自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shè) 計(jì) 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(xué)院： 電子信息與電氣工程學(xué)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(yīng)用相當(dāng)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(dāng)前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，當(dāng)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(diǎn)。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(jié)構(gòu)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(xué)模型。接著文章介紹了當(dāng)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(yù)估控制算法。并通過比較，分析了各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。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(jìn)行軟件仿真，并對仿真圖像進(jìn)行計(jì)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(shí)很難實(shí)現(xiàn)很好的控制，系統(tǒng)的超調(diào)量很大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較長，總體動靜態(tài)特性都不是很好。而采用大林算法進(jìn)行控制，

4、系統(tǒng)有很好的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無超調(diào)，而且可以保證在有限步內(nèi)就可以對被控對象實(shí)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(jìn)行了分析討論。根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以看出，大林算法對參數(shù)失配也有很強(qiáng)的適應(yīng)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(guān)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(nèi)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(nèi)容- 4 -</p><p>　　1.5 小結(jié)

12、- 5 -</p><p>　　第2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建- 6 -</p><p>　　2.1 煤氣罩式退火爐結(jié)構(gòu)- 6 -</p><p>　　2.2 煤氣罩式退火爐在各個(gè)溫度階段的特點(diǎn)- 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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jié)-

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(shè)計(jì)- 20 -</p><p>　　3.4 小結(jié)- 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(jié)- 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(dāng)模型失配時(shí)的大林控制- 32 -</p><p>　　5.5 小結(jié)- 35 -</p><p><b>　　結(jié)論- 36 -</b></p><p><b>　　致謝- 37 -</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)- 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(guān)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(jī)械性能和適應(yīng)性能。退火過程處理的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量要求的鋼材，關(guān)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(shù)改造煤氣罩式退火爐。因?yàn)楫?dāng)前使用的退火爐普遍設(shè)計(jì)不合理，因此產(chǎn)生了一系列問題，導(dǎo)致鍋爐溫度有較大的波動，引起能源浪費(fèi)，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(zhì)量，所以有必要對退火爐系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究和改造。研究工業(yè)控制對象的大時(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、高效率低消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，也取得了一定的

21、進(jìn)展，長期的工業(yè)實(shí)踐表明，保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高能源利用的最為有效的方法就是改進(jìn)系統(tǒng)的控制技術(shù)。其中，鍋爐設(shè)備中控制最多的參數(shù)就是溫度，因?yàn)闇囟葏?shù)在諸如提高能源利用率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，環(huán)保方面都有很大的優(yōu)越性。當(dāng)前，人們的研究焦點(diǎn)集中在復(fù)雜系統(tǒng)的控制方面，這類算法通?？刂扑惴ㄏ鄬?fù)雜，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(yùn)作和復(fù)雜系統(tǒng)的研究與應(yīng)用都有很大的價(jià)值和參考意義。</p><p>

22、　　工件的退火過程就是一個(gè)大時(shí)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(jìn)氣閥門來控制煤氣和空氣的比例。這個(gè)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(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，會導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時(shí)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(zhì)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(jié)合，以便能夠

23、達(dá)到較為理想的控制效果。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　從上個(gè)世紀(jì)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(yù)估補(bǔ)償法、Dahlin算法、自適應(yīng)控制法、改進(jìn)的Smith預(yù)估控制法等在內(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)向了智能控制，或者將兩者相結(jié)合。近幾十年來，國內(nèi)外的學(xué)者和工程技術(shù)人員對時(shí)延控制過程進(jìn)行了大量的研究，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)?；构I(yè)過程變得更為復(fù)雜，大時(shí)滯對工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yù)估控制和Dahlin控制是最經(jīng)典和最成熟的方法，它不僅使設(shè)定值和外部擾動輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，還可以結(jié)合很多智能控制方法形成各種改進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，提高控制的品質(zhì)。[3]對于時(shí)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(jìn)入時(shí)滯系統(tǒng)，其中模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以發(fā)揮很大的作用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有學(xué)習(xí)與適應(yīng)嚴(yán)重不確定性動態(tài)特性的能力，并且具有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)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(yàn)對復(fù)雜被控對象進(jìn)行專家式的控制，但是對于時(shí)滯過程，如何獲得有效的控制規(guī)則仍然是一個(gè)難題。</p><p>　　自適應(yīng)控制方法的出現(xiàn)又豐富了時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法，它的其他方法結(jié)合形成了各種有效實(shí)用的新方法，有很大的優(yōu)越性。魯棒控制和變結(jié)構(gòu)控制針對時(shí)滯控制系統(tǒng)的控制在理論上的研究也很成功，但他們計(jì)算復(fù)雜，有時(shí)會出現(xiàn)找不到解的情況，因此，其應(yīng)用價(jià)值在當(dāng)前仍然有限。<

