退火炉温度控制系统的大林控制策略研究毕业设计

1、 二二 一一一一 年年 六六 月月 学校代码：学校代码： 1012810128 学学 号：号： 200711204080200711204080 本本科科毕毕业业 设计说明书设计说明书 题题 目目：退退火火炉炉温温度度控控制制系系统统的的大大林林 控控制制策策略略研研究究 学学生生姓姓名名：候候 磊磊 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 指指导导教教师师 ： 董董

2、朝朝 轶轶 副副 教教 授授 摘 要 本文以煤气罩式退火炉为主要研究对象，对罩式退火炉的大滞后性制作了系统 的研究。退火炉是对冷轧钢板进行热处理的重要热力设备，在工业生产的各个领域 也得到了广泛的应用。 退火炉中温度参数的控制具有惯性大，而且升高速度很快的特点。炉内部通过 空气和煤气的混合气体燃烧产生的热来维持系统的升温和保温。炉内降温则是通过 在空气中自然冷却来完成。退火炉的温度参数一旦超调就无法使用控制算法来控制。 因此，超调量的控制是主要任务。过大的超调量会导致系统不稳定，安全隐患大， 钢卷废品率高，所以对于此类的工业控制对象采用传统的 pid 调节器进行控制很难 保证小超调或无超调，系

3、统的振荡会严重影响产品质量。 针对退火炉的大滞后一阶惯性特点，本文介绍了一种很好的控制算法大林 控制算法。大林控制器在针对具有纯滞后、大延迟的被控对象具有良好的控制效果， 采用大林算法的意义在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静 两方面的性能，控制效果比较理想。大林控制器已经在工程中得到了广泛的应用大 林算法的设计目标是选择适当的数字调节器, 从而使得闭环系统的调节品质满足工 艺要求。不同于传统的 pid 调节，由于大林控制器对系统的要求有严格的限制,系统 中不存在超调量。 关键词：煤气罩式退火炉 纯延迟 大林算法 abstract this article uses gas

4、hood-type annealing furnace as the main object of study, and makes a systematic research for large lag of the hood-type annealing furnace. annealing furnace, which is the important thermal equipment acting on heat-treating cold-rolled steel sheet, has also been widely used in all areas of industrial

5、 production. the control of the temperature parameter in annealing furnace endows with large inertia and fast increasing. to maintain the heating and insulation of the system, the internal furnace need burn the combined air and gas. cooling is completed by the natural cooling in the air. in case the

6、 temperature parameter overshoots, the control algorithm will fail. so the control of overshoot is the primary task. overshoot can induce system instability, great hidden danger, high defective index of the tape. for this kind of industry control, it is difficult to guarantee little overshoot or no

7、overshoot by traditional pid controller. the system instability can knock the product quality. to deal with the large time delay and one-order inertia of the hood- type annealing furnace, we introduce an excellent control method dahlin algorithm in this article. dahlin controller can get good effect

8、 when it is used to handle pure-time delay and large time delay controlled objects. the dahlin algorithm can get not only good static performance but also dynamic performance in some systems which have some pure-time delay links. the control result is ideal. dahlin controllers are widely being used

9、in the projects. to make the control quality of closed-loop system meet the technical requirement, the appropriate digital controller must be selected by the dahlin algorithm. other than the traditional pid controller, the dahlin controller has the strict limit to the system requirement.there are no

10、t overshoots in the system. keywords: gas hood-type annealing furnace pure-time delay dahlin algorithm 目 录 引 言.1 第一章 退火炉简介.2 1.1 退火炉的作用 .2 1.1.1 连续退火炉.2 1.1.2 罩式退火炉 .3 1.2 退火炉的发展历程 .3 第二章 煤气罩式退火炉.6 2.1 煤气罩式退火炉结构 .6 2.2 煤气罩式退火炉各个温度阶段特点 .7 2.3 煤气罩式退火炉的建模 .8 2.3.1 系统动态特性分析.8 2.3.2 惯性环节自动控制系统.8 2.3.3 纯滞

