连续退火炉温度PID控制系统的设计与仿真

2019年目录18056_WPSOffice_Level1第一章绪论 18646_WPSOffice_Level21.1选题研究背景和意义 123481_WPSOffice_Level21.2国内外研究现状及发展趋势 211401_WPSOffice_Level21.3论文的主要工作安排 322795_WPSOffice_Level1第二章连续退火炉温度控制系统简介 426080_WPSOffice_Level22.1连续退火炉结构与工艺特点 429344_WPSOffice_Level22.2连续退火炉温度控制系统简介 628002_WPSOffice_Level22.3连续退火炉温度控制系统建模 61100_WPSOffice_Level22.4连续退火炉温度控制方案 724433_WPSOffice_Level22.5仿真软件MATLAB 73590_WPSOffice_Level22.6小结 89004_WPSOffice_Level1第三章连续退火炉温度PID控制系统的设计与仿真 97736_WPSOffice_Level23.1连续退火炉温度PID控制系统设计 926119_WPSOffice_Level33.1.1PID控制器原理 930089_WPSOffice_Level33.1.2PID控制器参数整定 101075_WPSOffice_Level33.1.3连续退火炉温度PID控制系统设计 1113880_WPSOffice_Level23.2连续退火炉温度PID控制系统仿真 119349_WPSOffice_Level33.2.1Simulink系统仿真模型 1111401_WPSOffice_Level33.2.2PID参数整定实验 1223206_WPSOffice_Level33.2.3PID控制系统性能测试 145609_WPSOffice_Level23.3小结 1518445_WPSOffice_Level1第四章连续退火炉温度模糊控制系统的设计与仿真 1722071_WPSOffice_Level24.1模糊控制器 1713670_WPSOffice_Level34.1.1模糊控制概述 1721641_WPSOffice_Level34.1.2模糊控制系统 1717961_WPSOffice_Level34.1.3模糊控制的优缺点 182160_WPSOffice_Level24.2连续退火炉温度模糊控制系统设计 1830730_WPSOffice_Level34.2.1连续退火炉温度模糊控制系统 185794_WPSOffice_Level34.2.2输入变量模糊化 1926878_WPSOffice_Level34.2.3隶属度函数 192483_WPSOffice_Level34.2.4模糊控制规则的建立 2011074_WPSOffice_Level34.2.5模糊推理 2113313_WPSOffice_Level24.3连续退火炉温度模糊控制系统仿真 216979_WPSOffice_Level34.3.1模糊控制器FIS文件建立 2115824_WPSOffice_Level34.3.2Simulink系统仿真模型 228160_WPSOffice_Level34.3.3确定量化因子和比例因子 2227916_WPSOffice_Level34.3.4仿真结果与分析 2414839_WPSOffice_Level24.4小结 2630059_WPSOffice_Level1第五章连续退火炉温度模糊PID控制系统的设计与仿真 2721272_WPSOffice_Level25.1模糊PID控制器 2731522_WPSOffice_Level35.1.1模糊PID控制概述 2711332_WPSOffice_Level35.1.2模糊PID控制系统 2719931_WPSOffice_Level25.2连续退火炉温度模糊PID控制系统设计 2810168_WPSOffice_Level35.2.1连续退火炉温度模糊PID控制系统 2827883_WPSOffice_Level1致谢 127883_WPSOffice_Level1参考文献 1第一章绪论1.1选题研究背景和意义经过冷轧后的带钢会产生冷塑性变性，会出现极高的内应力和冷加工硬化现象。为了消除内应力和冷加工硬化现象，使钢的硬度降低至要求标准，进一步提升钢的塑性变形能力和冲压成型能力，改善钢的切削性能，同时让带钢具有优秀的工艺价值，要对冷轧后的带钢进行退火处理，通常为再结晶退火[1]。冷轧带钢的再结晶退火一般分为罩式退火和连续退火。由于连续退火机组具有产品品种多样化，产品质量高而且均匀，生产成本低等罩式退火工艺无法比拟的优势，连续退火技术得到快速发展[2]。连续退火炉是钢铁企业的连续退火生产线上的主要设备之一，其温度的稳定性会直接影响冷轧带钢的质量和产量，所以对连续退火炉温度控制系统的研究具有实用价值和意义。