（机械电子工程专业论文）稻壳焙烧炉模糊pid温控系统方案的研究.pdf

摘要 摘要 温度是工业控制对象中的主要被控参数之一。温度控制对象热惯性大，易受干扰， 并且具有时变、时滞、非线性、强耦合等特性。国内新近提出了一种从稻壳中提取高纯 度纳米二氧化硅的工业生产方法。整个生产过程中热解是主要生产工序，热解温度的控 制是其关键技术。针对该问题设计一个能够精确控制热解温度的温控系统，实现对焙烧 温度的合理控制。 本文结合稻壳焙烧炉对温度的技术要求，系统地研究了常规p l d 控制和模糊控制各 自的特点。尝试将两种控制方法相互结合，构成模糊p i d 控制器，使其发挥各自的优点。 p i d 控制与模糊控制有多种结合方式，本文采用的是模糊自整定p i d 控制算法。该算法 是找出p i d 三个参数与误差和误差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测误差 和误差变化率，根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，从而使被控对象具有良好 的动、静态性能。文中根据被控对象的特点，完成了模糊自整定p i d 控制器的设计，阐 述了详细的设计过程。 为了更好的满足工业生产的需要，本文采用西门子可编程控制器s 7 3 0 0 为控制核 心进行系统设计。通过编程的方式实现模糊自整定p i d 控制算法，采用离线计算的方式 将模糊规则制成模糊查询表，通过在线的方式查询模糊控制量输出，最后将p i d 参数校 正值与基准值相加，获得p i d 参数瞬时值，最后进行p i d 运算，得到控制量施于控制对 象执行器。 最后，本文对不同的控制方法在m a t l a b 中进行仿真实验，重点对模糊自整定p i d 控制进行了仿真调试。通过对仿真结果的分析比对，得出采用模糊自整定p i d 控制的方 法更能够满足稻壳焙烧炉的技术要求，是一个能达到满意控制效果的设计方案。 关键词：焙烧炉；可编程控制器；模糊p l d 控制；n a t i a b 仿 a b s t r a c t a b s t r a c t 叻et e m p e r a t u r ei so n eo fp r i m a r i l yc o n t r o l l e dp a r a m e t e r sf o ri n d u s t r yc o n t r 0 1 n l e t e m p e r a t u r ec o n t r o lo b j e c t sh a v es o m ea d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，b i gt h e r m a ll a g ，e a s yt o r e c e i v ed i s t u r b s ，t i m e - v a r i a b l e ，t i m e - l a g ，n o n - l i n e a r i t y , s t r o n g l yc o u p l i n ga n d s oo n t h eh o m e r e c e n t l yp r o p o s e do n em e t h o dw h i c hc a nw i t h d r a w st h eh i g h p u r i t yn a n o m e t e rs i l i c o nd i o x i d e f r o mt h ed e eh u s kf o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i nt h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s st h et h e r m a l d e c o m p o s i t i o ni st h em a i np r o c e d u r e ，t 1 1 et h e r m a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1i st h e k e yt e c h n o l o g y i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m ，w es u p p o s e das y s t e mw h i c hc a na c c u r a t e a n dr e a s o n a b l ec o n t r o lf o rt h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r e c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r es p e c i f i c a t i o n ，t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o ls y s t e m a t i c a l l y w ea t t e m p tt ou n i f yt h et w oc o n t r o l m e t h o d s ，a n dm a k eaf u z z yp i dc o n t r o l l e rw h i c hh a sa l lm e r i to ft h et w om e t h o