1、 （二二 一一 一一 年年 六六 月月 本科畢業設計說明書本科畢業設計說明書學校代碼：學校代碼： 1012810128學學 號：號： 200711204078200711204078題題 目目： 退火爐溫度控制系統的退火爐溫度控制系統的 SmithSmith 補償補償控制策略研究控制策略研究學學生生姓姓名名 ： 路路 志志 強強學學 院院 ： 電電 力力 學學 院院系系 別別： 自自 動動 化化 系系專專 業業： 自自 動動 化化( ( 電電 廠廠 熱熱 工工 過過 程程 控控 制制及及 自自 動動 化化 方方 向向) )班班 級級： 自自 （ 電電 ）0 0 7 7 - - 3 3指指導導教

2、教師師 ： 董董 朝朝 軼軼 副副教教授授內蒙古工業大學本科畢業設計說明書摘 要退火爐是冷軋鋼板熱處理的重要熱工設備，其直接影響到產品的質量、產量和成本，在生產中處于關鍵位置。研究退火爐溫度控制系統在改善產品質量、提高生產率、改善生態環境和節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象展開的。退火爐是一個比較復雜的被控對象，它具有時變、非線性、不確定等特性。通過實驗方法并且結合實踐經驗，確定了退火爐對象的傳遞函數。純滯后環節的存在嚴重影響系統的控制效果，導致系統的超調量變大，調節時間變長，甚至出現振蕩和發散。對于這一類的工業被控對象，采用普通的 PID 控制很難保證系統小超調

3、或無超調。本文針對大滯后系統設計了 Smith 預估補償控制器，從仿真結果可以看出，該控制器能使退火爐的溫度控制過程很快達到穩態，系統的超調量得到了較好的控制。 關鍵詞：退火爐；純滯后；Smith 預估補償控制器內蒙古工業大學本科畢業設計說明書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內蒙古工業大學本科畢業設計說明書目 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的研究狀況.21.2.1 國際發展現狀 .21.2.2 國內發展現狀 .31.2.3 退火爐控制系統的新進展 .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介紹.62.2 退火爐動態特性實驗測定.72.2.1 系統建模過程 .82.2.2 被控對象的實驗數據處理 .9第三章 被控對象分析.113.1 純滯后介

9、紹.113.1.1 純滯后的產生 .113.1.2 純滯后的相關定義 .113.2 純滯后對控制性能指標的影響.123.3 被控對象控制策略的選取.13第四章 施密斯預估控制.144.1 施密斯預估控制原理.144.2 施密斯預估器的計算機實現.154.2.1 計算機純滯后補償控制系統 .154.2.2 純滯后補償控制的算法 .164.3 施密斯預估器的缺點.18第五章 控制系統的設計與仿真.195.1 被控對象的動態特性.195.2 調節器的參數整定.195.2.1 衰減曲線經驗公式法 .195.2.2 調節器的參數整定過程 .21內蒙古工業大學本科畢業設計說明書5.3 帶有施密斯預估控制器

10、的系統仿真.235.3.1 時域系統的仿真 .235.3.2 系統離散化的仿真 .24結 論.26參考文獻.27附 錄.29謝 辭.31內蒙古工業大學本科畢業設計說明書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械行業的熱處理工藝設備。帶鋼在冷軋過程中會發生加工硬化，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，從而獲得優良的機械性能，需要對冷軋后的帶鋼進行退火處理。退火是金屬熱處理中的重要工序，是將偏離平衡狀態的金屬加熱到臨界溫度上，保持一定時間后緩慢冷卻，以得到接近于平衡狀態組織的過程1。通過退火可以使帶鋼達到降低硬度、細化組織、改善切削加工性能

11、、消除內應力等目的。退火是冶金企業生產高質量冷軋薄板產品的一道必經工序；退火是提高鋼材屈服強度、抗拉強度，提高薄板表面質量，改善機械性能的重要手段2；退火處于冷軋薄板生產中的最后處理工序，對冷軋薄板最終產品質量有著關鍵性的影響。薄板企業能否穩定地進行退火生產操作，減少鋼材粘接、杯突等質量缺陷是一個企業生存的重要指標。近年來隨著鋼材市場競爭的不斷激烈，對產品性能的需求不斷提高，要求在各個工序及溫度控制上更加精確，穩定。 退火爐作為軋鋼企業主要設備之一，直接影響產品的質量、產量和成本，在生產中處于關鍵位置。因此對退火爐溫度控制在提高軋鋼生產率、改善質量和節約能源上都具有舉足輕重的意義。在生產中對退