在连续退火炉的温度控制系统中，被控对象具有纯滞后、大惯性、非线性等特点，传统的PID控制理论很难达到满意的控制效果，不断研究改善连续退火炉温度控制系统，能够在很大程度上提高钢铁的生产率、改善产品质量和节约能源，除了这些实际价值，还具有一定的理论意义。如今钢铁市场的竞争十分激烈，想要在钢铁行业中取得成绩，在提高生产率，改善钢铁质量，降低能源的消耗，是每个竞争者的目标。目前，在制造生产行业中，很多过程控制运用的控制算法是PID控制[3]。PID控制器问世至今已有近70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，能够达到大部分的工业生产要求。但是传统的PID控制存在许多缺点：参数整定困难、抗干扰能力较弱、超调量大、调节时间长、控制精度低等[4]。连续退火炉温度具有纯滞后、大惯性、非线性等特点，所以传统的PID控制无法适应如此复杂多变的生产过程，无法达到高标准的控制要求[5]。寻找更好的控制方案是一项必要的任务。当今时代计算机技术发展迅速，生产工业行业也跟随科技进步的脚步不断向前，退火炉的计算机控制也快速发展，并得到了许多实际应用，规模还在不断扩大。控制理论的发展让传统PID控制得到了改进与创新，许多新的控制算法，如：模糊控制算法、自整定控制算法、Smith预估控制算法、神经网络控制算法、遗传算法等。这些新的控制理论能够适应复杂的控制系统，满足在工业生产过程中人们对工业控制过程不断提高的控制精度要求。退火炉温度控制系统是工业领域中比较典型的控制系统，本文决定设计三个退火炉温度控制系统，退火炉温度PID控制系统、退火炉温度模糊控制系统和退火炉温度模糊PID控制系统，通过对这些系统进行研究和仿真来解决退火炉温度控制系统存在的问题，同时给予其他类似的工业控制系统一定的参考价值，共同推进我国的工业控制行业的发展。1.2国内外研究现状及发展趋势退火炉是钢铁行业生产线的重要部分，在最后成品的质量与产量有着关键性的作用。早期的生产行业的生产过程很多都是靠人手工操作进行的，工作人员通过观察检测仪表的数据，根据以往的经验和规则改变控制方法，十分依赖工作人员的工作经验，另外人工操作可能会出现不必要的失误，有着很大的局限性。所以，不断寻求稳定智能的控制系统是当今时代工业发展的重要任务。退火炉内部的反应过程十分复杂，也很难建立精确的数学模型，传统的PID控制算法很难满足工业生产要求。经过一些实际案例发现智能控制技术特别适合与退火炉这样具有非线性、时变的控制系统。随着智能技术的不断发展，愈来愈多的智能技术融入到控制理论中，有如专家控制、模糊控制、神级网络控制、遗传算法、人工免疫等控制算法，这些新的控制方法在退火炉等工业炉控制中也逐渐得到了应用。早在上世纪七十年代开始，国际上就已经开始了退火炉计算机控制系统的研究，并且在计算机技术不断快速发展的潮流中，使得退火炉计算机控制技术也取得了许多突破[6]。国内对退火炉计算控制系统的研究起步稍晚，在上世纪八十年代开始研究，受益于计算机技术和控制技术的发展速度，在近十年来我国的退火炉控制技术在理论上也已经达到了先进国家的水平，但是在工程应用方面上和其余发达国家相比还是存在一定的差距。国内退火炉计算机控制系统很多都是国外引进的，虽然有很先进的计算机系统，但是还是没能把计算机的潜能完美的发挥出来，所以在很好的利用国外的设备的同时也要加快我国计算机控制系统研究和改进。在研读了许多国内外的研究文献之后，发现有很多国内外的专家学者在退火炉温度控制模型技术方面有着许多研究，这些研究成果不断改善了退火炉温度控制系统，还促进了控制技术的发展。金武明[7]在冷轧连续退火炉的工艺研究中提出并建立了冷轧连续退火炉加热炉的工艺数学模型，这个数学模型中包括了带钢目标温度模型、静态模型、动态模型、动态自适应。每个模型各司其职，从理论到工程应用，分析了该工艺数学模型的使用效果。王弢[8]等人在冷轧生产线连续退火炉加热段数学模型的应用中研究了鞍钢公司某线的连续退火炉，提出了炉区控制系统、全线控制系统和数学模型。通过对钢板线速度和加工段的改变，让炉区和钢板达到了平稳的过渡，进一步提高了产品的质量和产量。谢天华[9]等人在连续退火炉带钢加热数学模型的研究上，总结了许多连续退火炉的实际生产数据，改良建立了带钢加热的数学模型，并且开发利用了计算机仿真系统，总结了以往的经验，很大程度上降低了带钢加热温度计算的困难。国内很多的文献都是研究了退火炉温度控制的数学模型，在国外更多的是对模型进行分析和解析，运用了很多的商业软件，以便快速解析和对比不同的模型。NDepree[10]等人利用COMSOL软件建立了连续退火炉中三维有限元带温模型，还使用了MATLAB软件建立仿真了一维和二维有限差分模型，并进行了相应的分析。CChen[11]等人利用软件Ansys计算模拟了退火炉预热段中带钢的温度和应力分布耦合模型，并通过模拟研究发现锥形炉辊容易造成带钢横向方向上加热不均匀，从而容易引起带钢弯曲变形。在模拟仿真提前预测容易出现的问题具有很大的参考价值，也凸显出了仿真软件在过程控制研究方面的重要性。