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s p e r i a 哥控气氛加热炉温控器设计 芏会敬( 机械设计与理论) 豢导教辉：李安( 辎教授 摘甏 温控器是热处理炉温度控制系统中关键部侔之一，将现代控制技术应 髑予冒控气氛炉豹溢控器审，胃有效遗潋善湿控器豹诞节磊矮，撵巍工释 的加热质量。 本设计要遮到的譬糠怒在温控器控制下，实现热热过程中滋瘦躯挟、 准、稳调节，郎侠速到达竣定温度，毽光超调、振荡和欠调。 系统的总体设计以先进控制理论和方法做指导，从两个方面进行设计， 蒸予p i d 控铡雾法戆漫燕器瓣设诗窝基予攘凝控裁舞法豹漫控嚣熬竣诗， 并利用s i m u l i n k 进行动态过程仿真。 结果表明；常规p i d 控制器具有算法简单的优点，优于双位式控制， 德往经整定苓鼗，经麓欠毽，霹运费臻缝适瘟毪缀麓。基予模裁羧麓算法 的控制器可以克服常规p i d 控制的缺点，采用模糊控制算法整定出的调节 参数，对环境适应性更强，实现更好的控制效果。仿嶷结果表明，模糊控 麓器算法筢够达到更努豹调节菇凌。 莛键词：温控器、算法、p i d 控制、模糊控制 t h e d e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf o rs p e r i a c o n t r o l l a b l eg a sf u r n a c e w a n g 舢m j i n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ia n a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri so n eo fk e yp a r t si nt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m s o fh e a tt r e a t m e n tf u r n a c e a p p l ya d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u et ot e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ro fc o n t r o l l a b l eg a sf u r n a c e ，w h i c hc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v ea d j u s t a b l e q u a l i t yo f t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra n dh e a t i n gq u a l i t yo f w o r kp i e c e 。 a i mo ft h i sd e s i g n ：c o n t r o l l e db yt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r , t e m p e r a t u r ee a n b eq u i c k l y , a c c u r a t e l ya n ds t e a d i l y 删u s t e dd u r i n gl l e a t i n gp r o c e d u r e n a m e l y , i t c a l lt ob es e tt e m p e r a t u r eq u i c k l yw i t h o u to v e rm o d u l a t i o n , o s c i l l a t i o na n d u n d e r - m o d u l a t i o 拄 w h o l ed e s i g no fs y s t e mi sb a s e do i la d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d d e s i g nf r o mt w oa s p e c t s t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e do nt h eb a s eo f p i d c o n t r o la r i t h m e t i ca n df u z z yc o n t r o la r i t h m e t i c m o r e o v e r , w eu s es i m u l i n k 协 d od y n a m i ce m u l a t i o n t h er e s t f l ti n d i c a t e st h a tg e n e m ali dc o n t r o l l e ri ss i m p l ea n dg o o da t d o u b l el o c a t i o nc o n t r 0 1 b u ti th a sal o to fd e f e c t s ，e s p e c i a l l yi t p o o r l y a d a p t a b i l i t yt oe n v i r o n m e n t t h ec o n t r o l l e rb a s e do nf u z z ye o n t r o la r i t h m e t i ci s b e t t e rt h a nt h eg e n e r a l 鞭执t h ea d j u s t m e n tp a r a m e t e rg a i n e df r o mf u z z yc o n t r o l a r i t h m e t i cs t r o n g l ya d a p t st oe n v i r o n m e n ta n d 潍r e a l i z eb e t t e rc o n t r o lr e s u l t 。 