11、后环节.9 2.4 被控对象建模 .10 2.5 被控对象参数确定 .11 2.5.1 对象的参数识别和实验数据处理.11 2.5.2 对象的传递函数的确定.13 第三章 离散控制系统.14 3.1 离散系统简介 .14 3.1.1 离散信号.14 3.1.2 离散系统研究方法.14 3.1.3 离散系统特点.14 3.2 采样器及采样过程 .14 3.2.1 采样器 .15 3.2.2 采样过程数学描述.15 3.3 保持器 .16 3.3.1 零阶保持器.16 第四章 控制算法的实现.18 4.1 大林算法的设计过程 .18 4.2 大林算法的实现 .19 第五章 系统设计与仿真.24 5

12、.1 被控对象的编程与仿真 .24 5.2 连续系统仿真 .25 5.3 系统离散化设计与仿真 .26 结 论.30 参考文献.29 谢 辞.30 引 言 对冷轧钢板的处理需要对温度进行一定工艺曲线的控制，炉温度控制系统设计 的任务就是构造一个数字控制器控制温度来满足工艺要求。煤气罩式退火炉主要用 于对冷轧钢板进行热处理，采用高炉煤气作为燃料。它有内罩与外罩，在内罩内放 入退火钢卷，并投入保护性气体防止氧化。燃烧在内罩于外罩之间进行。12 个喷嘴 分为上下两层，每层有 6 个环绕排列。煤气和空气的喷燃比由连接各自阀门的杠杆 控制(比例阀)，这样在燃烧时，其空燃比不变。炉温控制系统测点为保护性气

13、体温 度。煤气和空气阀均采用比例蝶阀，由一台电动执行机构通过杠杆连接共同带动。 整个系统可以认为是以保护气体温度为输出，以电动执行器带动的蝶阀开度(对应于 煤气输入量)为输入的一个单输出单输入的温度控制系统。 本文是按照实际退火炉的特点结合特定的工艺要求来展开的。 第一章 退火炉简介 1.1 退火炉的作用 钢材在经过热处理过程已后以，既可以改善其本身的工艺性能，又可以大大提 高使用性能，经过处理后能够充分发挥钢材的性能潜力。钢材的热处理工艺是根据 钢材的结构和组织在固态下经过高温处理就可以进行多种形式的转变而发展起来的。 对于像冷轧钢这种含碳量较低的钢材，对其热处理过程最终的目的就是退火再结晶

14、， 达到人们想要的钢材形状以及达到人们所希望的钢材硬度。对于像冷轧钢这种低碳 钢的退火再结晶，由于其钢制本身性质有很大差别，所以对不同种类的低碳钢进行 热处理的工艺也不尽相同。热处理工艺多种多样，但无论其怎样变化，存在怎样的 差距，完成处理过程德热力设备都是退火炉，而退火炉的发展又主要体现在罩式炉 和连续退火炉的发展上。 退火炉是当今社会对冷轧钢板进行热处理的最主要的热力设备。在当经的社会， 为了响应低碳、环保的口号，实现不浪费的观念，退火炉发挥其重要作用。既减少 浪费又低碳环保。人们对钢材的需求量非常之大，以至于钢材的回收再利用成为人 们关注的重要话题。退火炉就是对冷轧钢以及报废的钢材进行热

15、处理，根据人们的 生活需要对刚才的形状和硬度进行人为的控制的生产工具。对于废弃的钢材、报废 的钢材，退火炉使其得到了回收再利用，减小了钢材的报废率，使能源得到回收。 1.1.1 连续退火炉 随着1936年第一座塔式连续退火炉的建成，欧美等发达国家便开始研制各种卧 式连续退火炉，这种连续退火炉可以应用到带钢连续再结晶。这种塔式连续退火炉 在一些国家至今还在沿用，其被用来加工汽水瓶盖用的镀锡带钢的退火。这种钢质 对于其要求的硬度比较高，而且材料也要达到一定的均匀程度，对于这种要求，连 续退火炉发挥出重要作用，其很好的实现了要求的效果。1945年以来，镀锡带钢广 泛采用塔式连续退火。带钢在冷轧处理后