S.R.Carvalho[12]等人建立了连续退火炉的一维模型，并用SIMCO软件对模型进行求解，运用到了很多新的研究问题的思路，这些研究成果也为国内外今后关于连续退火炉温度控制系统模型的建立和模型解析提供了更多的思考和解决办法。国内外这些退火过程数学模型的大量研究使退火炉温度控制技术不断发展，让退火产品的性能更加优秀，推动工业生产发展的脚步。在当今控制技术和计算机技术都逐渐成熟的时代，我们更应该好好利用这些现代资源，解决在复杂的退火炉温度控制过程中所遇到的难题，设计出更加满足生产要求的退火炉温度控制系统，既要保证产品的质量和产量，也要注重能源的消耗情况，为我国的工业行业发达之路做出贡献。1.3论文的主要工作安排本次毕业设计主要以某钢铁企业连续退火生产线为研究对象，通过研究连续退火生产线的工艺流程，对退火炉温度控制系统进行深入地分析和研究，结合退火炉的工艺特点及其控制要求对退火炉温度控制系统采用PID控制、模糊控制及模糊自整定PID控制算法进行设计。在此基础上利用MATLAB对上述系统进行模拟仿真，试验以验证三种控制算法的控制性能，并通过对比分析得出最适合退火炉温度控制系统的控制方案。对此本文主要会开展以下几个方面的工作：收集和查阅与连续退火炉相关的资料，先对连续退火炉的构造机理、工作原理和工作过程进行学习分析，再结合国内外的研究现状和发展趋势进行更深一步的研究，为接下来设计退火炉温度控制系统打下理论基础。在网上查找相关内容的外国文献，进行翻译，了解国外的研究进展，学习先进的控制理论和技术。确定退火炉温度控制系统的控制方案为PID控制、模糊控制和模糊PID控制。学习PID控制和模糊控制的原理和方法，在运用到被控对象连续退火炉中。用PID控制、模糊控制、模糊PID控制三个控制算法设计连续退火炉温度控制系统，使用商业软件Matlab中的Simulink模块搭建相应的仿真模型进行仿真实验，得出三个控制系统控制性能。将连续退火炉温度控制系统的仿真结果数据化显示，对比分析不同系统的性能，确定最优的控制方案，得出相关结论。并在最后对退火炉温度控制系统的进一步发展做出展望。

连续退火炉温度控制系统简介2.1连续退火炉结构与工艺特点连续退火工艺是热加工处理金属的重要程序，通过退火操作能够很好的改善金属原料的性能，连续退火操作主要是在连续退火炉中完成，其工艺流程示意图如2.1所示，根据连续退火炉的生产工艺，分为了8个工艺段[13]，分别是：预热段、加热段、均热段、缓冷段、快冷段、过时效段、终冷段、水冷段。每个工艺段都有各自独特的作用，组合起来共同完成热加工金属的任务。图2.1连续退火炉工艺流程图下面简要介绍每个工艺流程段的工艺特点。预热段：在预热段中配有变频调速循环风机，通过热循环保护气体喷吹的方式来对带钢进行预热操作。由于加热金属成品要求严格，直接用废气进行加热会造成对加热金属的不必要的污染，所以在换热器处用废气对保护气体进行加热，再将加热后的保护气体送回到炉子中对带钢进行加热处理。可以根据实际需求设置预热段的加热温度，同时由于带钢加热速度较慢，还能在此处改善带钢版型。预热操作还能减少在加热段的能源消耗，降低成本。加热段：带钢经过预热段的出口进入到加热段。加热段采用全辐射加热对带钢进行加热，辐射管错交在带钢两侧，还能使带钢受热均匀。利用辐射加热的方法不仅能够快速的将带钢加热到退火温度的预设值，还因为这是间接的加热方法，保证了带钢的纯度。带钢不能接受温度过快的提升，防止带钢变形、变质，所以要将带钢先在预热段进行预热处理再运送到加热段。均热段：均热段主要是使带钢在预定的退火温度下保持一段时间，不同的金属有不同保温时间。在此保温时间内，能够减轻带钢晶粒尺度内的化学成分不均匀性，改善带钢的内部组织结构。均热段的设计和加热段基本相同，经常会将两者共同讨论，均热段同样是采用辐射加热的方式对带钢进行加工，在均热段的出口处还有反馈系统，通过检测出口处带钢温度来控制各温度控制区的供热情况。缓冷段：带钢经过均热段后进入缓冷段，带钢进过缓冷段会逐渐冷却到相应的温度，以满足工艺加工要求。缓冷段与预热段的热处理方式相似，也配有变频调速循环风机，通过热循环保护气体喷吹的方式使带钢冷却至要求的温度。在缓冷段的出口位置，带钢温度也会被检测以反馈信息传递到各温度控制器，形成反馈调节，与预设温度产生偏差时以便及时调节温度控制器，消除产生的误差。快冷段：带钢经过缓冷段的顶部通道进入快冷段，会冷却到工艺加工要求的温度。快冷段有三个区域，每块区域都配有变频调速循环风机，通过循环保护气体喷吹的方式对带钢进行冷却，同时为了加快带钢的冷却速度，还配置了可移动式风箱，风箱在带钢横向方向上划分了五个区域，每块区域的风量分散控制，可以让带钢在横向方向上受热均匀，保持带钢的性能。除此之外，高强钢在生产过程中容易发生抖动，为了避免带钢与带钢运送带旁边的风箱碰撞产生机械损伤，快冷段的各个区域都配置了张紧辊。（6）过时效段：带钢经过快冷段底部通道进入过时效段。时效过程是一种从非平衡状态转变的自然现象，根据原子扩散的机理，碳、氮等间隙原子处于过饱和状态时，在低温情况下会在固溶体中扩散，不断与周围空位进行位置交换从而导致材料性能发生变化的过程。