基于灰色系統(tǒng)理論的燒結(jié)礦性能研究畢業(yè)論文

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文</p><p>　　基于灰色系統(tǒng)理論的燒結(jié)礦性能研究</p><p>　　The sinter performance study based on the grey system theory</p><p>　　學(xué)院名稱(chēng)： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>

2、;　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)械電子工程12-1 </p><p>　　學(xué)生姓名： *** </p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： 201201040032 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名： *** </p><p>　　指

3、導(dǎo)教師職稱(chēng)： 副教授 </p><p><b>　　2016年05月</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明</p><p><b>　　原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的

4、指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得安陽(yáng)工學(xué)院及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。</p><p>　　作 者 簽 名：　　 　 　　 日　 期： </p><

5、p>　　指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期： </p><p><b>　　使用授權(quán)說(shuō)明</b></p><p>　　本人完全了解安陽(yáng)工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢?/p>

6、采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　中文摘要、關(guān)鍵詞I</p><p>　　英文摘要、關(guān)鍵詞II</p><p><b>　　引言1</b></p>

7、;<p>　　第一章 傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)3</p><p>　　1.1 加熱爐及其模型的建立3</p><p>　　1.1.1 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3</p><p>　　1.1.2 加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立3</p><p>　　1.2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)4</p><p>　　1.2

8、.1 被控變量的選擇4</p><p>　　1.2.2 選擇被控變量的原則4</p><p>　　1.2.3 操縱變量的選擇4</p><p>　　1.3 常用復(fù)雜控制系統(tǒng)4</p><p>　　1.3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)4</p><p>　　1.3.2 比值控制系統(tǒng)7</p><p&g

9、t;　　1.3.3 前饋控制系統(tǒng)8</p><p>　　1.4 先進(jìn)控制系統(tǒng)10</p><p>　　第二章 smith預(yù)估補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.1 純滯后系統(tǒng)概述11</p><p>　　2.2 補(bǔ)償控制方案11</p><p>　　2.3 純滯后補(bǔ)償?shù)幕驹?1</p>

10、;<p>　　2.4 smith預(yù)估器控制理論11</p><p>　　2.5 改進(jìn)型Smith控制理論14</p><p>　　2.5.1 抗干擾的史密斯預(yù)估器14</p><p>　　2.5.2 改進(jìn)型史密斯預(yù)估器15</p><p>　　2.5.3 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案16</p><p>

11、　　2.6 PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律17</p><p>　　2.7 控制參數(shù)整定方法的介紹19</p><p>　　第三章 加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真研究21</p><p>　　3.1 MATLAB的介紹21</p><p>　　3.2 Smith補(bǔ)償控制控制參數(shù)整定與仿真研究22</p><p>　　3.2.1

12、 整定系統(tǒng)控制參數(shù)22</p><p>　　3.2.2 改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制器仿真研究23</p><p><b>　　結(jié)論29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><

13、p>　　Smith預(yù)估控制器在安鋼加熱爐溫度控制中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象大多在不同程度上有著純延遲。純滯后過(guò)程的控制是制領(lǐng)域重要的研究課題，我國(guó)有很多自動(dòng)化工作者也在一直關(guān)注著這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，原料油的出口溫度一直受到流量及加熱爐爐膛中的溫度的影響。如果系統(tǒng)中存在一些干擾，導(dǎo)致流量發(fā)生變化或者爐膛中溫度波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致控制效果很

14、不理想。在滯后非常小的系統(tǒng)中，我們通常采用常規(guī)的反饋控制方法來(lái)進(jìn)行溫度控制。但是在在大滯后或純滯后系統(tǒng)面前，常規(guī)的控制方法往往顯得無(wú)能為力，因此我們通常采用補(bǔ)償控制方法。我們提出了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)，Smith預(yù)估控制補(bǔ)償方法在給定信號(hào)變化引起系統(tǒng)變化的場(chǎng)合具有非常好的性能指標(biāo)。但這種方法有一個(gè)非常致命的弱點(diǎn)，它十分容易受到過(guò)程模型的影響。如果模型的滯后時(shí)間t與實(shí)際值相差較大，Smith預(yù)估算法就很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。因此我們

15、提出了改進(jìn)型的Smith控制系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：加熱爐；增益自適應(yīng)；史密斯預(yù)估器</p><p>　　Application of Smith Predictive Control to AnYang Steel Heating Furnace Temperature Control</p><p>　　Abstract：Large delay ti

16、me has been the focus of research in the control field. Furnace temperature control are examples of such complex control objects. The traditional furnace temperature control system uses raw oil outlet temperature with th

17、e fuel oil flow cascade control or furnace temperature，but due to volatility in fuel flow，that the temperature control less effective. And in recent years，owing to the transformation of the furnace and the enlargement of

18、 furnace volume，making the control sy</p><p>　　Keywords：furnace;gain adaptive control ;Smith-predictor</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1. 研究的背景及意義</p><p>　　加熱爐溫

19、度控制系統(tǒng)屬于一種有著比較大的滯后的系統(tǒng)，如果要最大化地消除或者減少這種現(xiàn)象，我們必須改變那些比較傳統(tǒng)的控制方式，創(chuàng)新思維，去采用溫度、流量的串級(jí)控制，并且引進(jìn)煤氣熱值和煙氣殘余氧氣檢測(cè)值，并且對(duì)空氣和煤氣調(diào)配的比值進(jìn)行比較合理的調(diào)配、優(yōu)化，這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)加熱爐高效率燃燒控制，并且對(duì)溫度的控制也會(huì)更加迅速。在存在純滯后的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制通道中通常存在有純滯后的現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象會(huì)使被控量不能夠及時(shí)地反映所承受的干擾，而且這樣

20、的過(guò)程必然會(huì)有較明顯的超調(diào)量和需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間產(chǎn)生，這個(gè)過(guò)程是一個(gè)比較難以控制的過(guò)程，它的控制難度將隨著純滯后占整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)時(shí)間參數(shù)的比例增加而增加。一般情況下，過(guò)程的時(shí)間常數(shù)T是純滯后的2倍，如果遇到這樣的情況，我們稱(chēng)過(guò)程是大滯后過(guò)程。當(dāng)T與之比減小時(shí)，過(guò)程中的相位滯后增加，從而使超調(diào)量增大，甚至?xí)捎趪?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。此外，大滯后現(xiàn)象的產(chǎn)生會(huì)大大地降低整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家們一直密切關(guān)注著對(duì)大