16、，首先先要进行钢的开卷；然后，开卷的 钢材要经过热碱处理表面的杂质；第三步是电解清洗，钢制通过电解池进一步处理 掉表面的杂质；最后，进行钢制的冲洗、烘干等一系列工业程序。在这以后，钢制 被直接送入传送带，在传送带的作用下连续地通过退火炉，在炉内保护气体保护作 用下，工质被加热到约700左右后，便很快完成了再结晶过程，完成以上过程以后， 钢制需要缓慢冷却再淬火，工质出炉后，再进行卷取，整个过程形成一条连续的流 水线。通常，一般的退火炉传送带可以使通过退火炉的钢制速度达到305- 570m/min，在发达国家工质经过退火炉速度有高达850m/min以上的。 基本上，进入退火炉的工质都是经过辐射管这

17、种加热工具加热的。工质冷却则 要通过冷却带，或用空气管冷却，还可用水管冷却，而现在出现了一种叫做油冷的 冷却方式。油冷对工质对冷却工质有很好的作用：速度快、损耗小。缓冷带还要用 电热供给部分热量，以保证带钢以最低速度冷却，到400一500r时进人急冷带，最后 出炉温度约50 -60（摄氏度）。 1.1.2 罩式退火炉 本文的研究课题是煤气罩式退火炉的技术改造。由于其现有很多工厂里的煤气 罩式退火炉的设计很不太合理，控制系统老化严重，而且经常出现操作不当引起起 事故。控制现场主要根据工人的手动操作来对其控制系统进行手动控制，这样的手 动操作误差大，偶然因素多，甚至会导致退火炉内温度引起很大波动，

18、较大程度影 响了退火炉的退火功能，造成能源浪费，安全隐患多，容易造成事故。所以对退火 炉进行技术改造是人们广泛关注的话题。通常，钢材被卷成钢卷的物态形式在工业 生产的各个部门之间传递。钢质在冷扎过程中，其热处理长期以来使用罩式炉。 具体来说，就是一个单位炉炉内以3到6个钢卷为一各单位，在各个钢卷之间用 涡卷式通气垫板使钢卷被隔开，其上方用内罩使刚才与外部隔离，内罩外部再扣上 加热罩(即外罩)，内罩和外罩之间用煤气与空气混合气体充入来加热带钢。外罩加 热完后可取掉。钢制的冷却方法有空冷、快冷等。内罩内通保护气体，一方面保护 带钢不被氧化，另一方面促进传热。保护气体一般由氮气和氢气组成，现已发展了

19、 用纯氢气做保护气体的罩式退火炉，但是这种保护气体对设备要求很高。 在科技高速发展的今天，世界上各个科技发达国家都已经对各种燃烧设备的控 制都进行了深入的研究。主要研究对象是设备和自动控制两个方面，并且都取得了 较大的的进展，事实证明，自动控制技术是一种能够有效的节约能源和提高生产质 量的技术手段。 1.2 退火炉的发展历程 目前，像化工、冶金、陶瓷等生产部门，退火炉已经成为了最重要的热力设备。 在退火炉的运行过程中，虽然需要检测的数据以及控制的对象较多，但温度检测是 对被控对象进行研究的核心参数，对温度的检测精度要求也很高。对于不同退火炉 的温度参数实行自动控制，利用计算机控制自主调节，无论

20、是提高产品质量、节约 能源，还是在低碳减排等方面都显示出优越性。目前国内在温度控制的各个领域， 对温度控制的研究非常广泛。但是，对于单变量控制回路的单输入、单输出这样的 小型控制系统而言，不管是算法还是系统设计较少有人研究，人们认为这样的小型 系统研究起来费时费力，而且得不到较快速的收益。人们往往研究的重点在复杂的 控制算法，试图寻找出最好的控制算法，在大型、大规模的生产过程中提高生产效 率，创造更大的财富1。本文就从建立退火炉动态数学模型，并以此模型为基础， 结合大林算法来达到所需的工艺曲线要求，实现了系统仿真设计，对于炉温控制应 用和研究有着积极的参考意义。 由于退火炉是轧钢厂的最重要的处