27、/p><p>　　因此，時(shí)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與完善可以很容易地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜且高級的控制算法，因此，針對時(shí)滯過程的特點(diǎn)，開發(fā)與設(shè)計(jì)出各種智能控制方法或者以不同的形式結(jié)合在一起，將是介乎額工業(yè)時(shí)滯過程的有效途徑。</p><p>　　到了上世紀(jì)80年代后期，國內(nèi)開始對退火爐的控制算法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，退火爐的計(jì)算機(jī)

28、控制已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。當(dāng)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(diǎn)：</p><p>　　1.采用先進(jìn)控制設(shè)備</p><p>　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展使得在工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)中以多元化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為主體，同時(shí)產(chǎn)生了針對某一個(gè)領(lǐng)域的成產(chǎn)變化而進(jìn)行控制的微型控制計(jì)算機(jī)。比如，單片機(jī)、可編程控制器、集散系統(tǒng)及工業(yè)控制機(jī)等先進(jìn)的控制系統(tǒng)。這些微型控制計(jì)算機(jī)針對性很強(qiáng)，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(jìn)行編譯程序，但是這類軟件存在一個(gè)問題：它們必須通過借助其他的輔助設(shè)備完成工作而不可以單獨(dú)使用。它們的優(yōu)點(diǎn)是有較強(qiáng)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(dāng)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(diào)節(jié)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代控制設(shè)備的控制的需求。人們通過對傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采取多種多樣的補(bǔ)充和完善使其得以實(shí)現(xiàn)較好的控制性能。，燃料與空氣的處理關(guān)系在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中通常采取按照比例配比進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，因?yàn)槿剂吓c空氣的調(diào)節(jié)回路響應(yīng)速度通常并不一致，而且燃燒噴嘴的性質(zhì)不能保持相對的穩(wěn)定性，因而燃料和空氣的配比關(guān)系很難實(shí)現(xiàn)。尤其是當(dāng)燃燒負(fù)荷產(chǎn)生變化的時(shí)候，這

31、種最佳配比的保持就更難實(shí)現(xiàn)。針對燃燒過程中產(chǎn)生的這些問題，工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了適用于解決空氣燃料比的關(guān)系問題的3種交叉限幅法: 1)改進(jìn)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(shí)現(xiàn)控制空燃比以達(dá)到預(yù)期的目的。</p><p>　　3.現(xiàn)代控制理論中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用非常廣泛。有很大一部分大型的煉鋼廠早已開始運(yùn)用罩式退火爐微型機(jī)控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代控制理論的輸出跟蹤的自適應(yīng)控制技術(shù)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?？偠灾?，微型機(jī)控制的應(yīng)用給現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)計(jì)算提供了很好的條件。</p><p>　　4.管理系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　計(jì)

33、算機(jī)控制不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，還運(yùn)用咋退火爐的控制管理上面。退火爐中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制使得工業(yè)生產(chǎn)效率空前提高。同時(shí)由于罩式退火爐群中每一個(gè)都有內(nèi)外罩，空燃混合氣體得以在其中間燃燒，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的引入更好的指導(dǎo)爐臺裝鋼板，智能選取剛?cè)∠碌臒嵬庹郑艽蟪潭壬瞎?jié)約了燃料。</p><p>　　綜上所述，當(dāng)前我國研究退火爐的重點(diǎn)主要集中在一些大型企業(yè)的大型設(shè)備上，而這些設(shè)備通?；芈繁容^多，控制的節(jié)點(diǎn)相對比較復(fù)雜