21、滯后過(guò)程的控制，我們也在想盡各種辦法，不斷地探索，努力去解決這個(gè)問(wèn)題。</p><p>　　2. 國(guó)內(nèi)外基于加熱爐溫度控制的研究</p><p>　　隨著生產(chǎn)過(guò)程控制要求的不斷提高、控制理論與控制技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)的自動(dòng)化研究工作者們研究出了許多與生產(chǎn)形勢(shì)相適應(yīng)的控制系統(tǒng)。但是由于系統(tǒng)中存在有滯后環(huán)節(jié)，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)有所下降，甚至導(dǎo)致了閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。最近幾年，我國(guó)的自動(dòng)

22、化工作者們對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法的研究從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)的研究者們?cè)跁r(shí)滯控制系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了兩種方式，它們分別是以模型為基礎(chǔ)的方法和沒(méi)有模型。經(jīng)過(guò)學(xué)家們多年的研究，我們逐漸以智能控制取代了傳統(tǒng)控制，或者是傳統(tǒng)和智能的結(jié)合。PID控制算法是到目前為止為止廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中的一種控制方法。在生產(chǎn)過(guò)程大多采用PID控制來(lái)進(jìn)行控制，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、適用于很多控制領(lǐng)域、魯棒性好。然而PID控制也有它的一些缺點(diǎn)，還需

23、要我們解決，特別是在純滯后的系統(tǒng)中，常規(guī)PID控制發(fā)揮不了太大的作用。</p><p>　?。?）國(guó)外最早在1958年提出預(yù)估控制器，這是一個(gè)時(shí)滯預(yù)估補(bǔ)償算法，其優(yōu)點(diǎn)是把時(shí)滯環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到了閉環(huán)的外邊，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量，但其過(guò)于依賴(lài)精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用比較困難。針對(duì)這種情況，我們?cè)谒幕A(chǔ)上做了一些改進(jìn)，有了一些方案，基本上分為兩類(lèi):其一是對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些改進(jìn)；其二是使參數(shù)的設(shè)置更為合理；</p>

24、;<p>　?。?）最早從1980年開(kāi)始，隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能理論基礎(chǔ)的不斷發(fā)展，我們針對(duì)在工業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的時(shí)變性、耦合性和不確定性等一系列特性，提出了很多非常有效的解決方案?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)外的溫度控制技術(shù)基本上都是基于反饋控制的理論。反饋控制理論的主要組成部分包括測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量注重的是對(duì)象的變量，并把這個(gè)變量和我們預(yù)期的值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)的一些波動(dòng)，我們可以用誤差糾正的調(diào)節(jié)方法。怎樣去調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并把系統(tǒng)

25、產(chǎn)生的誤差降到最低，是理論應(yīng)用的重中之重；</p><p>　?。?）我們也經(jīng)常把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中的滯后系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，而且可以進(jìn)行在線和不在線學(xué)習(xí)，容錯(cuò)性比較強(qiáng)。在時(shí)滯系統(tǒng)中的應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用來(lái)進(jìn)行辨識(shí)和控制。其中在辨識(shí)方面，我們可以用其來(lái)辯識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)和滯后時(shí)間；在控制方面，主要有模型參考自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Smith控制結(jié)合對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行控制，也是一個(gè)行

26、之有效的方法；</p><p>　?。?）魯棒控制可以有效的控制或消除變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化中出現(xiàn)的魯棒性。我們已經(jīng)廣泛注意到了變結(jié)構(gòu)控制的這一優(yōu)點(diǎn)，我們對(duì)非時(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究己形成比較完善的一套理論體系，而時(shí)滯變結(jié)構(gòu)控制理論是一個(gè)具有前景的研究方向。到目前為止，我們?cè)跁r(shí)滯系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制理論的研究仍處于萌芽階段，研究成果較少，需要研究工作者們不斷的進(jìn)行完善和改進(jìn)。</p><

27、;p>　　第一章 傳統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　1.1 加熱爐及其模型的建立</p><p>　　在當(dāng)代的工業(yè)生產(chǎn)中，我們通常是用加熱爐對(duì)生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行加熱和冶煉的，而在形式眾多的加熱爐中，我們最常用的是管式的。我們可以這樣來(lái)形容加熱爐的工作流程：被加熱的對(duì)象通過(guò)和爐膛中央緊緊挨著的通道后，可以最大面積的與爐膛接觸，這樣就可以很容易的達(dá)到生產(chǎn)工藝所要求的溫度。加熱爐的平

28、穩(wěn)正確操作可以增加加熱爐爐管的使用壽命，因此我們必須對(duì)加熱爐的出口溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。</p><p>　　1.1.1 加熱溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖1.1所示的裝置是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中用到的的加熱爐，它的任務(wù)是把被加熱的物料加熱，直到一定的溫度，然后把它送到下一道工序進(jìn)行、處理。 </p><p>　　圖1.1 加熱爐溫度系統(tǒng)</p>

29、<p>　　1.1.2 加熱溫度控制系統(tǒng)模型的建立</p><p>　　加熱爐對(duì)象是一個(gè)大容量的復(fù)雜生產(chǎn)容器。我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)其作了一些改進(jìn)，可以用一階環(huán)節(jié)并上時(shí)滯環(huán)節(jié)來(lái)模擬，即</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　它的時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯時(shí)間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時(shí)間有關(guān)。</p&

30、gt;<p>　　本文針對(duì)的是河南安鋼加熱爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：</p><p>　　W=e (1-2)</p><p>　　1.2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)</p><p>　　簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，它是由一個(gè)受控對(duì)象、一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）所構(gòu)成。下面是簡(jiǎn)單

31、控制系統(tǒng)的控制框圖：</p><p>　　圖1.2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)</p><p>　　1.2.1 被控變量的選擇</p><p><b>　　被控變量選擇方法：</b></p><p>　　方法一：選擇可以清楚地反映出工業(yè)生產(chǎn)的輸出產(chǎn)品多少和產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程中,非常容易衡量的參數(shù)作為控制變量,這種方法也稱(chēng)為直接參數(shù)法；&l

32、t;/p><p>　　方法二：把那些不能夠直接反映工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、并且與直接參數(shù)有明確的一對(duì)一關(guān)系、比較容易被測(cè)量出來(lái)的參數(shù)作為被控變量，我們把其叫做間接參數(shù)法。</p><p>　　1.2.2 選擇被控變量的原則</p><p>　　1. 我們?cè)谶x擇被控變量的時(shí)候必須滿足下面的工藝要求：首先我們必須能夠直接測(cè)量出這個(gè)參數(shù)，其次這個(gè)參數(shù)必須在安全生產(chǎn)的條件

