（控制理论与控制工程专业论文）大型台车式电阻炉温度自适应控制系统.pdf

大型台车式电阻炉自适应控制系统 摘要 电阻炉热处理过程通常呈现严重大纯滞后、非线性、时变性，而且大型台车式电阻炉由于加热 空间大，温度场存在强耦合、现场强干扰，给温度控制带来极大的不确定性，严重影响产品质量。 因此，成功解决电阻炉温度控制问题以满足热处理工艺要求具有重要的现实意义。 本文首先介绍了我国电阻炉温度控制的现状、发展趋势及存在的问题。着重分析了大型台车式 电阻炉热处理过程中温度控制所面临的问题。 其次根据热处理工艺的要求，完成了基于现场总线技术，集检测、控制和管理等功能为一体的 自动化系统的开发。整个系统采用二级计算机控制方式，基础自动化级采用西门子公司s 7 2 0 0 系 列p l c ，实现对对台车、电源车的运行以及砂封、炉门升降和密封的控制。监控级为台湾研华生产 的j f ：业控制机，完成对系统的组态、监控、报警、制表等功能。系统操作简便，画面动感宜观，并 具有高适应性、高可靠性和高稳定性等特点。 本系统利用计算机高速、便于进行复杂计算的优势，替代普通控制仪表，实现了对2 7 个加热区 的温度控制，保证了这些加热区能同步、协调工作，现场参数整定简单方便；控制器输出经过独特 的限幅技术，实现了温度的局部微调，较好的解决了炉内温度不均匀的问题，达到了大型工件表面 温差l o 的工艺要求。 针对现场环境恶劣，温度信号传输距离较长、干扰强等特点，系统利用热电偶温度采集专h 模 块将温度信号直接转化为对应的温度数字信号，提高了测量精度。另外，通过对温度采集专用模块 的输入端采取抗_ i ；f 扰措施，有效地消除了传输线上较强的干扰信号，提高了系统的抗干扰性。 通过对大型台车式电阻炉热处理过程的理论分析，针对电阻炉温度具有严重的非线性、强耦合 这一难题，本文采用先进的增益白适应s m i t h 预估补偿控制算法，解决了电阻炉温度控制时滞性强、 参数不确定性大、易受随机因素影响等问题，提高了控制的稳定性和精度，取得了满意的效果。 本文主要研究成果是：通过对大型台车式电阻炉的研制，解决了大型热处理设备制造过程中的 关键技术问题，有利于对温度均匀和精度要求较高的热处理工艺的发展，提高了压力容器等设备的 质量，推动了热处理加工行业的生产自动化，为大型化热箍理设备的制造及改造提供了成功的经验。 关键词：大犁台车式电阻炉、自适应控制、温度控制、热处理 大型台车式电阻炉自适应控制系统 a b s t r a c t t h en o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n dl a g g i n gu s u a l l ya p p e a r ss e r i o u s l yi nt h ep r o c e s so fh e a tt r e a t m e n t ， a n dt h el a r g eb o g i e - h e a r t hr e s i s t a n c ef u m a c eh a sm a n yc h a r a c t e r ss u c ha ss 仃o n gc o u p l e n e s s d i s t u r b a n c ei n t h ef i e l da n ds oo nb e c a u s eo fi t sl a r g eh e a ts p a c e s oi tb r i n g sag r e a td i f f i c u l t i e sf o rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h es u c c e s s f u ls o l u t i o nt o c o n t r o lt h ef u m a c et e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to f i n d u s t r yi so fi m p o r t a n c e f i r s t l y , t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，d e v e l o p m e n tt r e n d sa n dp r o b l e m s a b o u tt h ea p p l i c a t i o no f t e m p e r a t u r ec o n t r o lo f l a r g eb o g i e h e a r t hr e s i s t a n c ef u r n a c e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fh e a tt r e a t m e n t ，aa u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt ot e s t c o n t r o la n dm a n a g eb a s e do nf i e l db u st e c h n o l o g yt h es y s t e mi sc o m