退火炉温度控制系统的Smith补偿控制策略研究毕业设计

1、 （二二 一一 一一 年年 六六 月月 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书学校代码：学校代码： 1012810128学学 号：号： 200711204078200711204078题题 目目： 退火炉温度控制系统的退火炉温度控制系统的 SmithSmith 补偿补偿控制策略研究控制策略研究学学生生姓姓名名 ： 路路 志志 强强学学 院院 ： 电电 力力 学学 院院系系 别别： 自自 动动 化化 系系专专 业业： 自自 动动 化化( ( 电电 厂厂 热热 工工 过过 程程 控控 制制及及 自自 动动 化化 方方 向向) )班班 级级： 自自 （ 电电 ）0 0 7 7 - - 3 3指指导导教

2、教师师 ： 董董 朝朝 轶轶 副副教教授授内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要退火炉是冷轧钢板热处理的重要热工设备，其直接影响到产品的质量、产量和成本，在生产中处于关键位置。研究退火炉温度控制系统在改善产品质量、提高生产率、改善生态环境和节约能源方面有着举足轻重的意义。本文是以煤气罩式退火炉为研究对象展开的。退火炉是一个比较复杂的被控对象，它具有时变、非线性、不确定等特性。通过实验方法并且结合实践经验，确定了退火炉对象的传递函数。纯滞后环节的存在严重影响系统的控制效果，导致系统的超调量变大，调节时间变长，甚至出现振荡和发散。对于这一类的工业被控对象，采用普通的 PID 控制很难保证系统小超调

3、或无超调。本文针对大滞后系统设计了 Smith 预估补偿控制器，从仿真结果可以看出，该控制器能使退火炉的温度控制过程很快达到稳态，系统的超调量得到了较好的控制。 关键词：退火炉；纯滞后；Smith 预估补偿控制器内蒙古工业大学本科毕业设计说明书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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录第一章 绪论.11.1 退火炉温度控制研究的目的及意义.11.2 退火炉温度控制系统的研究状况.21.2.1 国际发展现状 .21.2.2 国内发展现状 .31.2.3 退火炉控制系统的新进展 .41.3 本论文的主要工作.4第二章 退火炉的建模.62.1 煤气罩式退火炉系统介绍.62.2 退火炉动态特性实验测定.72.2.1 系统建模过程 .82.2.2 被控对象的实验数据处理 .9第三章 被控对象分析.113.1 纯滞后介

9、绍.113.1.1 纯滞后的产生 .113.1.2 纯滞后的相关定义 .113.2 纯滞后对控制性能指标的影响.123.3 被控对象控制策略的选取.13第四章 施密斯预估控制.144.1 施密斯预估控制原理.144.2 施密斯预估器的计算机实现.154.2.1 计算机纯滞后补偿控制系统 .154.2.2 纯滞后补偿控制的算法 .164.3 施密斯预估器的缺点.18第五章 控制系统的设计与仿真.195.1 被控对象的动态特性.195.2 调节器的参数整定.195.2.1 衰减曲线经验公式法 .195.2.2 调节器的参数整定过程 .21内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5.3 带有施密斯预估控制器

10、的系统仿真.235.3.1 时域系统的仿真 .235.3.2 系统离散化的仿真 .24结 论.26参考文献.27附 录.29谢 辞.31内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 退火炉温度控制研究的目的及意义 退火炉是常用在冶金和机械行业的热处理工艺设备。带钢在冷轧过程中会发生加工硬化，为了消除加工硬化并且同时能生成具有良好成型性能的显微组织，从而获得优良的机械性能，需要对冷轧后的带钢进行退火处理。退火是金属热处理中的重要工序，是将偏离平衡状态的金属加热到临界温度上，保持一定时间后缓慢冷却，以得到接近于平衡状态组织的过程1。通过退火可以使带钢达到降低硬度、细化组织、改善切削加工性能

11、、消除内应力等目的。退火是冶金企业生产高质量冷轧薄板产品的一道必经工序；退火是提高钢材屈服强度、抗拉强度，提高薄板表面质量，改善机械性能的重要手段2；退火处于冷轧薄板生产中的最后处理工序，对冷轧薄板最终产品质量有着关键性的影响。薄板企业能否稳定地进行退火生产操作，减少钢材粘接、杯突等质量缺陷是一个企业生存的重要指标。近年来随着钢材市场竞争的不断激烈，对产品性能的需求不断提高，要求在各个工序及温度控制上更加精确，稳定。 退火炉作为轧钢企业主要设备之一，直接影响产品的质量、产量和成本，在生产中处于关键位置。因此对退火炉温度控制在提高轧钢生产率、改善质量和节约能源上都具有举足轻重的意义。在生产中对退

