新熱點在于神經(jīng)網(wǎng)絡控制上面，而且已經(jīng)取得了一些成果。神經(jīng)網(wǎng)絡是一個新的技術領域，它是由好幾個學科相互交織形成的新興學科。對數(shù)據(jù)的加工、處理、存儲和搜索過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡控制表現(xiàn)出了其他控制方法所不具有的新特點。其采用分布式的方式對信息進行存儲，并行處理數(shù)據(jù)，而且有自學習和自組織的特點，因而可以以任意的精度逼近要求的傳遞函數(shù)，有很強的容錯能力。因此在

97、帶有時滯環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡使調節(jié)后的系統(tǒng)靠近要求的動態(tài)特性，它僅需要一定量的輸入量和輸出量來構造網(wǎng)絡，因而可以簡單而有效的應用于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中。</p><p>　　3.2 傳統(tǒng)PID控制算法</p><p>　　傳統(tǒng)的PID控制實際上是一種在連續(xù)控制方面最為成熟和有效的負反饋控制系統(tǒng)，它利用比例、積分、微分及其各個環(huán)節(jié)的組合，并通過系統(tǒng)的輸出值和輸入值的之間存在的差值來對被控系

98、統(tǒng)加以控制：</p><p>　　對帶有一階慣性純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)而言，其數(shù)學模型為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　圖3.2為常見的PID控制系統(tǒng)的原理框圖。</p><p>　　圖3.21 PID控制器結構圖</p><p>　　根據(jù)PID算法中比例、積分、

99、微分的不同組合，其傳遞函數(shù)可以表示為：</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　式中：是系統(tǒng)的偏差值，是系統(tǒng)的給定值，是系統(tǒng)的輸出信號, 是系統(tǒng)的積分時間常數(shù)，是系統(tǒng)的微分時間常數(shù)，是系統(tǒng)的比例系數(shù)。</p><p>　　系統(tǒng)對應的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.3）

100、</b></p><p>　　通過調節(jié)參數(shù), ,的值可以改變控制器的控制效果。其中，值大可以使系統(tǒng)存在很小誤差時就可以使控制器作用，從而達到減小誤差的目的。但是過大的比例系數(shù)會是系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的振蕩，使系統(tǒng)出現(xiàn)超調，導致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以比例系數(shù)需要保持在一定的范圍內；是系統(tǒng)進行積分的時間，越大系統(tǒng)的積分時間越短，即系統(tǒng)的積分作用越弱，響應時間變短，但是系統(tǒng)的精度降低。而較小，系統(tǒng)的積分作用反應慢，但

101、是使系統(tǒng)的精度變高，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；主要是調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能，大，體統(tǒng)的響應速度快，超調量小，系統(tǒng)的動態(tài)性能變好，但是過大，又會使系統(tǒng)的抗干擾能力下降，同時，微分作用對延遲環(huán)節(jié)不產(chǎn)生控制效果。在控制過程中，適當?shù)倪x擇三個參數(shù)加以組合就可以使系統(tǒng)性能實現(xiàn)最優(yōu)，選擇不當，則會使系統(tǒng)性能變得更差。實際工業(yè)控制過程中，常用的有比例（P）控制，比例微分（PD）控制，比例積分（PI）控制和比例積分微分（PID）控制。</p><

102、;p>　　在數(shù)字計算機控制中，PID算法采用離散形式，這就要首先對系統(tǒng)進行近似，用差分近似微分，求和近似代替積分，即：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　因此式（4-2）可以表示成：</p><p><b&

103、gt;　　（3.6）</b></p><p>　　式中：是系統(tǒng)的采樣周期，表示采樣時刻k的輸出值，表示采樣時刻k的偏差值，表示采樣時刻k-1的偏差值。</p><p>　　由于式（4-3）中控制器的輸出對應于執(zhí)行機構的位置，例如閥門的開度等，因此上式又稱為是位置型PID算式。由于計算位置型算式的輸出值需要對前面的輸出狀態(tài)進行計算累加，因而計算量相對很大，工業(yè)上很少采用位置型PI

104、D算式，而是采用式增量型PID控制算法。由式（4-4）可以得到第k-1次采樣的輸出為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　其中：，。</b></p><p>　　取兩次采樣輸出的增量：</p><p><b>　　（3.8）</b>&l

105、t;/p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　　（3.9）</b></p><p>　　在工業(yè)成產(chǎn)過程中，人們逐漸對PID算法形成系統(tǒng)的認識，其中Ziegler和Nichols在研究受控對象自平衡時的動態(tài)性能時，提出了對PID控制器參數(shù)進行整定的經(jīng)驗公式，如表3-1所示。[16]</p>

106、<p>　　表3-1 Zieger-Nichols參數(shù)整定表</p><p>　　對不同類型的系統(tǒng)，選用表中合適的PID參數(shù)的組合就可以獲得比較滿意的控制效果。但是事實上，這種PID控制算法其實是對比例、積分和微分環(huán)節(jié)之間的折中，同時參數(shù)的確定需要不斷的進行試驗調試，不僅使得整定很費功夫，而且由于參數(shù)之間存在的相互作用，整個系統(tǒng)很難調整到最佳狀態(tài)。究其原因是傳統(tǒng)的PID控制算法不能解決系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)

107、定程度的矛盾問題，當系統(tǒng)的控制作用使得系統(tǒng)穩(wěn)定性提高時，其勢必很大程度上影響了系統(tǒng)的精度，增大系統(tǒng)誤差；同樣，強調系統(tǒng)的精度就必然要一定程度上忽略系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這使得系統(tǒng)往往不能滿足特定的工業(yè)要求。</p><p>　　在現(xiàn)在工業(yè)控制系統(tǒng)中，相當多的控制對象本身都帶有滯后和延時性質，而且實際控制系統(tǒng)內部器件的動力學性能以及外部的擾動都是不確定甚至不可預測的，因而對于傳統(tǒng)的PID控制而言，已經(jīng)很難滿足工業(yè)需求。&l

108、t;/p><p>　　3.3 PID控制算法的程序設計</p><p>　　PID控制器的流程圖如圖4-2所示，首先選定PID控制器的參數(shù)，，，的值，然后通過上面的分析分別將控制變量進行賦值，即：，，，假定初始時刻系統(tǒng)的誤差信號為零，然后在每個采樣時刻對系統(tǒng)的輸出量進行采樣，并計算系統(tǒng)的誤差信號，根據(jù)公式（4-8），式（4-9）和上面的變量，選用增量式計算控制量，然后進行下一時刻的采樣。最后在