34、，這使得現(xiàn)場總線控制和集散控制系統(tǒng)有著很強(qiáng)的優(yōu)勢，能更有效的對退火爐群進(jìn)行控制。至于較小的系統(tǒng)，既要節(jié)約成本，又想要在時(shí)間上和需求上實(shí)現(xiàn)控制的穩(wěn)定快速則很難利用DCS、PLC等系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需要的溫度要求，同時(shí)由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今自動化控制水平日臻完善，控制領(lǐng)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(jìn)行控制以及控制性能如何成為了我們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。在這個(gè)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(jìn)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(diào)，系統(tǒng)就會無法實(shí)現(xiàn)自動控制。

36、因此如何將超調(diào)量控制在最小的范圍內(nèi)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(diào)量或者至少把超調(diào)量控制在我們期望值之內(nèi)。</p><p>　　退火爐系統(tǒng)是一類帶有時(shí)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(diǎn)進(jìn)行分析，通過對退火爐系統(tǒng)中出現(xiàn)的大時(shí)滯現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)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(shí)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(yīng)更快，系統(tǒng)超量很小甚至無超調(diào)，實(shí)現(xiàn)無誤差控制。從而使得工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量更佳，又可以減緩工業(yè)設(shè)備的損耗，延長設(shè)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(shè)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(zhì)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(shè)計(jì)改進(jìn)的純滯后特性的系統(tǒng)的方案有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1.4 課題研究的內(nèi)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(diào)節(jié)通道和測量元件中時(shí)，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(diào)節(jié)質(zhì)量下降。而且，如果系統(tǒng)的純滯后時(shí)間很大，系統(tǒng)甚至?xí)兊貌环€(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(xué)模型，通過階躍響應(yīng)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(xué)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(yù)估控制算法、大林算法。在分析各種算法設(shè)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，討論了各種控制算法的性能及其改進(jìn)方法。然后針對退火爐系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用PID控制算法和大林算法分別對系統(tǒng)進(jìn)行仿真控制，并對控制中出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)。</

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(jìn)行控制，先采用PID算法進(jìn)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(shè)計(jì)程序進(jìn)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(jié)合國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)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(yīng)無超調(diào)，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(jié)<

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(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，研究工業(yè)控制對象的大時(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的連續(xù)化、高效率低消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益都有著舉足輕重的作用。文章然后分析了國內(nèi)外關(guān)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(yù)估控制以及各種智能控制在內(nèi)的算法，我國的

43、學(xué)者和技術(shù)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(shè)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(zhì)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(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。最后文章介紹了課題研究的內(nèi)容，介紹了本文進(jìn)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(xué)模型進(jìn)行仿真，并通過仿真圖對不同控制算法進(jìn)行比較。</p>

44、<p>　　第2章 退火爐系統(tǒng)的模型構(gòu)建</p><p>　　本文我們將研究煤氣罩式退火爐。空氣和煤氣的混合氣體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(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)所需要的溫度要求，同時(shí)由于原料來源廣泛且獲取容易，因而得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今自動化控制水平日臻完善，控制領(lǐng)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(jìn)行控制以及控制性能如何成為了我們關(guān)注的焦點(diǎn)問

45、題。在這個(gè)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(jìn)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(diào)，系統(tǒng)就會無法實(shí)現(xiàn)自動控制。因此如何將超調(diào)量控制在最小的范圍內(nèi)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(diào)量或者至少把超調(diào)量控制在我們期望值之內(nèi)。</p><p>　　2.1 煤氣罩式退火爐結(jié)構(gòu)</p><p>　　煤氣罩式退火爐包括內(nèi)

46、罩和外罩兩個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。[6]其中，外罩的作用是將整個(gè)爐結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境隔離，爐的內(nèi)、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(nèi)罩用于隔離燃燒氣體和工質(zhì)，內(nèi)罩的內(nèi)部填充保護(hù)鋼質(zhì)的保護(hù)性氣體，從而使得鋼質(zhì)不會因?yàn)槭軣岚l(fā)生氧化，保證了工質(zhì)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(nèi)罩和保護(hù)氣體閥門連接，使得可以往內(nèi)罩的內(nèi)部充入保護(hù)性氣體而將燃燒過程作用于內(nèi)、外罩之間。