33、下，并且可以使產(chǎn)品達(dá)到生產(chǎn)要求，最后在環(huán)境保護(hù)方面必須要有一定的影響。</p><p>　　2. 如果被控變量不可以是直接參數(shù)時(shí)，我們就要選擇一個(gè)間接參數(shù)，這個(gè)參數(shù)必須要和直接參數(shù)有線性關(guān)系，并且滿足以下條件的間接參數(shù)為被控變量。</p><p>　　(1)滿足工藝的合理性；</p><p>　　(2)具有盡可能大的靈敏度且線形好；</p><p

34、>　　(3)測(cè)量變送裝置的滯后小。</p><p>　　1.2.3 操縱變量的選擇</p><p>　　選擇操縱變量，顧名思義，就是從許多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中選擇一個(gè)非常容易被控制，并且對(duì)被控變量影響非常明顯的輸入?yún)?shù)，我們把其作為操縱變量，剩下的沒(méi)有被選中的所有輸入?yún)?shù)則被視為系統(tǒng)的干擾。</p><p>　　1.3 常用復(fù)雜控制系統(tǒng)</p>

35、<p>　　1.3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)</p><p>　　由于加熱爐生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)大工程，這個(gè)工程需要持續(xù)相當(dāng)一段時(shí)間，而且其有著許多因素對(duì)其進(jìn)行著干擾，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)工藝對(duì)加熱爐溫度的嚴(yán)格要求。因此我們必須采取措施來(lái)提高控制質(zhì)量，經(jīng)過(guò)學(xué)者們的不懈努力與探索，我們發(fā)現(xiàn)采用串級(jí)控制系統(tǒng)，并且利用副回路的快速作用，可以有效地提高控制質(zhì)量，從而滿足生產(chǎn)要求。</p><

36、;p>　　圖1.3 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1. 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念</p><p>　　我們?cè)诖?jí)控制系統(tǒng)中用到了兩個(gè)控制器，其中有快速作用的副回路，把加熱爐爐溫作為主變量，以較小滯后的流量為副變量，這樣就可以構(gòu)成爐溫與流量的串級(jí)控制系統(tǒng)，它們?cè)谔岣呖刂瀑|(zhì)量方面非常有效，串級(jí)控制系統(tǒng)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。</p><p>　　

37、副控制器的初始值由主控制器的輸出決定，控制閥由副控制器的輸出值去控制。串級(jí)控制系統(tǒng)的工作內(nèi)容，就是指在擾動(dòng)的干擾下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過(guò)控制作用克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。</p><p>　　圖1.4 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　2. 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　?。?）改善了對(duì)象特征，

38、起了超前控制的作用；</p><p>　　（2）改善了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率；</p><p>　?。?）提高了控制器總放大倍數(shù)，增強(qiáng)了抗干擾能力；</p><p>　　（4）具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，可以很快地適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化。</p><p>　　3. 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)原則：在

39、確定副參數(shù)的時(shí)候，一定要考慮到要把主要擾動(dòng)放在在副回路中，并且要包括盡量多的擾動(dòng)。</p><p>　　在我們?cè)O(shè)計(jì)副回路的時(shí)候，選擇副參數(shù)時(shí)一定使主、副對(duì)象的時(shí)鐘函數(shù)一致。</p><p>　　另外方案應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　4. 串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合</p><p>　　（1）在那些被控對(duì)象的控制通道純

40、滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，并且用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能夠達(dá)到質(zhì)量要求的情況下，我們可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)；</p><p>　　（2）對(duì)于對(duì)象所能容載量的純滯后非常大，并且用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不可以達(dá)到質(zhì)量所要求的標(biāo)準(zhǔn)的情況下；</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾；</p><p>　?。?）被控對(duì)象沒(méi)有呈線性變化，并且負(fù)荷變化范圍比較大。</p>

41、<p>　　5. 串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用中的問(wèn)題</p><p>　　（1）主、副控制器控制規(guī)律的選擇</p><p>　　在串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們要把工藝要求來(lái)作為主、副控制器的控制規(guī)律選擇的標(biāo)準(zhǔn)，它們都要滿足工藝要求。對(duì)于副控制器，我們會(huì)選擇P控制規(guī)律，而PID控制規(guī)律一般情況下適用于主控制器；</p><p>　?。?）主、副控制器正、反作用方式的確定&

42、lt;/p><p>　　副控制器作用方式是與單回路控制系統(tǒng)一樣的。而主控制器的作用方向只由工藝條件所決定；</p><p>　　（3）串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定</p><p>　　在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主副兩個(gè)回路是彼此相互影響的，副控制器參數(shù)的設(shè)置對(duì)主控制器有很大的影響，這個(gè)影響我們一眼就可以看出，這是副回路在某個(gè)程度上也是主回路的一個(gè)組成部分。其中主回路的動(dòng)態(tài)特性對(duì)副

43、回路產(chǎn)生的影響我們可以這樣來(lái)想，主控制器的輸出值直接就是副回路的初始值的設(shè)置，所以說(shuō)主回路自然而然的對(duì)副回路產(chǎn)生了一定的影響。</p><p>　　如果主副回路的工作頻率有非常大的差別，比如達(dá)到幾十倍，那么我們可以認(rèn)為在副回路的控制過(guò)程中，主回路還沒(méi)有來(lái)得及對(duì)其作出反應(yīng)。在這種情況下，我們可以近似的認(rèn)為主回路對(duì)副回路沒(méi)有影響，或者說(shuō)這個(gè)影響太小，我們可以忽略不記。所以對(duì)主副控制器的參數(shù)整定我們可以遵循由內(nèi)到外的原

44、則，先都按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法進(jìn)行整定。</p><p>　　由于主副回路之間的影響，我們經(jīng)常采用三種方法進(jìn)行整定：一步法，兩步法和逐次逼近法。其中一步法的主要步驟如下：</p><p>　　將串級(jí)系統(tǒng)看為兩個(gè)控制器相互串聯(lián)的單回路系統(tǒng)，總的K為K=Kc1*Kc2,按照下表選澤Kc2，然后與整定單回路一樣整定主調(diào)節(jié)參數(shù)。</p><p>　　表1.1 常見(jiàn)對(duì)

45、象的副控制器比例帶的經(jīng)驗(yàn)法</p><p>　　1.3.2 比值控制系統(tǒng)</p><p>　　在生產(chǎn)過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)中，我們通常會(huì)把兩種或兩種以上的原料按照一定的比例進(jìn)行混合。對(duì)于需要保持比例關(guān)系的兩種原料中，我們通常把兩者中的一種原料置于主導(dǎo)地位，稱(chēng)其為主原料或者主動(dòng)量F1；而另一種隨著主原料的變化呈一定比例的發(fā)生變化的原料，我們把它叫做從原料或從動(dòng)量F2。例如在生產(chǎn)稀硝酸的化學(xué)反應(yīng)中，氨