d s t h ep i d c o n t r o la n dt h ef u z z yc o n t r o lh a v em a n yk i n d so fu n i o nw a y , t h i sa r t i c l eu s et h ef u z z ys e l f r e g u l a t i n ga l g o r i t h md e c i d e db yt h ep i dc o n t r 0 1 t l i sa l g o r i t h mc a nd i s c o v e rt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et h r e ep i dp a r a m e t e r sa n de r r o n e o u sa n dt h ee r r o n e o u sr a t e ，a n de x a m i n e e r r o n e o u sa n dt h ee r r o n e o u sr a t ei nt h em o v e m e n t ，t h e na c c o r d i n gt ot h ef u z z yc o n t r o l p r i n c i p l ec a r r yo nt l l e0 1 1 l i n er e v i s i o nt ot h r e ep a r a m e t e r s ，t h u se n a b l et h ea c c u s a t i o no b j e c tt o h a v et h eg o o dt e n d e n c ya n ds t a t i cp e r f o r m a n c e i nt h i sa r t i c l e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ea c c u s a t i o no b j e c t ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h ef u z z yp i ds e l f r e g u l a t i n gc o n t r o l l e r , e l a b o r a t e dt h ed e t a i l e dd e s i g np r o c e s s f o rt h en e e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h i sa r t i c l eu s e ss i m e n sp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r s 7 - 3 0 0a st h ec o n t r o lc o r ef o rt h es y s t e md e s i g n f o l l o ws t e p sw a sd o n ei no u rw o r k , r e a l i z e t h ef u z z ys e l fr e g u l a t i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h mt h r o u g ht h ep r o g r a m m i n gw a y ，u s et h eo f f - l i n e c o m p u t a t i o nm e t h o dt om a k et h ef u z z yq u e s t i o n n a i r e ，u s et h eo n l i n ei n q u i r yf o rt h eo u t p u to f t h ef u z z yc o n t r o lq u a n t i t y ，f i n a l l ya d dt h ep i dp a r a m e t e ra n dd a t u mv a l u e ，o b t a i nt h ep i d p a r a m e t e rs p u r tv a l u e ，f i n a l l yc a r r yo nt h ep i do p e r a t i o na n do b t a i nt h ec o n t r o l l e dm e m b e r a c t u a t o r f i n a l l y , t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o di n m a t l a b ，p r i m a r i l yc a r r yo nt h es i m u l a t i o nd e b u g g i n gf o rt h ef u z z yp i ds e l fr e g u l a t i n g c o m p a r i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w eo b t a i nt h er e s u l tt h a tu s et h ef u z z ys e l fr e g u l a t i n gt o d e c i d et h ep i dc o n t r o li sa b l et os