47、外罩的內(nèi)側(cè)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(gè)，分上下兩層分布。每一層中6個(gè)噴嘴相互交替的排列在內(nèi)罩邊上。兩個(gè)蝶閥主要用來控制空氣和煤氣的燃燒比，調(diào)節(jié)蝶閥的不同開合程度就可以調(diào)節(jié)煤氣和空氣的混合比。當(dāng)加熱內(nèi)罩的時(shí)候，需要保持煤氣和空氣的混合比和設(shè)定的數(shù)值一致。退火爐測量獲得的溫度數(shù)值實(shí)際上是退火爐內(nèi)罩中保護(hù)性氣體的溫度。因?yàn)闊o法對退火爐內(nèi)部的工質(zhì)的溫度進(jìn)行直接測量，而工質(zhì)位于保護(hù)性氣體中，因而可以近似認(rèn)為

48、測量保護(hù)性氣體的溫度就是工質(zhì)的溫度。空氣和煤氣的閥門都是選用蝶閥，蝶閥的開關(guān)一般可以通過電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖2-1 罩式退火爐結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 煤氣罩式退火爐在各個(gè)溫度階段的特點(diǎn)</p><p>　　罩式退火爐根據(jù)溫度變化大致可以劃分為四個(gè)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(dá)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(shí)間內(nèi)使得退火爐外罩的內(nèi)部溫度升到期望值（通常為400℃）。這個(gè)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要煤氣和空氣的混合氣體在內(nèi)、外罩之間的燃燒，同時(shí)使保護(hù)性氣體充入到內(nèi)罩的內(nèi)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(gè)設(shè)定的速度逐步升高到700℃，這個(gè)過程需要引入大林算法控制器來進(jìn)行控制。保溫階段為圖中的T3階段，該階

50、段中爐內(nèi)罩內(nèi)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(gè)階段中整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，爐子內(nèi)部不在燃燒供熱，只依靠鋼質(zhì)自身散熱實(shí)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(dá)到最大，退火爐用最快的

51、速度將爐內(nèi)溫度上升到400℃。</p><p>　　T2：升溫階段。通過控制算法的輸出實(shí)現(xiàn)閥門開度的控制，進(jìn)來使得爐內(nèi)溫度按照指定的上升規(guī)律上升（通常上升速度為45℃/小時(shí)～75℃/小時(shí)）。</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(jìn)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(shí)系統(tǒng)完全停止

52、運(yùn)作，鋼質(zhì)進(jìn)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(gè)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(fù)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(shè)備和被控對象的動態(tài)性能熟悉了解，進(jìn)而才能對被控對象進(jìn)

53、行動態(tài)分析。而對被控對象的動態(tài)特性的了解實(shí)質(zhì)上是對被控對象用數(shù)學(xué)模型表達(dá)其動態(tài)特性的基礎(chǔ)，這個(gè)過程需要運(yùn)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(dāng)輸入為單位階躍信號時(shí)輸出不能立

54、刻響應(yīng)輸入信號達(dá)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(shí)間過渡后達(dá)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(shí)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(shí)進(jìn)行拉氏變換能夠得到

55、表達(dá)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>　?。?.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(shí)，當(dāng)時(shí)間常數(shù)T無限趨于零時(shí)，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(gè)環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)表現(xiàn)為：輸出是輸入的完整復(fù)現(xiàn)，只是信號在傳遞過程中延時(shí)了

57、一段時(shí)間。如果假設(shè)系統(tǒng)的輸出為 ，輸入為 ，則可以用來表示延時(shí)系統(tǒng)中函數(shù)關(guān)系，其中為純延時(shí)時(shí)間。[8]</p><p>　　對上式兩邊進(jìn)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(jìn)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>　?。?.9）</b></p><p>　　則進(jìn)行拉氏變換后就得到：</p><p><b>　　（2.10）</b&