46、的多少?zèng)Q定了空氣比例的多少，因此稱(chēng)氨為主原料F1，空氣為從原料F2。</p><p>　　常用的比值控制方案：</p><p>　　1. 單閉環(huán)比值控制 </p><p>　　圖1.5 單閉環(huán)比值控制</p><p><b>　　單閉環(huán)比值控制方圖</b></p><p>　　這種比例控制系統(tǒng)的優(yōu)

47、點(diǎn)是操作人員可以很精確的控制兩種物料流量的比例，并且比較容易實(shí)施，因此其廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　　2. 雙閉環(huán)比值控制</p><p>　　為了使進(jìn)入系統(tǒng)的總流量，即F1＋F２之和恒定，并且讓兩種原料按照一定的比例進(jìn)入系統(tǒng)，我們改進(jìn)了單閉環(huán)比值控制，發(fā)現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。</p><p>　　雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的作用是，如果有擾動(dòng)在主流量上時(shí)，

48、發(fā)揮作用，這樣主流量就會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到原來(lái)的值，這樣以來(lái)，即使系統(tǒng)受到了干擾，也會(huì)比較安全。圖1.6為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖。</p><p><b>　　干擾</b></p><p><b>　　給定值</b></p><p><b>　　干擾</b></p><p>

49、　　圖1.6 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　3. 變比值控制系統(tǒng)</p><p>　　要求兩種物料流量的比值隨第三參數(shù)的需要而變化。</p><p>　　1.3.3 前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　1. 前饋控制系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　我們都知道，外界對(duì)系統(tǒng)的干擾作用是通過(guò)干擾通道發(fā)揮作用

50、的，我們必須要在干擾通道下手。前饋控制正是如此，它的基本原理就是在系統(tǒng)中增加一個(gè)前饋通道，我們也把它叫做前饋控制器，這樣我們就可以通過(guò)前饋通道來(lái)減小并消除干擾。圖1.7物料出口溫度需要維持恒定，選用反饋控制系統(tǒng)。若考慮干擾僅是物料流量Q，則可組成圖1.8前饋控制方案。反饋、前饋控制的方塊圖分別如圖1.9，圖1.10</p><p>　　2. 前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　

51、（1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　前饋控制器的輸出信號(hào)有著非常不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性，如果我們加入了比較大的干擾，輸出信號(hào)的波動(dòng)就會(huì)隨之增大。而且輸出信號(hào)與干擾持續(xù)的時(shí)間也有著密切的關(guān)系。在干擾通道有著與控制通道完全一樣的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，時(shí)間對(duì)控制器的影響就可以忽略不記，它只由靜態(tài)關(guān)系決定。靜態(tài)前饋是前饋控制中的一種特殊形式。</p><p>　　圖1.7 反饋控制

52、 圖1.8 前饋控制</p><p>　　圖1.9 反饋控制方塊圖 </p><p>　　圖1.10 前饋控制方塊圖</p><p>　?。?）動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)有著屬于它的優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的品質(zhì)有所改善。但如果在生產(chǎn)過(guò)程中存在擾動(dòng)，控制過(guò)程依舊會(huì)有動(dòng)態(tài)偏

53、差產(chǎn)生。對(duì)于一些特殊的生產(chǎn)過(guò)程：（1）頻繁的干擾變化（2）對(duì)動(dòng)態(tài)精度的要求非常高（3）兩個(gè)控制通道有著不一樣的動(dòng)態(tài)性能，在上面的三種情況下，對(duì)工藝的要求非常高，如果采用靜態(tài)前饋會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，所以我們應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)前饋方案。</p><p>　　動(dòng)態(tài)前饋與靜態(tài)前饋除了在前饋控制器的控制規(guī)律不一樣之外，它們的控制原理是完全相同的。前饋控制器在一定程度上可以糾正被控變量，這可以使系統(tǒng)基本上沒(méi)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差存在?？?/p>

54、制對(duì)象的兩個(gè)通道特性決定了它的這種控制規(guī)律，由于工業(yè)對(duì)象的特性多種多樣，如果按照對(duì)象特性去設(shè)計(jì)前饋控制器的話，肯定會(huì)種類(lèi)繁多，而且它們的結(jié)構(gòu)、原理一般都比較復(fù)雜，非常難以實(shí)現(xiàn)。只有在生產(chǎn)過(guò)程中工藝要求非常高的控制品質(zhì)時(shí)，我們才會(huì)用到動(dòng)態(tài)前饋控制方案。</p><p>　　（3）前饋－反饋控制</p><p>　　通過(guò)前面的分析和研究，我們發(fā)現(xiàn)前饋與反饋控制有著相對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在實(shí)際的工

55、業(yè)生產(chǎn)中，系統(tǒng)受到的干擾情況通常是非常復(fù)雜的，對(duì)所有的干擾都采用前饋控制顯然是不可能的。因此，我們把他們組合起來(lái)，組成一個(gè)前饋－反饋控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的高精度要求，因此這種控制系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制。圖1.11是前饋反饋控制系統(tǒng)方塊圖</p><p>　　圖1.11 前饋反饋控制系統(tǒng)方塊圖</p><p>　　3. 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合</p><p>

56、;　?。?）在一些系統(tǒng)中，會(huì)有一些擾動(dòng)不斷的干擾著系統(tǒng)，這些擾動(dòng)不能夠直接測(cè)量，動(dòng)態(tài)特性不穩(wěn)定，而且這些干擾對(duì)被控參數(shù)有著顯著的影響，簡(jiǎn)單的反饋控制系統(tǒng)不能達(dá)到質(zhì)量要求時(shí)；</p><p>　?。?）在工業(yè)過(guò)程中，有一部分控制系統(tǒng)的控制通道有著比較長(zhǎng)的滯后時(shí)間，這種情況下，反饋控制不能夠及時(shí)有效地影響控制質(zhì)量，我們可以采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.4 先進(jìn)控制系統(tǒng)

57、</p><p>　　簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基本要素是以PID控制器為核心的基本控制回路，并且把經(jīng)典控制理論作為理論指導(dǎo)。對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的工業(yè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，PID控制器對(duì)過(guò)程模型要求不高，并且它的魯棒性能比較好，所以他們是最常用的控制系統(tǒng)。</p><p>　　20世紀(jì)后半葉，我們?cè)诂F(xiàn)代控制理論的領(lǐng)域有了較大的突破，工業(yè)過(guò)程也逐步向大型化、集成化方向發(fā)展，因此對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。同時(shí)以微處理