为了防止带钢发生时效现象使性能变差，需要进行过时效处理，相应的工艺处理在退火炉过时效段完成。过时效段划分为三个区域，各个区域都配置了变频调速循环风机和多组加热元件，保证带钢会处在过时效温度下并维持所需要的过时效时间。其中，在炉温未达到过时效温度时，加热元件会进行运作对炉子进行加热，直至达到过时效温度；在炉温超过过时效温度时，风机会进行运作对炉子进行降热，直至达到过时效温度。（7）终冷段：带钢经过过时效段底部通道进入终冷段。带钢温度在终冷段会被冷却达到出口温度要求，一般在150℃以下。整个终冷段被划分为五个区域，每块区域都配用变频调速循环风机，采用热循环保护气体喷吹带钢的方式使带钢冷却。（8）水冷段：带钢经过终冷段顶部通道进入水冷段。带钢出炉后进入水淬槽，水淬槽中有两个槽体，水经由第二个槽体流入到第一个槽体，和带钢运行的方向刚好相反，形成了逆流式热交换系统，此外水淬槽中的用水能在；两个循环泵的作用下不断循环使用，减少了脱水盐的消耗。带钢经过水淬槽之后到达烘干器，烘干器对空气进行加热处理然后喷吹到带钢表面对带钢进行干燥处理。在经过水冷段的一系列处理之后，带钢的温度可以控制在45℃以下。连续退火炉的加工工艺过程是一个非常复杂的工业过程，根据退火炉的结构构和工作特性，可知退火炉的工艺特点：各炉段出口板温十分重要，能否精确控制带钢出口温度会直接影响到带钢的工艺性能[14]。连续退火炉相比于其他很多的工业设备是一个准稳态设备，能够在一定的稳态条件下对带钢按照理想加热曲线进行热加工。退火炉本身就是一个大惯性、纯滞后、多参数、参数时变的非线性控制对象[15]。带钢的工艺处理过程存在很多扰动，如带钢的不同规格、带钢运送带的运行速度、炉内气压、参与热加工的各类气体、燃料的利用率等，这些干扰会造成带钢偏离原本预定的理想加热曲线。在制定实际的连续退火炉温度控制方案时，既要考虑系统自身惯性和滞后影响，也要考虑各种干扰对温度的影响，实现对连续退火炉静态、动态的控制。2.2连续退火炉温度控制系统简介在目前的钢铁行业中，连续退火炉作为连续退火生产线上重要的环节设备，是一套复杂精良的工艺设备，具有很高的科技含量和研究价值，其温度控制系统的性能会直接影响加工带钢的质量、产量和加工成本[16]。通过研究连续退火炉的温度控制系统，并对其进行改进升级，可以提升带钢产品质量，提升产品的生产率，减少能源消耗。在整个连续退火炉的温度控制系统中，加热段和均热段是工艺生产的最重要的部分，也是温度控制系统设计的难点，是本次研究内容的主要目标。在加热段中，带钢被迅速加热到退火温度，在均热段中，带钢能被一直保持在退火温度。加热段和均热段中都是选用的全辐射加热方式，以保证带钢能被平稳精准的加热到退火温度。虽然加热段和均热段工业不同，但是都拥有相同的温度控制系统结构，所以也拥有相同的控制方案。在连续退火炉温度控制系统中，主要的构造要素包括有：连续退火炉温度控制系统温度设定值、连续退火炉炉温实际值、系统控制空气流量实际值、系统燃料流量实际值。实际上在系统处于稳态是，连续退火炉温度控制系统是一个并级串联的调节系统[17]。其中主回路是温度控制线路，副回路是燃料流量回路和空气流量回路并联回路，这样的并级串联回路具有很好的动态性能，当带钢原料规格变动时，相应的控制温度也会发生变化，相比与传统的稳定控制控制系统，更能合理应对不同情况。一个控制系统的响应特性由构成系统的控制器和被控对象的特点所决定，连续退火炉温度控制系统也不例外。连续退火炉温度控制系统属于分布参数系统，拥有无穷个微分容量。在温度控制系统中不同的时间参数系统无法高效识别，而且无数的微分容量中存在相互作用，再因为时滞的影响导致无法精准的估算系统的性能。2.3连续退火炉温度控制系统建模虽然连续退火炉炉内温度没有精确的数学模型，但是可以从实际操作经验中看出炉内温度的变化形式：煤气流量上升，退火炉炉内温度升高，煤气流量下降，退火炉路内温度降低。连续退火炉由耐热材料和保温材料建成，在退火炉炉内温度升高时，与炉体发生热传导，炉体吸收热量，然后自身温度升高，在燃料流量减少炉内温度降低的过程中，炉体原本吸收储蓄的热量会在此时释放，使得炉内温度下降速度变慢，造成了炉内温度变化的滞后效应。针对系统的非线性、多参数、时变、纯滞后的特点，炉温变化量对加热介质的传递函数可以表示为：(2.1)式子中，为对象的放大倍数，为滞后的时间常数，为时间常数。通过某钢铁企业带钢冷轧生产实际生产过程测定得到各参数的值为：，，代入到公式（2.1）中，可得出连续退火炉加热段的传递函数为：(2.2)2.4连续退火炉温度控制方案针对连续退火炉的工艺特点和控制要点，同时要考虑到控制系统的响应速度、控制精度、稳定程度、鲁棒性、抗干扰性、时间常数发生变化的适应性，设计一个合理可行的连续退火炉温度控制系统执行方案。本文采用了PID控制、模糊控制和模糊PID控制三种控制方案，结合每个方案的控制原理，分析了不同控制方案的优缺点。PID控制具有原理简单、使用方便、适应性强、稳态误差小等优点，是应用最为广泛、使用方法最为简单的过程控制。PID算法控制应用在非时变参数系统模型，才能表现出最好的控制效果。