12、火炉的基本要求就是根据退火处理工艺曲线，提供准确的升温，保温及降温操作，同时保证炉内各处的温度均匀。对于工业退火炉，为了很好的满足工艺需要，退火炉的炉温控制是保证退火质量的关键因素。生产中，温度控制性能优良的退火炉具有以下现实意义： 1.提高产品的质量和产量。生产过程中对钢材的温升曲线有较高的要求，退火炉的炉温动态特性直接影响到产品的质量。如果温度过低，就达不到退火的预期目的；温度过高而又将导致过热，甚至过烧。通过对退火炉中生产过程的自动工艺管理控制和优化控制可以缩短产品的生产周期，提高产品的质量和产量，减少因为人为因素造成的废品率，节省了原材料。2.减少环境污染，改善生态环境。金属热处理企业

13、历来是环境污染大户，退火炉的燃料如果是在氧气不足的情况下燃烧，燃料燃烧不充分就会产生大量的 CO 气体和黑烟，而过氧燃烧会产生氮氧化合物等有害气体。通过对燃烧过程进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比下运行，可以减少退火炉对环境的污染，对改善生态环境和构建可持续发展型社会具有积极的意义。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书23.节约能源。通过提高退火炉温度控制的精度可以大幅度节约能源。如通过计算机控制降低废气中含氧浓度，由传统人工控制的 8%10%降低到过氧浓度 2%，节能效果非常明显。 我国是钢铁和能源消耗大国，研究高性能退火炉温度控制系统具有重大的现实意义。1.2 退火炉温度控制系统的研究状况 退

14、火炉在轧钢生产中占有非常重要的地位，退火炉的温度控制是具有大惯性、纯滞后的非线性多参量的随机过程，受很多随机因素的干扰，很难全面考虑各种因素的影响。如果不能及时地调节温度，产品的质量会受到影响。随着计算机控制技术的迅速发展，国内外众多厂家开展了对退火炉采用计算机控制的研究，现在有很多成果已经应用到实际当中。1.2.1 国际发展现状国际上 20 世纪 70 年代就开始了退火炉计算机控制的研究3，近几十年来，由于计算机技术以及智能控制技术的迅速发展，退火炉计算机控制的应用日趋广泛，控制水平明显提高，取得了很多实际的应用成果45，其中具有代表性的研究成果如表 1-1所示： 厂家名称所用机型应用现状日

15、本 KASHIMA 钢厂PLC 控制器实现钢坯目标出炉温度计算，温度预报，空燃比控制，炉温最优控制瑞典 DOMNARVE 公司PLC 控制器确定最佳加热曲线和炉温控制美国 DOFASCO 公司 I 级：PLC 控制器 HONEYWELLTDC3000 II 级：DEC VAX8350空燃比控制，炉温控制，温度预报，炉温设定值调节设备诊断，系统报警、记录、报告等美国CONSHOHOCHEN 公司DEV MICRO VAXIII空燃比控制，炉内压力控制，设定值选择，生产调度模型等内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3表 1-1 退火炉计算机控制在国外的一些应用现状随着数字计算机向高速、大容量、小型方向

16、的发展，传统的 PID 控制已经渐渐的在一些特定对象的控制领域显得力不从心，传统的 PID 控制不断发展改进的同时，现代控制理论也在不断发展。随着控制理论的不断发展，出现了一些新型的控制算法。70 年代以来，预测控制作为一类新型的计算机控制算法在复杂工业过程中得到成功应用，由于它突破了传统控制算法的约束，采用了预测模型，滚动优化和反馈校正等新的控制思想，获取了更多的系统运行信息，因而使控制效果和系统的鲁棒性得以提高。如美国钢厂在其退火炉智能控制系统中应用了广义预测极点配置加权控制，在控制系统中考虑到煤气压力随机波动和变化频繁等情况，煤气压力较低时，当煤气管道阀门开度为 100%时，煤气压力仍不

17、能恢复到正常值，对炉温影响较大，所以在模型中将煤气总管压力作为可测干扰量来处理。再考虑到现场随机噪声干扰影响，罩式退火炉可用一个带可测煤气压力干扰，有控制项的自由回归滑动平均模型来描述，当采样周期为 60s，得到一个有纯滞后的一阶惯性的数字模型。对煤气罩式退火炉利用广义预测极点配置加权控制器计算机控制，得到的模型参数跟踪性能好，很快收敛，升温段温差不超过6，恒温段温度在4范围内6。随着控制技术的日益提高，退火工艺也不断改进。其优势在于提高了生产效率，并且很大程度上提高了产品成材率和钢产品的质量。1.2.2 国内发展现状 随着国内科技人员的努力，目前我国在热处理炉窑控制方面的理论研究水平已经接近

18、国际先进水平，但在实际运用中还是有差距的。特别是在一些中小型企业中，还采用常规温度调节仪表或者人工操作来控制退火炉的炉温，自动化程度较低使生产控制精度不高，导致退火质量差，废品率高。20 世纪 80 年代以后，国内对退火炉温度控制进行了广泛的研究。随着微型计算机技术的迅速发展，计算机控制退火炉逐步进入实用化阶段7，主要的研究现状有： 1.采用先进的控制设备 随着工业控制计算机、可编程控制器(PLC)和集散系统(DCS)等先进控制系统的发展，逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式仪表等控制器件。先进的控制设备支持联网通信，使用方便，提高了生产效率，降低了生产成本，改善了劳动条件。2.采用新的控制方