p o s e do ft w ol a y e r so fc o m p u t e r c o n t r o ls t r u c t u r e ，b a s i ca u t o m a t i o ni sc o m p l e t e dt oc o n t r o lt h ea c t i o no fb o g i ea n dp o w e rc a r t a g e ，l i f ta n d s e a lo fs a n ds i e v eg r a d i n ga n df u r n a c e sg a t eb ys i m e np l c s u p e r v i s o ri sm a d eu pw i t hi n d u s t r i a l c o m p u t e rf r o my a n h u ac o r p o r a t i o no ft a i w a n ，a n df u l f i l l sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sc o n f i g u r a t i o n ， s u p e r v i s i o n ，a l a r m ，t a b l e ，e t c t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi so p e r a t e ds i m p l yw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f a c t i v ep i c t u r e s ，h i g ha d j u s t a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , a n dh i g hs t a b i l i t y t ot a k e a d v a n t a g eo fc o m p u t e r sh i g hs p e e da n dc a p a b i l i t yo fc o m p l e xc a l c u l a t e ，c o m p u t e ri s s u b s t i t u t e df u rc o m m o nc o n t r o li n s t r u m e n ti nt h es y s t e m ，t e m p e r a t u r ei n2 7h e a tz o n e sa r ec o n t r o l l e d ， e n s u r e s s y n c h r o n i z a t i o n ，w o r ki nh a r m o n ya m o n gt h e s ez o n e s ，i ti ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tt ot u n e p a r a m e t e r s b yaa d d i n gu n i q u el i m i t e rt oe v e r yo u t p u t ，i ta c h i e v e si na d j u s t i n gl o c a lt i n yt e m p e r a t u r e ， p r o v i d e sab e t t e rs o l u t i o nt ot e m p e r a t u r eg r a d i e n t s ，a r r i v e sa tt e c h n i c sr e q u e s td i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ei n s u r f a c eo f b i gw o r k p l a c es 1 0 ( 7 a i m e da tb a de n v i r o n m e n t ，l o n gd i s t a n c eo f t r a n s f e r r i n gt e m p e r a t u r es i g n a l ，s t r o n gd i s t u r b a n c ea n ds o o n ，t e m p e r a t u r es i g n a l i sd i r e c t l yt r a n s l a t e di n t oi t sd i g i t a ls i g n a lb yt h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r e c o l l e c t i o n m o d u l e ，a n dm e a s u r i n ga c c u r a c yi si n c r e a s e d i na d d i t i o n ，b yt a k i n gr e j a c t i n gd i s t u r b a n c em e a s u r ei ni n p u t u n i to ft h