退火爐溫度控制系統(tǒng)的Smith補(bǔ)償控制策略研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 （二二 一一 一一 年年 六六 月月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書學(xué)校代碼：學(xué)校代碼： 1012810128學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 200711204078200711204078題題 目目： 退火爐溫度控制系統(tǒng)的退火爐溫度控制系統(tǒng)的 SmithSmith 補(bǔ)償補(bǔ)償控制策略研究控制策略研究學(xué)學(xué)生生姓姓名名 ： 路路 志志 強(qiáng)強(qiáng)學(xué)學(xué) 院院 ： 電電 力力 學(xué)學(xué) 院院系系 別別： 自自 動(dòng)動(dòng) 化化 系系專專 業(yè)業(yè)： 自自 動(dòng)動(dòng) 化化( ( 電電 廠廠 熱熱 工工 過過 程程 控控 制制及及 自自 動(dòng)動(dòng) 化化 方方 向向) )班班 級(jí)級(jí)： 自自 （ 電電 ）0 0 7 7 - - 3 3指指導(dǎo)導(dǎo)教

2、教師師 ： 董董 朝朝 軼軼 副副教教授授內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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。本文是以煤氣罩式退火爐為研究對(duì)象展開的。退火爐是一個(gè)比較復(fù)雜的被控對(duì)象，它具有時(shí)變、非線性、不確定等特性。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(duì)象的傳遞函數(shù)。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(shí)間變長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)振蕩和發(fā)散。對(duì)于這一類的工業(yè)被控對(duì)象，采用普通的 PID 控制很難保證系統(tǒng)小超調(diào)

3、或無(wú)超調(diào)。本文針對(duì)大滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。 關(guān)鍵詞：退火爐；純滯后；Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制器內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書Abstract Annealing furnace is the important cold-rolled steel sheet heat treatment thermal equipment, it directly affect the quality of products and the production as well as cos

4、t, playing a critical role in production. Research anneal furnace temperature control system has a great significance in improving product quality, boosting productivity, improving environment and reducing the consumption of energy. This context is gas type annealing furnace for research object laun

5、ch. Annealing furnace is a rather complicated controlled station, it has some characters including time varying, nonlinearity and uncertainty etc. Combine experimental methods with political experiences, we determine the annealing furnace the transfer function of objects. Pure time-delay link has a

6、serious influence on the system of control effect, result in largening the system of overshoot, elongating accommodation time, even come with oscillation and volatilization. With regard to this kind of industry controlled member, it is difficult to ensure system small overshoot or no overshoot if we

7、 adopt common PID system. The context design Smith estimated compensating 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

8、 furnace; pure time-delay; Smith estimated compensating controller內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書目 錄第一章 緒論.11.1 退火爐溫度控制研究的目的及意義.11.2 退火爐溫度控制系統(tǒng)的研究狀況.21.2.1 國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀 .21.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 .31.2.3 退火爐控制系統(tǒng)的新進(jìn)展 .41.3 本論文的主要工作.4第二章 退火爐的建模.62.1 煤氣罩式退火爐系統(tǒng)介紹.62.2 退火爐動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)定.72.2.1 系統(tǒng)建模過程 .82.2.2 被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 .9第三章 被控對(duì)象分析.113.1 純滯后介

9、紹.113.1.1 純滯后的產(chǎn)生 .113.1.2 純滯后的相關(guān)定義 .113.2 純滯后對(duì)控制性能指標(biāo)的影響.123.3 被控對(duì)象控制策略的選取.13第四章 施密斯預(yù)估控制.144.1 施密斯預(yù)估控制原理.144.2 施密斯預(yù)估器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn).154.2.1 計(jì)算機(jī)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng) .154.2.2 純滯后補(bǔ)償控制的算法 .164.3 施密斯預(yù)估器的缺點(diǎn).18第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真.195.1 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.195.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定.195.2.1 衰減曲線經(jīng)驗(yàn)公式法 .195.2.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定過程 .21內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書5.3 帶有施密斯預(yù)估控制器

10、的系統(tǒng)仿真.235.3.1 時(shí)域系統(tǒng)的仿真 .235.3.2 系統(tǒng)離散化的仿真 .24結(jié) 論.26參考文獻(xiàn).27附 錄.29謝 辭.31內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1第一章 緒論1.1 退火爐溫度控制研究的目的及意義 退火爐是常用在冶金和機(jī)械行業(yè)的熱處理工藝設(shè)備。帶鋼在冷軋過程中會(huì)發(fā)生加工硬化，為了消除加工硬化并且同時(shí)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(duì)冷軋后的帶鋼進(jìn)行退火處理。退火是金屬熱處理中的重要工序，是將偏離平衡狀態(tài)的金屬加熱到臨界溫度上，保持一定時(shí)間后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態(tài)組織的過程1。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

11、、消除內(nèi)應(yīng)力等目的。退火是冶金企業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量冷軋薄板產(chǎn)品的一道必經(jīng)工序；退火是提高鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，提高薄板表面質(zhì)量，改善機(jī)械性能的重要手段2；退火處于冷軋薄板生產(chǎn)中的最后處理工序，對(duì)冷軋薄板最終產(chǎn)品質(zhì)量有著關(guān)鍵性的影響。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(gè)企業(yè)生存的重要指標(biāo)。近年來隨著鋼材市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷激烈，對(duì)產(chǎn)品性能的需求不斷提高，要求在各個(gè)工序及溫度控制上更加精確，穩(wěn)定。 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。因此對(duì)退火爐溫度控制在提高軋鋼生產(chǎn)率、改善質(zhì)量和節(jié)約能源上都具有舉足輕重的意義。在生產(chǎn)中對(duì)退