19、法 对于传统的负反馈系统，单一 PID 控制做了多种补充从而使控制性能更佳。在以前的燃烧控制系统中，通常采用配比调节处理煤气与空气的关系，由于燃料与空内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4气调节回路的响应速度不一致，这种配比关系难以保证。尤其是在燃烧负荷变化的情况下，更无法保证最佳配比关系。为了解决这些情况，提出了三种处理煤气和空气关系的交叉限幅法：单交叉限幅法；双交叉限幅法；改进型双交叉限幅法。3.现代控制理论的应用 随着控制理论的快速发展，越来越多的控制系统采用了现代控制理论，如最优控制、自适应控制、自校正控制和自整定 PID 参数的控制，已逐步在工业生产中得到应用。4.管理系统的应用退火炉除

20、了使用传统的闭环控制以外，还使用上位机进行管理。上位机应用程序分为监控界面，数据存储，报警记录，报表生成，优化控制等功能。管理系统在生产中的应用，很大程度上提高了退火炉控制系统的实用价值和应用性能，大大提高了生产过程的效率。1.2.3 退火炉控制系统的新进展随着智能技术的不断发展，如模糊控制、神经网络控制、遗传算法和人工免疫等越来越多的控制算法融入到了控制理论中。这些控制方法在退火炉控制中也逐步得到了应用。加热部件是退火炉的主要部件，实现比较均衡稳定的温度控制是研究退火炉的主要目的。国内外许多科技人员在对退火炉温度控制方面进行了大量的研究，在控制方法和控制手段上取得的研究成果推动了退火炉研制工

21、作的发展。唐山钢铁公司运用模糊控制理论和传统的 PID 控制相结合的控制方法8，不仅成功地实现了自动控制，而且还大幅度降低了吨钢油耗指标，取得了不菲的经济效益。丁起英和冯丽伟等人对罩式光亮退火炉控制系统进行了分析研究9，使用 PID算法进行编程，在炉电气控制系统中采用可编程序控制器，生产效益良好。舒怀林设计了 PID 神经元网络自学习解耦温度控制系统10，提高了温度控制系统的动态和静态性能，提出了PID 神经元网络，即 PIDNN，它适合于复杂系统的控制。PIDNN 解耦温度控制器可以自主调整连接权值，使系统无静态误差，超调量小于5%，缩短了调节时间。 针对退火炉温度的时变、滞后和非线性特性，

22、赵鹏程、王致杰等人提出了一种基于人工神经网络与模糊控制相结合的控制方法11。在工业锅炉温度控制中设计了神经模糊温度控制器。通过实验分析结果表明：该控制器具有精度高、响应速度快内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5和鲁棒性好的特点。从仿真结果可知：计算值的误差较小，得到的结果令人满意。1.3 本论文的主要工作论文的主要工作是：1.利用实践环境条件，查阅相关文献，以煤气罩式退火炉为例，收集实验数据，确定退火炉对象的传递函数，建立退火炉的温度控制系统模型；2.针对退火炉的温度特点，分析纯滞后系统的特性和解决方法； 3.利用 Smith 预估补偿控制原理，完成退火炉温度控制系统的 Smith 补偿控制器的

23、设计； 4.利用 MATLAB 仿真软件，对系统进行常规 PI 控制和 Smith 控制进行仿真实验，分析仿真结果； 5.对系统的仿真过程应用 MATLAB 语言的编程实现。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6第二章 退火炉的建模本文是以国内某冷轧厂煤气罩式退火炉为背景展开研究的。由于其现有的煤气罩式退火炉的设计不太合理，控制系统为较为落后的继电器输出模式，控制主要根据现场仪表和操作中的经验进行手动调节，致使炉温波动较大，很大程度上影响了退火炉的退火质量，造成能源浪费，安全隐患多，所以决定对退火炉进行改造。首先对其系统进行介绍并确立其对象模型。2.1 煤气罩式退火炉系统介绍煤气罩式退火炉采用高炉

24、煤气作为燃料，其作用是用于对冷轧钢板进行热处理。它的炉体结构如图 2-1 所示:图 2-1 煤气罩式退火炉结构图煤气罩式退火炉分为内罩与外罩，内罩是放入退火钢卷的地方，并投入保护性气体防止氧化。燃烧是在内罩与外罩之间进行的。它的 12 个喷嘴分为上下两层，每层 6个环绕排列。煤气与空气之间的喷燃比由连接到阀门的两个杠杆调节，在燃烧时，外罩内罩钢料空气阀保护气体阀煤气阀内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7其空燃比不变。保护气体的温度是炉温控制系统的测点。煤气和空气阀均采用碟阀，由一台电动执行机构通过连杆共同带动执行。整个系统可以认为是以电动执行器带动的碟阀开度(煤气的输入量)为输入以保护气体温度为