a t i s f yt h es p e c i f i c a t i o no ft h er i c eh u s kc a l c i n e r , a n dc a n a l s os a t i s f yt h ed e s i g np r o p o s a l k e yw o r d s ：r o a s t e r ；p l c ；f u z z y p i dc o n t r o l ；m a t l a bs i m u l a t i o i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太耋銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：捧氏嘲导师签名：办勇盟 日期： z p 刁年石月哥日日期：a 胡年多月纩日 学位论文作者毕业后去向：大连华俄科技转化中心 工作单位：大连华俄科技转化中心电话：0 4 11 6 2 9 2 6 6 6 6 通讯地址：大连高新园区七贤令基地火炬路邮编：1 1 6 0 2 3 电子信箱：c h a n g m i n g l v y a h o o t o m e l l 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通太堂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。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 饫咱 日期：弼年月年日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出与研究意义 稻壳作为一种再生资源，它的综合利用已引起国内外科研工作者和企业家的广泛关 注。经研究发现，稻壳中富含硅，二氧化硅含量大于1 8 。由于纳米二氧化硅具有小尺 寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应以及特殊光、电特性、高磁 阻现象、非线性电阻现象，并且在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性。 纳米二氧化硅可广泛应用在各个领域，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。国外稻 壳硅的提取和应用已得到迅速发展，用于水泥、陶瓷、建筑材料，但应属于粗加工范围， 与其年产量相比，其利用率仍然很低。国外也有研究纳米二氧化硅结构的基础研究的文 献报道，但最后得到材料的粒径仍在0 3 2 0 p m 。国内虽早有稻壳硅提取的报道，提取 工艺仍采用装窑自燃的办法，这种办法无法避免烧不透和过烧的缺点，得到的产品粒径 大、粒度分布宽、杂质含量多，限制了稻壳硅的应用领域，无法大规模工业化生产。国 内对稻壳灰制各白炭黑和活性炭的研究报道较多，但由于工业生产成本高和产品的档次 低，不适合工业化生产，没有工业化价值而仅停留在小试研究阶段。 我国是农业大国，稻谷产量不断增加，具有天然资源优势。最近，国内提出了利用 天然有机前驱体稻壳热解法制备纳米二氧化硅的方法。该方法采用化学刻蚀法对其进行 定向刻蚀、选择性反应，制备有机物前驱体，再采用有机物前驱体热解法制备二氧化硅 纳米材料。具体生产过程是：将筛选后的稻壳加入预先制备的浓度为3 的化学刻蚀剂， 按1 ：1 0 的重量比在处理剂中加入稻壳，蒸汽加热刻蚀处理3 小时后，经水洗、干燥， 再将稻壳于焙烧炉中热解燃烧，热解产物经粉碎后得粒径为3 0 - - 5 0 n t o 、纯度为9 9 6 的纳米二氧化硅。在生产工程中，有一项关键技术是有机物前驱体热解法制备二氧化硅 纳米材料过程温度的控制。热解温度的控制是本项目的核心，温度过低，积炭分解不完 全，温度过高，产品易烧结团聚，粒径大【l j 。 针对该问题，不仅需要有一台适合于稻壳热解燃烧的焙烧炉，更重要的是需要设计 出一套适合于稻壳热解制备高纯纳米二氧化硅生产过程的温度控制系统。要求温控系统 自动化程度高，能够在恶劣的工业环境下工作，并且超调小，控制精度高。 温度是工业控制对象中的主要被控参数之一。在各行各业中，各种加热炉、烘房、 烘箱、恒温箱等，均需对其温度进行控制。为保证生产过程正常进行，提高产品的数量 与质量，减轻工人的劳动强度以及节约能源，常要求加热对象的温度按某种指定规律变 化。在工业过程控制系统中，许多温度控制对象具有纯滞后性质。纯滞后可引起系统不 大连交通大学工学硕十学位论文 稳定或降低系统的反馈性能。这类控制系统的纯滞后性会使系统的稳定性降低，特别是 衡量纯滞后影响程度的特征参数大于o 5 时，采用常规的p i d 控制算法，会引起大的超 调和长时间的振荡，控制效果不佳。有关纯滞后的控制系统，虽然国内外做过不少研究 工作，但在工程上有效的方法不多。设计一个控制系统时，若控制对象是比较复杂的非 线性、时变、大滞后系统往往难以获得精确的数学模型。而采用传统的经典控制方法很 难获得良好的动态和静态性能。目前，温度控制系统的种类较多，它们之间的主要区别 在于温度控制对象、控制范围、控制精度不同，硬件和软件实现的方案也不同，硬件分 别采用工控机、温控仪或可编程控制器【引。 目前工业上常见的主要是对锅炉、加热炉等被控对象的温度控$ i j t 4 1 。对这些现代化 设备控制不但需要安全、可靠、自动化程度高，还要考虑高效、节能、无污染等方面的 因素。所以，温度控制仍是一个需要探索、研究和学习的领域。