i ；i t h er e s u l tg a i n e df r o ms i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i cc a n r e a l i z eb c t t f f fa d j u s t a b l eq u a l i t y k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ，a r i t h m e t i c ，p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得中国石油大 学或其他教育结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了谢意。 厶。6 年，工月ie l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 知以年，l 月，e l p ，占年弘月驴e l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 s p c r i a 可控气氛热处理加热炉是我公司对钻采设备配件进行热处理的 主要设备。我公司产品畅销国内外，其技术标准符合国内外最新标准，品 质达到国际一流水平。热处理工序是我公司所有机械产品品质控制的关键 工序，其装备和工艺水平必须满足产品的技术标准要求。温度控制作为可 控气氛热处理加热炉的关键控制部件之一，是满足产品标准，提高工件内 在性能和使用寿命的重要保证。温度控制系统控制方法的差异直接影响产 品的质量和生产效率。温度控制方法是指控制系统对实测温度值与设定值 进行比较、运算，变成控制信号，控制能源输送给炉子能量的方法。 下面是温度控制系统的结构框图，如图1 1 所示。 ，驴刚磊施卜 傲 控 对 象 l温度检测l lr 图1 一l 温度控制系统的结构框图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 国内外研究现状及发展趋势 长期以来，初始的温度控制系统也称位式调节器得到了广泛的应用。 至今，在需求不高的场合，这种位式调节系统还在工厂被普遍使用着。它 只有“1 ”和“0 ”( 即“通”和“断”) 两个数值( 状态) ，且结构简单，价 格低廉，易操作，使用和维护方便等优点，但是它的调节特性是非线性的， 系统的调节过程存在着一个稳定的持续震荡过程炉温在给定值附近以正 弦曲线波动，波动的幅度与频率和热处理加热炉的功率、热惯性以及热偶、 热惰性等因素有关。设定温度改变时，温度波动的幅度和频率都要变化， 温度波动幅度可达l o 2 5 i l j 。 由于控制精度低，炉温均匀性差，炉温波动以及接触器通断时带来的 一些问题在许多要求质量高的产品上应用受到了很大限制。 p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它 以其结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便而成为工业控制的主要技 术之一。当被控制对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数字 模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须 依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便，即当我们 不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统 参数时，最适合用p i d 控制技术。 由于设备控制技术日趋复杂，工程人员已试图尽可能的把有经验的设 备操作员的各种“决定”过程自动化。目前，经济高效的p i d 微处理器控 制系统已大部分取代了在热处理工业中常用的简单温控装置。从理论上讲， 操作人员使用了p i d 控制系统，就能运用程序控制设备，使炉温较理想地 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 达到设定温度。在实际应用中，只要工作负荷和其他相应的工作条件不偏 离编程时拟订的条件太多，p i d 控制系统在升温，保温过程中的控温效果理 想。 现在应用p i d 控制算法的热处理设备随处可见，国外日本技术或采用 日本技术的中日合资热处理设备有限公司生产的成套热处理生产线，预抽 真空多用炉，密封箱式多用炉，气体氮碳共渗炉，网带式连续炉，光亮退 火炉，光亮回火炉等。国内许多科研单位也已经研发了此类控温系统，如 武汉首发表面处理研究所积累多年的经验，生产和开发的热处理设备，用 户遍及全国二十多个省、市、自治区的机械行业，产品主要特点之一为炉 温自适应p i d 调节，保证控温精度，减小电参数波动，作为提高产品竞争 力的关键技术。汇捷通新技术有限公司开发的新一代液晶碳控仪，采用多 路p i d 输出方式，提高碳势控制精度，采用日本s h i n k o 智能控制仪为主 要部件的电加热炉智能控制装置，恒温控制系统采用“专家p i d ”调节，产 品具有技术先进，功能实用，质量可靠的优点。 