25、输出的一个单输入单输出的温度控制系统。退火炉工艺一般分为升温，保温，降温三个阶段。升温段是在一段时间内按一定的工艺曲线要求升高温度，保温段则要求温度在该时间段内保持恒温，降温段为自由降温。其中升温段和保温段对温度控制精度要求较高，应小于10。 在 Y1 温度内，保护气体温度在供气阀门开到最大情况下，以自由升温的速率在最短的时间内升到 Y1(400)。从 Y1 开始到 Y2(700)的保温点，温度按 45/h75/h 的速率上升，此段为升温段。到达 Y2 点，开始进入保温段。钢卷保温(T2T3)后停火，进入降温段，在此段中退火炉温度控制系统复位，炉温自由下降。对冷轧钢板的热处理需要遵循一个如图

26、2-2 所示的温度变化曲线，图中将温度变化过程分为了四个阶段: 0T1:快速升温段。这个阶段里阀门应为全开状态，这样可以保证煤气罩式退火炉以最快的速度升温。 T1T2:升温段。这个阶段的升温过程是按照一定的速率升温，温度值要求控制在误差不超过10的范围内，采用施密斯预估控制算法输出控制碟阀。 T2T3:恒温段。这个阶段要求系统将温度保持在一个要求的固定值，同样应控制温度误差不超过10。 T3 之后:自由降温段。这个阶段温控系统不起作用，阀门全部关闭，系统处于停机状态。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8 T1 T2T3时间T温度YY2Y1图 2-2 温度变化过程图2.2 退火炉动态特性实验测定简

27、单控制系统是由一个被调量、一个控制量、一个调节器、和一个调节阀组成的一个闭环回路12。自动控制系统是由被控对象和控制器两部分组成的。只有熟悉了各个量的特性，并把它们合理地构成控制系统，才能实现人们预期的控制目标。对被控对象动态特性了解的多少在很大程度上决定了控制系统设计的好坏。被控对象的动态特性实际上就是被控对象的动态数学模型，即用数学方程来描述被控对象各变量间的关系。2.2.1 系统建模过程在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量(或变量)之间关系的数学表达式。在静态条件下(即变量各阶导数为零)，描述变量之间关系的代数方程式叫静态数学模型；而

28、描述变量各阶导数之间关系的微分方程叫动态数学模型13。建立控制系统的数学模型是分析和设计控制系统的首要工作。可以通过两个途径获得被控对象的动态特性，即理论法和实验法。理论法是根据被控对象基本的物理、化学定律和工艺参数，在一定的假设条件下导出其数学模型，这种方法一般只用来描述新研制的被控对象的动态特性。实验法是人为的给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型去逼近，这种方法称为系统辨识，即就是先根据经验或数据分析确定模型的结构，然后由试验数据确定其未知参数。工程中的许多被控对象都是相当复杂的设备或系统，以至于它们的数学模型很复杂，采用理论法获得其数学模型相当困难，也就是说需要用很

29、复杂的数学模型来描述其动态特性。因此，在工程上主要运用实验法来获得被控对象可靠的数学模型。实践证明，对于许多复杂的被控对象，用实验法建立的内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9近似的数学模型来描述其动态特性完全能够设计出比较满意的控制系统14。测定退火炉燃烧系统响应曲线时，最常用的标准输入信号是阶跃信号，其对应的随时间变化的输出信号曲线称为阶跃响应曲线(或飞升曲线)，它能比较直观地反映被控对象的动态特性，特性参数可以直接从曲线中提取，无须进行转换，试验方法也较为简单。因此，当输入为阶跃信号时，将系统处于开环状态并将原有的控制器置于手动位置，阶跃地改变控制器的输出电压，记录传感器输出的温度信号，可得

30、到一条阶跃响应曲线，就可以从曲线中到该过程的特性参数。实验中，为了记录飞升曲线所获得的值定制了一段程序来记录实验中的输入和输出量。阶跃信号是由 AVR 初始化 AD420 后，通过 SPI 送出 0 xFF，同时将 AD420 配置为 420mA 输出模式产生的，此时可通过电路控制回路串入电流表的方式判断控制信号的输出是否为 20mA。将炉温控制系统的输出接线接到 Herculine2000 的电流输入端子处，此时应去掉设备原有的红色采样电阻。此时 Herculine2000 会接收到控制信号，电机旋转达到阀门开度最大值。然后是记录温度数据，当阀门开度最大时开始采集温度，采集时间为 30 秒，