12、火爐的基本要求就是根據退火處理工藝曲線，提供準確的升溫，保溫及降溫操作，同時保證爐內各處的溫度均勻。對于工業退火爐，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量的關鍵因素。生產中，溫度控制性能優良的退火爐具有以下現實意義： 1.提高產品的質量和產量。生產過程中對鋼材的溫升曲線有較高的要求，退火爐的爐溫動態特性直接影響到產品的質量。如果溫度過低，就達不到退火的預期目的；溫度過高而又將導致過熱，甚至過燒。通過對退火爐中生產過程的自動工藝管理控制和優化控制可以縮短產品的生產周期，提高產品的質量和產量，減少因為人為因素造成的廢品率，節省了原材料。2.減少環境污染，改善生態環境。金屬熱處理企業

13、歷來是環境污染大戶，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產生大量的 CO 氣體和黑煙，而過氧燃燒會產生氮氧化合物等有害氣體。通過對燃燒過程進行有效控制，使燃燒在合理的空燃比下運行，可以減少退火爐對環境的污染，對改善生態環境和構建可持續發展型社會具有積極的意義。內蒙古工業大學本科畢業設計說明書23.節約能源。通過提高退火爐溫度控制的精度可以大幅度節約能源。如通過計算機控制降低廢氣中含氧濃度，由傳統人工控制的 8%10%降低到過氧濃度 2%，節能效果非常明顯。 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具有重大的現實意義。1.2 退火爐溫度控制系統的研究狀況 退

14、火爐在軋鋼生產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過程，受很多隨機因素的干擾，很難全面考慮各種因素的影響。如果不能及時地調節溫度，產品的質量會受到影響。隨著計算機控制技術的迅速發展，國內外眾多廠家開展了對退火爐采用計算機控制的研究，現在有很多成果已經應用到實際當中。1.2.1 國際發展現狀國際上 20 世紀 70 年代就開始了退火爐計算機控制的研究3，近幾十年來，由于計算機技術以及智能控制技術的迅速發展，退火爐計算機控制的應用日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了很多實際的應用成果45，其中具有代表性的研究成果如表 1-1所示： 廠家名稱所用機型應用現狀日

15、本 KASHIMA 鋼廠PLC 控制器實現鋼坯目標出爐溫度計算，溫度預報，空燃比控制，爐溫最優控制瑞典 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，溫度預報，爐溫設定值調節設備診斷，系統報警、記錄、報告等美國CONSHOHOCHEN 公司DEV MICRO VAXIII空燃比控制，爐內壓力控制，設定值選擇，生產調度模型等內蒙古工業大學本科畢業設計說明書3表 1-1 退火爐計算機控制在國外的一些應用現狀隨著數字計算機向高速、大容量、小型方向

16、的發展，傳統的 PID 控制已經漸漸的在一些特定對象的控制領域顯得力不從心，傳統的 PID 控制不斷發展改進的同時，現代控制理論也在不斷發展。隨著控制理論的不斷發展，出現了一些新型的控制算法。70 年代以來，預測控制作為一類新型的計算機控制算法在復雜工業過程中得到成功應用，由于它突破了傳統控制算法的約束，采用了預測模型，滾動優化和反饋校正等新的控制思想，獲取了更多的系統運行信息，因而使控制效果和系統的魯棒性得以提高。如美國鋼廠在其退火爐智能控制系統中應用了廣義預測極點配置加權控制，在控制系統中考慮到煤氣壓力隨機波動和變化頻繁等情況，煤氣壓力較低時，當煤氣管道閥門開度為 100%時，煤氣壓力仍不

17、能恢復到正常值，對爐溫影響較大，所以在模型中將煤氣總管壓力作為可測干擾量來處理。再考慮到現場隨機噪聲干擾影響，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，當采樣周期為 60s，得到一個有純滯后的一階慣性的數字模型。對煤氣罩式退火爐利用廣義預測極點配置加權控制器計算機控制，得到的模型參數跟蹤性能好，很快收斂，升溫段溫差不超過6，恒溫段溫度在4范圍內6。隨著控制技術的日益提高，退火工藝也不斷改進。其優勢在于提高了生產效率，并且很大程度上提高了產品成材率和鋼產品的質量。1.2.2 國內發展現狀 隨著國內科技人員的努力，目前我國在熱處理爐窯控制方面的理論研究水平已經接近

18、國際先進水平，但在實際運用中還是有差距的。特別是在一些中小型企業中，還采用常規溫度調節儀表或者人工操作來控制退火爐的爐溫，自動化程度較低使生產控制精度不高，導致退火質量差，廢品率高。20 世紀 80 年代以后，國內對退火爐溫度控制進行了廣泛的研究。隨著微型計算機技術的迅速發展，計算機控制退火爐逐步進入實用化階段7，主要的研究現狀有： 1.采用先進的控制設備 隨著工業控制計算機、可編程控制器(PLC)和集散系統(DCS)等先進控制系統的發展，逐步取代了以前大規模的繼電器、模擬式儀表等控制器件。先進的控制設備支持聯網通信，使用方便，提高了生產效率，降低了生產成本，改善了勞動條件。2.采用新的控制方