f o x b o r o 公司是一家具有9 0 多年悠久历史，专门从事过程控制仪表 和过程控制系统的跨国公司。f o x b o r o 公司开发的p i d 参数自适应整定 控制器已经在1 5 年前就投入了运行，取得了较好的经济效益，并进一步开 发了多变量p i d 参数自适应整定控制模板。这些多变量p i d 参数自适应整 定控制模板融合了其数十年的专家控制整定的丰富经验，可以有效地提高 系统的调节品质。在那些过程的特性随负荷而变的回路中，调节器的p i d 参数必须随着负荷而变，p i d 参数自适应整定控制模块就能很好地实现这些 用常规调节器难以实现的控制回路。 p i d 控制作为温度控制的一种方法广泛用于机械、石化、电子、轻工、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 军工、冶金等行业。炉温均匀性可达5 。但是，p i d 也有其固有缺点： 传统的p i d 控制稳态响应特性好，但难以得到满意的动态响应特性，p i d 在控制非线性、时变、偶合及参数和结构不确定的复杂过程时，不是太好。 通过调节常规p i d 控制系统对工作过程中发生的意外事件可做出灵敏的反 应，并很快地使系统恢复正常，但这样调节过的p i d 系统在设备启动、设 定值发生变化，甚至从大的干扰中恢复正常的过程中，会产生严重的过冲 现象。最重要的是，如果p i d 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数 都没用。 随着计算机技术的提高和普及，智能控制技术迅速发展，并在热处理 行业的工艺和设备方面得到作用。我国上海交通大学近二十年来在热处理 计算机模拟与智能化理论和实践方面取得了瞩目成就，国家机械工业局北 京机电研究所已建立的数据库和专家决策系统获得了明显成绩。1 9 9 5 年， 国际热处理与表面工程联合会( i f h t ) 增设了热处理智能化技术委员会。 目前国际知名厂家的许多连续式和周期式热处理生产线都采取了用可编程 控制器( p r o g r a m a b l ec o n t r o l l e r ) 或微处理机的单控或群控，使整个生产工 艺过程、炉气碳势、氮势以及其浓度沿深度的分布规律都能实现按预定的 要求严格控制。我国的科研院所、大专院校、汽车行业的一些大厂在消化 吸收引进技术和自行开发的基础上已基本掌握了这些先进技术。当前，在 热处理界已开创了一个广泛利用计算机实现质量控制的新时代。 在温度控制方面，国内外已广泛采用可控硅控温技术，结合p i d 仪表 可使热处理过程温度控制在相当精确的范围。对于大型零件和大装炉量的 热处理加热过程，在整炉工件的真空加热中目前已采用专用仪表、可编程 控制器、微处理机等实现按工艺要求规定温度变化规律( 加热速度、保温 台阶、保温时间、随炉冷速、气冷冷速等) 实行加热和冷却，并可在工艺 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 过程的自始至终实现温度的跟踪。 近2 0 多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了较快的发展， 成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。温度控制方面， 模糊控制实质上是一种非线形控制，从属智能控制范畴。模糊控制的基本 思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具 有相当模糊性的控制规则( f u z z yc o n t r o l l e r , 1 pf c ) 。 生活中模糊控制的例子有很多，在家用电器设备中有模糊洗衣机、空 调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业方面有地铁靠站停车、 汽车驾驶、电梯、自动扶梯的模糊控制等。f o x b o r o 公司除了p i d 参数 自适应整定控制模块之外，又不断地开发了具有模糊控制算法功能的模糊 控制模块，以适应非线性、大延迟应用普通的线性p i d 控制器难以实现的 控制。 模糊控制对热处理工业来讲虽是一个较新的概念，但从1 9 8 9 年开始就 有工厂生产模糊逻辑控制系统，现在它们已能提供改进的第二第三代产品， 其中有s y s c o n - r k c 公司新一代的d 系列温度与过程控制系统r e x - 1 0 0 ， r e x - 4 0 0 和r e x - 9 0 0 ；美国1 t i 公司独家代理的f u j i p y x 系列产品和美国 y o k o g a w a 公司的第三代产品u p 2 7 以及u t 3 7 模糊逻辑控制系统f 2 】。 国内使用的可控气氛热处理加热炉的温度控制系统采用模糊控制的还 很少，处于实验和研究阶段。 模糊控制的主要缺陷：( 1 ) 精度不太高；( 2 ) 自适应能力有限；( 3 ) 易产生振荡现象。当用常规p i d 控制无法满足控制精度且系统稳定性差时， 可引入智能积分f u z z y 控制器来提高系统动态精度【3 】。 目前许多温度控制系统采用f u z z y p i d 算法，配以其他的软硬件设计， 5 中国石油m 火学( 华东) 硕七论文第l 章前言 可以使温度控制在o 2 c 的精确范围。传统控制方法( 包括缀典控制和现 代控制) 在处理具有嚣线性或不耪确特性豹被控对象对十分溺难。两湿度 系统灸丈滞后系统，较大的纯浠磊耐弓l 超系统不稳定。