60、gt;</p><p>　　同樣可以得出相同的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　（2.11）</b></p><p>　　上式中 T為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，K為系統(tǒng)的放大系數(shù)，為被控對象的滯后時(shí)間。</p><p>　　2.3.2 理論建模和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行研究，即實(shí)驗(yàn)建模和理論建模。其中，實(shí)驗(yàn)建模需要根據(jù)之前做過的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并且通過自己再實(shí)驗(yàn)中積累的經(jīng)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，據(jù)此為依據(jù)初步確定系統(tǒng)的對象模型結(jié)構(gòu)，然后再對理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析進(jìn)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(yàn)并結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出數(shù)學(xué)模型。而理論建模相反，它是在已有的化學(xué)、物理的一些基本定理的基礎(chǔ)上結(jié)合器件的工藝參數(shù)，進(jìn)而在一定的假設(shè)情況下構(gòu)造出被控對象的數(shù)學(xué)模型。

62、該方法通常可以用于對一些新型、未知的系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)模型。然而實(shí)際情況是，很多的被控對象的設(shè)備都很復(fù)雜，因而構(gòu)造其數(shù)學(xué)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?yàn)槊枋鱿到y(tǒng)的動態(tài)特性這時(shí)就構(gòu)造出非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，不利于實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，工程上的數(shù)學(xué)建模大多是借助于實(shí)驗(yàn)建模的方法來獲得。通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)可以證明，對于系統(tǒng)比較復(fù)雜的生產(chǎn)過程而言采用實(shí)驗(yàn)建模來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性的數(shù)學(xué)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(yīng)曲線上進(jìn)行。而系統(tǒng)的輸出響應(yīng)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(jìn)行研究的過程中，我們選擇階躍信號作為輸入來測定響應(yīng)曲線。當(dāng)階躍信號作用于對象時(shí)，得到的輸出信號隨時(shí)間變化的曲線就稱為階躍響應(yīng)曲線（也叫做飛升曲線）階躍響

64、應(yīng)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(yīng)曲線上面選取獲得。而且不需要對得到的參數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)其試驗(yàn)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(shè)置成為手動調(diào)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(jìn)行

65、連接，這時(shí)適當(dāng)?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(yīng)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(shí)驗(yàn)中我們需要著重關(guān)注下面的情況:</p><p>　　(1) 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前需要對退火爐進(jìn)行加熱并保持一段時(shí)間，退火爐內(nèi)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(yīng)曲線，我們還需要在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，對實(shí)驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行至少三次，而且獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分析以確定數(shù)據(jù)點(diǎn)落在階躍響應(yīng)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(shí)際情況進(jìn)行確定，確保所選擇的輸入信號與退火爐的實(shí)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(nèi)，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(jié)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(fù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理</p><p>　　諸如退火爐這樣帶有特殊性質(zhì)的控制對象，它的傳遞函數(shù)通?？梢越茷橐粋€(gè)一階慣性加延時(shí)模型或者一個(gè)二階慣性加延時(shí)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(shí)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(shí)模型的系統(tǒng)傳遞函數(shù)表示為：</p><p><b>　　（2.13）</b></p>

69、;<p>　　由實(shí)驗(yàn)獲得的階躍響應(yīng)曲線選擇其中一個(gè)傳遞函數(shù)。這種通過實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(jì)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(jì)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(shè)計(jì)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(shí)傳函作為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。</p><p>　　接下來我們就通過實(shí)驗(yàn)獲得的階躍響應(yīng)曲線來確定表達(dá)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(yīng)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(shí)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(yīng)曲線示意圖可以看出，在階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)處作曲線的一條切線，則切線會與時(shí)間軸交于

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

73、/p><p>　　因?yàn)橥嘶馉t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(gè)一階慣性加延時(shí)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>　　（2.15）</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(shí)間；</p><p><b>　　為退火爐的時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　通過階躍響應(yīng)曲線我們很容易得到系統(tǒng)的各個(gè)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(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)系統(tǒng)的詳細(xì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理，罩式退火爐包括內(nèi)、外罩兩個(gè)部分，內(nèi)罩放待處理鋼質(zhì)和充入保護(hù)性氣體，內(nèi)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(zhì)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(gè)階段，在生產(chǎn)的各個(gè)階段，通過