em o d u l e ，i ti se f f e c t i v et or e m o v es t r u n gd i s t u r b a n c ef r o mt r a n s m i s s i o nl i n e ，t h ea b i l i t yo f r e j e c t i n gd i s t u r b a n c ei si m p r o v e d t h r o u g he x h a u s t i v ea n ds y s t e m i ct h e o r ya n a l y s ef u rh e a tt r e a t m e n tp r o c e s si nt h el a r g eb o g i e - h e a r t h r e s i s t a n c e ，a i ma tt h ed i f f i c u l tp r o b l e mt h a tt h et e m p e r a t u r eh a ss e r i o u sn o n l i n e a r i t ya n ds t r o n gc o u p l e ，a g a i na d a p t i v es m i t hp r e d i c t o ri sa d o p t e di nt h ep a p er ，i ts u c c e s s f u l l ys o l v e sp r o b l e m s ：l a g g i n g ，p a r a m e t e r u n c e n a i n t nb es u s c e p t i b l et ob ei n f l u e n c e db yc a s u a lf a c t o r s e n h a n c e st h es t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no f c o n t r o l s y s t e ma n da c h i e v e ss a t i s f a c t o r ye f f e c t t h ep r o d u c t i o no f t h ep a p e rf o l l o w s ：t h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e mi ss e t t l e ds u c c e s s f u l l yi nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r i n gg r e a th e a tt r e a t m e n te q u i p m e n tb yd e s i g n i n gt h el a r g eb o g i e h e a r t hr e s i s t a n c ef u r n a c e ，t h e d e v e l o p m e n to fh e a tt r e a t m e n tt e c h n i c sr e q u i r i n gh i g ht e m p e r a t u r ea s y m m e t r ya n dp r e c i s i o ni sf u r t h e r e d ， t h eq u a l i t yo fp r e s sv e s s e la n ds oo ni sg r e a t l yi m p r o v e d ，p r o d u c t i o na u t o m a t i o ni sp r o m o t e di nh e a t 大型台车式电阻炉自适应控制系统 t r e a t m e n tm a c h i n i n gi n d u s t r y , a n dt h em a t u r et e c h n o l o g ya n dt h er e l i a b i l i t yr u n n i n ge x p e r i e n c eo ft h e d e v i c ec a l lg i v es u c c e s s f u le x p e r i e n c ef o rm a n u f a c t u r i n gg r e a th e a tt r e a t m e n te q u i p m e n ta n da l t e r a t i o n w r i t t e nb yz h uq i n d i r e c t e db yl o n gw e t ( p r o f ) k e y w o r d s ：l a r g eb o g i e h e a r t hr e s i s t a n c ef u r n a c e ，a d a p t i v ec o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，h e a tt r e a t m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：扭粤 签字日期： “年f 月r p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名：东话 签字日期：淅年占月，2 日 签字日期：z “年6 月f 二日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 大型台车式电阻炉自适应控制系统 第l 章绪论 1 1 课题来源 本课题是根据南京化学工业公司化工机械厂“1 5 m 5m 5 5m ”台车式电阻炉招 标技术要求和经济合同而设计制造的大型热处理设备计算机温度控制系统，由南昌大学 信息工程学院自动化系实施，并列入南昌市2 0 0 4 年重点科技攻关计划研究项目。