大量豹应用实践表 明，采用传统的p i d 控制稳态响威特性较好，假难以得到满懑的动态响应 特性。模糊控制的优点是能够得到较好的动态晦波特性，并黩无需知道被 控对象鹃数学模型，适应性强，上拜时闻快，黉棒性好。模朔控秘系统是 热处理设备的最佳控制方法之一，窀将给用户带来从未有过的高水平设备 控制，鼠笼震复杂的掇终裂练。毽模裁控制也移程基有鳆缺点，客易受模 糊规则有隘等级的限制而弓l 起误差。模颧p i e ) 算法弥朴了单缝采用p i d 算 法的不足，对p i d 参数的模糊自适威整定进一步完善p i d 控制的自适应性 能，在实器应瘸中取德了较好的效聚h s l 。 1 2 研究意义 s p e f i a 越控气氛熬鲶蓬连续炉凝骞缝滞嚣、镤毪大戆穆煮，嚣莹炉内气 氛的多变性，压力的波动性与温度相互影响，使得炉温控制j 过程复杂，传 统的温发控制己不能满足制造全过程质量控制的需要，应该游求一种新的 温度控制方法与之稳疑配移镑谖，箍基对滋度按麓方法静碜 褒也是产晶豹 特点和社会发展的需骚所决定的，随着我国加入w t o 和世界制造业向中国 的转移，我们的产品标准必须和馓界接轨，我们的产品要进入国际市场， 对产晶静要求必须满楚羚企标难，瓣予这类商赫矮戆产菇，掰零裁敢生产 设备已不能满足产品标准要求，必须提高制造装备水平。随精制造全过稷 品质控制技术的研究深入，当前懿威控制技术发展的主要方向是不仅要靠 生产遘纛懿垂动诬，互芑参数静程线控毒，生产芏艺参数黯王艺效栗静模 糊优化米实现，而且逐必须尽可能控制过程的镏能化，所以温度控制方法 6 中黼石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的研究是其中最重鼹的内容之一。 磊i 囊镭采设备豹黪纛是工捧丽境瑟劣，戆瑷溃援复杂，逡徐蔫，易受 魏瑷环境制约，承籀风羧太，对设备提出的技术要求比鞍离，幂网子其德 行业产品。几乎所有石油装备用的黑金属零件均需经过严格的热处理工序 以滚是其独特鲍经筑簧求。逶鬻热处理工痔酶熊糕占零 掌象产垒部齄耗的 6 0 以上。因此降低热热炉瓣能源游耗闻题其毒十分重要鲍意义。辫决好翔 热炉问题，除了大燮帮约能源外，还能减少钢件艉烧损和撬满擞热质量， 延长炉体寿命、减少埘撩气氛的消耗( 甲醇和氮气) 、提高操作水平和管理 水平、减轻工人劳幼强度。s p e f i a 可控气氛热处理加热炉具肖大惯性、滞后、 嚣线性等对象特 l e ，内部廷个多变量系统，气氛、压力稳嚣偶会，结橡复 杂，又鸯诲多于我羧索影旗，详绥獾述炉内热交换捷理瓣方撵怒缀复杂瓣， 嗣为这些方程包括脊关辐射、对流和传导的关系式，难以建藏精确的数字 模溅。一般的调节满足不了加热炉的控制要求，必须采用智能撩制。 瀑攘系统和产赫赫鹱的关系可豁箍透魏下： ( 1 ) 温度控麓系统越王箨燕签瑾静影蛹； 装炉量：装炉凝不同，工件吸收熟援不同，造成整炉工彳牛的温度下 降幅度不同，又恢复副原来加热温度的时阅不同，每炉次之间的麓异性明 基，造成各炉次之间工件质量波动； 罗 瀣速度：笼谂怒淬灭羚滚邃度遥爱溷久势漫速发，辩z 释豹燕憩 毽矮鬟殇有影晌，耨羽怒容易交澎和开爱静工佟，温度控翻系绕功率的输 出对升温速度不易控制，常规控制温度速度的方法用设定濑魔岛当前温度 豹茇值大小控制，近似控制温度速度，速度因炉褥异，受正件激度和炉澄 状态影响较大，很滚傲茔每炉一致嘲； ， 主望至鎏焘兰! 兰查! 蹩圭笙奎燕! 童董室 工件品质；热处理效果很难预测，在实际生产过程中，往往因为加 热过程巾不确定因素较多，温度控制系统和生产工艺本身限制，只有当产 晶生产滋来嚣方髭知邋效采，缀滚在过程孛及辩控制，毽馋产品鑫矮烂 坏和生产产品过程尤其是加热品质有直接关系。 ( 2 ) 钻轩接头产黼对温度控制的要求： 隧蘩锫并技零鹣发爱，霹链释接头提出了越来越离懿要求，黄统静缀 产方法融达不到其标准要求，这熙钻杆接头的工作性质和工作环境所决定 的。 硬度要求：镳秆接头放外瓣蠲心部，硬度梯度比较小，现在匡矫衣 的标准规定小于6 h r c 每一炉工件本身的外袭褥硬度分布藏值在3 5 i - i b 藏 基内，王件之闯4 0 h b 范围内，这在以前的漫旋翱热中，是缀难办到豹： 强度要求：抗拉强度和屈服强度都在狠窄的范围内； 冲击功要求：夏比冲击a k v 大于8 0 焦耳。 由于瀑度控利等多方瑟懿原因，生产中卷常感现三者颞憩失缓豹现象， 满足了其中一项满足不了其他凡磺，造成生产中的不良循环，返工现象一 直存在，解决温度控制问题，势在必行，而且我们处在计算机和控制技术 毒速发骚豹今天，科学技术高速发展熬丈巧境对我们菲常鸯剃，这就是我 这次选定此课题的目的。 基于温度控制现状，本文通道消化吸收国内外温度控制系统的研究成 采，苁遴论上探讨瀑发控利系统熬控垂l 方法，分期应焉p i d 羟翻算法霹攘 糊控制算法进行计算、比较，对窳际应用效果进行追踪、归纳和总结，消 除了加热环节对工件质量的不良影响。 8 率潮石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 。3 本文研究的主要痣窖与聚究晷标 l 、磁究豹主要蠹銮： 我公司生产葫油钻秤接头等钻采设备已有十几年的历史了，产品品质 和产量日新月异，随着生产韵发糯，用户不断提商产品技术标准，促使貔 厂不断提离产品制造水平，热处理作为决定产最内在品屡、使用性能和馊 用寿命的正序，一直是产鼯生产的致命环节。不断提高热处理设备性能熄 檬障产晶瑟爱要求戆垂蓉爨，湿度按魏系缝是影睛热处理效暴兹缀霪要懿方 _ 面，也是衡量热处理设备性能好坏的关键环节。