76、控制煤氣與空氣閥門的開度來調(diào)節(jié)和保持爐內(nèi)溫度。緊接著，文章就煤氣罩式退火爐系統(tǒng)進(jìn)行抽象建模，由系統(tǒng)的動態(tài)系能特點(diǎn)將退火爐系統(tǒng)等效成了一個(gè)帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)系統(tǒng)。由實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)際工程應(yīng)用，我們會

77、常常碰到一些具有一定特殊性質(zhì)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(shí)間一般都比較長，如果打算在期望的時(shí)間內(nèi)使調(diào)節(jié)時(shí)間結(jié)束并且在期望的時(shí)間使過渡過程結(jié)束，那么要想使系統(tǒng)控制在很小或者沒有超調(diào)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(gè)控制系統(tǒng)，人們都希望系統(tǒng)的超調(diào)量盡量達(dá)到最小最好是沒有超調(diào)量。而對自動控制原理進(jìn)行研究的其中最重要的一點(diǎn)就是控制系統(tǒng)的超調(diào)量在一個(gè)最小的范圍。但是像PID調(diào)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(diào)量很大。因此解決上面出現(xiàn)的滯后時(shí)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(shí)現(xiàn)期望的性能指標(biāo)。</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(lǐng)域中得到應(yīng)用的一類控制方法，同時(shí)，

79、PID控制器技術(shù)現(xiàn)在也非常成熟。由于PID控制方法的簡單、靈活以及很強(qiáng)的穩(wěn)定性和通用性，因而使得PID控制技術(shù)成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中得到最廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)過程中，選定和修改合適的控制器參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)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(jìn)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(zhì)的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制器很難實(shí)

80、現(xiàn)理想的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)期望值。</p><p>　　在一定條件下，PID控制器可以和Smith預(yù)估器等價(jià)，也可以和Dahlin控制器等價(jià)，將PID控制方法與其他方法結(jié)合起來改善時(shí)滯過程的控制效果更佳，同時(shí)合理地調(diào)整PID參數(shù)也可以達(dá)到滯后補(bǔ)償?shù)淖饔?。對積分時(shí)滯過程，人們提出了一種數(shù)字PID控制結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)內(nèi)部反饋回路對積分時(shí)滯過程進(jìn)行預(yù)穩(wěn)定控制，并給

81、出了數(shù)字PI控制器的設(shè)計(jì)算法，仿真結(jié)果表明該控制結(jié)構(gòu)具有良好的設(shè)定值跟蹤特性，并且對時(shí)滯偏差具有很強(qiáng)的魯棒性。[12]</p><p>　　國內(nèi)外許多學(xué)者還提出了多種模糊PID控制算法，它們的結(jié)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(gòu)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(gè)函數(shù)的表示，因而設(shè)計(jì)起來比較簡單，但是PI控

82、制器的性能由于時(shí)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(jìn)行了改進(jìn)，得到了與時(shí)間無關(guān)的確定性模糊PID控制器，并對參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整，形成了基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器，設(shè)計(jì)一種預(yù)估控制器可以預(yù)測未來的系統(tǒng)偏差，讓未來系統(tǒng)的輸出決定當(dāng)前控制量的大小，這種超前預(yù)估作用克服了時(shí)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(shí)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?yàn)榇罅炙惴▽в屑儨蟓h(huán)節(jié)的系統(tǒng)可以同時(shí)滿足系統(tǒng)動靜態(tài)兩個(gè)方面的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)零超調(diào)，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(jìn)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(shè)計(jì)過程非常簡單，可以在有限的采樣時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無差控制。這個(gè)方法的核心問題是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字控制器，使得系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)具有純滯后環(huán)節(jié)特性的一階慣性環(huán)節(jié)，同時(shí)要求系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的純滯后時(shí)間與被控對象的純滯后時(shí)間保持一致

85、。使用大林算法可以做到系統(tǒng)響應(yīng)無超調(diào)，而且調(diào)節(jié)時(shí)間段的效果。</p><p>　　Dahlin控制器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的并不多，只是因?yàn)镈ahlin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(jī)構(gòu)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(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)之后，若該傳遞函數(shù)不夠精確，則控制器就不可能完全補(bǔ)償對象的純滯后問題。在現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)理想控制。</p><p>　　3.Smith預(yù)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(jìn)行理想的控制。1958年，O.J.M.