连续退火炉温度模型没有精确的数学模型，而且是一个时变系统，PID控制算法就的使用有了很大的约束，加上PID控制器的参数整定复杂且困难，而且PID参数整定值也不一定是全局的最优值，导致PID控制没有平衡动态的品质和稳态的精度。模糊控制是把模糊数学理论应用到自动控制领域中产生的一种过程控制方式，是以模糊集和理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。与传统控制十分依赖与被控系统的数学模型不同，模糊控制依赖于被控系统的物理特性，依靠人的操作经验和知识转化为模糊数学语言制定的模糊控制规则对被控系统进行控制。模糊控制在应对时变、惯性大、被控对象数学模型难以建立的被控对象时有很好的控制效果。但是模糊控制的稳态误差大、控制精度不高，稳态性能仍不能满足人们要求[18]。模糊PID控制是传统PID控制和模糊控制相结合所产生的新的控制方法，模糊PID控制系统具备模糊控制系统的动态性能良好的优点和PID控制系统响应速度快的优点。本文会设计上述的三个连续退火炉温度控制系统，并对其性能进行分析对比。2.5仿真软件MATLABMATLAB（矩阵实验室，全称：MatrixLaboratory）是MathWorks公司推出的一款商业数学软件。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLB仿真软件拥有以下特点：（1）快速高效的计算能力；（2）独特的图象显示功能，能实现计算结果的可视化，便于观察研究；（3）使用方便，相关的语言简单易懂，很容易学习；（4）内置许多对应功能的工具箱，工具箱内的大量工具能帮助用户更加方便的处理实验。本次对三个连续退火炉温度控制系统的仿真均是在MATLAB中的Simulink环境中搭建和研究，将得到的仿真结果存放到MATLAB工作区进行处理分析。2.6小结本章节给出了连续退火炉工艺流程图，并相应介绍了退火炉的物理结构特性和工艺流程，总结出退火炉工艺流程的特点。分析了连续退火炉的温度控制系统，并预定了三个不同的控制方案：PID控制、模糊控制、模糊PID控制。针对连续退火炉的特点和反应机理建立了相应的数学模型，确定了加热段的传递函数和相应的参数，为后续仿真工作提供数据支持。最后简要介绍了后面要到用的仿真软件MATLAB。

连续退火炉温度PID控制系统的设计与仿真3.1连续退火炉温度PID控制系统设计3.1.1PID控制器原理PID控制是过程控制领域中应用最早、使用范围最广的控制方法[19]，就连现在很多的工业过程控制仍然使用的是PID控制。从上世纪七十年代以来，PID控制器的理论研究不断受到人们的关注，因为PID控制算法简单、控制精度高，而且在可以建立被控对象精确的数学模型的控制系统中控制效果更加突出。PID控制器由比例、积分、微分桑部分并联组成，其控制原理图如图3.1所示[20]。图3.1PID控制原理图PID控制器是个线性控制器，根据给定值和实际输出值的构成控制偏差：(3.1)然后以偏差作为控制器的输入，对偏差按比例（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，因此称作PID控制器。由图3.1可得PID控制的理想算法为：(3.2)也可以将式子（3.2）写成传递函数的形式：(3.3)式子中：是控制器的输出，是比例增益，是积分时间常数，是微分时间常数。PID控制中有比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制环节，每个环节有各自不同的作用，下面是对三个控制环节对PID控制器性能的影响[21]：比例控制：比例控制环节的增益系数可以及时的、成比例的反应控制系统的输入信号偏差，反应速度很快，偏差产生的时候比例控制环节可以立即发生调节作用，在此调节作用下，负反馈系统的系统偏差会逐渐减小。比例系数的大小会影响系统的调节速度和系统的调节精度。当较大时，系统的调节速度较快，当同时也会产生超调量过大，系统产生震荡甚至发散现象，导致系统处于不稳定的状态。当较小时，系统的调节速度变慢，系统的调节精度相应地降低，同时系统的静、动态性能会变差。所以寻找合适的值，能使系统的调节速度加快，又能使系统的调节精度提高，达到理想的控制效果。积分控制：积分控制环节的主要作用是消除系统的稳态误差，以实现系统能对给定信号进行稳定跟踪。积分控制环节是对过去偏差值的积分，只要偏差存在，积分环节就会不断变化，直到偏差为零，此时的积分值为固定值，系统达到稳态。根据积分控制部分的表达式可知，积分控制环节作用主要取决于比例系数和时间常数，经过比例调节之后，可以确定比例系数的值，所以时间常数在积分环节中起主导作用。的值越大，积分控制作用越弱，系统的调节时间越长；的值越小，积分控制作用越强，系统的调节时间越短，但是系统容易发生震荡，使控制系统不稳定。微分控制：微分控制环节的主要作用是增加系统的稳定性和动态性能。微分环节主要反应的是偏差对时间的导数对系统控制的影响，表现了系统偏差的变化趋势，因为可以让系统做出超前的控制效果。