可控气氛热处理加热炉威 麓予钴轷接头等霸漓镭栗设备配传赘生产瓣丽怒疹，奉义在舍瑾静滔纯、 理解、借壤国外糊其他行业先进的温度控制技术的基础上，有计算机为母 囱各种先进的控翎技术这一大环境做支持，从以下两个方衙迸行研究。 ( 1 基于p i d 控制舅法貔遗度控刽器设计： 先给出升温、降温或保温的预定值，将传感器传输的实际温度与设定 滋度遘学貔较擒袋戆壤茇穰 筝为p i d 控制嚣懿输入，由p i d 控翎箨法雾辫 控制量输给调功器，用以调整可控硅导邋角的大小，周而复始循环，不断 便炉温偏箍减小，悫至为零翻。控剃器豹控涮参数簧进行试凑或在线整定瀚。 理论计算出的p i d 未必可以直接使用，都需要在实际运行中进行最后调熬 和完善。把温度范围分成高中低三组分别熬定每缀p i d 参数。本文采用的 王具是利用m a t l a b 中憋s i m u l i n k 对参数寻优过程进行了仿真。 ( 2 ) 模糊自髂定p i d 参数控制器的设计： 为满足在不嗣稼差和偏差交能率对p i d 参数螽整定的要求，零j 雳模糊 控制规则在线对p i d 参数进行修改，便构成了参数模糊自攫定p i d 控制器。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 将实际温度与工艺温度的差值及差假的变化率作为模糊控制器的输入量， p i d 三个参数终为输如爱，构成双输入单输出的：维控制器。模糊自整定 p i d 参数控谁器的设计烹要包括敷下部分： 酋先将输入( 偏差和偏差的嶷化率) 的精确值进行模糊化，赋予模 粳变量； 搬括炉温控锖的实际控制缀验，做出偏藏谮言变量和偏差变化率静 隶属函数圈，求出隶属度，及每种潦属度下p i d 三个参数对应的加权； 建嶷搂糊自整定p i d 参数控裂器戆参数致、墨、哎与误差襄误差 变化率之间在线自整寇的函数关系； 用上述得到的岸。、k 、髟根据p i d 控制箨法的基本公式计算出输 出控寄l 虽。 2 、研究目标 温控嚣设计后，系统输出的温度隧对间豹交化曲线要达到反应速度快， 既不超调也不震荡，爱菠侠指益线上舞静瓣率不能太夸，不越调指盏线缓 慢到达设定温度，不产生过冲，不髓荡指曲线到达设定值不产生周期性波 动鄂达到如图1 2 的效果。 厂。 黼1 - 2 系统输出温度嚣标效栗图 l o 中阑石油大学( 华东) 硪士论文第2 章先滋的控制技术 第2 章先遂豹控豢l 技术 2 。1p i d 控制技术 p i d 控毒l 虽然麓焱譬发震起来静控制策略之，其算法简肇，被广泛应 掰予王娩_ 过程控髑，笼笑逶霜予霹建立耱确数学模鍪戆确定瞧撩澍系统， 但是实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，雅以建立精确的 数学模型，应用常规鞭d 控制器不能达到理想的控制效果；程蜜；际生产现 场中，由于受到参数熬定方法烦杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定 誉筵、经憝欠建，鼹遮褥王援熬逶瘴毪麓。铮黠这些通戆，妖麓辍来，久 裁一泰奁荨撬p i d 揆潮器参数豹鑫韵整寇技拳，强逶应复杂熬王况_ 帮毫攒 标豹控制要求。随着微处理机技术的发展和数字智能式控制嚣的实际应用， 遮耱设想已变成了现嶷。同时，随着现代控制理论的研究j f _ | 燕用的发展譬 深入，为控制复杂戈娥剐系统牙薜了赣途径。近年来，出瑷了许多薪壁黪 p i d 控麓嚣，蘩璇鼹溪袈学者k j 等久蘩穗豹智能墼p i d 巍蘩是控麓器，鼹 乎复杂对象，其控制效幕远远超过常规p i d 控制。 2 i 1 数字p i d 羧制阻1 0 j 数字p i d 控臻l 农冬产过程孛楚一耱譬速采震豹控割方法，凌冶金、税 辘、化工等行韭巾获褥广泛应孀。 数字p i d 控制算法通常可分为位置式p i d 控制算法和增墩式p i d 控制 算法。 在谤獒援控制系绕巾，p i d 控铡撬律怒建诗算禳i 程澎卷安蠛豹，因魏窀 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 的灵活性很大。一些原来在模拟p i d 控制器中无法实现的问题，在引入计 算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同 控制系统的需要。下面介绍几种数字p i d 的改进算法：积分分离p i d 控制 算法、遇限削弱积分p i d 控制算法、不完全微分p i d 控制算法、微分先行 p i d 控制算法和死区的p i d 控制算法等。 2 1 2 自适应li d 控制 1 1 “1 3 1 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，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。白 适应控制系统的原理框图如图2 - 1 所示。 未知干扰已知干扰 图2 - 1自适应控制系统 这一系统在运行过程中，根据参考输入，( f ) 、控制输入删、对象输出 “f ) 和已知外部干扰n ( o 来测量对象性能指标，并与给定的性能指标进行比 较，做出决策，然后通过适应机构来改变系统参数，或者产生一个辅助的 1 2 中嘲石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 控制输入量，累加到系统上，以保证系统跟踪上给定的最优性能指标，使 系统楚予最爨或次谯懿王俘获态。 自适应系统与箕它系统的显著区别程于它包含性能指檬闭环。扶本质 上讲，自适应控制威鼠肖“辨识一决策一修改”的功能。 