21、理钢材得设备 在退火过程中，设备的性能好 与坏直接关系到工业生产的成本和企业所获得的效益。所以，提高退火炉性能指标、 提高退火炉的生产效率尤为关键。早在 70 年代，世界上就开始对提高退火炉生产性 能做了大力研究研究。近几十年里，借助计算机辅助工具，计算机的应用和发展进 入各个领域。如今的退火炉已经智能化，其生产性能得到了大幅度提高。 随着科技的飞速发展，各种各样的退火炉相继在发达国家出现。例如，全氢罩 式退火炉。这种退火炉一改传统的保护气体为氮氢气的罩式退火炉，全氢罩式退火 炉将内罩的保护气体尤氮氢混合气体改为 100%的纯氢气作为保护气体。这样使内罩 内部的钢制在退火过程中氧化率几乎控制在

22、零，大大提高了生产率，减少了钢制报 废率，使退火过程中的高温钢制不被氧化，提高了钢制的品性。但是这种退火炉有 一个弊端，即对设备的要求非常高。氢气是非常危险的气体，在高温的作用下非常 容易爆炸，如果设备老化或者设备达不到相应技术标准，很容易是内罩内部进入杂 志气体，如果与氢气发生混合引起爆炸，企业将发生严重事故。所以这种退火炉退 其自身的组成设备以及技术要求是非常高。 80 年代以后期，我国对退火炉的控制进行了广泛研究，随着微型计算机技术的 发展，退火炉计算机控制逐步进入实用化阶段。目前国内退火炉控制系统的研究状 况如下: 1.现代控制理论的应用 在现在的生产过程中，越来越多的控制系统采用现代

23、控制理论，自校正控制器、 自整定 pid 参数的控制器、最优控制、自适应控制，这些控制理论已经在工业生产 中得到了广泛的应用。很多大型炼钢厂已经开始使用罩式退火炉微型机控制系统， 使用现代控制理论中输出跟踪自适应控制技术，这种控制系统的精度从原来的 10 提高到了 3。总之，微型机的应用，为复杂的现代控制理论的数学计算创造了有 利条件。 2.采用先进控制设备 随着计算机领域的发展应用在工业生产中，多元化的以计算机系统为主体，针 对某一领域的工业生产变化而来的微型控制计算机应运而生。例如，工业控制机、 单片机、可编程控制器及集散系统等先进控制系统。这些针对性较强的微型控制计 算机使人工操作的大规

24、模的继电器、模拟式仪表已经逐步被取代了。像 plc、dcs 等软件，操作简单，更加适合于大众需求，编织起来也较为简单，无需繁琐的编排 程序过程，所使用的各种操作语言，无须专门编程人员就可自行编制，但是这些软 件有一个缺点：不可以独立使用，必须借助其他辅助设备才能完成工作。但是其通 讯能力较强，便于联网。 3.管理系统的应用 除了传统的闭环控制以外，退火炉也使用计算机进行管理。计算机在退火炉中 的应用大大提高了其生产效率。通常罩式退火炉群每个炉子有外罩、内罩，空燃混 合气体在其中间燃烧。现代退火车间均采用计算机调度，指导哪个炉台装钢板，使 用刚取下的热外罩等等，以节省燃料。 4.采用新的控制方法

25、 如今，人们致力于寻找新的控制算法完善设备。对于传统的 pid 调节，现在已 经不能满足人们的需求。对传统的负反馈系统中 pid 调节控制系统做多种补充，可 以使控制性能更佳。在传统的控制系统中，燃料与空气的处理关系通常采用按比例 配比调节，由于燃料与空气调节回路的响应速度不一致，而燃烧喷嘴性质不稳定以 及热值配比不协调，难以保证正确的配比关系。特别是在燃烧负荷发生变化的情况 下，更无法保持最佳配比。为了解决燃烧过程中出现的这种问题，产生了 3 种处理 空燃关系的交叉限幅法:1)单交叉限幅法;2)双交叉限幅法;3)改进型双交叉限幅法。这 三种方法有效地使空燃比达到预期的目的。 综上所述，目前国