温度控制系统一般具有 大惯性、大延时等特点，其数学模型往往难以确切建立【5 】。对于这样一类被控对象，先 后出现了p i d 控制、模糊控制、s m i t h 预估控制、模型预测控制、鲁棒控制等方法。常 规p i d 控制具有算法简单，性能可靠，容易实现等优点，具有良好的动态跟踪品质和较 高的稳态精度，仍被广泛应用于过程控制中。但是对于时变的大滞后过程，常规p i d 算 法很难稳定、参数整定比较麻烦、被控对象模型参数难以确定等缺点；模糊控制是智能 控制的一个分支，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，具有控制灵活、适应 能力强等特点，但是其稳态精度较差；s m i t h 预估控制能有效克服纯滞后对控制系统稳 定性的影响，适用于具有大滞后系统的生产过程控制，具有调节时间短、超调量小、鲁 棒性好等优点，但是该方法具有内模控制的结构，因此对模型的匹配程度比较敏感；鲁 棒控制在大滞后过程中的研究近年来也非常活跃，理论上取得了一些进展，但在实际应 用中由于其计算的复杂性还有待进一步研究。因此，目前工业过程中对于时变的大滞后 过程l 6 1 ，并且难以建立精确数学模型的被控对象控制起来具有较大难度。基于这样的情 况，出现了许多智能控制与常规p i d 控制相结合的复合控制方法，其中包括模糊p i d 控 制、专家p i d 控制、神经网络p i d 控制以及基于遗传算法整定的p i d 控制等，它们都 实现了优势互补，并且具有各自的特点，适用于不同的控制场合。 1 2 国内外相关技术的发展现状及分析 1 2 1 常规p id 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高， 被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统 7 1 。 2 第一章绪论 常规p i d 控制器作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏 差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 在工业过程控制中，p i d 控制已有近7 0 年的历史，具有强大的生命力，是迄今为 止最通用的控制方法之一，大多数反馈回路都用该方法或其较小的变形来控制。尽管自 1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，对模型误差 具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过 程控制中。据估计，有9 0 以上的控制回路采用的是p i d 调节器控制。虽然随着控制理 论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控制器不断出现，但p i d 控 制仍是最重要的控制方式之一。p i d 调节器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个 阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展，这些数字化、智能 化的控制器有着传统的模拟控制器所无法比拟的优点，它可以灵活地改变控制参数和控 制策略。但是随着工业装置日益庞大，控制回路不断增多，操作越来越复杂，使得p i d 调节器的参数往往难以整定到最佳状态，从而导致控制效果不理想，并且对产品质量、 原料消耗、能耗等都会带来不利的影响。所以现在对p i d 的参数整定方法在实际生产中 的应用成为研究的热点。目前国内外关于p i d 参数整定方法进行大量的研究和开发工 作，提出了多种行之有效的整定方法，如z i e g l e r - n i c h o l s l 法、a s t r o mr e l a y 法、反应曲 线整定法和智能p i d 参数整定法等。这些整定方法在改善实际的自动控制系统性能方面 发挥了重要的作用j 。 随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、 系统稳定性与适应能力的要求越来越高。由于微电子技术和计算机技术的高速发展，推 动了控制理论研究的深入开展，出现了许多先进的控制算法。然而，以p i d 为原理的各 种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。但是随着工业的发展，人们对控制 品质的要求日益提高，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的 复杂系统，常规p i d 控制的缺陷逐渐暴露出来，往往很难达到理想的控制效果。因此常 规p i d 控制的应用受到很大限制和挑战。目前，模糊控制、神经网络控制和专家控制是 智能控制领域中最为活跃的几个分支，它们与常规p i d 控制相结合，扬长避短，发挥各 自的优势，构成所谓的智能p i d 控制。例如：模糊p i d 控制、基于神经网络的p i d 控 制、基于遗传算法的p i d 控制和专家p i d 控制等，这些新的控制方法己引起人们的普遍 关注和极大的兴趣。 1 2 2 智能p ld 控制 “智能控制一词早在1 9 6 7 年l e o n d e s 和m e n d e l 在他们的“人工智能控制”技术 3 大连交通大学工学硕士学位论文 报告中正式使用。