19、法 對于傳統的負反饋系統，單一 PID 控制做了多種補充從而使控制性能更佳。在以前的燃燒控制系統中，通常采用配比調節處理煤氣與空氣的關系，由于燃料與空內蒙古工業大學本科畢業設計說明書4氣調節回路的響應速度不一致，這種配比關系難以保證。尤其是在燃燒負荷變化的情況下，更無法保證最佳配比關系。為了解決這些情況，提出了三種處理煤氣和空氣關系的交叉限幅法：單交叉限幅法；雙交叉限幅法；改進型雙交叉限幅法。3.現代控制理論的應用 隨著控制理論的快速發展，越來越多的控制系統采用了現代控制理論，如最優控制、自適應控制、自校正控制和自整定 PID 參數的控制，已逐步在工業生產中得到應用。4.管理系統的應用退火爐除

20、了使用傳統的閉環控制以外，還使用上位機進行管理。上位機應用程序分為監控界面，數據存儲，報警記錄，報表生成，優化控制等功能。管理系統在生產中的應用，很大程度上提高了退火爐控制系統的實用價值和應用性能，大大提高了生產過程的效率。1.2.3 退火爐控制系統的新進展隨著智能技術的不斷發展，如模糊控制、神經網絡控制、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用。加熱部件是退火爐的主要部件，實現比較均衡穩定的溫度控制是研究退火爐的主要目的。國內外許多科技人員在對退火爐溫度控制方面進行了大量的研究，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

21、作的發展。唐山鋼鐵公司運用模糊控制理論和傳統的 PID 控制相結合的控制方法8，不僅成功地實現了自動控制，而且還大幅度降低了噸鋼油耗指標，取得了不菲的經濟效益。丁起英和馮麗偉等人對罩式光亮退火爐控制系統進行了分析研究9，使用 PID算法進行編程，在爐電氣控制系統中采用可編程序控制器，生產效益良好。舒懷林設計了 PID 神經元網絡自學習解耦溫度控制系統10，提高了溫度控制系統的動態和靜態性能，提出了PID 神經元網絡，即 PIDNN，它適合于復雜系統的控制。PIDNN 解耦溫度控制器可以自主調整連接權值，使系統無靜態誤差，超調量小于5%，縮短了調節時間。 針對退火爐溫度的時變、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網絡與模糊控制相結合的控制方法11。在工業鍋爐溫度控制中設計了神經模糊溫度控制器。通過實驗分析結果表明：該控制器具有精度高、響應速度快內蒙古工業大學本科畢業設計說明書5和魯棒性好的特點。從仿真結果可知：計算值的誤差較小，得到的結果令人滿意。1.3 本論文的主要工作論文的主要工作是：1.利用實踐環境條件，查閱相關文獻，以煤氣罩式退火爐為例，收集實驗數據，確定退火爐對象的傳遞函數，建立退火爐的溫度控制系統模型；2.針對退火爐的溫度特點，分析純滯后系統的特性和解決方法； 3.利用 Smith 預估補償控制原理，完成退火爐溫度控制系統的 Smith 補償控制器的

23、設計； 4.利用 MATLAB 仿真軟件，對系統進行常規 PI 控制和 Smith 控制進行仿真實驗，分析仿真結果； 5.對系統的仿真過程應用 MATLAB 語言的編程實現。內蒙古工業大學本科畢業設計說明書6第二章 退火爐的建模本文是以國內某冷軋廠煤氣罩式退火爐為背景展開研究的。由于其現有的煤氣罩式退火爐的設計不太合理，控制系統為較為落后的繼電器輸出模式，控制主要根據現場儀表和操作中的經驗進行手動調節，致使爐溫波動較大，很大程度上影響了退火爐的退火質量，造成能源浪費，安全隱患多，所以決定對退火爐進行改造。首先對其系統進行介紹并確立其對象模型。2.1 煤氣罩式退火爐系統介紹煤氣罩式退火爐采用高爐

24、煤氣作為燃料，其作用是用于對冷軋鋼板進行熱處理。它的爐體結構如圖 2-1 所示:圖 2-1 煤氣罩式退火爐結構圖煤氣罩式退火爐分為內罩與外罩，內罩是放入退火鋼卷的地方，并投入保護性氣體防止氧化。燃燒是在內罩與外罩之間進行的。它的 12 個噴嘴分為上下兩層，每層 6個環繞排列。煤氣與空氣之間的噴燃比由連接到閥門的兩個杠桿調節，在燃燒時，外罩內罩鋼料空氣閥保護氣體閥煤氣閥內蒙古工業大學本科畢業設計說明書7其空燃比不變。保護氣體的溫度是爐溫控制系統的測點。煤氣和空氣閥均采用碟閥，由一臺電動執行機構通過連桿共同帶動執行。整個系統可以認為是以電動執行器帶動的碟閥開度(煤氣的輸入量)為輸入以保護氣體溫度為