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

88、法。然而Smith預(yù)估器需要預(yù)先確定被動對象的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，若預(yù)估模型與實(shí)際對象不匹配時(shí)，控制效果會變得很差。而且，當(dāng)系統(tǒng)對象的參數(shù)變化很大時(shí)，Smith預(yù)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(yù)估器存在的對系統(tǒng)誤差很敏感的缺點(diǎn)，有大量學(xué)者對常規(guī)的Smith預(yù)估器進(jìn)行了研究，提出了幾種改進(jìn)的方法。其中，增益自適應(yīng)補(bǔ)償方法就是一種很好的改進(jìn)方法。其在Smith預(yù)估

89、器外圍增加了一個(gè)除法器、一個(gè)微分環(huán)節(jié)和一個(gè)乘法器。通過這三個(gè)環(huán)節(jié)，控制器可以對模型和系統(tǒng)實(shí)際輸出信號的比值進(jìn)行自動校正，產(chǎn)生自校正預(yù)估增益信號。這種自整定的Smith預(yù)估器只產(chǎn)生很短的調(diào)節(jié)時(shí)間和較小的超調(diào)量。還有一種改進(jìn)型Smith預(yù)估器，它比原控制器多一個(gè)調(diào)節(jié)器，而且其主反饋回路的傳遞函數(shù)為一個(gè)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(shí)其對模型的構(gòu)造精度要求也不高。</p><p><b>

90、　　4.自適應(yīng)控制</b></p><p>　　自適應(yīng)控制器可以按照補(bǔ)償特性的改變自動的改變自身的參數(shù)值。由于自適應(yīng)控制器的參數(shù)整定方法不同，因此自適應(yīng)控制器可分為不同類型的控制器。通常情況下，自適應(yīng)控制器伴隨著其他控制方法一起對系統(tǒng)進(jìn)行控制，而不是單獨(dú)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(yīng)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(shí)間和慣性時(shí)間以及系統(tǒng)的幅值，根據(jù)這些

91、參數(shù)進(jìn)而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)。</p><p>　　依據(jù)自適應(yīng)控制的確定性等價(jià)原理和分離設(shè)計(jì)原則，時(shí)變系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)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(biāo)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，在利用參數(shù)辨識在線估計(jì)出被控對象的參數(shù)值，并以參數(shù)估計(jì)值代替控制器中所用的真值對系統(tǒng)進(jìn)行控制。</p><p>　　自適應(yīng)控制由于具有對時(shí)變參數(shù)良好的自適應(yīng)能力，因而在時(shí)變時(shí)滯系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)提出很

92、多控制方法：模型參考自適應(yīng)控制、自適應(yīng)預(yù)估最優(yōu)控制、大時(shí)滯系統(tǒng)的自抗擾控制、時(shí)滯并聯(lián)自適應(yīng)控制、零極點(diǎn)配置的自校正內(nèi)?？刂坪蛣討B(tài)矩陣控制等等。自適應(yīng)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(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　自適應(yīng)控制雖然對時(shí)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(xué)模型，自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)取決于這個(gè)數(shù)學(xué)模型，而

93、實(shí)際上許多過程控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型難以獲得，導(dǎo)致自適應(yīng)控制應(yīng)用困難。</p><p><b>　　5.智能控制</b></p><p>　　智能控制無需人的干預(yù)就能獨(dú)立驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)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(luò)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(luò)控制以及二者結(jié)合在時(shí)滯系統(tǒng)的控制中應(yīng)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(guān)的一些概念，后來形成了一個(gè)龐大的數(shù)學(xué)分支即模糊數(shù)學(xué)。1974年，美國工程師E.H.Mamdani首次把模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于對鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，成為應(yīng)用模糊控制技術(shù)的先驅(qū)。</p><p>　　模糊控制比常規(guī)控制具