所谓智能控制是指一种控制方式或一个控制系统，如果它能够有效地 克服被控对象( 过程) 和环境所具有的高度复杂性和不确定性，并且能够达到所期望的目 标。通常智能控制系统应具备学习、适应、组织等功能，并且应该包含智能信息、智能 反馈和智能决策三个基本要素。 从6 0 年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在 研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工 智能技术与方法应用于控制系统。1 9 6 5 年，美国著名控制论专家z a d e h 创立了模糊集合 论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具；同年，美国著名科学家 f e i g e n b a u m 着手研制世界上第一个专家系统；1 9 6 6 年，m e n d e l 进一步在空间飞行器的 学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。这些都标志 着智能控制的思想已经萌芽。 在7 0 年代中期，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智能控制 在规则控制( 1 1 j l e b a s e dc o n t r 0 1 ) 上也取得了重要的进展。1 9 7 4 年，m a m d a n i 将模糊集和模 糊语言逻辑用于控制，创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并被成功地用 于工业过程控制。1 9 7 9 年，他又成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器具有 了较高的智能。模糊控制的形成和发展，以及与人工智能中的产生式系统、专家系统思 想的相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。 进入8 0 年代以来，由于计算机的迅速发展以及专家系统技术的逐渐成熟，使得智 能控制和决策的研究及应用领域逐步扩大，并取得了一批应用成果。例如，1 9 8 2 年f o x 等人实现技工车间调度专家系统i s i s ；1 9 8 3 年s a r i d i s 把智能控制用于机器人系统；1 9 8 7 年，美国f o x b o r o 公司公布了新一代的认系列智能自动控制系统，这种系统体现了传 感器技术、自动控制技术、计算机技术和过程知识在生产自动化应用方面的综合先进水 平，能够为用户提供安全可靠的过程控制系统。 进入9 0 年代以来，智能控制的发展势头异常迅猛，其研究已涉及到众多领域。我 国也十分重视智能控制理论和应用的研究，并在模糊控制和仿人智能控制的研究方面， 已经形成自己的特色，为发展、完善和推动智能控制的研究起到了重要作用【9 】。 近年来，智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，随之不断涌 现将智能控制方法和常规p i d 控制方法融合在一起的新方法，形成了许多形式的智能 p i d 控制器。它简化了建模手续，算法简单，明显地提高了系统的控制品质，引起了国 内外学者的广泛关注，已成为当前控制领域研究热点之一。首先，智能p i d 控制具备自 学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够 4 第一章绪论 适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规p i d 控制器结构简单、为工业控制中工 程设计人员所熟悉等特点。 下面对目前常见的几种智能p i d 控制作以简单的介绍。 ( 1 ) 基于知识的专家p i d 控制 近些年来，专家系统技术的迅速发展及其在控制工程中的应用，为智能控制开辟了 一个新的研究方向，即专家控带o ( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 。所谓专家控制是指将专家系统的理论和 技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控 制。专家控制系统不同于离线的专家系统，它不仅是独立的决策者，而且是具有获得反 馈信息并能实时在线控制的系统。不同的专家系统，其功能和结构都不尽相同，但一般 都由知识库、数据库、推理机、解释部分及知识获取五个部分组成，其结构如图1 1 所 示【9 】。 专家系统 图1 1 专家系统的结构 f i g 1 1e x p e r ts y s t e ms t r u c t u r e 专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些 知识来设计控制器。利用专家经验来设计p i d 参数便构成专家p i d 控制。专家知识库把 专家的经验和知识构成p i d 参数选择手册，记载在各种工况下被控对象所对应的p i d 参 数。数据库把被控对象的输入与输出信号提供给知识库和推理机。推理机进行启发式推 理，决定控制策略。优秀的专家系统可对已有知识和规则进行学习和修正，这样对被控 过程对象的知识了解可大大降低，仅根据输入、输出信息就能实现智能自整定控制。一 个智能控制系统可以靠专家经验来控制系统的运行。但是，一个复杂的生产过程单靠专 家经验不一定能控制好，必须通过扩大规则集来提高控制效果。