12、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(shí)保證爐內(nèi)各處的溫度均勻。對(duì)于工業(yè)退火爐，為了很好的滿足工藝需要，退火爐的爐溫控制是保證退火質(zhì)量的關(guān)鍵因素。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： 1.提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。生產(chǎn)過程中對(duì)鋼材的溫升曲線有較高的要求，退火爐的爐溫動(dòng)態(tài)特性直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。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。通過對(duì)退火爐中生產(chǎn)過程的自動(dòng)工藝管理控制和優(yōu)化控制可以縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，減少因?yàn)槿藶橐蛩卦斐傻膹U品率，節(jié)省了原材料。2.減少環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境。金屬熱處理企業(yè)

13、歷來是環(huán)境污染大戶，退火爐的燃料如果是在氧氣不足的情況下燃燒，燃料燃燒不充分就會(huì)產(chǎn)生大量的 CO 氣體和黑煙，而過氧燃燒會(huì)產(chǎn)生氮氧化合物等有害氣體。通過對(duì)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(duì)環(huán)境的污染，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展型社會(huì)具有積極的意義。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書23.節(jié)約能源。通過提高退火爐溫度控制的精度可以大幅度節(jié)約能源。如通過計(jì)算機(jī)控制降低廢氣中含氧濃度，由傳統(tǒng)人工控制的 8%10%降低到過氧濃度 2%，節(jié)能效果非常明顯。 我國(guó)是鋼鐵和能源消耗大國(guó)，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。1.2 退火爐溫度控制系統(tǒng)的研究狀況 退

14、火爐在軋鋼生產(chǎn)中占有非常重要的地位，退火爐的溫度控制是具有大慣性、純滯后的非線性多參量的隨機(jī)過程，受很多隨機(jī)因素的干擾，很難全面考慮各種因素的影響。如果不能及時(shí)地調(diào)節(jié)溫度，產(chǎn)品的質(zhì)量會(huì)受到影響。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多廠家開展了對(duì)退火爐采用計(jì)算機(jī)控制的研究，現(xiàn)在有很多成果已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。1.2.1 國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)際上 20 世紀(jì) 70 年代就開始了退火爐計(jì)算機(jī)控制的研究3，近幾十年來，由于計(jì)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(jì)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45，其中具有代表性的研究成果如表 1-1所示： 廠家名稱所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀日

15、本 KASHIMA 鋼廠PLC 控制器實(shí)現(xiàn)鋼坯目標(biāo)出爐溫度計(jì)算，溫度預(yù)報(bào)，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(guó) DOFASCO 公司 I 級(jí)：PLC 控制器 HONEYWELLTDC3000 II 級(jí)：DEC VAX8350空燃比控制，爐溫控制，溫度預(yù)報(bào)，爐溫設(shè)定值調(diào)節(jié)設(shè)備診斷，系統(tǒng)報(bào)警、記錄、報(bào)告等美國(guó)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(jì)說明書3表 1-1 退火爐計(jì)算機(jī)控制在國(guó)外的一些應(yīng)用現(xiàn)狀隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)向高速、大容量、小型方向

16、的發(fā)展，傳統(tǒng)的 PID 控制已經(jīng)漸漸的在一些特定對(duì)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(shí)，現(xiàn)代控制理論也在不斷發(fā)展。隨著控制理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的控制算法。70 年代以來，預(yù)測(cè)控制作為一類新型的計(jì)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(cè)模型，滾動(dòng)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。如美國(guó)鋼廠在其退火爐智能控制系統(tǒng)中應(yīng)用了廣義預(yù)測(cè)極點(diǎn)配置加權(quán)控制，在控制系統(tǒng)中考慮到煤氣壓力隨機(jī)波動(dòng)和變化頻繁等情況，煤氣壓力較低時(shí)，當(dāng)煤氣管道閥門開度為 100%時(shí)，煤氣壓力仍不

17、能恢復(fù)到正常值，對(duì)爐溫影響較大，所以在模型中將煤氣總管壓力作為可測(cè)干擾量來處理。再考慮到現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)噪聲干擾影響，罩式退火爐可用一個(gè)帶可測(cè)煤氣壓力干擾，有控制項(xiàng)的自由回歸滑動(dòng)平均模型來描述，當(dāng)采樣周期為 60s，得到一個(gè)有純滯后的一階慣性的數(shù)字模型。對(duì)煤氣罩式退火爐利用廣義預(yù)測(cè)極點(diǎn)配置加權(quán)控制器計(jì)算機(jī)控制，得到的模型參數(shù)跟蹤性能好，很快收斂，升溫段溫差不超過6，恒溫段溫度在4范圍內(nèi)6。隨著控制技術(shù)的日益提高，退火工藝也不斷改進(jìn)。其優(yōu)勢(shì)在于提高了生產(chǎn)效率，并且很大程度上提高了產(chǎn)品成材率和鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著國(guó)內(nèi)科技人員的努力，目前我國(guó)在熱處理爐窯控制方面的理論研究水平已經(jīng)接近