课题 于2 0 0 4 年初完成，同年9 月通过江西省科技厅鉴定，并获得2 0 0 4 年南昌市科技进步三 等奖。 南京化学工业有限公司创建于1 9 3 4 年，在1 9 9 8 年国家重大产业重组中成为中国石 化集团成员单位，其所属化工机械厂( 简称南化机) 是我国第一台高压容器的“故乡”， 是原化学工业部制造化肥、化工、石油化工等大型装置的专业化生产企业。多年来，该 厂一直致力于我国化肥、化工、石油化工等行业的大型装置的国产化，现又被中国石化 集团公司确认为重大装备国产化制造基地、检修服务基地和石油化工机械出口基地。该 厂的专业主导产品之一一压力容器，而确保该产品质量的技术关键就是热处理。台车式 电阻炉作为压力容器热处理的主要热加工设备，其炉体结构与控温精度直接影响产品的 质量“1 。同时为了顺应大型化和超大型化压力容器的热加工处理要求，台车式电阻炉也 正朝着大型的方向发展。该厂审时度势、顺应时代的需求，在2 0 0 3 年投资制造“1 5 y x 5 m 5 5 m ”台车式电阻炉。 1 2 课题简介 大型全纤维台车式电阻炉是用于对各类材质化工反应罐进行热处理的设备，其最高 工作温度为1 1 0 0 。c ，工作区尺寸为1 5 m x 5 m 5 5 m ( 长宽x 高) ，全纤维节能电加热炉， 总安装功率4 5 0 0 k w ，最大装料2 5 0 吨，与传统的大型台车式电阻炉相比，该大型台车式 电阻炉工作温度高、工作空间大、安装功率大等，为国内目前最大的高温台车式电阻炉 ( 2 0 0 4 、9 通过鉴定) 。 电阻炉工作包括开炉、加热和停炉三个阶段。其中： 开炉：将所处理的工件放在台车上，由台车将工件运送到炉膛，然后炉门闭合，侧 砂封密封，台车尾部密封，并接上台车电源使电炉进入加温状态； 加热：工件进行热处理过程： 停炉：关闭计算机控制系统，停止加热，使侧砂封下降、电源车脱离、后墙密封上 升，使炉门放松、炉门上升、台车开出，出料，台车返回炉膛，炉门下降。 大型台车式电阻炉自适应控制系统 本课题研究电阻炉加热阶段温度的自动控制，实现工件按给定的工艺曲线自动进行 热处理。 1 3 本文的主要研究内容及方法 本文主要任务是研究设计出一套性能良好的温度控制系统( 硬件构成和软件实现) ， 实现大型全纤维台车式电阻炉温度的自动控制，满足工艺要求。主要研究内容及方法如 下： ( 1 ) 由于电阻炉加热空间大，大加热工件的热惯性等原因，加热过程中呈现出大 纯滞后、非线性、强偶合的特点。根据这些特点，研究和制定智能控制策略，然后利用 m a t l a b 的s i m u l i n k 进行仿真，将仿真结果与常用的p i d 控制、s m i t h 预估补偿进行对比分 析，优化参数，最后确定控制策略。 ( 2 ) 根据工艺要求，结合计算机控制理论提出系统方案设计。主要包括：硬件元 器件的选型、系统软件平台的选择、系统总体结构的组成等。 ( 3 ) 根据所确定的控制策略，基于组态软件一组态王6 0 3 平台开发设计出智能控 制器，以满足工艺要求。 ( 4 ) 结合用户需求设计软件监控程序，并进行软件与硬件的联合调试，并对系统 进行检测和优化，使系统达到设计目标。 ( 5 ) 到现场调试运行，并根据现场运行情况完善系统，最后交付用户使用。 大型台车式电阻炉自适应控制系统 第2 章课题背景和研究现状及发展趋势 2 1 课题背景 南京化学工业有限公司其专业产品大型反应罐，为确保其产品质量，最基本的一点 是消除应力。通常的做法是采用焊后热处理( p o s t - - w e dh e a tt r e a t m e n t ，简称p w h t ) ， 也称去应力退火。1 。热处理是保证工件性能的重要工艺过程，它对工件的制造精度、强 度、工作寿命、性能有着直接的影响。 进行热处理时，首先要确定热处理装置一加热装置。加热装置的选用主要从三个方 面进行考虑：热处理部件的结构特点。能够控制被加热部分所要求的温度。加热 时对被加热件不产生有害影响。本课题考虑到该设备是为解决大型反应罐的退火、正火、 调质及固溶处理工艺，其加工工件之大，重量之重，故采用大型台车式电阻炉。 2 1 1 电阻炉简介 炉子m 是综合应用燃烧学、燃烧技术、传热学、热力学、流体力学、耐火材料学、 电工学、材料力学等技术制造并使用的设备。所以，难于按某个统一要求将炉子进行分 类，从不同角度有不同的分类。 按热源分为直接加热和间接加热。其中：电加热中的直接加热是直接将电流通过被 加热件，间接加热是将电流产生的热能传给被加热件。 