31、此时 AVR 需要周期性地将 MAX6675 的温度数据读出并且用串行口输出到 PC，PC 机用串口调试精灵将接收到的温度数据存储然后用Excel 转化后即得到温度数据15。此时可以用 Excel 直接转化为横坐标为时间，纵坐标为温度的曲线，此时完成飞升曲线记录。实验中应注意以下问题:1.输入信号的幅值要根据退火炉的具体情况选择。为了很好地区分实验输入信号与干扰信号，应保证输入信号的幅值足够大，但是也要考虑输入信号幅值过大可能引起输出信号超过允许的变化范围这一问题。所以，一般取输入信号的幅值为被控对象额定负荷的 10%15%，即额定符合阀门开度。2.实验前应使退火炉在加热下保温一段时间，使退火

32、炉的初始状态处于稳定。为了获得一条准确的阶跃响应曲线，应该在相同的条件下重复实验 3 次，需要综合分析确定的相关曲线。2.2.2 被控对象的实验数据处理对于退火炉这类对象的典型传递函数为纯滞后加一阶或二阶惯性环节模型，其描述函数如下式所示:一阶惯性纯滞后系统传递函数: （2- sesTKsG111）内蒙古工业大学本科毕业设计说明书10二阶惯性纯滞后系统传递函数: （2- sesTsTKsG11212）对于被控对象传递函数的选择，常用的做法是实验经验法。一般来说，对于相同的阶跃响应曲线，一阶惯性传递函数拟合，其数据计算简单，但是结果不够准确;二阶惯性传递函数拟合，数据计算量较大，处理较为复杂，但

33、匹配程度较好。闭环系统采用单片机来控制时，控制系统设计对被控对象传递函数的精度要求不是很高，所以本文中采用的是一阶惯性纯滞后系统传递函数： sesTKsG11式中 退火炉控制系统的放大系数；K 退火炉的时间常数；1T 退火炉的纯滞后时间。根据实验所得的图 2-3 去确定传递函数中的参数，。值的计算公式K1TK是 （2- YKU3）式中表示系统的稳态输出，表示系统的输入。 YU由于阶跃响应曲线切线法被较多地应用到 PID 控制对象的建模上，所以业界应用较为广泛。在图 2-3 中，通过阶跃响应曲线的拐点 P 作切线，与时间轴 T 交于 A点，与稳态值作水平线交于 B 点，则 OA 即为退火炉的纯滞

34、后时间，切线线段 YAB 在时间轴 T 上的投影即为退火炉的时间常数。切线法的主要缺点是所作的切线1T不够准确，其优点是方法简单，便于计算。利用阶跃响应曲线切线法得到的传递函数的相关参数值为15:;sec120,sec667.27,1488. 01ondsondsTK得到此退火炉的传递函数为: sessG120667.2711488. 0YTA0PB内蒙古工业大学本科毕业设计说明书11图 2-3 阶跃响应曲线第三章 被控对象分析退火炉燃烧系统是一个有自平衡能力的对象，它具有非线性、时变和分布参数等特征，本文中简单地用一个纯滞后一阶惯性环节来描述。许多被控对象都具有时变特性，即参数随时间和环境的

35、变化而改变，其中包括放大系数、时间常数和滞后时间等。滞后是控制系统中一种典型环节，具有较大滞后的被控对象其被控过程往往会产生明显的超调而使得调节时间较长。3.1 纯滞后介绍3.1.1 纯滞后的产生在大量的自然与社会现象中，可以用常微分方程来描述一类确定性的运动规律，但是客观事物的运动规律往往是复杂和多样的。一般来说，滞后现象在动力系统中内蒙古工业大学本科毕业设计说明书12总是不可避免地存在，也就是说事物的发展趋势不仅依赖于当前的状态，而且还依赖于事物过去的历史。在过程控制系统中，由于物料或能量的传输及大惯性温度控制系统等使得系统中的被控量往往具有时间纯滞后特性。在化工、炼油、冶金等一些复杂工业

36、过程控制中广泛存在较大的纯滞后，其原因就在于当输入变量改变后，实际系统变量的测量，设备的物理性质以及信号的采集、传递和处理等多方面的因素导致了输出并不立即改变，而要经过一段时间后才反映出来，输出相对于输入有了时间滞后现象，这个时间就称为纯滞后时间。退火炉温度控制系统具有较为典型的纯滞后、大惯性的非线性特性，这些特性的存在往往使扰动不能被及时察觉，以至调节效果不能及时反映，从而造成系统稳定性下降，产生较大的超调或振荡。当纯滞后时间占整个动态过程的时间越长，控制的难度就越大。由于纯滞后的存在，使被控量不能及时反映系统所承受的扰动，只有在延迟纯滞后以后才能反映到被调量，控制器产生的控制作用也不能立即

37、对干扰产生抑制作用，必然会使系统产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以，具有纯滞后的过程被公认为是较难控制的过程16。3.1.2 纯滞后的相关定义对于纯滞后环节，当输入一个信号后输出不立即有反应，而是经过一定的时间后才会反应出来，而且输入和输出在数值上相同，仅是在时间上有一定的滞后，称这段时间为纯滞后时间，常用表示。纯滞后环节的输入输出特性如图 3-1 所示，图 3-1(a)表示输入为阶跃信号时的输出响应，图 3-1(b)表示输入为任一时间函数时的输出响应曲线。在工业生产中，这种纯滞后通常是由于物料传输时间造成的。此时，纯滞后可用( 为物料传输距离，为物料传输速度)来计算。在工业生vllv产