根据微分控制部分的表达式可知，微分控制环节主要取决于时间常数。的值越大，微分控制作用越强，对偏差的变化的抑制效果越强；的值越小，微分控制作用越弱。在实际应用中，系统中往往会有各种噪声影响，的值过大是，会因为噪声的影响是系统的控制性能变差。3.1.2PID控制器参数整定要想设计一个有理想控制效果的PID控制系统，除了要有精良先进的PID控制器，PID控制器的参数整定也十分重要。PID控制器的参数整定方法有很多，主要分为理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法中比较著名的是Z-N法整定参数，Z-N法是1942年由Ziegler和Nichols提出的PID参数工程整定方法，其原理是根据带有时滞环节的一阶近似模型的阶跃响应或频率响应的数据来换算成相应的PID控制参数，尽管Z-N法是很早的PID参数整定方法，现今在工业过程控制领域仍然普遍应用。工程整定法整定参数依赖于操作人员的工程经验，但是方法简单、原理简单、便于操作，在实际工业控制领域适用更为广泛。主要的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法、经验法，每个工程整定方法都有各自的优点和局限性。下面主要介绍的是临界比例度法，它是目前应用较广的一种调节器参数整定方法。其方法总结为：在工艺生产允许的条件下，先使调节器按比例调节工作，然后从大到小逐渐改变调节器的比例系数，直至系统产生等幅振荡，记录此时的临界比例度和等幅振荡周期，再通过经验公式进行计算求出调节器的整定参数。具体步骤如下：首先取，，取一个较大的值，在工况稳定的环境下，将控制系统投入自动状态。等系统运行平稳后，对系统加入一个阶跃扰动，并不断减小比例系数，直到系统出现等幅振荡。记录下此时的临界比例度和系统等幅振荡周期。根据所记录的临界比例度和等幅振荡周期，按照表3.1给出的经验公式计算调节器的整定参数、、，另外有，。按照计算出来的结果设置调节器的参数，观察过程控制的控制效果，如果不满足要求，再对计算值做适当的调整，知道得到满意的控制效果。表3.1临界比例度法整定参数计算表调节规律P0.5————PI0.4550.85——PID0.5880.50.1253.1.3连续退火炉温度PID控制系统设计根据PID控制器原理图可以设计出连续退火炉温度PID控制系统的原理图，如图3.2。图3.2连续退火炉温度PID控制系统原理图连续退火炉温度PID控制系统和普通PID控制器一样，由比例控制、积分控制、微分控制三个环节并联组成。控制系统的原理是温度设定值与温度实际输出值形成的偏差作为控制器的输入，整定PID各参数之后，通过比例调节、积分调节、微分调节得出控制量，对退火炉温度进行控制。3.2连续退火炉温度PID控制系统仿真3.2.1Simulink系统仿真模型根据第二章2.3节中得到的连续退火炉近似数学模型：(3.4)在MATLAB的Simulink环境中搭建的连续退火炉温度PID控制系统的仿真模型如图3.3所示。图3.3连续退火炉温度PID控制系统仿真图仿真时间选取1000s，目标温度为900℃，滞后时间为35s。3.2.2PID参数整定实验连续退火炉温度PID控制系统的PID参数整定方法选用的是临界比例度法，取、，将的值从一个很大的值开始不断调小，直到系统产生等幅振荡，如图3.4，此时临界比例，临界比例度，等幅振荡周期。图3.4系统等幅振荡响应曲线依据表格3.1的参数整定计算表，可计算得：，，。将得到的PID参数投放到PID控制器中，得到的响应曲线如图3.5所示。图3.5临界比例度法整定参数系统响应曲线根据图形可以计算出系统的超调量，调节时间（），稳态误差为0。可以看出系统的超调量过大，调节时间适中，系统的稳态性能不错，总体来说控制效果不够理想。为了达到更为理想的控制效果，接下来会对PID控制器各控制参数进行微调，直到系统的响应曲线达到要求标准。经过不停地人工修改PID参数，发现当，，时，系统能得到最为理想的响应曲线，如图3.6所示。图3.6临界比例度法整定参数微调后的系统响应曲线根据图形可以计算出系统的超调量，调节时间（），稳态误差为0。根据对数据的对比可知，微调后的系统响应曲线更能满足要求，因此连续退火炉温度PID控制系统的参数选定为，，。3.2.3PID控制系统性能测试确定PID控制器的参数之后，对系统的各项性能进行测试。首先是系统的抗干扰能力的测试：在时，为系统加入一个幅值为60℃的扰动信号，其仿真模型图如图3.7所示，仿真结果如图3.8所示。从图中可以看出系统响应曲线在加入干扰之后不断发散，可以看出系统的抗干扰能力较差。图3.7连续退火炉温度PID控制系统加入扰动后的仿真图图3.7加入扰动后的系统响应曲线接下来改变系统的对象参数，对系统的适应能力进行测试：改变对象传递函数的时间常数，得到的响应曲线图3.8，对比各响应曲线分析系统对对象参数改变的适应程度，相关数据如表3.2所示，从表中可以看出系统对参数变化的适应能力不错。