但是这样做的话，系统 大连交通大学工学硕+ 学位论文 越来越庞大，推理速度变慢，实时性就会降低，反过来又会影响控制效果，因而产生了 不少的矛盾，还需进行更加深入的研究。 ( 2 ) 神经网络p i d 控制 所谓神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种 技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。由于神经网络具有信息的分布存 储、并行处理以及自学习能力等优点，所以它在信息处理、模式识别、智能控制等领域 有着广阔的应用前景。神经网络是以对信息的分布式存贮和并行处理为基础，它具有自 组织、自学习的功能，在许多方面更接近人对信息的处理方法，它具有模拟人的形象思 维的能力，反映了人脑功能的若干基本特性，但它并不是人脑的逼真描述，而是它的某 种抽象、简化和模拟【9 】。 基于神经网络的控制称为神经网络控n f n n c ) ，简称神经控制州c ) 。基于神经网络 的智能模拟用于控制，是实现智能控制的一种重要形式，近年来获得了迅速发展。传统 的基于模型的控制和模糊控制都具有显式表达知识的特点，而神经网络不善于显式表达 知识，但是它具有很强的逼近非线性函数的能力，即非线性映射能力。把神经网络用于 控制正是利用它的这个独特优点。在常规p i d 控制器的基础上，加入一个神经网络控制 器，构成基于神经网络p i d 控制器。神经网络控制器通过向常规p i d 控制器的输出进行 学习，目标是使反馈误差逐渐趋于零。一旦系统出现干扰，以p i d 构成的反馈控制器马 上可以重新起作用。因此，采用这种前馈加反馈的智能控制方法，不仅可确保控制系统 的稳定性和鲁棒性，而且可有效地提高系统的精度和自适应能力。 ( 3 ) 模糊p i d 控制 1 9 6 5 年美国伯克利加州大学l a z a d e h 教授发表了著名论文( f u z z ys e t ) ) ，对模糊 性问题给出了其定量描述【l ，这标志着模糊数学的诞生。在短短的3 0 多年里，模糊数 学得到了极大的发展，在理论和实际应用中都取得了令人瞩目的成就。模糊数学在自动 化技术中的应用非常活跃，是一个不断取得成果的一个分支领域，利用它解决了不少传 统的控制方法无法很好解决的问题。自1 9 7 4 年e h m a m d a n i 首先利用模糊数学理论进 行蒸汽机和锅炉控制方面的研刭1 2 】，并在实验室取得成功之后，模糊控制的研究和应用 获得了迅速的发展。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字 控制。模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而又 有效的形式。尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学科的相融合，正 在显示出其巨大的应用潜力。模糊控制的核心部分为模糊控制器，它的基本原理如图1 2 所示【9 】o 6 第一章绪论 +到蓊萎姜h 蓑塞萎h 篙翥薷h 雩冀羹尹h 裴篡篓m 互 1 l 制变量l i 化处理l i 制规则li ( 决策)li 化处理ll 一 传感器 被控对象 图1 2 模糊控制原理框图 f i g 1 2f u z z yc o n t r o lf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 执行机构 随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性、滞后和时变等现象。 其中有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时和随机干扰；有的无法获得较精确的数学 模型或模型非常粗糙。传统的p i d 控制器虽然以其结构简单、工作稳定、适应性好、精 度高等优点成为过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器，而且p i d 调节规律特别是 对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节 品质取决于p i d 控制器各个参数的确定。然而，针对上述的复杂系统，如果使用常规的 p i d 控制器，其p i d 参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到满意的控制效 果。模糊控制器是一种专家控制系统，它的优点是不需要知道被控对象的数学模型而能 够利用专家已有的知识和经验。重要的是当系统为非线性系统时，模糊控制器还可以产 生非线性控制作用。与传统的p i d 控制方式相比，它特别适合于那些难以建立精确数学 模型、非线性、大滞后和时变的复杂过程控制系统。但是经过深入研究，也会发现单纯 的模糊控制存在着其控制品质粗糙和精度不高等弊病。而且用的最多的二维输入的模糊 控制器不是p i 型就是p d 型，不是过渡过程品质不好就是不能消除稳态误差。因此，在 许多情况下，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、 适应性强、快速性好等优点，又具有p i d 控制精度高的特点。这种控制方法的出发点主 要是因为模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。 而p i d 调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除 误差作用。