18、國(guó)際先進(jìn)水平，但在實(shí)際運(yùn)用中還是有差距的。特別是在一些中小型企業(yè)中，還采用常規(guī)溫度調(diào)節(jié)儀表或者人工操作來控制退火爐的爐溫，自動(dòng)化程度較低使生產(chǎn)控制精度不高，導(dǎo)致退火質(zhì)量差，廢品率高。20 世紀(jì) 80 年代以后，國(guó)內(nèi)對(duì)退火爐溫度控制進(jìn)行了廣泛的研究。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制退火爐逐步進(jìn)入實(shí)用化階段7，主要的研究現(xiàn)狀有： 1.采用先進(jìn)的控制設(shè)備 隨著工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器(PLC)和集散系統(tǒng)(DCS)等先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式儀表等控制器件。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(dòng)條件。2.采用新的控制方

19、法 對(duì)于傳統(tǒng)的負(fù)反饋系統(tǒng)，單一 PID 控制做了多種補(bǔ)充從而使控制性能更佳。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(jì)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。尤其是在燃燒負(fù)荷變化的情況下，更無(wú)法保證最佳配比關(guān)系。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：?jiǎn)谓徊嫦薹?；雙交叉限幅法；改進(jìn)型雙交叉限幅法。3.現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 隨著控制理論的快速發(fā)展，越來越多的控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)代控制理論，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自校正控制和自整定 PID 參數(shù)的控制，已逐步在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。4.管理系統(tǒng)的應(yīng)用退火爐除

20、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。上位機(jī)應(yīng)用程序分為監(jiān)控界面，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，報(bào)警記錄，報(bào)表生成，優(yōu)化控制等功能。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(jià)值和應(yīng)用性能，大大提高了生產(chǎn)過程的效率。1.2.3 退火爐控制系統(tǒng)的新進(jìn)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。這些控制方法在退火爐控制中也逐步得到了應(yīng)用。加熱部件是退火爐的主要部件，實(shí)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。國(guó)內(nèi)外許多科技人員在對(duì)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(dòng)了退火爐研制工

21、作的發(fā)展。唐山鋼鐵公司運(yùn)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，而且還大幅度降低了噸鋼油耗指標(biāo)，取得了不菲的經(jīng)濟(jì)效益。丁起英和馮麗偉等人對(duì)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。舒懷林設(shè)計(jì)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(dòng)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。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(wú)靜態(tài)誤差，超調(diào)量小于5%，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。 針對(duì)退火爐溫度的時(shí)變、滯后和非線性特性，

22、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。在工業(yè)鍋爐溫度控制中設(shè)計(jì)了神經(jīng)模糊溫度控制器。通過實(shí)驗(yàn)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(jì)說明書5和魯棒性好的特點(diǎn)。從仿真結(jié)果可知：計(jì)算值的誤差較小，得到的結(jié)果令人滿意。1.3 本論文的主要工作論文的主要工作是：1.利用實(shí)踐環(huán)境條件，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，以煤氣罩式退火爐為例，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定退火爐對(duì)象的傳遞函數(shù)，建立退火爐的溫度控制系統(tǒng)模型；2.針對(duì)退火爐的溫度特點(diǎn)，分析純滯后系統(tǒng)的特性和解決方法； 3.利用 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制原理，完成退火爐溫度控制系統(tǒng)的 Smith 補(bǔ)償控制器的

23、設(shè)計(jì)； 4.利用 MATLAB 仿真軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī) PI 控制和 Smith 控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析仿真結(jié)果； 5.對(duì)系統(tǒng)的仿真過程應(yīng)用 MATLAB 語(yǔ)言的編程實(shí)現(xiàn)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書6第二章 退火爐的建模本文是以國(guó)內(nèi)某冷軋廠煤氣罩式退火爐為背景展開研究的。由于其現(xiàn)有的煤氣罩式退火爐的設(shè)計(jì)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(chǎng)儀表和操作中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，致使?fàn)t溫波動(dòng)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(fèi)，安全隱患多，所以決定對(duì)退火爐進(jìn)行改造。首先對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行介紹并確立其對(duì)象模型。2.1 煤氣罩式退火爐系統(tǒng)介紹煤氣罩式退火爐采用高爐

24、煤氣作為燃料，其作用是用于對(duì)冷軋鋼板進(jìn)行熱處理。它的爐體結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示:圖 2-1 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。燃燒是在內(nèi)罩與外罩之間進(jìn)行的。它的 12 個(gè)噴嘴分為上下兩層，每層 6個(gè)環(huán)繞排列。煤氣與空氣之間的噴燃比由連接到閥門的兩個(gè)杠桿調(diào)節(jié)，在燃燒時(shí)，外罩內(nèi)罩鋼料空氣閥保護(hù)氣體閥煤氣閥內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書7其空燃比不變。保護(hù)氣體的溫度是爐溫控制系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)。煤氣和空氣閥均采用碟閥，由一臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過連桿共同帶動(dòng)執(zhí)行。整個(gè)系統(tǒng)可以認(rèn)為是以電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)的碟閥開度(煤氣的輸入量)為輸入以保護(hù)氣體溫度為