38、过程中，完全只用纯滞后特性表示的情况是较少的，大多数工艺过程的动态特性是纯滞后和惯性环节的综合体特，对于这种过程，我们就称之为具有纯滞后的工艺过程。如果纯滞后时间与惯性时间常数相比很大时，我们可近似忽略惯性时间常数而将其看成单纯的纯tt00输入 x输出 ytt00输入x输出y内蒙古工业大学本科毕业设计说明书13(a) 阶跃输入响应(b) 任意输入响应图 3-1 纯滞后环节的输入输出特性滞后过程。通常把过程的纯滞后时间和惯性时间常数的比值作为一个衡量1T1T纯滞后大小的指标，当时，称为具有一般的纯滞后过程；当时，5 . 01T5 . 01T称为具有大纯滞后的过程17。在工业生产中，当纯滞后时间与

39、过程时间常数的比值增加，就会导致过程中的相位滞后增加，使大纯滞后现象更为突出，有时会因为超调严重而导致聚爆、结焦等停产事故。3.2 纯滞后对控制性能指标的影响在一个控制系统中，纯滞后出现于不同的位置，对系统的动态影响也不同。为使讨论具有广泛性，这里假设过程特性是广义对象的动态特性。控制系统的传递函数描述如图 3-2 所示。设控制通道和扰动通道的传递函数分别为： fsfffsesTKsGeTsKsG1;11.控制通道纯滞后对系统的影响控制通道纯滞后的存在使控制系统的频率特性发生变化。当被控对象存在纯滞后，控制作用不能及时使被控变量发生变化；当反馈环节存在纯滞后，被控变量的变化不能及时传送到控制器

40、。因此开环传递函数存在纯滞后，会导致系统超调量增大，并引起系统不稳定18。2.扰动通道纯滞后对系统的影响扰动通道纯滞后的存在不影响系统闭环极点的分布，它仅表示扰动进入系统f的时间先后，即扰动在时刻后作用于系统。它的存在不影响系统的闭环稳定性和f开环频率特性，也不影响控制品质。G(s) Gf(s) D(s)R(s)E(s)F(s)U(s)Y(s)-内蒙古工业大学本科毕业设计说明书14图 3-2 控制系统的传递函数描术图3.3 被控对象控制策略的选取鉴于退火炉是一类大惯性、纯滞后和非线性的对象，它的温度控制是一个复杂而又难以控制的工业过程，采用常规的 PID 控制策略已经很难取得很好的控制精度，因

41、此研究一种性能良好的控制策略具有一定的实际意义。本文采用施密斯预估控制器对其温度进行控制，施密斯预估控制器的原理将在下一章中作具体介绍。第四章 施密斯预估控制为了改善大纯滞后系统的控制品质19，1958 年施密斯(O.J.M.Smith)针对大纯滞后过程提出预估补偿算法，又称为施密斯(Smith)预估控制算法。其基本思想是按过程的特性预估出一种模型，加入到反馈控制系统中，力图使滞后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减少超调量，加速调节过程，以消除或减弱闭环系统中纯滞后因素的影响，从而提高闭环系统的动态质量20。4.1 施密斯预估控制原理设具有时间滞后特征的闭环控制系统如图

42、 4-1 所示，图中表示调节器的传 sD内蒙古工业大学本科毕业设计说明书15递函数，用于校正部分，表示被控对象的传递函数，为被控对 sGp spesG sGp象图 4-1 带纯滞后环节的控制系统中不包含纯滞后部分的传递函数，为被控对象纯滞后部分的传递函数。系统的se闭环传递函数为 （4- spspesGsDesGsDsRsYs11）系统的特征方程为 （4- 01 spesGsD2）式（4-2）中包含有纯滞后环节，使系统的稳定性下降，当较大时，系统se还会出现不稳定现象。为了改善控制系统的性能，引入了一个与并联的补偿环 sD节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分。补偿后的系统框图如图 4-2 所示，

43、图中由施密斯预估器和调节器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，设其传递函数为 sD，有 sD （4- spesGsDsDsD113）经过补偿后的系统的闭环传递函数为 （4- sppspspesGsDsGsDesGsDesGsDs114）从式（4-4）可以看出，经补偿后，在闭环控制回路之外，不影响系统的稳se定性，拉氏变换的位移定理说明了仅仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时se间，控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为时是相同的。将 sGp用图 4-3 表示，可以清楚地看出施密斯预估控制的效果：反馈量不再受对象滞 s sR sE sD sU spesG sY+-内蒙古工业大学本科毕业设计说