根据加热方式分为电阻加热，红外线加热、电弧加热、感应加热、电介质加热、微 波加热、电子束加热和等离子加热等。 其中用于工业炉的主要为电阻加热，电弧加热、感应加热、等离子加热。本课题研 究电阻炉。 2 、电阻炉的种类 电阻炉按功能分： 倾斜式台车炉 主要适用中型、小型零件的淬火处理，如不锈钢的固溶处理、碳钢淬水处理等。 井式电阻炉 适合细长类( 轴) 零件的退火、回火、正火处理，也可满足一般调质工艺要求。电 炉采用立式结构，外层钢板，内用型钢支撑，保温材料采用耐火砖和保温砖。炉盖的开 启方式多样，大型电炉可采用机械方式两边对开，中小型采用单臂液压顶升，向- n 旋 开。低温炉炉盖上一般安装一台循环风机。炉内加热元件可采用螺旋形电阻丝搁在搁丝 大型台车式电阻炉自适应控制系统 砖上，也可采用电阻带吊挂式挂在炉壁。 坩埚熔化炉 本系列坩埚熔化电阻炉的炉壳是由型钢及钢板焊接的，耐火砖的炉衬与炉壳之间砌 有保温砖及填满保温粉，由高电阻合金丝烧成螺旋状的加热元件布置在炉衬周围的搁砖 上，坩埚由耐热钢铸成。炉面板上装有两个半园形可灵活开闭的炉盖，炉温控制的是 加热器部分温度。 双体坩埚熔铝保温炉 双体坩埚熔铝炉主要是为铝合金铸造行业度身定做的，能实现一个坩埚熔炼另一个 坩埚浇铸。实现了熔炼与保温浇铸一体化，双坩埚一炉身，加热元件采用电阻丝，保温 材料是耐火砖，温度控制采用双套仪表，双套电器元件一个控制柜。 井式气体渗碳炉 井式气氛渗碳炉现己形成系列标准产品，最高使用温度9 5 0 。c ，功率从2 5 k w 一1 0 5 k w ， 炉罐、装料筐材料有二种，一般采用耐热铸钢，高级的可采用耐热钢板焊接面成。炉顶 部有一台轴流风机，有机液滴注装置也装在顶部，炉盖上下运动是靠液压油缸实现的， 炉盖打开后可吊入工件，炉罐与炉盖之间的用石棉盘根( 现也有用耐火纤维盘根) 密封。 网带式保护气氛退火钎焊炉 温网带式电炉的最高使用温度可达1 1 0 0 。适用不锈钢的淬火。退火处理。处理 后工件不氧化、不变色。适合小零件的光亮热处理。 箱式电炉 r x 系列箱式电阻炉系周期式电炉。主要用于金属或合金钢件在空气中加热及淬火之 用。炉门升降采用手动，一般常用温度有9 5 0 、1 2 0 0 。c 、1 3 0 0 。c 等。 台车式电阻炉 该电炉主要可供大型零件进行退火、正火、回火、淬火处理，对要求不高的零件有 时也可满足调质工艺需要。电炉外壳为碳钢，内采用轻质耐火材料砌制。下面小车可安 放工件，台车工作时进入炉体，淬火时可电动开出。减轻了劳动强度。 2 1 2 全纤维台车式电阻炉介绍 台车式电阻炉是借助台车移动实现进出料的间接加热设备。加热前台车在炉外装 料，加热时台车传动机构将台车拉入炉内，加热后由台车传动机构将台车拉出炉外卸料， 使用灵活、方便，且工人的劳动强度低，是大件集中加热的一种理想炉型。高温全纤维 台车电阻炉的主要特点：采用轻型炉衬结构即高铝耐火纤维针刺毯及普通耐火纤维针刺 大型台车式电阻炉自适应控制系统 复合材料，炉子的蓄热及散热损失少，升温速度快，节能效果显著。 2 1 3 大型全纤维台车式电阻炉介绍 大型高温台车式电阻炉为全纤维结构，通过对纤维的二次加工和在加工过程中预埋 紧固件，以及加热器挂条采用冷端固定等方法，做到了全纤维炉炉衬无钢制短路件，充 分发挥了全纤维的特点，大大减少了炉子的热损失。经测试炉壳表面温升仅2 0 ，远低 于电阻炉表面温升不大于5 0 的规定。 台车热面安装了厚度仅6 毫米的新颖炉底板，比传统炉底板节约材料4 5 。炉底瓦 楞形通风式的设计，使台车上1 5 0 0 k w 的加热器功率充分散发到炉膛中，减少了热屏敝， 大大提高了热效率。 电源小车和炉体密封的独特设计，解决了台车炉电源接触不良和热态下热伸长引起 的起弧问题，保证了台车炉的密封，使台车炉运行稳定、安全可靠。 2 2 台车式电阻炉温度控制发展及趋势 2 2 1 台车式电阻炉温度控制的研究 热处理工艺对温度实时控制的要求是所设计的控制器应具有较强的跟踪伺服信号 的能力及良好的稳态性能，平稳的动态性能。即要求温度控制系统能够满意地跟踪设定 的温度曲线。电加热炉温度研究与应用”3 经历了几个阶段： 1 模拟p i d 控制方案 采用这种方案，每个炉子要用p i d 仪表构成闭环控制，如果炉子比较多，所需p i d 仪表的数量也成倍数的增长，相应的成本也将随之增加，并且这种仪表调节不方便，升 温过程缓慢，且难以保证温度控制精度。 2 数字p i d 控制方案 使用p i d 算法，具有算法简单、参数调整方便，并有一定的控制精度的特点，是较 为普遍采用的控制算法。这种方法也有其局限性：? i o 算法只有在系统模型参数为非时 变的情况下才能获得理想的效果，当一个调好参数的p i d 控制器被应用到模型参数时变 的系统时，系统的性能会变差。针对这些不足，有人提出了直接数字化( d d c ) 控制， 非线性p i d 控制算法，在实际应用中取得了一定的成果。 随着控制理论和控制技术的发展，以模糊控制、专家系统控制、神经网络控制等为 代表的智能控制技术被广泛应用于工业控制领域，并取得了良好的效果。现在，人们正 在探索用它来解决电阻炉温度的控制问题。本文就是其中的一类。 