25、輸出的一個(gè)單輸入單輸出的溫度控制系統(tǒng)。退火爐工藝一般分為升溫，保溫，降溫三個(gè)階段。升溫段是在一段時(shí)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(shí)間段內(nèi)保持恒溫，降溫段為自由降溫。其中升溫段和保溫段對(duì)溫度控制精度要求較高，應(yīng)小于10。 在 Y1 溫度內(nèi)，保護(hù)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(shí)間內(nèi)升到 Y1(400)。從 Y1 開始到 Y2(700)的保溫點(diǎn)，溫度按 45/h75/h 的速率上升，此段為升溫段。到達(dá) Y2 點(diǎn)，開始進(jìn)入保溫段。鋼卷保溫(T2T3)后停火，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。對(duì)冷軋鋼板的熱處理需要遵循一個(gè)如圖

26、2-2 所示的溫度變化曲線，圖中將溫度變化過程分為了四個(gè)階段: 0T1:快速升溫段。這個(gè)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。 T1T2:升溫段。這個(gè)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10的范圍內(nèi)，采用施密斯預(yù)估控制算法輸出控制碟閥。 T2T3:恒溫段。這個(gè)階段要求系統(tǒng)將溫度保持在一個(gè)要求的固定值，同樣應(yīng)控制溫度誤差不超過10。 T3 之后:自由降溫段。這個(gè)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)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書8 T1 T2T3時(shí)間T溫度YY2Y1圖 2-2 溫度變化過程圖2.2 退火爐動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)定簡(jiǎn)

27、單控制系統(tǒng)是由一個(gè)被調(diào)量、一個(gè)控制量、一個(gè)調(diào)節(jié)器、和一個(gè)調(diào)節(jié)閥組成的一個(gè)閉環(huán)回路12。自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象和控制器兩部分組成的。只有熟悉了各個(gè)量的特性，并把它們合理地構(gòu)成控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)人們預(yù)期的控制目標(biāo)。對(duì)被控對(duì)象動(dòng)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(jì)的好壞。被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性實(shí)際上就是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，即用數(shù)學(xué)方程來描述被控對(duì)象各變量間的關(guān)系。2.2.1 系統(tǒng)建模過程在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。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(dá)式。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

28、描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程叫動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型13。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要工作?？梢酝ㄟ^兩個(gè)途徑獲得被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，即理論法和實(shí)驗(yàn)法。理論法是根據(jù)被控對(duì)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)法是人為的給系統(tǒng)施加某種測(cè)試信號(hào)，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(shí)，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)。工程中的許多被控對(duì)象都是相當(dāng)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(dāng)困難，也就是說需要用很

29、復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來描述其動(dòng)態(tài)特性。因此，在工程上主要運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法來獲得被控對(duì)象可靠的數(shù)學(xué)模型。實(shí)踐證明，對(duì)于許多復(fù)雜的被控對(duì)象，用實(shí)驗(yàn)法建立的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書9近似的數(shù)學(xué)模型來描述其動(dòng)態(tài)特性完全能夠設(shè)計(jì)出比較滿意的控制系統(tǒng)14。測(cè)定退火爐燃燒系統(tǒng)響應(yīng)曲線時(shí)，最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)是階躍信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的隨時(shí)間變化的輸出信號(hào)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，特性參數(shù)可以直接從曲線中提取，無(wú)須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，試驗(yàn)方法也較為簡(jiǎn)單。因此，當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，將系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)并將原有的控制器置于手動(dòng)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(hào)，可得

30、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(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。階躍信號(hào)是由 AVR 初始化 AD420 后，通過 SPI 送出 0 xFF，同時(shí)將 AD420 配置為 420mA 輸出模式產(chǎn)生的，此時(shí)可通過電路控制回路串入電流表的方式判斷控制信號(hào)的輸出是否為 20mA。將爐溫控制系統(tǒng)的輸出接線接到 Herculine2000 的電流輸入端子處，此時(shí)應(yīng)去掉設(shè)備原有的紅色采樣電阻。此時(shí) Herculine2000 會(huì)接收到控制信號(hào)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)達(dá)到閥門開度最大值。然后是記錄溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)閥門開度最大時(shí)開始采集溫度，采集時(shí)間為 30 秒，

31、此時(shí) 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(chǔ)然后用Excel 轉(zhuǎn)化后即得到溫度數(shù)據(jù)15。此時(shí)可以用 Excel 直接轉(zhuǎn)化為橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度的曲線，此時(shí)完成飛升曲線記錄。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下問題:1.輸入信號(hào)的幅值要根據(jù)退火爐的具體情況選擇。為了很好地區(qū)分實(shí)驗(yàn)輸入信號(hào)與干擾信號(hào)，應(yīng)保證輸入信號(hào)的幅值足夠大，但是也要考慮輸入信號(hào)幅值過大可能引起輸出信號(hào)超過允許的變化范圍這一問題。所以，一般取輸入信號(hào)的幅值為被控對(duì)象額定負(fù)荷的 10%15%，即額定符合閥門開度。2.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)使退火爐在加熱下保溫一段時(shí)間，使退火

32、爐的初始狀態(tài)處于穩(wěn)定。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。2.2.2 被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理對(duì)于退火爐這類對(duì)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- sesTKsG111）內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書10二階慣性純滯后系統(tǒng)傳遞函數(shù): （2- sesTsTKsG11212）對(duì)于被控對(duì)象傳遞函數(shù)的選擇，常用的做法是實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法。一般來說，對(duì)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(jì)算簡(jiǎn)單，但是結(jié)果不夠準(zhǔn)確;二階慣性傳遞函數(shù)擬合，數(shù)據(jù)計(jì)算量較大，處理較為復(fù)雜，但