因此把模糊控制和p i d 调节器相结合以增加稳态控制性能。从模糊技术应用 于控制领域开始，就有许多模糊控制和p i d 控制相结合的控制器相继出现，包括基于模 糊推理的p i d 参数自整定模糊控制器以及实现p i d 功能的模糊p i d 控制器等。许多的 仿真和实际例子都表明，这些模糊p i d 控制器具有较好的控制性能。 1 3 稻壳焙烧炉简介 1 3 1 稻壳焙烧炉基本结构 稻壳是一种磨琢性小的物质，燃烧过程中无架桥与粘联现象，为实现连续生产，稻 7 大连交通大学工学硕士学位论文 壳在燃烧过程中还需要向前运动。通过折回平行的螺旋推进器布局结构可以实现稻壳定 向运动，采用从空心转轴中央通入供给燃烧的空气和燃烧筒外包裹冷却水层的方式实现 稻壳的可控温度燃烧，燃烧过程可连续进行。稻壳的输送系统所采用的实体面型螺旋推 进器结构如图1 3 所剥2 1 。 图1 3 实体面型螺旋推进器结构 f i g 1 3s p i r a lp r o p e l l e rs t r u c t u r ef o r t h ee n t i t yf a c es h a p e 由于在高温下转轴的挠度受温度的影响严重，因此螺旋推进器不宜过长。考虑到温 度和占地面积的因素，采用分段燃烧、螺旋推进与折回平行的布局结构，如图1 4 所示。 5 图1 4 螺旋推进器布局图 f i g 1 4l a y o u tm a po fs p i r a lp r o p e l l e r 1 ) 进料口2 ) 右旋螺旋推进器3 ) 燃烧筒 4 ) 左旋螺旋推进器5 ) 出料口 1 3 2 生产工艺流程及其要求 为了能够生产出性能优异的纳米二氧化硅产品，在项目的中试放大过程中，需要研 究各种生产工艺参数对产品性能的影响以及确定工艺参数： 8 第一章绪论 ( 1 ) 原料化学刻蚀程度对热解温度及产品粒径的影响； ( 2 ) 热解时间及热解速度及热解温度的自动控制； ( 3 ) 热解工艺对产品粒径和形貌及性能的影响； ( 4 ) 热解热量的收集及综合利用； ( 5 ) 热解工艺及设备的设计； ( 6 ) 确定生产工艺条件，选择合理工艺参数。 整个生产过程中包含四项关键技术： ( 1 ) 正确剖析稻壳的生态结构，利用天然结构中硅均匀分布的特点，制备平均粒径 为5 0 n m 的二氧化硅纳米材料； ( 2 ) 化学刻蚀法制备有机物前驱体过程中，定向刻蚀、选择性反应程度的控制； ( 3 ) 有机物前驱体热解法制备二氧化硅纳米材料过程温度的控制； ( 4 ) 有机物前驱体热解过程中放出热量的合理利用。 图1 5 为稻壳热解法制备纳米二氧化硅的生产工艺流程图： 稻壳筛选，水洗去灰 用o 1 当量浓度的无机酸溶 液水解，然后分离、水洗。 干燥，温度9 0 1 0 0 ( 2 脱碳，温度3 0 0 - 4 0 0 ( 2 ，获 得半成品：二氧化硅+ 碳。 氧化焙烧，需通入压缩空 气，焙烧温度8 0 0 冷却，获得成品： 高纯纳米二氧化硅 筛选的原料粒度为1 3 毫 米，水可重复使用。 水：稻壳= 1 ：3 ，温度2 5 获得残液可重复利用，水也可重复利用。 酸洗液：稻壳= 1 ：1 4 ，9 0 。c ，3 0 m i n 。 干燥用的能量为下面两次焙烧的反应热 最高4 5 0 ，焙烧十分迅速，只有几分钟。 控制温度不得超过8 0 0 ，否则 会形成结晶态s i 0 2 ，无法应用。 t t = 8 0 0 ，2 0 - 3 0 m i n 。 图1 5 生产工艺流程图 f i g 1 5f l o wp r o c e s sc h a r to fp r o d u e t i o nt e c h n o l o g y 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 1 4 论文研究的主要内容和方法 本文针对利用稻壳热解法制备纳米二氧化硅的课题，对稻壳焙烧炉温控系统的实现 方案以及控制算法进行研究。温控系统以p l c 为控制核心，采用模糊自整定p i d 控制 算法实现对炉温的合理控制。结合稻壳焙烧炉的特点以及控制要求，合理设计模糊p i d 控制器。为了进一步总结经验规律，便于现场的调试，利用m a t l a b 软件对模糊自整 定p i d 控制算法进行仿真分析。具体工作内容如下： ( 1 ) 通过大量地查阅相关资料和调查了解，目前，工业控制过程中仍普遍采用p i d 控制，原因主要是p i d 控制器结构简单、鲁棒性好，并且易于实现。但是对于复杂的非 线性、时变、难以建立精确数学模型的工业系统，常规p i d 控制器的参数整定往往十分 困难，因而很难达到理想的控制效果。所以，首先对p i d 控制参数的整定问题进行研究， 并结合被控对象的具体特性，确定现场实际调试过程中可以应用的整定方法。 ( 2 ) 针对被控对象的特性，设计一个模糊控制系统。对模糊控制系统进行分析，指 出模糊控制在非线性、强时变、大扰动系统中的控制效果有着明显的优势，但由于它自 身的缺点，就使得单纯的模糊控制无法完全满足稻壳焙烧炉温控系统的要求。 ( 3 ) 综合分析p i d 控制与模糊控制各自的特点，考虑将二者相互结合，发挥各自优点， 实现优势互补，构成模糊p i d 控制器。针对被控对象特点，设计模糊p i d 控制器，并利用 m a t l a b 软件对该控制算法进行仿真分析。 ( 4 ) 确定了控制算法以后，考虑以p l c 为控制核心，通过编程的方式实现模糊自整 定p i d 控制算法，并最终确定系统的实现方案。 