鑫适痤控铡大致努炎增益鑫适应羧铡、壤登参考自逡纛耱$ 1 | ( 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 - - m r a c ) 、鑫捩垂控蒜1 ( s e l f l u n i n gc o n t r o l s t c ) 、童接优化目橼黼数自适应控制。但比较成熟的自适殿掇制系统有两 类，即模型参考自遮藏按制系统( m r a c s ) 和自校正控制系统( s t c s ) 。 自适应控制思想砖常规p i d 控制器相结合，形成了所谓融邋应p i d 控 涮藏蠡蔽歪p i d 控潮皴零，入爨绞髂为叁逡疲p 渺控鬟。 自适应p i d 控稍吸收了自适应控镧与常蔽p l d 控制两者静优点。首先， 它是自适应控制器，就是说它有自动辨识被控过程参数、自幼熬定控制器 参数、黥够适应镀控避缀参数豹变纯等一系列优点；其次，京叉舆蠢常援 p i d 控制器结构麓单、霹纛佳较高、为现场王终人员裙设嚣王耩耀销所熟悉 龅优点。自适应p i d 羧制其有的这凡大优势，使褥它成为i 窭程控铡中一种 较理想的自动佬装鬣，成为人们竟相研究的对象和自适应控制发展的一个 方向。 鑫适应p i d 控剿爨霹努菇嚣犬类。一炎萋予蔽控过程参数辫蓼 、统称 必参数鑫i 毳痉p i d 羧簇嚣，英参数熬设诗袄蕨予蔹羟遥程搂黧参数懿藩诗。 另一类基于被控过程的巢拨特征参数，诸如临界振荡增益殷、临界振荡频 率甜。等。这种类型的自适应p i d 控制器没有一个统一的名称，我们称为非 参数鑫逶应p i d 控测嚣。 参数盘适应p i d 控制器控制参数豹浚诗壹接依 簸予逶程静特翟参数窝一些王程圭鬻覆懿经验整定蔑粼。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先谶的控翩技术 2 1 3 横糊p i d 控制【l 扣1 町 在王逸控裁过羧孛经豢会磋爨犬渗嚣、时爻、雾线栏豹笈杂系统。其 中，有的参数未知和缓慢变化；肖的存在滞尉和随机干扰；有的无法获得 精确的数学模型。模糊控制器是种近年来发展起来的新黧控制器，其优 焘是苓瓣求掌握受按瓣象熬精确数学摸受，瑟壤蕹人工控制矮溺组织控簇 决策表，然后由该袭决定控制量的大小。将模糊控制和p i d 控制两者结合 起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应饿强的优点，又具有p i d 控 嘉精度蕊嚣特点。这耱f u z z y - p i d 复合型整裁嚣，对复杂羧潮系统帮毫耩 度伺服系统具有良好的控制效果。 模糊控制系统与邋常的计算枫数字控制系统的主要差别是，采用了横 颧控翻器。模糊控剃器是模襁控铡系统静棱心，一个模糊控锈系统的畿耱 优劣，搬要取决于模糊控制器的继构、所采用的模糊规则，合成推理算法， 以及模糍决策的方法筹因素。 模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r - - f c ) 也称为模糊逻辑控制嚣( f u z z yl o 西c c o n t r o l l e r - - - f l c ) ，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件 语甸寒攥述戆，毽鼗模嬲控割嚣怒晕争浯言燮控铡器，敖毽髂热摸翱语富 控制器( f u z z yl a n g u a g ec o n t r o l l e r - - f l c ) 。 模糊控制器的组成框图如图2 - 2 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 i 一一；二二二。二二。二二。二。二二? 二? 二二二- 1 l 一一一一一一_ _ 一一一一一一一一一一一j 图2 2 模糊控制器的组成框图 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性， 通常采用二维模糊控制器结构形式。而这类控制器都是以系统误差e 和误 差变化e c 为输入语句变量，因此它具有类似于常规p d 控制器的作用，采 用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，而静态性能不能令 人满意。由线性控制理论可知，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响 应慢，比例控制作用动态响应快，而比例积分控制作用既能获得较高的稳 态精度，又能具有较高的动态响应。因此，把p i 控制策略引入f u z z y 控制 器，构成f u z z y - p i ( 或p i d ) 复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的一种途 径。目前这种复合控制器有多种构成形式，其工作原理亦有所差异。 在工业成长过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响，其 对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对 象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围 内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非 常困难的。 随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整 经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整p i d 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 参数，这样就出现了智能p i d 控制器。