图3.8对象模型参数改变后的响应曲线图表3.1临界比例度法整定参数计算表时间常数调节时间()超调量稳态误差650200.75s12.78%0680208.15s12.56%0710211.25s12.86%0750210.80s12.45%03.3小结本章主要是做了连续退火炉温度PID控制系统的设计与仿真。首先是根据PID控制的原理图做出了退火炉PID控制系统的原理图，并简要介绍了临界比例度法整定PID参数。根据退火炉PID控制系统的原理图在MATLAB的Simulink环境中搭建了相应的仿真模型，用临界比例度法整定了PID参数，数据表示整定出来的参数不满足要求，接下来对参数进行微调直到系统响应曲线满足要求。最后对系统的抗干扰能力和系统对对象参数发生变化的适应程度做了测试，并进行了数据对比，发现系统的抗干扰能力较弱，不过适应能力不错。总体来说简单的PID控制并不能满足连续退火炉这样精密复杂的系统，需要寻找更好的控制方法。

连续退火炉温度模糊控制系统的设计与仿真4.1模糊控制器4.1.1模糊控制概述模糊控制，是采用由模糊数学语言描述的控制规则来操纵系统工作的控制方式。按照模糊控制律组成的控制装置称为模糊控制器。模糊的概念所包含的信息容量很大，内涵丰富。模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，其实质是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。经过几十年的发展，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了很大的进步，是当今自动控制领域的重要角色之一。模糊控制的应用实例很多，不仅在生活方面会应用到模糊控制，工业生产等领域也经常应用到模糊控制，本章节会将模糊控制应用在连续退火炉温度控制系统中。4.1.2模糊控制系统模糊控制系统的结构图如图4.1所示[22]。图4.1模糊控制系统结构图从图中可以看出模糊控制系统主要由四个部分组成：模糊控制器、执行机构、被控对象和测量变送器。模糊控制器：模糊控制器是模糊控制系统系统的核心部位，基本组成包括四个部分：模糊化接口、知识库、推理机、清晰化接口。1）模糊化接口：模糊控制器只能对模糊变量进行处理，所以必须将输入的精确量转化为模糊量，而模糊化接口的作用就是将偏差和偏差变化率的精确量转变为模糊量，转化过程分为量化和模糊化两步。2）知识库：知识库由数据库和规则库两部分组成。其中数据库用来存放量化因子、比例因子，语言变量的语言值，所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度值或隶属度函数。数据库的只要作用是为推理机在求解推理模糊关系方程时提供数据。规则库用来存放全部模糊控制规则，在系统进行模糊推理时为推理机提供控制规则。3）推理机：推理机的主要功能是在模糊控制器根据输入量的模糊子集和知识库完成模糊推理过程，并求解模糊关系方程，从而获得控制量的模糊子集。4）清晰化接口：清晰化接口的主要功能是把由模糊推理所得到的输出量模糊子集转换成为控制量的精确值，包括反模糊化（模糊判决）和比例变换两步。执行机构：通常有电动执行机构，气动执行机构，液动执行机构等。执行机构是自动控制系统的重要环节。它接受来自控制仪表或人工给定的控制信号，对其进行功率放大，然后转换为输出轴的相应的角位移或直线位移，用以推动各种调节机构，如调节阀、风门挡板等，改变被调介质流量，以完成各种过程参数的自动控制或人工手动控制。被控对象：被控对象的选择范围很广，本次研究的对象连续退火炉，是一个复杂多参数、时变、时滞的系统，是模糊控制器要控制的目标对象。测量变送器：工业上普遍需要测量各类电量与非电物理量，但是系统无法接受识别这些信号，这些信号量都需要转换成可接收的直流模拟量电信号才能传输到系统的输入端。测量变送器就是承担将被测物理量转换成可传输直流电信号的任务的设备。4.1.3模糊控制的优缺点模糊控制有以下几个优点：能将复杂的系统进行简化，在面对非线性、时变、纯滞后的系统模型特别适用。（2）能够在不明确被控对象的数学模型的情况下对系统进行控制。（3）能够利用模糊控制规则来描述系统各变量之间的关系，使这种关系能实现可视化。（4）模糊控制是一种语言控制，能够很好地实现人机交互。（6）模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，具有较佳的鲁棒性、适应性、强健性及较佳的容错性。同时也存在一定的局限性和缺点：模糊控制的设计尚缺乏系统性。难以建立一套系统的模糊控制理论，以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设计方法等一系列问题。模糊控制规则的制定和隶属度函数的制定十分依赖操作人员的经验，对初学者不利。信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低响应速度，不能进行实时控制。4.2连续退火炉温度模糊控制系统设计4.2.1连续退火炉温度模糊控制系统根据模糊控制系统结构图4.1设计出连续退火炉温度模糊控制系统的原理图，如图4.2所示。