95、有較強(qiáng)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(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)的控制，完全是在人們的控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立被控對象的數(shù)學(xué)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(jī)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(jì)算得到控制查表，提高控制系統(tǒng)的實(shí)用性。[14]</p><p><b>　　2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

96、</b></p><p>　　當(dāng)前時(shí)滯系統(tǒng)的控制領(lǐng)域研究新熱點(diǎn)在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制上面，而且已經(jīng)取得了一些成果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，它是由好幾個(gè)學(xué)科相互交織形成的新興學(xué)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(luò)控制表現(xiàn)出了其他控制方法所不具有的新特點(diǎn)。其采用分布式的方式對信息進(jìn)行存儲，并行處理數(shù)據(jù)，而且有自學(xué)習(xí)和自組織的特點(diǎn)，因而可以以任意的精度逼近要求的傳遞函數(shù)，有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。因此在

97、帶有時(shí)滯環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使調(diào)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(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，因而可以簡單而有效的應(yīng)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(shí)際上是一種在連續(xù)控制方面最為成熟和有效的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它利用比例、積分、微分及其各個(gè)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(xué)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(jié)構(gòu)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>　?。?.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(shí)間常數(shù)，是系統(tǒng)的微分時(shí)間常數(shù)，是系統(tǒng)的比例系數(shù)。</p><p>　　系統(tǒng)對應(yīng)的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.3）

100、</b></p><p>　　通過調(diào)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(shí)就可以使控制器作用，從而達(dá)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(qiáng)烈的振蕩，使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，導(dǎo)致整個(gè)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(nèi)；是系統(tǒng)進(jìn)行積分的時(shí)間，越大系統(tǒng)的積分時(shí)間越短，即系統(tǒng)的積分作用越弱，響應(yīng)時(shí)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(yīng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能，大，體統(tǒng)的響應(yīng)速度快，超調(diào)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(shí)，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(dāng)?shù)倪x擇三個(gè)參數(shù)加以組合就可以使系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，選擇不當(dāng)，則會使系統(tǒng)性能變得更差。實(shí)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(jì)算機(jī)控制中，PID算法采用離散形式，這就要首先對系統(tǒng)進(jìn)行近似，用差分近似微分，求和近似代替積分，即：</p><p><b>　　（3.4）</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　因此式（4-2）可以表示成：</p><p><b&

103、gt;　?。?.6）</b></p><p>　　式中：是系統(tǒng)的采樣周期，表示采樣時(shí)刻k的輸出值，表示采樣時(shí)刻k的偏差值，表示采樣時(shí)刻k-1的偏差值。</p><p>　　由于式（4-3）中控制器的輸出對應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jì)算位置型算式的輸出值需要對前面的輸出狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算累加，因而計(jì)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>　?。?.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(rèn)識，其中Ziegler和Nichols在研究受控對象自平衡時(shí)的動態(tài)性能時(shí)，提出了對PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定的經(jīng)驗(yàn)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(shí)上，這種PID控制算法其實(shí)是對比例、積分和微分環(huán)節(jié)之間的折中，同時(shí)參數(shù)的確定需要不斷的進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，不僅使得整定很費(fèi)功夫，而且由于參數(shù)之間存在的相互作用，整個(gè)系統(tǒng)很難調(diào)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(dāng)系統(tǒng)的控制作用使得系統(tǒng)穩(wěn)定性提高時(shí)，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(qiáng)調(diào)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(dāng)多的控制對象本身都帶有滯后和延時(shí)性質(zhì)，而且實(shí)際控制系統(tǒng)內(nèi)部器件的動力學(xué)性能以及外部的擾動都是不確定甚至不可預(yù)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(shè)計(jì)</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(jìn)行賦值，即：，，，假定初始時(shí)刻系統(tǒng)的誤差信號為零，然后在每個(gè)采樣時(shí)刻對系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行采樣，并計(jì)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(jì)算控制量，然后進(jìn)行下一時(shí)刻的采樣。最后在