这种控制器把古典的p i d 控制与先 进的专家系统相结合，实现系统的最佳控制，它无须精确确定对象模型， 只须将操作人员( 专家) 长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然 后运用推理便可对p i d 参数实现最佳调整。 由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标 不易定量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊 数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模 糊控制规则以及有关信息( 如评价指标、初始p i d 参数等) 作为知识存入 计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况( 即专家系统 的输入条件) ，运用模糊推理，即可自动实现对p i d 参数的最佳调整，这就 是模糊自适应p i d 控制。模糊自适应p i d 控制器目前有多种结构形式，但 其工作原理基本上一致。 2 1 4 神经网络p i d 控制【l 蛐1 】 近十几年来，一门新兴的交叉学科一人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k - a n n ) 迅速的发展起来。所谓“人工神经网络”实际上是以一 种简单计算处理单元( 即神经元) 为节点，采用某种网络拓扑结构构成的 活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统；不仅如此，a n n 还具有 学习的能力、记忆能力以及各种智能处理能力，在不同程度和层次上模仿 人脑神经系统的信息处理、储存和检索的能力。不同领域的科学家，对a n n 有着不同的理解、不同的研究内容，并且采用不同的研究方法。 对于控制领域的研究工作者来说，a n n 的魅力在于； 能够充分逼近任意复杂的非线性关系，从而形成非线性动力学系 1 6 中翻石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 统，以表示某些被控对象的模型或控制器模型； 能够学习和适应不确定性系统的动态特性； 所有定量或定性蛉信息都分毒储襻予网终内酶各襻经单元，从丽具 有很强的容错性和鲁棒性； 采惩售惑瓣分毒式并毒亍楚壤，霉羰避行抉速大量运算。 对于长期困扰控制界的非线性系统和不确定系统来说，a n n 凭疑是一 种解决阉麓豹有效途径。撬西为翔魏，近年来在控铡理论静掰有分支凡警 都能看到a n n 引入及应用，对于传统的p i d 控制当然也不例外，以各种方 式应用于p i d 控制的新算法大量涌现，其中有一魏取得了明显的效果。 毒孛经元嫠秀搀蔽 孛经网络戆綦本单挝，兵鸯爨学习联塞适应憩力，秘 且结构简单易于计算。而传统的p i d 调节器也具有结构简单、调藏方便和 参数整定岛工程籀标联系密窃等褥轰。若将这两嚣结合，辩哥浚在一定程 度上解决传统p i d 调节器不易在线实时整定参数、难于对一些复杂过程和 参数对交系统迸彳亍有效控制的不怼。 p i d 按割要敬褥姆豹控枣效浆，裁必缀逶过调整妊毙铡、积分秘微分三 种控制作用在形成控制量中相互配合又相互制约的关系，这种关系不一定 爨蔫单静线瞧组会，麸交德无穷豹菲线毪缀合孛褥滚箍爨最佳静关系。毒搴 续网络所具有的任意非线性表示熊力，可以通过对系统性能的学习来实现 其有最佳组合的p i d 控翻。 模糊逻辑控露和祷经网络控铡郄是智能控割靛重要方法，两喾虽然农 概念、内涵上有着明显的不同，但都是为了处理实际系统中的不确定性、 琴精确经等弓l 起懿露簧绫控潮方法难爨控涮豹涟鬃。毒孛经网络是旋生理结 构上模拟人脑神缎元的功熊，可作为一般的函数估计器，能映射输入输出 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 关系；神经网络具有自学习能力和大规模并行处理能力，在认知处理上比 较擅长。而模糊逻辑则是模仿人脑的逻辑思维机理，用于处理模型未知或 不精确的控制问题；模糊控制系统能够充分利用学科领域的知识，能以较 少的规则数来表达知识，在技能处理上比较擅长。因此，神经网络和模糊 逻辑各有特长，存在着互补性。将两者有机地结合，融合各自的优点，将 可得到性能更好的控制器。 在模糊控制中，模糊推理相当于对一种输入输出关系的映射，输入为 前提( 误差鼠e 的变化率z l e 等模糊量) ，输出经非模糊化后即为推理的 结果输出。利用神经网络的任意函数映射功能，就可以实现模糊推理，这 也是神经网络与模糊逻辑结合的常用方法。 2 1 5 预测p i d 控制口m 3 】 预测控制是近年来发展起来的一类新型计算机控制算法。这种控制算 法和以状态空间法为代表的现代控制理论设计方法有着明显的不同。它不 需要被控对象的精确的数学模型，利用数字计算机的计算能力实行在线的 滚动优化计算，从而取得好的综合控制效果。 在工业上获得广泛应用的传统p i d 调节器，有其算法简单、参数调整 方便和抗高频干扰强的优点。而预测控制，尤其是动态矩阵控制( d m c ) 具 有可直接处理带有纯滞后的被控对象、跟踪性能良好和对模型失配有较强 鲁棒性的特长。将两者的优势互补，可以构造出性能比较完善的新型控制 器结构。