44、明书16后的影响。se图 4-2 带施密斯预估器的控制系统图 4-3 施密斯预估控制效果4.2 施密斯预估器的计算机实现针对许多被控制对象具有的纯滞后性质，施密斯(Smith)提出的纯滞后补偿控制算法，在计算机控制系统中能够方便的实现。4.2.1 计算机纯滞后补偿控制系统计算机纯滞后补偿控制系统如图 4-4 所示。图中为负反馈调节器，本论文 sD图 4-4 计算机纯滞后补偿控制系统使用 PI 调节规律；是纯滞后补偿器，与对象的特性有关；零阶 spesGsD11保持器的传递函数为 （4- sesGTsh15） 式中为采样周期；是对象特性，中不包含纯滞后特性。T sphesGsGsG sGp纯滞后

45、补偿的数字控制器由两部分组成：一部分是数字 PI 控制器(由离散化得 sD到)；另一部分是施密斯预估器。在预估器中，滞后环节使信号延迟，为此在内存中 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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书17专门设定个单元作为存放信号的历史数据21，存储单元的个数由式N kmN决定，是纯滞后时间，为采样周期。每采样一次，把记入 0 个单元，TNT km同时把 0 单元原来存放的数据移到 1 单元，1 单元原来存放的数据移到 2

46、 单元，以此类推。从单元输出的信号，就是滞后个采样周期的信号。施密斯NNNkm预估器的输出可按图 4-5 的顺序计算。是 PI 数字控制器的输出，是施密 ku ky1斯预估器的输出。从图 4-5 中可知，必须先计算出传递函数的输出，才可以计 sGp算出预估器的输出。 Nkmkmky1图 4-5 施密斯预估器框图4.2.2 纯滞后补偿控制的算法设被控对象为一阶惯性纯滞后环节，即 sesTKsG11考虑到零阶保持器 sesGTsh1则有 sTKsesGTsp111施密斯预估器的变换为Z sTsspesTseKZesGZsDZ111111 sTseesTTsKZ111111 sTssTseesTTe

47、esZK11111111 sGps-e ku km ky1N-km+-内蒙古工业大学本科毕业设计说明书18 TTTTzzezzzK111111111azbzzN即 （4- 11111azbzzzDN6）式(4-6)中。；111TTTTeKbeaTN施密斯预估器的传函为 111111azbzzzUzYzDN zUbzbzzYazN 11111进行反变换为 Z TNkTbuTkTbuTkTaykTy111计算出预估器的输出相应的差分方程为 ky1 11111Nkukubkayky反馈回路的偏差 ke1 kykrke1偏差 ke2 kykeke112当控制器采用 PI 算法时，控制器的输出为 ku

48、keKkekeKkukukukuip222111式中 控制器的比例系数；pK积分系数。ipiTTKK 含有零阶保持器的被控对象的变换为Z sTsspesTKseZesGZ1111111411111111azbzzezeKzTssTZzzKNTTTTT有 111azbzzzUzYN zUbzzYazN 111内蒙古工业大学本科毕业设计说明书19取反变换得 Z TNkTbuTkTaykTy1则输出的差分方程为 ky 11Nkbukayky4.3 施密斯预估器的缺点施密斯预估器的缺点有：1.预估器对系统受到的负荷干扰无补偿作用22。2.预估控制系统的效果严重依赖于对象的动态模型精度，特别是纯滞后时间

49、，模型的失配或运行条件的改变都将影响到控制效果。第五章 控制系统的设计与仿真内蒙古工业大学本科毕业设计说明书205.1 被控对象的动态特性被控对象退火炉的传递函数为 sessG120667.2711488. 0在 Simulink 环境下建立如图 5-1 所示的结构图，得到被控对象的动态特性如图 5-2所示。图 5-1 被控对象的动态特性结构图图 5-2 被控对象的动态特性仿真图5.2 调节器的参数整定对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，采用比例积分调节器进行调节。PI 调节器的传递函数为 )11 (1)11 ()(sTsTKsDiiP首先采用工程整定法对 P

50、I 调节器的参数进行整定。5.2.1 衰减曲线经验公式法衰减曲线法是通过使系统产生衰减震荡来整定调节器的参数，它是利用比例作frTransportDelay0.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope0500100015002000250000.020.040.060.080.10.120.140.16Time(s)Y内蒙古工业大学本科毕业设计说明书21用下产生的 4:1 衰减振荡()过程时的调节器比例带及过程衰减周期，75. 0SST或 10:1 衰减振荡()过程时调节器比例带及过程上升时间，根据经验公9 . 0Srt式计算出调节器

51、的各个参数23。针对 PI 调节器，具体方法是：(1)在单回路控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度置于较大的数值，将系统投入闭环运行。(2)在闭环系统达到稳定后，加入阶跃扰动并观察被控过程，记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现 4:1(）或 l0:1()衰减比为止，75. 09 . 0如图 5-3 所示。记下此时的比例度和衰减周期（或上升时间） ，然后根据表SsTrt5-1 的算法，计算出控制器的参数整定值。图 5-3 衰减曲线(3)按计算结果设置好调节器的各个参数，作系统的阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。表 5-1 衰减曲线法计算公式规律