25、輸出的一個單輸入單輸出的溫度控制系統。退火爐工藝一般分為升溫，保溫，降溫三個階段。升溫段是在一段時間內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保持恒溫，降溫段為自由降溫。其中升溫段和保溫段對溫度控制精度要求較高，應小于10。 在 Y1 溫度內，保護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間內升到 Y1(400)。從 Y1 開始到 Y2(700)的保溫點，溫度按 45/h75/h 的速率上升，此段為升溫段。到達 Y2 點，開始進入保溫段。鋼卷保溫(T2T3)后停火，進入降溫段，在此段中退火爐溫度控制系統復位，爐溫自由下降。對冷軋鋼板的熱處理需要遵循一個如圖

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階段: 0T1:快速升溫段。這個階段里閥門應為全開狀態，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，采用施密斯預估控制算法輸出控制碟閥。 T2T3:恒溫段。這個階段要求系統將溫度保持在一個要求的固定值，同樣應控制溫度誤差不超過10。 T3 之后:自由降溫段。這個階段溫控系統不起作用，閥門全部關閉，系統處于停機狀態。內蒙古工業大學本科畢業設計說明書8 T1 T2T3時間T溫度YY2Y1圖 2-2 溫度變化過程圖2.2 退火爐動態特性實驗測定簡

27、單控制系統是由一個被調量、一個控制量、一個調節器、和一個調節閥組成的一個閉環回路12。自動控制系統是由被控對象和控制器兩部分組成的。只有熟悉了各個量的特性，并把它們合理地構成控制系統，才能實現人們預期的控制目標。對被控對象動態特性了解的多少在很大程度上決定了控制系統設計的好壞。被控對象的動態特性實際上就是被控對象的動態數學模型，即用數學方程來描述被控對象各變量間的關系。2.2.1 系統建模過程在控制系統的分析和設計中，首先要建立系統的數學模型。控制系統的數學模型是描述系統內部物理量(或變量)之間關系的數學表達式。在靜態條件下(即變量各階導數為零)，描述變量之間關系的代數方程式叫靜態數學模型；而

28、描述變量各階導數之間關系的微分方程叫動態數學模型13。建立控制系統的數學模型是分析和設計控制系統的首要工作。可以通過兩個途徑獲得被控對象的動態特性，即理論法和實驗法。理論法是根據被控對象基本的物理、化學定律和工藝參數，在一定的假設條件下導出其數學模型，這種方法一般只用來描述新研制的被控對象的動態特性。實驗法是人為的給系統施加某種測試信號，記錄其輸出響應，并用適當的數學模型去逼近，這種方法稱為系統辨識，即就是先根據經驗或數據分析確定模型的結構，然后由試驗數據確定其未知參數。工程中的許多被控對象都是相當復雜的設備或系統，以至于它們的數學模型很復雜，采用理論法獲得其數學模型相當困難，也就是說需要用很

29、復雜的數學模型來描述其動態特性。因此，在工程上主要運用實驗法來獲得被控對象可靠的數學模型。實踐證明，對于許多復雜的被控對象，用實驗法建立的內蒙古工業大學本科畢業設計說明書9近似的數學模型來描述其動態特性完全能夠設計出比較滿意的控制系統14。測定退火爐燃燒系統響應曲線時，最常用的標準輸入信號是階躍信號，其對應的隨時間變化的輸出信號曲線稱為階躍響應曲線(或飛升曲線)，它能比較直觀地反映被控對象的動態特性，特性參數可以直接從曲線中提取，無須進行轉換，試驗方法也較為簡單。因此，當輸入為階躍信號時，將系統處于開環狀態并將原有的控制器置于手動位置，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，可得

30、到一條階躍響應曲線，就可以從曲線中到該過程的特性參數。實驗中，為了記錄飛升曲線所獲得的值定制了一段程序來記錄實驗中的輸入和輸出量。階躍信號是由 AVR 初始化 AD420 后，通過 SPI 送出 0 xFF，同時將 AD420 配置為 420mA 輸出模式產生的，此時可通過電路控制回路串入電流表的方式判斷控制信號的輸出是否為 20mA。將爐溫控制系統的輸出接線接到 Herculine2000 的電流輸入端子處，此時應去掉設備原有的紅色采樣電阻。此時 Herculine2000 會接收到控制信號，電機旋轉達到閥門開度最大值。然后是記錄溫度數據，當閥門開度最大時開始采集溫度，采集時間為 30 秒，