图4.2连续退火炉模糊控制系统结构图整个系统的工作过程如下：温度测量值与温度设定值的偏差和偏差的变化率作为模糊控制器的输入，在模糊控制器的模糊化接口转化成为模糊量和，根据早已存储在知识库中的模糊控制规则进行模糊推理，得到模糊控制器的输出的模糊量，再由模糊控制器的清晰化接口将模糊控制量转变成为精确控制量传送到执行器，对连续退火炉的温度进行控制。4.2.2输入变量模糊化首先确定偏差和偏差的变化率的基本论域，根据实际生产退火线的测量，的基本论域为[-150，150]，的基本论域为[-24，24]；的模糊论域为[-6，6]，的模糊论域为[-3，3]。根据以上数据可以确定量化因子和：(4.1)(4.2)量化因子和对控制系统的影响[23]：量化因子对控制系统系统的影响：在模糊论域不变的情况下，越大，基本论域就越小，从而无法考虑全局，同时系统的响应时间变短，但是超调量会变大；越小，基本论域就越大，但是系统的误差分辨率就会下降，造成系统的稳态精度不高，此时系统的超调现象得到抑制，但是系统的响应时间会变长。量化因子对控制系统系统的影响：在模糊论域不变的情况下，越大，误差变化的基本论域越小，从而丢失大量误差信息，使控制器的输出结果却反有效性，同时系统的超调现象减弱，过渡响应时间变长；越小，基本论域就越大，模糊集的隶属度函数的形状变宽，会使系统的误差分辨率下降，但是会提高系统的稳定性，但是系统的超调量会变大，响应时间变长。4.2.3隶属度函数连续退火炉温度模糊控制系统中，控制器模糊输入量和都是采用的高斯型隶属度函数形式，控制器模糊输出量采用的是三角形，各隶属度函数分布图如下面三图所示。图4.3模糊输入量隶属度分布图图4.4模糊输入量隶属度分布图图4.5模糊输出量隶属度分布图4.2.4模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立是模糊控制器设计的重要部分，控制规则的优劣直接决定了整个模糊控制系统的控制精度，控制规则的完整性与合理性也是构成模糊控制器知识库的重要前提。一般一套完整的控制规则的条律数应为偏差模糊子集数与偏差变化率模糊子集的乘积数，即如果偏差模糊子集数为，偏差变化率模糊子集数为，那么控制规则的条数为条。本次的模糊控制规则表是根据连续退火炉有关专家和实际操作人员的知识经验从获取的，模糊控制规则表如表4.1所示。表4.1退火炉温度模糊控制规则表E\U\ECNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPMPSZOZONSPBPBPMPSZONMNMZOPBPBPMZONMNBNBPSPMPMZONSNMNBNBPMPMZONSNMNMNBNBPBZOZONSNMNMNBNB4.2.5模糊推理连续退火炉温度模糊控制系统的模糊控制器中的推理机根据输入量偏差和偏差变化率的模糊量和以及知识库完成推理过程，并求解相关的模糊关系方程式，从而获得控制量的模糊量。此过程主要是依据表格4.1完成，将预先制作的模糊控制规则表储存到计算机内存当中，在进行模糊推理时调用出来，用此方法进行模糊推理十分依赖模糊控制规则表的制作，当模糊控制规则发生改变时，需要重新制作模糊控制规则表，灵活性不大。除了查询控制规则表之外，还可以用公式法、模糊控制器专用芯片来进行模糊推理。公式法：通过观察模糊控制规则表可以看出，输入偏差、偏差的变化率和输出控制量的模糊论域的等级数存在一定的关系：(4.3)有了这个公式（4.3），就可以不再需要模糊控制规则表，能根据偏差和偏差的变化率的模糊论域直接得到控制量模糊论域的量值。利用这种数学公式的方式进行模糊推理，过程十分简便。在公式（4.3）中被称作修正因子，的取值不同时，对和的权重也不同，相应的控制规则也会改变，因此寻求合适的修正因子是利用公式法进行模糊推理的关键。模糊控制器专用芯片：还可以用硬件来实现模糊控制，用此方法不仅实时性好，控制精度还非常高。但本次主要是理论与仿真方面的研究，故此种方式不予考虑。4.3连续退火炉温度模糊控制系统仿真4.3.1模糊控制器FIS文件建立在MATLAB命令窗口输入指令“fuzzy”，可以得到初始的FIS文件，根据之前得到的模糊量、和的模糊量，如图4.3、4.4和4.5，可以建立连续退火炉温度模糊控制器的FIS文件。其界面图如图4.6所示。图4.6模糊控制器FIS文件4.3.2Simulink系统仿真模型根据第二章2.3节中得到的连续退火炉近似数学模型：(4.4)在MATLAB的Simulink环境中搭建的连续退火炉温度模糊控制系统的仿真模型如图4.7所示。图4.7连续退火炉温度模糊控制系统仿真图4.3.3确定量化因子和比例因子要是系统拥有良好的控制效果，合适值的量化因子和比例因子是必须的，根据公式（4.1）和（4.2）可知，，接下来的主要任务是寻找合适的比例因子来控制系统的输出量以达到控制标准，不断改变比例因子的值，观察系统输出响应曲线，得到如图4.8所示的响应曲线图。

图4.8改变比例因子的系统响应曲线图图4.9改变比例因子的系统响应曲线