大型台车式电阻炉自适应控制系统 2 2 2 台车式电阻炉温度控制现状及发展趋势 目前电阻炉温度控制主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的 被控对象，常规p i d 控制方法难以满足工艺温度在大范围变化时的控制要求。当工艺温 度大范围变化时，需要温控系统中p i d 参数随炉温变化而改变，否则被控温度会在一定 范围内振荡。另外采用常规p i d 控制，使得系统的动态品质差，超调量大、调节时间长， 系统的跟踪性差。现虽有电阻炉计算机控制，但用的多的控制方法依然是p i d 控制，由 于控制参数选择的相互影响，不能保证随机调节性能和跟踪性能均优。 实践表明，对于电阻炉这样的被控对象，由于炉温动态特性具有容积滞后大“，温 度上升和下降呈严重不对称性以及对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是与工作 温度有关的变参数，因此，目前普遍使用的p i d 控制器只能在工作点附近的小范围内改 变给定值，否则，控制器难以适应，需重新整定p i d 参数。 随着现代工业技术的发展，对热处理温度控制提出了越来越高的要求。为了适应工 业要求，已有不少学者研究了一些先进控制策略，实现了许多相对复杂的高级控制算法。 文献“3 提出了用随机调节性能和跟踪性能均优的组合自校正与调节时间短、超调量 小的分区积分控制相结合的控制方法进行电阻炉温度控制，并研制了相应的温度控制装 置。但是由于加热炉工况、运行条件和环境因素等影响加热炉模型精确性，控制效果受 到了限制。 文献叩3 提出了在现代化轧机控制中，引入在线参数估计机制和离散化模型，通过运 用广义最小方差控制策略建立相应的冶金加热炉自适应控制系统，并根据某轧钢厂的运 行数据进行了仿真研究，表明该控制算法能获得较好的控制效果。 文献”1 提出了一种在线修改遗忘因子的模糊辨识方法的基础上，以工业电炉为控制 对象，通过在线辨识模糊模型获得模糊控制规则，实现了模糊自适应控制。实践表明， 采用该方法，有效地改善了控制系统的性能，提高了系统的鲁棒性。 文献呻1 提出了基于自适应零极点配置控制技术，设计了热处理电阻炉温度的计算机 先进控制系统，克服了零极点配置控制器的缺点。实际应用表明，自适应零极点配置控 制器能以快速、平稳、高精度的优越性能对热处理电阻炉温度进行控制，具有鲁棒性好 等优点，并取得了满意的控制结果。但对于对象特性变化较大，则应重新启动参数估计 器，待参数收敛后，就停止估计的缺点。 文献。3 提出了在带钢热连轧生产过程中，温度是个十分重要的因素，准确的计算 板坯的出炉温度是提高轧机计算机控制精度的重要前提。为了提高板坯出炉温度的控制 6 大型台车式电阻炉自适应控制系统 精度，比较先进的计算机控制模型一般采用加热炉计算机最佳化模型对板坯进行加热控 制。所谓最佳化控制，就是根据不同材质板坯的目标抽出温度和最佳加热曲线，确定其 在各炉段段末的板坯目标加热温度。但是由于存在仪表误差和系统特性的变化，单纯依 靠最佳化模型本身来实现计算机控制出炉温度，其控制精度是有限的。 上面几种控制系统研究的被控对象都是中、小型电阻炉，通过在线参数估计机制的 方法获得较为精确的数学模型。本课题研究对象一大型台车式电阻由于加热空间大，大 加热工件的热惯性等原因，往往单纯的使用一种控制方法很难得到良好的控制效果。考 虑到自适应控制是针对对象模型参数增益变化，而且随着系统行为的变化，自适应控制 也会相应地改变控制器的参数，以适应其特性的变化，保证整个系统的性能指标达到令 人满意的结果：而传统p i d 控制具有简单、容易实现等优点，本文制定了将自适应控制 与p i d 控制原理相结合的控制策略一自适应p i d 控制，该控制方案能够取长补短，发挥 两种控制算法各自的优势，获得良好的效果。 大型台车式电阻炉自适应控制系统 第3 章自适应p i d 控制的理论基础 3 1 引言 p i d 控制算法是工业控制领域中应用最广的一种算法，该算法简单、适应性强、具 有一定的鲁棒性，能够满足一般生产过程的要求。但它的控制质量还存在一些问题，如 在某一状态下整定为最优的一组p i d 参数在另一种状态下不一定是最好的，因此普通的 p i d 调节器不能满足实时控制的动态要求o 。理论上可以知道，现代控制理论如自适应 控制、自校正控制、最优控制等算法确实可以克服系统的非线性，提高调节器的某些性 能，但它们是建立在对象精确的数学模型上，算法复杂，运算量大，实时控制效果有时 还不如普通的p i d 控制。随着系统复杂程度的提高，难以满足实时控制要求的精确的数 学模型。p i d 调节器的性能主要取决于它的参数整定，如能在实际控制过程中实时改变 p i d 的参数使其达到更优的控制效果，这便是本章所要研究的问题。 3 2 常规p i d 控制简介 传统的p i d 控制算法中有p i d 位置式算法和增量式算法。p i d 位置式算法中积分项 控制作用过大将出现积分饱和，增量式算法中微分项和比例项作用过大会出现微分饱 和，从而使系统出现超调和持续振荡，动态品质变坏。控制理论表明：p i d 控制器的三 个参数有着明确的物理意义，对系统动、静态特性的影响各不相同，且相互制约，其中 k p 主要影响响应速度，k p 越大响应越快，但太大会引起较大的超调，振荡、甚至不稳 定；k i 主要影响静态精度，起消除静差的作用；k d 主要改善动态特性，增大微分作用 可以加快系统响应，降低超调，增强系统的稳定性，但k d 过大会使系统抗干扰能力下 降。