本章小结 本章对课题的提出及意义进行了介绍，并简要介绍了焙烧炉的结构以及生产流程和 技术要求。分析了国内外相关技术的发展现状，提出适合稻壳焙烧炉温控系统的控制方 法。 1 0 第二章p i d 控制理论基础 第二章pid 控制理论基础 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单及可靠性高，被广泛应 用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。在工业控 制中，目前8 5 9 0 的控制系统采用p i d 控制方法。但对于复杂的非线性、时变、不 确定性等工业系统，应用常规p 1 d 控制器往往不能达到理想的控制效果。本章主要对常 规p i d 控制算法及其参数整定方法进行分析、研究。 2 1p i d 控制基本原理 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控 制，这就是p i d 控制器1 1 3 1 。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。 模拟p i d 控制系统原理如图2 1 所示。系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 图2 1 模拟p i d 控制系统原理框图 f i g 2 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mf o rt h ep i dc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r i n ( t ) - 与实际输出值y o u t ( t ) 构成控制偏 差： e r r o r ( t ) ：- r i n ( t ) - y o u r ( t )( 2 1 ) p i d 的控制规律为： 砸) = k p ( e r r o 专fp 肿心) 出+ t t d d e r r o r ( t ) ( 2 2 ) 或写成传递函数形式： g = 器= 小+ 1 矿叫 式中，k p _ 比例系数；t 广积分时间常数；t d r 微分时间常数。 大连交通大学1 = 学硕士学位论文 根据不同的被控对象适当地调整p i d _ 三个参数，可以获得比较满意的控制效果，整 定参数的过程，实际上是对比例、积分和微分三部分控制作用的折中f 1 0 1 。具体说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e r r o r ( t ) ，偏差一旦产生，控制器 立即产生控制作用，以减小偏差。 比例作用实际上是一种线性放大( 或缩小) 作用，它有类似人脑的想象功能，把一个 量( 或物体、事物) 想象的大一些或小一些。其优点：误差一旦产生，控制器立即就有控 制作用，使被控量朝着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数l 【p 。其缺点： 对于具有自平衡性( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在静差。加大k 。可减 小静差，但k 。过大，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积 分时间常数t i ，t i 越大，积分作用越弱，反之则越强。 积分作用实际上是对误差信号的记忆功能，人脑的记忆功能是人类的一种基本智 能，但人的记忆具有选择性，人总是选择性地记忆某些有用的信息，而遗忘无用的信息， 而常规p i d 控制中的积分作用不加选择地“记忆 了误差的存在及其误差变化的信息， 其中也包括了对控制不利的信息，因此这种积分缺乏智能性。其优点：能对误差进行记 忆并积分，有利于消除静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强 会使控制的动态性能变差，以至使系统不稳定。 ( 3 ) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 或变化速率) ，并能在偏差信号变得太大 之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时 间。 微分作用体现了某种信号的变化趋势，这种改变类似于人的预见性，但是常规p i d 控制中的微分作用的“预见性 缺乏人的远见卓识的预见性，因为它对变化快的信号敏 感，而不善于预见变化缓慢信号的改变趋势。其优点：能对误差进行微分，敏感出误差 的变化趋势，增大微分控制作用能加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。其 缺点：对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 2 2 数字p i d 控制基本原理 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控 制系统，不仅可以用软件实现p i d 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使p i d 控制更加灵活，在生产过程中它是一种最普遍采用的控制方法。计算机控制是一种采样 控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续p i d 控制算法不能直接使 1