58、器為核心的DCS逐步取代了微型機(jī)控制工具常規(guī)儀表，它們有著非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。因此，以提高控制系統(tǒng)品質(zhì)、獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的各種先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前，狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)、內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　　第二章 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 純滯后系統(tǒng)概述</p><p>　　對(duì)于如圖2.1所

59、示具有純滯后的過(guò)程控制系統(tǒng)，控制器輸出U(s)到系統(tǒng)輸出Y(s)的傳遞函數(shù)如式2-3所示。控制器的輸出要滯后時(shí)間τ才起作用。純滯后時(shí)間τ愈大，系統(tǒng)滯后的越嚴(yán)重，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低，系統(tǒng)的控制品質(zhì)下降。</p><p>　　圖2.1 常規(guī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 補(bǔ)償控制方案</p><p>　　帶有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)不能迅速、及時(shí)地對(duì)控制

60、系統(tǒng)發(fā)出的指令做出反應(yīng)，繼而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)浮動(dòng)太大。常規(guī)的反饋控制方法（常規(guī)PID控制、微分先行控制及中間微分反饋控制等），在純滯后系統(tǒng)中往往難以取得良好的效果。補(bǔ)償控制方法可以對(duì)純滯后系統(tǒng)準(zhǔn)確、有效的控制。</p><p>　　對(duì)于純滯后系統(tǒng)的補(bǔ)償控制，我們有這樣的基本想法：把一些合理、有效的支路加入工業(yè)控制系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)中，這樣在列出的傳遞函數(shù)中就變得非常的簡(jiǎn)單、易計(jì)算，因?yàn)楹瘮?shù)的分母上已經(jīng)沒(méi)有了純滯后環(huán)節(jié)，我們

61、發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高，它的控制性能也有了明顯的改善。</p><p>　　2.3 純滯后補(bǔ)償?shù)幕驹?lt;/p><p>　　純滯后補(bǔ)償?shù)幕驹砣?.2所示。圖中G(s)不含有滯后，G(s)為增加的補(bǔ)償環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖2.2 純滯后補(bǔ)償?shù)幕驹韴D</p><p>　　2.4 Smith預(yù)估器控制理論</p&

62、gt;<p>　　Smith控制的工作原理是將被控對(duì)象在加入了一些正常干擾后的動(dòng)態(tài)性能，簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)串上一個(gè)純遲延的數(shù)學(xué)模型，預(yù)估控制器可以以這個(gè)輸入的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，提前預(yù)測(cè)出所采用的控制作用對(duì)被控量產(chǎn)生的影響，可以提前進(jìn)行控制，而不需要等到被控量有了反應(yīng)，這有利于改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[8]。</p><p>　　當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，如圖2.3所示，控制器的傳遞函數(shù)為</p>

63、;<p>　　圖2.3 單回路控制系統(tǒng)</p><p>　　當(dāng)被控對(duì)象傳遞函數(shù)為e-τs時(shí)，設(shè)定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　擾動(dòng)作用至被控變量閉環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(2-2)</b><

64、/p><p>　　如果以上兩式特征方程中的項(xiàng)可以消除，情況將有所改善，這樣遲延對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在。</p><p>　　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方案主要思想是消去分母中所含有的e-項(xiàng)，如何來(lái)實(shí)現(xiàn)是其中的關(guān)鍵。如圖2.4所示，我們把W′（s）引入系統(tǒng)的控制回路中，與其中的一些環(huán)節(jié)并聯(lián)，這樣我們就可以更加及時(shí)地得到反饋信息，提高控制的質(zhì)量。這個(gè)方法可以通過(guò)多個(gè)方面來(lái)說(shuō)明，我們是以?xún)?nèi)模為主

65、要介紹對(duì)象。Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理圖</p><p>　　在圖2.4中，是對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié)e-s之后的傳遞函數(shù)，是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。假若系統(tǒng)中無(wú)此補(bǔ)償器，則由調(diào)節(jié)器輸出到被調(diào)量之間的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p

66、><p>　　式（2-3）表明，受到控制作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過(guò)純延遲τ之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)償器，則調(diào)節(jié)器與反饋到調(diào)節(jié)器的之間傳函是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即:</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　為使調(diào)節(jié)器采集的信號(hào)不再存在遲延τ，則要求式(2-4)為：</p><p><b

67、>　　(2-5)</b></p><p>　　從上式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　一般稱(chēng)式(2-6)表示的預(yù)估器為Smith預(yù)估器。其實(shí)施框圖如圖2.5所示。 只要一個(gè)與對(duì)象除去純延遲環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)相同的環(huán)節(jié)和一個(gè)延

68、遲時(shí)間等于τ的純延遲環(huán)節(jié)就可以組成Smith預(yù)估模型，它會(huì)削弱甚至消除純滯后對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響。</p><p>　　從圖2.5可以推出系統(tǒng)干擾傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　式中，W1(s)是無(wú)遲延環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。</p><p>　　(2-8)

69、 </p><p>　　由式(2-8)可知，對(duì)于隨動(dòng)控制預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中已消去了e-s項(xiàng)，即消除了純延遲對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。</p><p>　　從圖2.5中可知，Smith預(yù)估補(bǔ)償器由兩部分組成，即一個(gè)是被控

70、對(duì)象除去純遲延后傳遞函數(shù)為的環(huán)節(jié)，另一個(gè)遲延時(shí)間等于的純遲延環(huán)節(jié)。這就是Smith預(yù)估補(bǔ)償器，它將減小甚至消除純滯后對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的負(fù)方面影響，使控制系統(tǒng)品質(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純遲延時(shí)的完全一樣。</p><p>　　圖2.5 史密斯補(bǔ)償系統(tǒng)方框圖</p><p>　　2.5 改進(jìn)型Smith控制理論</p><p>　　我們知道實(shí)際情況下Smith預(yù)估補(bǔ)償控制也有它的

71、一些需要改進(jìn)的地方，比如它在模型不完全匹配時(shí)非常容易受到模型存在的一些誤差的影響。特別是在被控對(duì)象具有時(shí)變性的時(shí)候，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的效果并不理想，更有甚者它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，在這種情況下，它的控制性能甚至不如PI控制。為了解決這一問(wèn)題，我們對(duì)其作出了一些改進(jìn)，在新的控制系統(tǒng)中，有著非常良好的抗干擾性。</p><p>　　2.5.1 抗干擾的史密斯預(yù)估器</p><p>　　如