31、此時 AVR 需要周期性地將 MAX6675 的溫度數據讀出并且用串行口輸出到 PC，PC 機用串口調試精靈將接收到的溫度數據存儲然后用Excel 轉化后即得到溫度數據15。此時可以用 Excel 直接轉化為橫坐標為時間，縱坐標為溫度的曲線，此時完成飛升曲線記錄。實驗中應注意以下問題:1.輸入信號的幅值要根據退火爐的具體情況選擇。為了很好地區分實驗輸入信號與干擾信號，應保證輸入信號的幅值足夠大，但是也要考慮輸入信號幅值過大可能引起輸出信號超過允許的變化范圍這一問題。所以，一般取輸入信號的幅值為被控對象額定負荷的 10%15%，即額定符合閥門開度。2.實驗前應使退火爐在加熱下保溫一段時間，使退火

32、爐的初始狀態處于穩定。為了獲得一條準確的階躍響應曲線，應該在相同的條件下重復實驗 3 次，需要綜合分析確定的相關曲線。2.2.2 被控對象的實驗數據處理對于退火爐這類對象的典型傳遞函數為純滯后加一階或二階慣性環節模型，其描述函數如下式所示:一階慣性純滯后系統傳遞函數: （2- sesTKsG111）內蒙古工業大學本科畢業設計說明書10二階慣性純滯后系統傳遞函數: （2- sesTsTKsG11212）對于被控對象傳遞函數的選擇，常用的做法是實驗經驗法。一般來說，對于相同的階躍響應曲線，一階慣性傳遞函數擬合，其數據計算簡單，但是結果不夠準確;二階慣性傳遞函數擬合，數據計算量較大，處理較為復雜，但

33、匹配程度較好。閉環系統采用單片機來控制時，控制系統設計對被控對象傳遞函數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傳遞函數： sesTKsG11式中 退火爐控制系統的放大系數；K 退火爐的時間常數；1T 退火爐的純滯后時間。根據實驗所得的圖 2-3 去確定傳遞函數中的參數，。值的計算公式K1TK是 （2- YKU3）式中表示系統的穩態輸出，表示系統的輸入。 YU由于階躍響應曲線切線法被較多地應用到 PID 控制對象的建模上，所以業界應用較為廣泛。在圖 2-3 中，通過階躍響應曲線的拐點 P 作切線，與時間軸 T 交于 A點，與穩態值作水平線交于 B 點，則 OA 即為退火爐的純滯

34、后時間，切線線段 YAB 在時間軸 T 上的投影即為退火爐的時間常數。切線法的主要缺點是所作的切線1T不夠準確，其優點是方法簡單，便于計算。利用階躍響應曲線切線法得到的傳遞函數的相關參數值為15:;sec120,sec667.27,1488. 01ondsondsTK得到此退火爐的傳遞函數為: sessG120667.2711488. 0YTA0PB內蒙古工業大學本科畢業設計說明書11圖 2-3 階躍響應曲線第三章 被控對象分析退火爐燃燒系統是一個有自平衡能力的對象，它具有非線性、時變和分布參數等特征，本文中簡單地用一個純滯后一階慣性環節來描述。許多被控對象都具有時變特性，即參數隨時間和環境的

35、變化而改變，其中包括放大系數、時間常數和滯后時間等。滯后是控制系統中一種典型環節，具有較大滯后的被控對象其被控過程往往會產生明顯的超調而使得調節時間較長。3.1 純滯后介紹3.1.1 純滯后的產生在大量的自然與社會現象中，可以用常微分方程來描述一類確定性的運動規律，但是客觀事物的運動規律往往是復雜和多樣的。一般來說，滯后現象在動力系統中內蒙古工業大學本科畢業設計說明書12總是不可避免地存在，也就是說事物的發展趨勢不僅依賴于當前的狀態，而且還依賴于事物過去的歷史。在過程控制系統中，由于物料或能量的傳輸及大慣性溫度控制系統等使得系統中的被控量往往具有時間純滯后特性。在化工、煉油、冶金等一些復雜工業

36、過程控制中廣泛存在較大的純滯后，其原因就在于當輸入變量改變后，實際系統變量的測量，設備的物理性質以及信號的采集、傳遞和處理等多方面的因素導致了輸出并不立即改變，而要經過一段時間后才反映出來，輸出相對于輸入有了時間滯后現象，這個時間就稱為純滯后時間。退火爐溫度控制系統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不能被及時察覺，以至調節效果不能及時反映，從而造成系統穩定性下降，產生較大的超調或振蕩。當純滯后時間占整個動態過程的時間越長，控制的難度就越大。由于純滯后的存在，使被控量不能及時反映系統所承受的擾動，只有在延遲純滯后以后才能反映到被調量，控制器產生的控制作用也不能立即