下面主要介绍几种改进的p i d 控制算法。 3 2 1 积分分离式的p i d 算法 积分分离式的p i d 1 算法在位置式算法中的积分项上增加一个逻辑函数五z ，使位置 式算法变为： k - 1 y ( 七) = k ，e ( 七) + k 。k ，p ( ，) + k d ( 8 ( 七) 一p ( 七一1 ) ) ( 2 1 ) 其峨= 毙 当8 ( 七) s a 时 当e ( k 1 - a 时 p ( ) 一第k 次采样时的系统偏差值，它等于给定值与测量值之差 大型台车式电阻炉自适应控制系统 e ( k l 卜一第k 一1 次采样时的系统偏差值 k p 一调节器的比例系数 k i 一调节器的积分系数 k d 一调节器的微分系数 这是一种简单的变参数p i d 算法，当偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给 定值时，才加入积分作用。采用这种控制方式，可以避免积分饱和造成的系统大超调， 同时可保证系统的稳态定位精度。但这种算法中阐值丑的选择对系统的性能影响较大， 若切换点离给定值态远，则可能引起积分饱和，造成系统振荡；切换点离给定值态近， 则系统可能进不了积分区，造成较大的静差。 3 2 2 带死区的p i d 算法 设给定值为r ，输出值为y ，为了避免控制系统动作过于频繁，消除由于频繁动作 而引起振荡，人为设定了一个死区b 。 b = l r y l 其控制算法为 川护 ：h 靠譬! ： y ( k ) = y ( k 一1 ) + a y ( k ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) a y ( k ) 是增量式控制算法所确定的输出控制量。死区b 值的大小，对系统的性能影 响很大，b 值太小，调节过于频繁；b 值太大，系统会产生很大的滞后。 3 2 3 适应性p i d 算法 所谓适应式的p i d 算法是指在不同的工作区域设置不同的p i d 参数。通常是把被控 对象的运行区域分成若干子域，分别计算每个子域交界点上的p i d 参数，并存入微机存 储器。运行时首先确定工况点所在的子域，然后通过插值方法得到工况点的p i d 参数。 从理论上分析，这种p i d 算法可以改善控制系统调节过程的运行性能，但它需要大量实 验才能获得每个子域边界点的p i d 参数这种p i d 算法缺乏推理机制，实际上是一种多 参数的固定式p i d 调节器，因此它的使用范围受到很大影响。 9 大型台车式电阻炉自适应控制系统 3 3 自适应控制理论 3 3 1 自适应控制简介 自适应控制理论”是现代控制理论的一个重要分支。它在本世纪六十年代初建立于 美国，在七十年代末传人我国。由于近十年来电子技术与计算机技术的飞速发展，使自 适应控制理论的研究与应用有了实质性的进展。 自适应控制直观地来讲是能实现修正自己的特性来适应对象和扰动的特性变化。任 何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时 表现在系统外部。因此，自适应控制的主要对象是具有一定程度不确定性的系统，其中 包含被控对象及其环境的数学模型不确定以及一些未知因素和随机因素。 实际上，多数实际对象的动态特性是不太清楚或者是随时间有较大变化的。常规反 馈控制器可以克服对象所受到的小的干扰和动态特性发生的小的变化的影响。而当对象 参数和干扰发生显著变化时，需要采用具有适应能力的控制器，才能满足高精度的要求。 具有适应能力的控制器叫做自适应控制器；采用了自适应控制器或自适应机构的自动控 制系统叫做自适应控制系统。 3 3 2 自适应控制的含义及工作原理 在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。 参 给 3 i 自适应控制原理图 自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，而且随着系统行为的变化， 自适应控制也会相应地改变控制器的参数，以适应其特性的变化，保证整个系统的性能 指标达到令人满意的结果。 自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，它能够认识环境条件的变化，并 大型台车式电阻炉自适应控制系统 自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。 自适应系统比常规的反馈控制系统多了一个附加的反馈回路，叫做自适应回路。根 据希望的指标与实际的指标的偏差，自适应机构来修改控制器参数或产生一个附加控制 信号，使得系统的性能指标保持或接近希望的性能指标。反馈控制是为了消除实际对象 的状态所受到的外界干扰；自适应控制是为了消除实际对象自身动态参数变化的作用。 自适应控制系统包括四个部分： ( 1 ) 基本的调节控制反馈回路； ( 2 ) 系统的准则给定； ( 3 ) 实时在线辨识： ( 4 ) 实时修正调整机构。 