72、果在Smith補(bǔ)償回路中增加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)W(s)如圖2.6所示，則系統(tǒng)可以達(dá)到完全抗干擾的目的。由圖2.6可以看出被調(diào)量Y(s)對(duì)干擾F(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　圖2-6的Smith補(bǔ)償器可以完全不受擾動(dòng)的影響，下面我們對(duì)圖2.6進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明。通過(guò)上圖我們可以發(fā)現(xiàn)，如果是式（2-10）的形式，就可

73、以完全實(shí)現(xiàn)抗干擾的目的。</p><p>　　若要完全不受干擾F(s)的影響，則只要上式中分子為零，即:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　由此可以得到新增反饋環(huán)節(jié)W(s)為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p&g

74、t;　　再寫(xiě)出上述系統(tǒng)中被調(diào)量Y(s)對(duì)設(shè)定值R(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　圖2.6 實(shí)現(xiàn)完全抗干擾的Smith補(bǔ)償器</p><p>　　將式(2-11)代入式(2-12)后可以得到一個(gè)很有意義的結(jié)論，即</p><p><b>　　(2-1

75、3)</b></p><p>　　這就是說(shuō)如果完全滿足式(2-11)，則系統(tǒng)可完全跟蹤設(shè)定值，而且對(duì)干擾F(s)還可以無(wú)差的進(jìn)行補(bǔ)償。只是完全實(shí)現(xiàn)不是很容易的，但是這個(gè)結(jié)論對(duì)改善Smith補(bǔ)償器的抗干擾能力還是很有意義的。</p><p>　　2.5.2 改進(jìn)型史密斯預(yù)估器</p><p>　　改進(jìn)型預(yù)估器比原方案多了一個(gè)調(diào)節(jié)器，其方框圖如圖2.7所示。

76、圖中設(shè)過(guò)程特性的比例增益K=1，從圖2.7中可以看到，它與Smith補(bǔ)償器方案的區(qū)別在于主反饋回路，其反饋通道傳遞函數(shù)不是1而是W即：</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　改進(jìn)型預(yù)估器比原方案多了一個(gè)調(diào)節(jié)器，但在設(shè)置參數(shù)這一塊非常容易，方便。我們必須把兩個(gè)調(diào)節(jié)器都設(shè)置為PI動(dòng)作調(diào)節(jié)器，在它的控制作用下，系統(tǒng)才沒(méi)有響應(yīng)余差在輸出環(huán)節(jié)。其

77、中，主調(diào)節(jié)器的整定非常簡(jiǎn)單，只需在模型完全匹配的條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)。至于輔助調(diào)節(jié)器的整定似乎要復(fù)雜一些，但經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，輔助調(diào)節(jié)器是在反饋通道上，且與模型傳遞函數(shù)一起構(gòu)成。如果假設(shè)是一階環(huán)節(jié)。且設(shè)，即使調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間等于模型的時(shí)間常數(shù)，則可簡(jiǎn)化為式（2-15）。</p><p>　　經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，輔助調(diào)節(jié)器是在反饋通道上。只需整定參數(shù)，實(shí)質(zhì)上只有中的比例增益需要整定。</p><p>　　通過(guò)理

78、論分析我們可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型史密斯預(yù)估器的穩(wěn)定性明顯要比Smith補(bǔ)償控制方案的要好，而且它沒(méi)有要求太高的模型精度，在提高系統(tǒng)的控制性能方面有很好的效果。在擾動(dòng)下，Smith預(yù)估器非常容易受到模型誤差的影響，而改進(jìn)型方案確有相當(dāng)好的應(yīng)變能力，是一種有希望的改進(jìn)方案。</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　(2-16)&l

79、t;/b></p><p>　　圖2.7 改進(jìn)型史密斯預(yù)估器方框圖</p><p>　　2.5.3 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案</p><p>　　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的本質(zhì)是PID調(diào)節(jié)器不間斷地向補(bǔ)償器傳送信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)作為輸入信號(hào)，隨之補(bǔ)償器發(fā)出輸出信號(hào)。補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)特性與過(guò)程特性有關(guān)，但是過(guò)程特性的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際過(guò)程又不完全相同，所以系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差會(huì)隨著生產(chǎn)

80、過(guò)程的持續(xù)不斷增加，系統(tǒng)會(huì)變得越來(lái)越不穩(wěn)定。通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)中采用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制，可以有效地克服這個(gè)缺點(diǎn)。</p><p>　　增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案方框圖如圖2.8所示。它在Smith補(bǔ)償模型之外加了一個(gè)除法器，一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)和一個(gè)乘法器。</p><p><b>　　由圖2.8所得：</b></p><p><b>

81、　　(2-17)</b></p><p>　　所以 </p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　若τ=，則有：</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p&g

82、t;<p>　　通過(guò)上面的計(jì)算分析我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，增益自適應(yīng)補(bǔ)償器與Smith補(bǔ)償器都有著提高控制性能的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　圖2.8 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案</p><p>　　2.6 PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律</p><p>　　在模擬電子控制技術(shù)中，我們可以使用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器。 </p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器是

83、積分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)的疊加，按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得</p><p>　　式中 ——PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；</p><p>　　——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　圖2.9 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器</p><p>　　由此可見(jiàn)，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。</p><p&

84、gt;　　當(dāng)初始條件為零時(shí)，取式（2-20）兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　令，則傳遞函數(shù)也可以寫(xiě)成如下形式</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　需要注意的是式（2-22）表明，

85、PI調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例微分環(huán)節(jié)來(lái)表示，是微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)，它和積分時(shí)間常數(shù)的物理意義是不同的。</p><p>　　在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性示于圖2.10（a），從這個(gè)特性上可以看出比例積分作用的物理意義。</p><p>　　1. 突加輸入信號(hào)時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，相當(dāng)于兩端瞬間短路，在運(yùn)算放大器反饋回路中只剩下電阻，電路等效

86、于一個(gè)放大系數(shù)為的比例調(diào)節(jié)器，在輸出端立即呈現(xiàn)電壓 ，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長(zhǎng)處。</p><p>　?。╝）PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線 （b）PI調(diào)節(jié)器輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程</p><p>　　圖2.10 PI調(diào)節(jié)器的輸出特性曲線</p><p>　　2. 此后，隨著電容被充電，輸出電壓開(kāi)始積分，其數(shù)值不斷增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩端電壓等于，R1已不起作用，又和積

87、分調(diào)節(jié)器一樣了，這時(shí)又能發(fā)揮積分控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。因此，PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加而成的。</p><p>　　圖2.10（b）繪出了比例積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程。假設(shè)輸入偏差電壓Un的波形如圖所示，則輸出波形中比例部分和成正比，積分部分是 的積分曲線，而PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓是兩部分之和?？梢?jiàn)，既具有快速響應(yīng)性能，又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。除此，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正