37、對干擾產生抑制作用，必然會使系統產生較明顯的超調量和較長的調節時間。所以，具有純滯后的過程被公認為是較難控制的過程16。3.1.2 純滯后的相關定義對于純滯后環節，當輸入一個信號后輸出不立即有反應，而是經過一定的時間后才會反應出來，而且輸入和輸出在數值上相同，僅是在時間上有一定的滯后，稱這段時間為純滯后時間，常用表示。純滯后環節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時的輸出響應，圖 3-1(b)表示輸入為任一時間函數時的輸出響應曲線。在工業生產中，這種純滯后通常是由于物料傳輸時間造成的。此時，純滯后可用( 為物料傳輸距離，為物料傳輸速度)來計算。在工業生vllv產

38、過程中，完全只用純滯后特性表示的情況是較少的，大多數工藝過程的動態特性是純滯后和慣性環節的綜合體特，對于這種過程，我們就稱之為具有純滯后的工藝過程。如果純滯后時間與慣性時間常數相比很大時，我們可近似忽略慣性時間常數而將其看成單純的純tt00輸入 x輸出 ytt00輸入x輸出y內蒙古工業大學本科畢業設計說明書13(a) 階躍輸入響應(b) 任意輸入響應圖 3-1 純滯后環節的輸入輸出特性滯后過程。通常把過程的純滯后時間和慣性時間常數的比值作為一個衡量1T1T純滯后大小的指標，當時，稱為具有一般的純滯后過程；當時，5 . 01T5 . 01T稱為具有大純滯后的過程17。在工業生產中，當純滯后時間與

39、過程時間常數的比值增加，就會導致過程中的相位滯后增加，使大純滯后現象更為突出，有時會因為超調嚴重而導致聚爆、結焦等停產事故。3.2 純滯后對控制性能指標的影響在一個控制系統中，純滯后出現于不同的位置，對系統的動態影響也不同。為使討論具有廣泛性，這里假設過程特性是廣義對象的動態特性。控制系統的傳遞函數描述如圖 3-2 所示。設控制通道和擾動通道的傳遞函數分別為： fsfffsesTKsGeTsKsG1;11.控制通道純滯后對系統的影響控制通道純滯后的存在使控制系統的頻率特性發生變化。當被控對象存在純滯后，控制作用不能及時使被控變量發生變化；當反饋環節存在純滯后，被控變量的變化不能及時傳送到控制器

40、。因此開環傳遞函數存在純滯后，會導致系統超調量增大，并引起系統不穩定18。2.擾動通道純滯后對系統的影響擾動通道純滯后的存在不影響系統閉環極點的分布，它僅表示擾動進入系統f的時間先后，即擾動在時刻后作用于系統。它的存在不影響系統的閉環穩定性和f開環頻率特性，也不影響控制品質。G(s) Gf(s) D(s)R(s)E(s)F(s)U(s)Y(s)-內蒙古工業大學本科畢業設計說明書14圖 3-2 控制系統的傳遞函數描術圖3.3 被控對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象，它的溫度控制是一個復雜而又難以控制的工業過程，采用常規的 PID 控制策略已經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際意義。本文采用施密斯預估控制器對其溫度進行控制，施密斯預估控制器的原理將在下一章中作具體介紹。第四章 施密斯預估控制為了改善大純滯后系統的控制品質19，1958 年施密斯(O.J.M.Smith)針對大純滯后過程提出預估補償算法，又稱為施密斯(Smith)預估控制算法。其基本思想是按過程的特性預估出一種模型，加入到反饋控制系統中，力圖使滯后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前動作，從而明顯地減少超調量，加速調節過程，以消除或減弱閉環系統中純滯后因素的影響，從而提高閉環系統的動態質量20。4.1 施密斯預估控制原理設具有時間滯后特征的閉環控制系統如圖

42、 4-1 所示，圖中表示調節器的傳 sD內蒙古工業大學本科畢業設計說明書15遞函數，用于校正部分，表示被控對象的傳遞函數，為被控對 sGp spesG sGp象圖 4-1 帶純滯后環節的控制系統中不包含純滯后部分的傳遞函數，為被控對象純滯后部分的傳遞函數。系統的se閉環傳遞函數為 （4- spspesGsDesGsDsRsYs11）系統的特征方程為 （4- 01 spesGsD2）式（4-2）中包含有純滯后環節，使系統的穩定性下降，當較大時，系統se還會出現不穩定現象。為了改善控制系統的性能，引入了一個與并聯的補償環 sD節，用來補償被控對象中的純滯后部分。補償后的系統框圖如圖 4-2 所示，