52、iTdT规律iTdT0.75PPIPIDSS2 . 1S8 . 0_ST5 . 0ST3 . 0_ST1 . 00.9PPIPIDSS2 . 1S8 . 0_rt 2rt 2 . 1_rt 4 . 0与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。从表 5-1 可以发现，对于，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律是引75. 0内蒙古工业大学本科毕业设计说明书22入了积分作用，因此系统的稳定性将下降，若仍然想得到的衰减率，就须将75. 0放大 1.2 倍后作为比例积分调节器的比例带值。对于三参数调节规律，由于微分S作用的引入提高了系统的稳定性和准确性，因此可将减小至，后作为

53、调节SS8 . 0器比例带设定值，同时积分时间与无微分作用下相比也适当减小了。5.2.2 调节器的参数整定过程(1)在 Simulink 环境下建立如图 5-4 所示的方框图，用衰减曲线法进行参数整图 5-4 整定 PI 调节器参数的 Simulink 仿真方框图定。当时，系统出现如图 5-5 所示的 10:1 衰减比的震荡过程，此时的值1 . 3KpS为 0.3266，的值为 67.5,根据表 5-1 的经验公式计算出整定参数为:rt 即；3871. 02 . 1S5833. 2Kp。1352ritT根据整定后的参数在 Simulink 环境下建立如图 5-6 所示的方框图，适当的调整参数，

54、当，时，系统得到如图 5-7 所示的满意结果。58. 2Kp76iT图 5-5 整定 PI 调节器参数的仿真图TransportDelay01Transfer Fcn10.148827.667s+1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStepScope3.1Gain0500100015002000250000.050.10.150.20.250.30.350.40.45Time(s)Y内蒙古工业大学本科毕业设计说明书23图 5-6 根据调节器的整定参数确定的 Simulink 结构图图 5-7 PI 调节器最佳参数时的仿真图图 5-8 控制效果整定 PI 调节器参数的 Si

55、mulink 方框图图 5-9 控制效果仿真框图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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书24

56、(2)根据施密斯预估控制效果整定 PI 调节器的参数。在 Simulink 环境下建立如图 5-8 所示的方框图，从仿真结果图 5-9 可以看出当和时，调节58. 2Kp30iT 效果很满意。所以可以确定与预估器并联的 PI 调节器的传递函数为1177.42.58( )(1)2.5813030PisD sKTsss5.3 带有施密斯预估控制器的系统仿真5.3.1 时域系统的仿真在 Simulink 环境下建立如图 5-10 所示的带有密斯预估控制器的控制系统方框图。系统的仿真图如图 5-11 所示。图 5-10 施密斯预估控制器 Simulink 方框图图 5-11 施密斯预估控制器仿真图05

57、00100015002000250000.20.40.60.81Time(s)YTransportDelay2TransportDelay10.148827.667s+1Transfer Fcn20.148827.667s+1Transfer Fcn177.4s+2.5830sTransfer FcnyoutTo WorkspaceStep1Scope1内蒙古工业大学本科毕业设计说明书25TransportDelay2TransportDelay10.0984862z-0.33813Transfer Fcn20.0984862z-0.33813Transfer Fcn12.58z-5.7287

58、5e-016z-1Transfer FcnyoutTo WorkspaceStep1Scope15.3.2 系统离散化的仿真实际设计的数字控制器是在工艺要求的升温段恒和温段两个阶段起作用，以60/h 的升温速率为例，系统每秒的温度变化为 0.0167，而通常对退火炉控制系统的采样周期经验值为 1520 秒，温度变化仅为 0.3。炉温控制系统的温度变送模块是一个集成电路(MAX6675)，它的最小分辨率为 0.25，输出为 12bit 的串行数据流，为了在数据处理中避免引入浮点数的处理，需要使其输出的变化率为1，这时确定出来的系统采样时间为 30 秒。本文中使用的采样周期。sT30(1)在 Si

59、mulink 环境下打开图 5-10，选择 Model Discretizer 工具，其路径是Tools-Control Design-Model Discretizer。打开 Model Discretizer 工具，各个参数的设定如图 5-12 所示。最后单击图标实现模型的装换，变换后的模型如图 5-13 所示，仿真后的图如图 5-14 所示。图 5-12 Model Discretizer 界面图 5-13 施密斯预估控制离散化后的 Simulink 框图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书26图 5-14 离散化后系统输出曲线(2)便于工程实现,数字控制器在工程控制中实现 Smith 预估

60、控制器的结构如图图 5-15 Smith 预估控制系统结构图5-15 所示。假设模型是精确的且不存在负荷扰动24，则。根据已知条件，在 M 文件下编写语句程序（见附录）进行数字化仿真。其响应结果如图 5-16 所示。图 5-16 系统的响应曲线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内蒙古工业大学本科毕业设计说明书27结 论退火炉是金属热处理中的关键设备，退火炉温度控制的品质直接影响