88、裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　由以上分析我們發(fā)現(xiàn)，比例積分控制既包含了比例控制的長(zhǎng)處，又結(jié)合了積分控制的優(yōu)點(diǎn)，并且在它們的不足之處都有所改進(jìn)，相互補(bǔ)充。比例控制部分可以快速響應(yīng)控制，而積分部分則可以減小甚至消除穩(wěn)態(tài)偏差。</p><p>　　2.7 控制參數(shù)整定方法的介紹</p><p>　　一個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量與

89、被控對(duì)象的特性、干擾的形式和幅值、控制方案及控制器的參數(shù)等因數(shù)密切相關(guān)。</p><p>　　經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)、分析和總結(jié)，現(xiàn)在已經(jīng)有了一系列成熟的、實(shí)用的工程整定方法?？刂破鲄?shù)工程整定方法有：經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、試湊法、臨界比例度法、衰減曲線法等方法。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要對(duì)試湊法進(jìn)行介紹：</p><p>　　試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程

90、度，一邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行，一邊修改參數(shù)，直到滿意為止。</p><p>　　1. 比例參數(shù)整定：首先采用純比例控制，不考慮積分和微分作用。由小到大調(diào)整比例系數(shù)，直到系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快、有一定的超調(diào)量為止。如果系統(tǒng)靜差在規(guī)定范圍之內(nèi)，且響應(yīng)曲線已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，那么只要純比例調(diào)節(jié)起即可。</p><p>　　2. 積分參數(shù)調(diào)節(jié)：如果比例控制的靜差達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這時(shí)可以加入積分作用。在整定時(shí)將

91、積分時(shí)間常數(shù)逐漸減小，積分作用就逐漸增強(qiáng)。觀察輸出會(huì)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的靜差會(huì)逐漸減小直至消除。反復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次直到消除靜差的速度滿意為止。注意此時(shí)的超調(diào)量會(huì)比原來(lái)加大，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)比例系數(shù)K。</p><p>　　系統(tǒng)采用比例控制時(shí)，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。所以，為了使系統(tǒng)無(wú)靜差，選擇PI控制方式，采用試湊法整定參數(shù)。試湊法在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定過(guò)程中，被廣泛應(yīng)用，主要是由于其操作比較簡(jiǎn)單，通過(guò)在線整定就可以獲得比較理想的

92、控制效果，滿足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　所謂試湊法是指在調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)PID參數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)之間的基本關(guān)系，逐步調(diào)整PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)所期望響應(yīng)的方法。PID參數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)之間的基本關(guān)系如表2-1所示。</p><p>　　表2.1 PID參數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)之間的基本關(guān)系</p><p>　　第三章 加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真研究</p>&l

93、t;p>　　3.1 MATLAB的介紹</p><p>　　經(jīng)過(guò)30多年的補(bǔ)充與完善以及多個(gè)版本的升級(jí)換代，MATLAB現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)包含眾多工程計(jì)算、仿真功能及工具的龐大系統(tǒng)，是目前世界上最為廣泛應(yīng)用的仿真計(jì)算軟件。MATLAB軟件和工具箱（TOOLBOX）以及Simulink仿真工具，為控制系統(tǒng)的計(jì)算與仿真提供了強(qiáng)有力的支持。我這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要運(yùn)用MATLAB中的Simulink這一工具箱對(duì)控制系

94、統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真研究。以下對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹:Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于：它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入的，從而使得用戶把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建而非語(yǔ)言的編輯上。Simulink庫(kù)瀏覽窗口如圖3.1所示，以及圖3.2所示的模型編輯窗口，圖3.3所示的輸出方式等。</p><p>　　圖3.1 Si

95、mulink庫(kù)瀏覽窗口</p><p>　　圖3.2 Simulink模型編輯窗口</p><p>　　圖3.3 Simulink輸出方式</p><p>　　3.2 Smith補(bǔ)償控制控制參數(shù)整定與仿真研究</p><p>　　3.2.1 整定系統(tǒng)控制參數(shù)</p><p>　　本設(shè)計(jì)針對(duì)河南安鋼加熱爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行

96、研究。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下： </p><p><b>　　W=e</b></p><p>　　Smith控制系統(tǒng)參數(shù)整定的Simulink方框圖如圖3.4，Smith控制系統(tǒng)參數(shù)整定后的階躍響應(yīng)圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.4 Smith控制系統(tǒng)參數(shù)整定的Simulink方框圖</p><p>　　圖3.5

97、 Smith控制系統(tǒng)參數(shù)整定后的階躍響應(yīng)圖</p><p>　　當(dāng)K=0.5，K＝0.08 圖3.4所得的階躍響應(yīng)如圖3.5所示。此時(shí)系統(tǒng)無(wú)超調(diào)量，且響應(yīng)較快。</p><p>　　3.2.2 改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制器仿真研究</p><p>　　改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制是在史密斯補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。從理論上講，該方法可以克服任何干擾。本設(shè)計(jì)采用改進(jìn)型Sm

98、ith補(bǔ)償控制方案進(jìn)行研究。</p><p>　　1. 改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制器主控制器參數(shù)整定</p><p>　　改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6中主控制器的參數(shù)根據(jù)估計(jì)模型準(zhǔn)確無(wú)誤差（即=）整定。輔助調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)仿真調(diào)整過(guò)程中整定。</p><p>　　如圖3.7所示，比例系數(shù)取0.5，

99、對(duì)應(yīng)的積分系數(shù)取0.08。對(duì)圖3.7進(jìn)行仿真。</p><p>　　圖3.6 改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.7 主控制器參數(shù)整定Simulink框圖</p><p>　　圖3.8 主控制器參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)采用比例控制時(shí)，取任何值構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)均穩(wěn)定。所以，本被控對(duì)象不能采用穩(wěn)定邊

100、界法整定系統(tǒng)參數(shù)。采用試湊法整定參數(shù)。當(dāng)K=0.5，K＝0.08時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖3.8所示，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)量，響應(yīng)時(shí)間很快。</p><p>　　2. 改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制器輔助控制器參數(shù)整定</p><p>　　被控對(duì)象實(shí)際傳遞函數(shù)為：</p><p>　　W=e (3-1)</p>

101、<p>　　根據(jù)改進(jìn)型Smith預(yù)估器的原理，廣義對(duì)象除遲延部分的傳函為：</p><p>　　W= (3-2)</p><p>　　WT2(s)采用PI調(diào)節(jié)器。所以有：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>

102、;<b>　　令</b></p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　若令Ti2=5，上式可化簡(jiǎn)為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　所以只要整定即可。</b></p>&l