33、匹配程度較好。閉環(huán)系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)被控對(duì)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)： sesTKsG11式中 退火爐控制系統(tǒng)的放大系數(shù)；K 退火爐的時(shí)間常數(shù)；1T 退火爐的純滯后時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的圖 2-3 去確定傳遞函數(shù)中的參數(shù)，。值的計(jì)算公式K1TK是 （2- YKU3）式中表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出，表示系統(tǒng)的輸入。 YU由于階躍響應(yīng)曲線切線法被較多地應(yīng)用到 PID 控制對(duì)象的建模上，所以業(yè)界應(yīng)用較為廣泛。在圖 2-3 中，通過階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn) P 作切線，與時(shí)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

34、后時(shí)間，切線線段 YAB 在時(shí)間軸 T 上的投影即為退火爐的時(shí)間常數(shù)。切線法的主要缺點(diǎn)是所作的切線1T不夠準(zhǔn)確，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，便于計(jì)算。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:;sec120,sec667.27,1488. 01ondsondsTK得到此退火爐的傳遞函數(shù)為: sessG120667.2711488. 0YTA0PB內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書11圖 2-3 階躍響應(yīng)曲線第三章 被控對(duì)象分析退火爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)有自平衡能力的對(duì)象，它具有非線性、時(shí)變和分布參數(shù)等特征，本文中簡(jiǎn)單地用一個(gè)純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來描述。許多被控對(duì)象都具有時(shí)變特性，即參數(shù)隨時(shí)間和環(huán)境的

35、變化而改變，其中包括放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間等。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(duì)象其被控過程往往會(huì)產(chǎn)生明顯的超調(diào)而使得調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。3.1 純滯后介紹3.1.1 純滯后的產(chǎn)生在大量的自然與社會(huì)現(xiàn)象中，可以用常微分方程來描述一類確定性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是客觀事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往是復(fù)雜和多樣的。一般來說，滯后現(xiàn)象在動(dòng)力系統(tǒng)中內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shì)不僅依賴于當(dāng)前的狀態(tài)，而且還依賴于事物過去的歷史。在過程控制系統(tǒng)中，由于物料或能量的傳輸及大慣性溫度控制系統(tǒng)等使得系統(tǒng)中的被控量往往具有時(shí)間純滯后特性。在化工、煉油、冶金等一些復(fù)雜工業(yè)

36、過程控制中廣泛存在較大的純滯后，其原因就在于當(dāng)輸入變量改變后，實(shí)際系統(tǒng)變量的測(cè)量，設(shè)備的物理性質(zhì)以及信號(hào)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(shí)間后才反映出來，輸出相對(duì)于輸入有了時(shí)間滯后現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)間就稱為純滯后時(shí)間。退火爐溫度控制系統(tǒng)具有較為典型的純滯后、大慣性的非線性特性，這些特性的存在往往使擾動(dòng)不能被及時(shí)察覺，以至調(diào)節(jié)效果不能及時(shí)反映，從而造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生較大的超調(diào)或振蕩。當(dāng)純滯后時(shí)間占整個(gè)動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間越長(zhǎng)，控制的難度就越大。由于純滯后的存在，使被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，只有在延遲純滯后以后才能反映到被調(diào)量，控制器產(chǎn)生的控制作用也不能立即

37、對(duì)干擾產(chǎn)生抑制作用，必然會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。所以，具有純滯后的過程被公認(rèn)為是較難控制的過程16。3.1.2 純滯后的相關(guān)定義對(duì)于純滯后環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入一個(gè)信號(hào)后輸出不立即有反應(yīng)，而是經(jīng)過一定的時(shí)間后才會(huì)反應(yīng)出來，而且輸入和輸出在數(shù)值上相同，僅是在時(shí)間上有一定的滯后，稱這段時(shí)間為純滯后時(shí)間，常用表示。純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖 3-1 所示，圖 3-1(a)表示輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出響應(yīng)，圖 3-1(b)表示輸入為任一時(shí)間函數(shù)時(shí)的輸出響應(yīng)曲線。在工業(yè)生產(chǎn)中，這種純滯后通常是由于物料傳輸時(shí)間造成的。此時(shí)，純滯后可用( 為物料傳輸距離，為物料傳輸速度)來計(jì)算。在工業(yè)生vllv產(chǎn)

38、過程中，完全只用純滯后特性表示的情況是較少的，大多數(shù)工藝過程的動(dòng)態(tài)特性是純滯后和慣性環(huán)節(jié)的綜合體特，對(duì)于這種過程，我們就稱之為具有純滯后的工藝過程。如果純滯后時(shí)間與慣性時(shí)間常數(shù)相比很大時(shí)，我們可近似忽略慣性時(shí)間常數(shù)而將其看成單純的純tt00輸入 x輸出 ytt00輸入x輸出y內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書13(a) 階躍輸入響應(yīng)(b) 任意輸入響應(yīng)圖 3-1 純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出特性滯后過程。通常把過程的純滯后時(shí)間和慣性時(shí)間常數(shù)的比值作為一個(gè)衡量1T1T純滯后大小的指標(biāo)，當(dāng)時(shí)，稱為具有一般的純滯后過程；當(dāng)時(shí)，5 . 01T5 . 01T稱為具有大純滯后的過程17。在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)純滯后時(shí)間與