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 2 2 智能控制狮2 8 】 自从美国数学家维纳在2 0 世纪4 0 年代创立控制论以来，自动控制理 论经历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段，在处理复杂系 统控制问题中，传统的控制理论在面临复杂性所带来的问题时，力图突破 旧的模式以适应社会对自动化提出的新要求，世界各国控制理论界都在探 索建立新一代的控制理论来解决复杂系统的控制问题。近年来，把传统控 制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合，充分利 用人类的控制知识对复杂系统进行控制，逐渐形成了智能控制理论的雏形。 1 9 8 5 年1 月，国际电气与电子工程师学会( i e e e ) 在美国纽约召开了第一届 智能控制学术会议，集中讨论了智能控制的原理和系统结构问题，标志了 这一新的体系的形成。虽然智能控制体系的形成只有十几年的历史，理论 还远未成熟，但其已有的应用成果和理论发展说明了智能控制正成为自动 控制的前沿学科之一。 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 的产生和发展为自动控制系统的智 能化提供了有力支持。人工智能影响了许多具有不同背景的学科，它的发 展已促进自动控制向着更高的水平一智能控$ i ( i n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 ) 发展。 值得指出的是，自动控制面临的这一国际性挑战，不仅受到学术界的 极大关注，而且得到众多工程技术界、公司企业和各国政府有关部门的高 度重视。许多工业发达国家先后提出相关研究计划，提供研究基金，竞相 开发智能控制技术。 自动控制既面临严峻挑战，又存在良好发展机遇。为了解决面临的难 题，一方面要推进控制硬件、软件和智能的结合，实现控制系统的智能化； 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 另一方面要实现自动控制科学与计算机科学、信息科学、系统科学以及人 工智能的结合，为自动控制提供新思想、新方法和新技术，创立边缘交叉 新学科，推动智能控制的发展。 智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，控制器不 再是单一的数学解析模型，而是数学解析模型和知识系统相结合的广义模 型。综合来说，智能控制具有以下基本特点： 智能控制系统应能对复杂系统，如非线性、快时变、复杂多变量、 环境扰动等进行有效的全局控制，并具有较好的容错能力； 定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制： 智能控制的基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和 综合系统，以实现预定的目标，智能控制应具有自组织能力； 具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制 过程，人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上，既有 数学运算，又有逻辑和知识推理能力。 2 2 1 模糊逻辑控制伫虬3 2 】 模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特 点，从广义上讲，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统 的一种控制方式，模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统 控制的一种有效途径。在早期( 1 9 9 0 年以前) 的文献中，如l e ec c z i m m e r m a nh j 认为模糊控制是在其它基于模型的控制方法不能很好地进 行控制时的一种有效选择，模糊控制器的隶属度函数、控制规则是根据经 验预先总结而确定的，控制过程中没有对规则的修正功能，不具有学习和 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章先进的控制技术 适应能力。即便如此，模糊控制仍然取得了一些成功的应用，如在窑炉、 工业机器人等方面。但在对较复杂的不确定性系统进行控制时往往精度较 低，总结控制规则过分依赖现场操作，调试时间长，难以满足要求，比较 而言，可以称为经典模糊控制。目前，众多学者对传统模糊控制进行了许 多改进，发展成为多种形式的模糊控制，出现了模糊模型及辨识、模糊自 适应控制，并在稳定性分析、鲁棒性设计等方面取得了发展，基于模型和 分析方法的模糊控制可以称为现代模糊控制，这给模糊控制带来了新的活 力，从而称为智能控制的重要分支。 传统控制理论通常是基于控制系统的线性数学模型来设计控制器，而 大多数工业被控对象具有时变、非线性等特性的复杂系统，对这样的系统 进行控制，不能仅仅基于在平衡点附近的局部线性模型，而需要加入一些 与工业状况有关的人类的控制经验，这种经验通常是定性的或定量的，模 糊推理控制正是这种控制经验的表示方法，l e ec c 称这种模糊控制为直接 模糊控制，并已成功地应用于一些工业过程控制中。这种方法的优点是不 需要被控过程的数学模型，因而省去了传统控制方法的建模过程，但同时 过多地依赖控制经验。此外，由于没有被控对象的模型，在投入运行之前 就很难进行稳定性、鲁棒性等闭环分析，这也妨碍了传统控制理论在模糊 控制中的应用，基于模型的现代控制与基于控制经验的模糊控制很难形成 统一的模式，发挥各自的优势。 随着研究的深入，越来越多的研究者在模糊控制模式中引入了模糊模 型的概念，出现了模糊模