43、圖中由施密斯預估器和調節器組成的補償回路稱為純滯后補償器，設其傳遞函數為 sD，有 sD （4- spesGsDsDsD113）經過補償后的系統的閉環傳遞函數為 （4- sppspspesGsDsGsDesGsDesGsDs114）從式（4-4）可以看出，經補償后，在閉環控制回路之外，不影響系統的穩se定性，拉氏變換的位移定理說明了僅僅將控制作用在時間坐標上推移了一個時se間，控制系統的過渡過程及其它性能指標都與對象特性為時是相同的。將 sGp用圖 4-3 表示，可以清楚地看出施密斯預估控制的效果：反饋量不再受對象滯 s sR sE sD sU spesG sY+-內蒙古工業大學本科畢業設計說

44、明書16后的影響。se圖 4-2 帶施密斯預估器的控制系統圖 4-3 施密斯預估控制效果4.2 施密斯預估器的計算機實現針對許多被控制對象具有的純滯后性質，施密斯(Smith)提出的純滯后補償控制算法，在計算機控制系統中能夠方便的實現。4.2.1 計算機純滯后補償控制系統計算機純滯后補償控制系統如圖 4-4 所示。圖中為負反饋調節器，本論文 sD圖 4-4 計算機純滯后補償控制系統使用 PI 調節規律；是純滯后補償器，與對象的特性有關；零階 spesGsD11保持器的傳遞函數為 （4- sesGTsh15） 式中為采樣周期；是對象特性，中不包含純滯后特性。T sphesGsGsG sGp純滯后

45、補償的數字控制器由兩部分組成：一部分是數字 PI 控制器(由離散化得 sD到)；另一部分是施密斯預估器。在預估器中，滯后環節使信號延遲，為此在內存中 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內蒙古工業大學本科畢業設計說明書17專門設定個單元作為存放信號的歷史數據21，存儲單元的個數由式N kmN決定，是純滯后時間，為采樣周期。每采樣一次，把記入 0 個單元，TNT km同時把 0 單元原來存放的數據移到 1 單元，1 單元原來存放的數據移到 2

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

47、esZK11111111 sGps-e ku km ky1N-km+-內蒙古工業大學本科畢業設計說明書18 TTTTzzezzzK111111111azbzzN即 （4- 11111azbzzzDN6）式(4-6)中。；111TTTTeKbeaTN施密斯預估器的傳函為 111111azbzzzUzYzDN zUbzbzzYazN 11111進行反變換為 Z TNkTbuTkTbuTkTaykTy111計算出預估器的輸出相應的差分方程為 ky1 11111Nkukubkayky反饋回路的偏差 ke1 kykrke1偏差 ke2 kykeke112當控制器采用 PI 算法時，控制器的輸出為 ku

48、keKkekeKkukukukuip222111式中 控制器的比例系數；pK積分系數。ipiTTKK 含有零階保持器的被控對象的變換為Z sTsspesTKseZesGZ1111111411111111azbzzezeKzTssTZzzKNTTTTT有 111azbzzzUzYN zUbzzYazN 111內蒙古工業大學本科畢業設計說明書19取反變換得 Z TNkTbuTkTaykTy1則輸出的差分方程為 ky 11Nkbukayky4.3 施密斯預估器的缺點施密斯預估器的缺點有：1.預估器對系統受到的負荷干擾無補償作用22。2.預估控制系統的效果嚴重依賴于對象的動態模型精度，特別是純滯后時間

49、，模型的失配或運行條件的改變都將影響到控制效果。第五章 控制系統的設計與仿真內蒙古工業大學本科畢業設計說明書205.1 被控對象的動態特性被控對象退火爐的傳遞函數為 sessG120667.2711488. 0在 Simulink 環境下建立如圖 5-1 所示的結構圖，得到被控對象的動態特性如圖 5-2所示。圖 5-1 被控對象的動態特性結構圖圖 5-2 被控對象的動態特性仿真圖5.2 調節器的參數整定對于一階慣性環節與純滯后環節串聯的對象，負荷變化不大，控制精度要求高，采用比例積分調節器進行調節。PI 調節器的傳遞函數為 )11 (1)11 ()(sTsTKsDiiP首先采用工程整定法對 P

50、I 調節器的參數進行整定。5.2.1 衰減曲線經驗公式法衰減曲線法是通過使系統產生衰減震蕩來整定調節器的參數，它是利用比例作frTransportDelay0.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope0500100015002000250000.020.040.060.080.10.120.140.16Time(s)Y內蒙古工業大學本科畢業設計說明書21用下產生的 4:1 衰減振蕩()過程時的調節器比例帶及過程衰減周期，75. 0SST或 10:1 衰減振蕩()過程時調節器比例帶及過程上升時間，根據經驗公9 . 0Srt式計算出調節器