39、過程時(shí)間常數(shù)的比值增加，就會(huì)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(shí)會(huì)因?yàn)槌{(diào)嚴(yán)重而導(dǎo)致聚爆、結(jié)焦等停產(chǎn)事故。3.2 純滯后對(duì)控制性能指標(biāo)的影響在一個(gè)控制系統(tǒng)中，純滯后出現(xiàn)于不同的位置，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響也不同。為使討論具有廣泛性，這里假設(shè)過程特性是廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)描述如圖 3-2 所示。設(shè)控制通道和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)分別為： fsfffsesTKsGeTsKsG1;11.控制通道純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響控制通道純滯后的存在使控制系統(tǒng)的頻率特性發(fā)生變化。當(dāng)被控對(duì)象存在純滯后，控制作用不能及時(shí)使被控變量發(fā)生變化；當(dāng)反饋環(huán)節(jié)存在純滯后，被控變量的變化不能及時(shí)傳送到控制器

40、。因此開環(huán)傳遞函數(shù)存在純滯后，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大，并引起系統(tǒng)不穩(wěn)定18。2.擾動(dòng)通道純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響擾動(dòng)通道純滯后的存在不影響系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的分布，它僅表示擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)f的時(shí)間先后，即擾動(dòng)在時(shí)刻后作用于系統(tǒng)。它的存在不影響系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和f開環(huán)頻率特性，也不影響控制品質(zhì)。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(jì)說明書14圖 3-2 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)描術(shù)圖3.3 被控對(duì)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(duì)象，它的溫度控制是一個(gè)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

41、此研究一種性能良好的控制策略具有一定的實(shí)際意義。本文采用施密斯預(yù)估控制器對(duì)其溫度進(jìn)行控制，施密斯預(yù)估控制器的原理將在下一章中作具體介紹。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(O.J.M.Smith)針對(duì)大純滯后過程提出預(yù)估補(bǔ)償算法，又稱為施密斯(Smith)預(yù)估控制算法。其基本思想是按過程的特性預(yù)估出一種模型，加入到反饋控制系統(tǒng)中，力圖使滯后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前動(dòng)作，從而明顯地減少超調(diào)量，加速調(diào)節(jié)過程，以消除或減弱閉環(huán)系統(tǒng)中純滯后因素的影響，從而提高閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量20。4.1 施密斯預(yù)估控制原理設(shè)具有時(shí)間滯后特征的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖

42、 4-1 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(jì)說明書15遞函數(shù)，用于校正部分，表示被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，為被控對(duì) sGp spesG sGp象圖 4-1 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(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的se閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （4- spspesGsDesGsDsRsYs11）系統(tǒng)的特征方程為 （4- 01 spesGsD2）式（4-2）中包含有純滯后環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，當(dāng)較大時(shí)，系統(tǒng)se還會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。為了改善控制系統(tǒng)的性能，引入了一個(gè)與并聯(lián)的補(bǔ)償環(huán) sD節(jié)，用來補(bǔ)償被控對(duì)象中的純滯后部分。補(bǔ)償后的系統(tǒng)框圖如圖 4-2 所示，

43、圖中由施密斯預(yù)估器和調(diào)節(jié)器組成的補(bǔ)償回路稱為純滯后補(bǔ)償器，設(shè)其傳遞函數(shù)為 sD，有 sD （4- spesGsDsDsD113）經(jīng)過補(bǔ)償后的系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （4- sppspspesGsDsGsDesGsDesGsDs114）從式（4-4）可以看出，經(jīng)補(bǔ)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(shí)間坐標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)se間，控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為時(shí)是相同的。將 sGp用圖 4-3 表示，可以清楚地看出施密斯預(yù)估控制的效果：反饋量不再受對(duì)象滯 s sR sE sD sU spesG sY+-內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說

44、明書16后的影響。se圖 4-2 帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)圖 4-3 施密斯預(yù)估控制效果4.2 施密斯預(yù)估器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)針對(duì)許多被控制對(duì)象具有的純滯后性質(zhì)，施密斯(Smith)提出的純滯后補(bǔ)償控制算法，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中能夠方便的實(shí)現(xiàn)。4.2.1 計(jì)算機(jī)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖 4-4 所示。圖中為負(fù)反饋調(diào)節(jié)器，本論文 sD圖 4-4 計(jì)算機(jī)純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)使用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律；是純滯后補(bǔ)償器，與對(duì)象的特性有關(guān)；零階 spesGsD11保持器的傳遞函數(shù)為 （4- sesGTsh15） 式中為采樣周期；是對(duì)象特性，中不包含純滯后特性。T sphesGsGsG sGp純滯后

45、補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制器由兩部分組成：一部分是數(shù)字 PI 控制器(由離散化得 sD到)；另一部分是施密斯預(yù)估器。在預(yù)估器中，滯后環(huán)節(jié)使信號(hào)延遲，為此在內(nèi)存中 sR sE sD sU spesG sY+- s-pe-1sG-+ sR sE sDse+- sGp sY sR ke2 ku sY+-+ sG shG sD1 D s ke1TTTT ky1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書17專門設(shè)定個(gè)單元作為存放信號(hào)的歷史數(shù)據(jù)21，存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)由式N kmN決定，是純滯后時(shí)間，為采樣周期。每采樣一次，把記入 0 個(gè)單元，TNT km同時(shí)把 0 單元原來存放的數(shù)據(jù)移到 1 單元，1 單元原來存放的數(shù)據(jù)移到 2