3 3 3 自适应控制系统理论发展 自从5 0 年代末期由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来“，近1 0 年 来随着控制理论与计算机技术的迅速发展，自适应控制亦得到了很大发展，形成了独特 的方法与理论，先后出现过许多不同形式的自适应控制系统：如模型参考自适应控制系 统、自校正控制系统、自寻最优控制系统、变结构控制系统和智能自适应控制系统。但 从理论成果是否丰富和应用是否广泛来评价，自适应控制系统大致可分为：增益自适应 控制；模型参考自适应控制( m o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o l ，简记为m r a c ) ；自校 正控制( s e l f t u n i n g c o n t r o l ，简记为s t c ) ：直接优化目标函数自适应控制。但目前理 论上系统应用较多的两类是m r a c 和s t c 。自适应控制系统与其他系统的显著区别在于它 包含性能指标闭环。从本质上讲，自适应控制具有三步曲“辨识一决策一修改”的功能。 即： 辨识一不断地测取系统( 被控对象) 的信号和参数，并加以处理，以获得系统状态。 决策一根据所辨识的系统状态和事先给定的准则作出的决断。决策包括系统的自适 应算法。辨识是获得对系统的认识，而决策则是由此得出具体的控制规律。 修改一对决策所计算出来的调节参量必须不断地适当修正，并由相应的执行装置或 微机系统中某一运算软件来实现。也就是说，控制律必须与参数调整律相配合( 自适应) ， 以驱使系统不断地趋向最优或要求的状态。 两种基本的自适应控制：一种是模型参考自适应系统，另一种是自校正系统。前者 由参考模型、实际对象、减法器、调节器和自适应机构组成。调节器力图使实际对象的 特性接近于参考模型的特性，减法器形成参考模型和实际对象的状态或者输出之间的偏 大型台车式电阻炉自适应控制系统 差，自适应机构根据偏差信号来校正调节器的参数或产生附加控制信号。后者主要由两 部分组成，一个是参数估计器，另一个是控制器。参数估计器得到控制器的参数修正值， 控制器计算控制动作。 一、模型参考自适应控制( m r a c ) ： 其主导思想是使被控过程( 对象) 的输出与参考模型的输出一致。其原理如图3 2 所 示。m r a c 主要适用于己知粗略对象模型、参数大幅变化、快速变化系统。 m r a c 系统的设计方法主要有三种： 1 局部参数最优化设计法( m i t ) ： 其设计思想：干扰斗气变化寸误差e 出现斗控制律作用一t 变化- 作用于被控 l i m = 0 对象斗r - ，m m i t 法的优点：易于实现、简单； 缺点：需要进行稳定性校验。 2 用李亚普诺夫稳定性理论设计m r a c 系统： 其设计思想：根据李亚普诺夫第二法，对于非线性系统，只要能找到李亚普诺夫函 数，那该系统就是稳定的。 该方法的优点：通过该方法设计出来的控制系统肯定是稳定的，无需稳定性校验。 缺点没有一个普遍适用的、系统的方法来得到被控系统的李亚普诺夫函数。 3 用波波夫超稳定性理论设计m r a c 系统： 其设计思想：首先将非线性系统变换成等价的标准形式( 即分为线性定常部 分和非线性反馈部分) ，当非线性反馈部分满足波波夫不等式时，只要线性定常部分 的传递函数矩阵是正实或严格正实的，则该系统是稳定的。 大型台车式电阻炉自适应控制系统 该方法的优点：通过该方法设计出来的控制系统肯定是稳定的，无需稳定性校验。 且有系统的步骤。 二、自校正控制系统( s t r ) 3 3 自校正控制系统原理图 其原理如图3 3 所示，s t r 主要适用于：对象模型参数未知、慢速变化过程的过程 控制。s t r 实际上就是对象参数的在线估计与控制器调节参数实时的自动整定相结合的 自适应技术。 它主要分为两类： 1 最小方差自校正控制： 其设计思想：是使二次型目标函数达到极小值，阻输出方差为最小。 2 极点配置自校正控制： 其设计思想：把预期的闭环系统的性能，用一个期望传递函数的零极点位置加以规 定，保证闭环系统的零极点收敛于这一组期望的零极点。 3 3 4 自适应控制的特点 九十年代以来，自适应控制能够作为控制理论研究的热点之一受到持续的关注，是 因为它所具有的巨大优势和广阔的应用前景。在自适应控制过程中，自适应系统能在线 积累与控制有关的信息，修正与系统结构有关的参数和控制作用，使系统处于要求的最 佳状态，这样白适应控制对外界和模型的参数变化就有一定的适应能力。 传统的自适应控制主要适用于： 没有明显滞后的机械系统； 对动态特性了解比较彻底的系统。 自适应控制“”与常规反馈控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的 是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中不 大型台车式电阻炉自适应控制系统 断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据， 不断地辨识模型的参数，随着生产过程的不断进行，通过在线辨识，模型会变得愈来愈 准确，愈来愈接近于实际。既然模型在不断地改进，显然基于这种模型综合出来的控制 作用也将随之不断改进，使控制系统具有一定的适应能力。 然而在热处理过程控制领域，传统的自适应控制系统并没有得到人们所预期的成 功。目前的自