51、的各個參數23。針對 PI 調節器，具體方法是：(1)在單回路控制系統中，先將控制器變為純比例作用，并將比例度置于較大的數值，將系統投入閉環運行。(2)在閉環系統達到穩定后，加入階躍擾動并觀察被控過程，記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現 4:1(）或 l0:1()衰減比為止，75. 09 . 0如圖 5-3 所示。記下此時的比例度和衰減周期（或上升時間） ，然后根據表SsTrt5-1 的算法，計算出控制器的參數整定值。圖 5-3 衰減曲線(3)按計算結果設置好調節器的各個參數，作系統的階躍擾動試驗，觀察調節過程，適當修改調節器參數，到滿意為止。表 5-1 衰減曲線法計算公式規律

52、iTdT規律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節過程。從表 5-1 可以發現，對于，采用比例積分調節規律時相對于采用比例調節規律是引75. 0內蒙古工業大學本科畢業設計說明書22入了積分作用，因此系統的穩定性將下降，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節器的比例帶值。對于三參數調節規律，由于微分S作用的引入提高了系統的穩定性和準確性，因此可將減小至，后作為

53、調節SS8 . 0器比例帶設定值，同時積分時間與無微分作用下相比也適當減小了。5.2.2 調節器的參數整定過程(1)在 Simulink 環境下建立如圖 5-4 所示的方框圖，用衰減曲線法進行參數整圖 5-4 整定 PI 調節器參數的 Simulink 仿真方框圖定。當時，系統出現如圖 5-5 所示的 10:1 衰減比的震蕩過程，此時的值1 . 3KpS為 0.3266，的值為 67.5,根據表 5-1 的經驗公式計算出整定參數為:rt 即；3871. 02 . 1S5833. 2Kp。1352ritT根據整定后的參數在 Simulink 環境下建立如圖 5-6 所示的方框圖，適當的調整參數，

54、當，時，系統得到如圖 5-7 所示的滿意結果。58. 2Kp76iT圖 5-5 整定 PI 調節器參數的仿真圖TransportDelay01Transfer Fcn10.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope3.1Gain0500100015002000250000.050.10.150.20.250.30.350.40.45Time(s)Y內蒙古工業大學本科畢業設計說明書23圖 5-6 根據調節器的整定參數確定的 Simulink 結構圖圖 5-7 PI 調節器最佳參數時的仿真圖圖 5-8 控制效果整定 PI 調節器參數的 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內蒙古工業大學本科畢業設計說明書24

56、(2)根據施密斯預估控制效果整定 PI 調節器的參數。在 Simulink 環境下建立如圖 5-8 所示的方框圖，從仿真結果圖 5-9 可以看出當和時，調節58. 2Kp30iT 效果很滿意。所以可以確定與預估器并聯的 PI 調節器的傳遞函數為1177.42.58( )(1)2.5813030PisD sKTsss5.3 帶有施密斯預估控制器的系統仿真5.3.1 時域系統的仿真在 Simulink 環境下建立如圖 5-10 所示的帶有密斯預估控制器的控制系統方框圖。系統的仿真圖如圖 5-11 所示。圖 5-10 施密斯預估控制器 Simulink 方框圖圖 5-11 施密斯預估控制器仿真圖05

57、00100015002000250000.20.40.60.81Time(s)YTransportDelay2TransportDelay10.148827.667s+1Transfer Fcn20.148827.667s+1Transfer Fcn177.4s+2.5830sTransfer FcnyoutTo WorkspaceStep1Scope1內蒙古工業大學本科畢業設計說明書25TransportDelay2TransportDelay10.0984862z-0.33813Transfer Fcn20.0984862z-0.33813Transfer Fcn12.58z-5.7287

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

59、mulink 環境下打開圖 5-10，選擇 Model Discretizer 工具，其路徑是Tools-Control Design-Model Discretizer。打開 Model Discretizer 工具，各個參數的設定如圖 5-12 所示。最后單擊圖標實現模型的裝換，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 施密斯預估控制離散化后的 Simulink 框圖內蒙古工業大學本科畢業設計說明書26圖 5-14 離散化后系統輸出曲線(2)便于工程實現,數字控制器在工程控制中實現 Smith 預估

60、控制器的結構如圖圖 5-15 Smith 預估控制系統結構圖5-15 所示。假設模型是精確的且不存在負荷擾動24，則。根據已知條件，在 M 文件下編寫語句程序（見附錄）進行數字化仿真。其響應結果如圖 5-16 所示。圖 5-16 系統的響應曲線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內蒙古工業大學本科畢業設計說明書27結 論退火爐是金屬熱處理中的關鍵設備，退火爐溫度控制的品質直接影響