46、 單元，以此類推。從單元輸出的信號(hào)，就是滯后個(gè)采樣周期的信號(hào)。施密斯NNNkm預(yù)估器的輸出可按圖 4-5 的順序計(jì)算。是 PI 數(shù)字控制器的輸出，是施密 ku ky1斯預(yù)估器的輸出。從圖 4-5 中可知，必須先計(jì)算出傳遞函數(shù)的輸出，才可以計(jì) sGp算出預(yù)估器的輸出。 Nkmkmky1圖 4-5 施密斯預(yù)估器框圖4.2.2 純滯后補(bǔ)償控制的算法設(shè)被控對(duì)象為一階慣性純滯后環(huán)節(jié)，即 sesTKsG11考慮到零階保持器 sesGTsh1則有 sTKsesGTsp111施密斯預(yù)估器的變換為Z sTsspesTseKZesGZsDZ111111 sTseesTTsKZ111111 sTssTseesTTe

47、esZK11111111 sGps-e ku km ky1N-km+-內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書18 TTTTzzezzzK111111111azbzzN即 （4- 11111azbzzzDN6）式(4-6)中。；111TTTTeKbeaTN施密斯預(yù)估器的傳函為 111111azbzzzUzYzDN zUbzbzzYazN 11111進(jìn)行反變換為 Z TNkTbuTkTbuTkTaykTy111計(jì)算出預(yù)估器的輸出相應(yīng)的差分方程為 ky1 11111Nkukubkayky反饋回路的偏差 ke1 kykrke1偏差 ke2 kykeke112當(dāng)控制器采用 PI 算法時(shí)，控制器的輸出為 ku

48、keKkekeKkukukukuip222111式中 控制器的比例系數(shù)；pK積分系數(shù)。ipiTTKK 含有零階保持器的被控對(duì)象的變換為Z sTsspesTKseZesGZ1111111411111111azbzzezeKzTssTZzzKNTTTTT有 111azbzzzUzYN zUbzzYazN 111內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書19取反變換得 Z TNkTbuTkTaykTy1則輸出的差分方程為 ky 11Nkbukayky4.3 施密斯預(yù)估器的缺點(diǎn)施密斯預(yù)估器的缺點(diǎn)有：1.預(yù)估器對(duì)系統(tǒng)受到的負(fù)荷干擾無(wú)補(bǔ)償作用22。2.預(yù)估控制系統(tǒng)的效果嚴(yán)重依賴于對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型精度，特別是純滯后時(shí)間

49、，模型的失配或運(yùn)行條件的改變都將影響到控制效果。第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書205.1 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性被控對(duì)象退火爐的傳遞函數(shù)為 sessG120667.2711488. 0在 Simulink 環(huán)境下建立如圖 5-1 所示的結(jié)構(gòu)圖，得到被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性如圖 5-2所示。圖 5-1 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖圖 5-2 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性仿真圖5.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對(duì)象，負(fù)荷變化不大，控制精度要求高，采用比例積分調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 )11 (1)11 ()(sTsTKsDiiP首先采用工程整定法對(duì) P

50、I 調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定。5.2.1 衰減曲線經(jīng)驗(yàn)公式法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減震蕩來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，它是利用比例作frTransportDelay0.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope0500100015002000250000.020.040.060.080.10.120.140.16Time(s)Y內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書21用下產(chǎn)生的 4:1 衰減振蕩()過程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶及過程衰減周期，75. 0SST或 10:1 衰減振蕩()過程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶及過程上升時(shí)間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公9 . 0Srt式計(jì)算出調(diào)節(jié)器

51、的各個(gè)參數(shù)23。針對(duì) PI 調(diào)節(jié)器，具體方法是：(1)在單回路控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫⒈壤戎糜谳^大的數(shù)值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。(2)在閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，加入階躍擾動(dòng)并觀察被控過程，記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn) 4:1(）或 l0:1()衰減比為止，75. 09 . 0如圖 5-3 所示。記下此時(shí)的比例度和衰減周期（或上升時(shí)間） ，然后根據(jù)表SsTrt5-1 的算法，計(jì)算出控制器的參數(shù)整定值。圖 5-3 衰減曲線(3)按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。表 5-1 衰減曲線法計(jì)算公式規(guī)律

52、iTdT規(guī)律iTdT0.75PPIPIDSS2 . 1S8 . 0_ST5 . 0ST3 . 0_ST1 . 00.9PPIPIDSS2 . 1S8 . 0_rt 2rt 2 . 1_rt 4 . 0與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過程。從表 5-1 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)相對(duì)于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律是引75. 0內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書22入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，若仍然想得到的衰減率，就須將75. 0放大 1.2 倍后作為比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶值。對(duì)于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分S作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將減小至，后作為