103、t;p>　　圖3.9 輔控制器參數(shù)整定Simulink框圖</p><p>　　圖3.10 輔控制器參數(shù)整定階躍響應(yīng)圖</p><p>　　當(dāng)K=0.0033時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖3.10所示，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)量，響應(yīng)速度也很快。</p><p>　　3. 加入擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)控制研究</p><p>　　在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，往往會(huì)受到不同程

104、度的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)都會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低。增大系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，甚至?xí)窍到y(tǒng)變得不穩(wěn)定，所以對(duì)加入擾動(dòng)后系統(tǒng)的仿真研究很有必要。接下來(lái)我們把Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)和改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)加入系統(tǒng)進(jìn)行仿真，看看在它們?cè)诟蓴_的情況下，能不能有很好的抗干擾性。當(dāng)加入擾動(dòng)時(shí)，仿真結(jié)果如下圖3.12所示。</p><p>　　圖3.11 加入擾動(dòng)時(shí)Smith控制器Simulink框圖</p&

105、gt;<p>　　圖3.12 加入擾動(dòng)時(shí)Smith控制器響應(yīng)圖</p><p>　　從上邊的仿真結(jié)果我們可以看出，如果把干擾加入到Smith控制系統(tǒng)中，它的控制效果非常不理想，有著非常強(qiáng)烈、明顯的波動(dòng)。并且從圖中我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)震蕩在很長(zhǎng)時(shí)間后也沒(méi)有停下來(lái)。 </p><p>　　圖3.13 加入擾動(dòng)時(shí)改進(jìn)型Smith控制器Simulink圖</p><p&g

106、t;　　圖3.14 加入擾動(dòng)時(shí)改進(jìn)型Smith控制器響應(yīng)圖</p><p>　　從以上圖3.12、3.14兩圖中可以得出：當(dāng)Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)和改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)有了干擾加入時(shí)，Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間后才有了一些不太顯著的效果，但是后者在干擾加入系統(tǒng)時(shí)并沒(méi)有明顯的上下波動(dòng)（超調(diào)量），它在大概30s后就已經(jīng)非常穩(wěn)定，這說(shuō)明改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)反應(yīng)非常迅速，而且對(duì)干擾有著非常

107、好的抵制作用。通過(guò)上邊比較結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)和Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)有很好的抗干擾能力。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　加熱爐溫度控制的方法有很多種，通過(guò)以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在具有大時(shí)間滯后的系統(tǒng)中，PID控制算法并不能夠完全控制，在模型匹配時(shí)可以發(fā)揮作用，但是其控制的動(dòng)態(tài)性能非常不穩(wěn)定，不能滿足生產(chǎn)的要求。一

108、旦模型不能匹配時(shí)，PID算法就發(fā)揮不了太大的作用了。而Smith預(yù)估算法比起PID算法有著許多優(yōu)勢(shì)，在模型匹配時(shí)有著非常好的動(dòng)態(tài)性能，但是它有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，必須要求模型的精確匹配，可是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中做到這個(gè)非常難。如果這個(gè)模型失去精確的匹配時(shí)，Smith預(yù)估算法就發(fā)揮的作用就非常有限，所取得的控制效果也非常不理想。但是對(duì)于Smith預(yù)估算法來(lái)說(shuō)，不僅僅是在模型匹配時(shí)，可以使系統(tǒng)保持一定的動(dòng)態(tài)特性，而且在模型沒(méi)有完全匹配的時(shí)候也能夠

109、使系統(tǒng)快速收縮，其穩(wěn)定性和魯棒性比較好，只是存在稍微的超調(diào)量。從上邊的仿真結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，在模型失去匹配時(shí)，改進(jìn)型Smith算法依然有著非常好的穩(wěn)定性和魯棒性。因此，在大時(shí)間滯后系統(tǒng)中，改進(jìn)型Smith算法是一種比較有效的控制方法。 </p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　我的畢業(yè)設(shè)計(jì)在我指導(dǎo)教師宋強(qiáng)老師的的細(xì)心指導(dǎo)和孜孜不倦的教導(dǎo)下完成的。

110、宋老師在他沒(méi)有課程的時(shí)候?qū)⑽覀冞@一組的成員聚集到一起為我們講解疑惑，當(dāng)我在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到難題的時(shí)候，我向老師提出我的疑問(wèn)，他總是為我解答，如果遇到他不擅長(zhǎng)的領(lǐng)域時(shí)，他會(huì)給予我一些提示或幫我查閱相關(guān)的資料為我答疑。正是他那種嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度，讓我在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不愿懈怠下去， 而是積極的去學(xué)習(xí)。同時(shí)也感謝我們這一組的成員，在遇到一些問(wèn)題時(shí)，我們會(huì)在一起討論，正是他們的一些意見(jiàn)與幫助，讓我在通向成功設(shè)計(jì)的路上更進(jìn)了一步。在作畢業(yè)設(shè)計(jì)、寫(xiě)畢

111、業(yè)論文期間，宋強(qiáng)老師對(duì)我所犯的錯(cuò)誤從來(lái)都沒(méi)有過(guò)太過(guò)嚴(yán)厲的批評(píng)，而是非常耐心的教導(dǎo)我怎樣從錯(cuò)誤中找出原因，從而去分析為什么會(huì)有這些錯(cuò)誤，以及怎樣減少錯(cuò)誤。宋老師循循善誘，明確做到了“授人以魚(yú)，不如授人以漁”的教導(dǎo)方法，大大第煅煉了我的獨(dú)立思考和分析能力，他教會(huì)了我怎樣認(rèn)真獨(dú)立的完成一件事情。宋老師教給我的這些東西讓我我受益終身。因此在這里，我對(duì)宋老師高尚的品格和誨人不倦的美德致以最誠(chéng)摯的謝意！</p><p>　　

112、同時(shí)感謝我得父母在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)給我的關(guān)懷和無(wú)私的幫助。</p><p>　　最后向在百忙之中抽出時(shí)間來(lái)參加我畢業(yè)答辯的老師、教授們表示由衷的感謝，你們辛苦了！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]孟華.工業(yè)過(guò)程檢測(cè)與控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2002．</p><p&g

113、t;　　[2]楊為民，鄔齊斌．過(guò)程控制系統(tǒng)及工程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008．</p><p>　　[3]何克忠．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008．</p><p>　　[4]張國(guó)良，曾靜，柯熙政，鄧方林．模糊控制及其MATLAB應(yīng)用[M].西安，西安交通大學(xué)出版社，2007．</p><p>　　[5]莫彬．過(guò)程控