53、調(diào)節(jié)SS8 . 0器比例帶設(shè)定值，同時(shí)積分時(shí)間與無(wú)微分作用下相比也適當(dāng)減小了。5.2.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定過程(1)在 Simulink 環(huán)境下建立如圖 5-4 所示的方框圖，用衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整圖 5-4 整定 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)的 Simulink 仿真方框圖定。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)如圖 5-5 所示的 10:1 衰減比的震蕩過程，此時(shí)的值1 . 3KpS為 0.3266，的值為 67.5,根據(jù)表 5-1 的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出整定參數(shù)為:rt 即；3871. 02 . 1S5833. 2Kp。1352ritT根據(jù)整定后的參數(shù)在 Simulink 環(huán)境下建立如圖 5-6 所示的方框圖，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)，

54、當(dāng)，時(shí)，系統(tǒng)得到如圖 5-7 所示的滿意結(jié)果。58. 2Kp76iT圖 5-5 整定 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)的仿真圖TransportDelay01Transfer Fcn10.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope3.1Gain0500100015002000250000.050.10.150.20.250.30.350.40.45Time(s)Y內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書23圖 5-6 根據(jù)調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)確定的 Simulink 結(jié)構(gòu)圖圖 5-7 PI 調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)時(shí)的仿真圖圖 5-8 控制效果整定 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)的 Si

55、mulink 方框圖圖 5-9 控制效果仿真框圖TransportDelay1135sTransfer Fcn10.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope2.5833Gain0500100015002000250000.20.40.60.81Time(s)YTransportDelay130sTransfer Fcn10.148827.667s+1Transfer FcnStepScope2.58Gainyout 0500100015002000250000.20.40.60.81Time(s)Y內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書24

56、(2)根據(jù)施密斯預(yù)估控制效果整定 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。在 Simulink 環(huán)境下建立如圖 5-8 所示的方框圖，從仿真結(jié)果圖 5-9 可以看出當(dāng)和時(shí)，調(diào)節(jié)58. 2Kp30iT 效果很滿意。所以可以確定與預(yù)估器并聯(lián)的 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1177.42.58( )(1)2.5813030PisD sKTsss5.3 帶有施密斯預(yù)估控制器的系統(tǒng)仿真5.3.1 時(shí)域系統(tǒng)的仿真在 Simulink 環(huán)境下建立如圖 5-10 所示的帶有密斯預(yù)估控制器的控制系統(tǒng)方框圖。系統(tǒng)的仿真圖如圖 5-11 所示。圖 5-10 施密斯預(yù)估控制器 Simulink 方框圖圖 5-11 施密斯預(yù)估控制器仿真圖05

57、00100015002000250000.20.40.60.81Time(s)YTransportDelay2TransportDelay10.148827.667s+1Transfer Fcn20.148827.667s+1Transfer Fcn177.4s+2.5830sTransfer FcnyoutTo WorkspaceStep1Scope1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書25TransportDelay2TransportDelay10.0984862z-0.33813Transfer Fcn20.0984862z-0.33813Transfer Fcn12.58z-5.7287

58、5e-016z-1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStep1Scope15.3.2 系統(tǒng)離散化的仿真實(shí)際設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器是在工藝要求的升溫段恒和溫段兩個(gè)階段起作用，以60/h 的升溫速率為例，系統(tǒng)每秒的溫度變化為 0.0167，而通常對(duì)退火爐控制系統(tǒng)的采樣周期經(jīng)驗(yàn)值為 1520 秒，溫度變化僅為 0.3。爐溫控制系統(tǒng)的溫度變送模塊是一個(gè)集成電路(MAX6675)，它的最小分辨率為 0.25，輸出為 12bit 的串行數(shù)據(jù)流，為了在數(shù)據(jù)處理中避免引入浮點(diǎn)數(shù)的處理，需要使其輸出的變化率為1，這時(shí)確定出來的系統(tǒng)采樣時(shí)間為 30 秒。本文中使用的采樣周期。sT30(1)在 Si

59、mulink 環(huán)境下打開圖 5-10，選擇 Model Discretizer 工具，其路徑是Tools-Control Design-Model Discretizer。打開 Model Discretizer 工具，各個(gè)參數(shù)的設(shè)定如圖 5-12 所示。最后單擊圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)模型的裝換，變換后的模型如圖 5-13 所示，仿真后的圖如圖 5-14 所示。圖 5-12 Model Discretizer 界面圖 5-13 施密斯預(yù)估控制離散化后的 Simulink 框圖內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書26圖 5-14 離散化后系統(tǒng)輸出曲線(2)便于工程實(shí)現(xiàn),數(shù)字控制器在工程控制中實(shí)現(xiàn) Smith 預(yù)估

60、控制器的結(jié)構(gòu)如圖圖 5-15 Smith 預(yù)估控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5-15 所示。假設(shè)模型是精確的且不存在負(fù)荷擾動(dòng)24，則。根據(jù)已知條件，在 M 文件下編寫語(yǔ)句程序（見附錄）進(jìn)行數(shù)字化仿真。其響應(yīng)結(jié)果如圖 5-16 所示。圖 5-16 系統(tǒng)的響應(yīng)曲線D(z)G1(z)Gp(z)Gp(z)RE1E2UY-XmYm050010001500200000.20.40.60.811.21.4Time(s)Y0500100015002000250000.20.40.60.811.21.4time(s)rink,yout內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書27結(jié) 論退火爐是金屬熱處理中的關(guān)鍵設(shè)備，退火爐溫度控制的品質(zhì)直接影響