26、内外对于退火炉的研究主要集中在大型企业的大型设备上， 这些设备控制回路多，控制节点复杂，正是因为这种特点集散控制系统和现场总线 控制有着明显的优势，可以很好的对退火炉群进行有效控制。利用大系统的操作站 和主控站可以较方便对控制对象进行编程控制。而对于小型系统，为了节约成本， 尽量在时间上和需求上达到快速稳定控制，很难采用 plc，dcs 等系统进行控制， 所以对于小型退火炉的智能控制目前主要采用的还是现场仪表加人工控制。 第二章 煤气罩式退火炉 本文我们研究的是煤气罩式退火炉。退火炉中给钢材加温的燃料为空气和煤气 的混合气体，空气煤气混合气体燃烧具有温度较高，能达到工业生产要求温度值， 且其来

27、源广泛较容易提取。在自动化水平高度发达的今天，退火炉系统已经被控制 领域所涵盖。那么，控制系统是怎样控制退火炉的，控制过程是怎样的，控制性能 的尤略就是我们研究的问题。而温度正是控制系统的核心问题，所以控制系统在退 火炉中的控制量就是温度参数。在退火炉中，温度这一参数值一旦超调，系统将无 法自动调节控制。所以，我们的工作重心就是研究如何把超调量控制在最小的范围 以内，如果条件允许，希望消除超调量，把超调量控制在我们希望的范围以内。传 统的控制领域应用 pid 自动调节，pid 控制器得到了广泛的应用。但是，其控制范 围很小，对于带有特殊性质的被控对象，pid 控制器显然已经达不到人们所希望的

28、标准。针对像退火炉这种大之后的对象，pid 调节不能使其达到预想的目的2。之后， 本文将介绍一种针对大滞后控制对象的算法大林控制算法。大林控制器在针对 具有纯滞后、大延迟的被控对象具有良好的控制效果，采用大林算法的意义在于大 林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面的性能，可做到零超 调小稳态误差。控制效果比较理想。大林控制器已经在工程中得到了广泛的应用。 2.1 煤气罩式退火炉结构 煤气罩式退火炉的结构分为内罩，外罩。外罩使整个炉结构与外部隔离，内罩 和外罩之间的空间用来投放煤气和空气混合气体燃烧。内罩用来使工质与燃烧气体 隔离，内罩内部充入钢制保护气体，使钢制不会因为加热而氧

29、化。此外，空气阀门 和煤气阀门与外罩相连，向罩内投放燃烧气体。保护气阀门与内罩相连，像内罩内 部投放保护气体燃烧在内罩与外罩之间进行。煤气和空气混合气体经过混合由喷嘴 放出，喷嘴镶嵌在外罩内壁上，分为上下两层一共 12 个。每层 6 个环绕内罩交替排 列。煤气和空气的燃烧比由两个蝶阀控制，蝶阀的开合程度可以调节空气和煤气的 混合比值。在给内罩加热时，其混合气体成分比保持定值不变。退火炉所测量的温 度值为内罩内部保护气体的温度。原因是退火炉内部无法直接对工质进行测量温度， 而工质在保护性气体内部，所以测量保护性气体温度数值来近似认为是工质温度。 煤气和空气阀门均采用碟阀，蝶阀的开关由一台电动的执

30、行机构通过连杆共同带动， 自动调节其开度。整个退火炉控制系统是以碟阀开度(对应于煤气输入量)为输入， 以保护气体温度为输出（近似值）的单输出单输入的温度控制系统。退火炉工艺一 般分为快速升温、升温，保温，降温四个阶段。升温过程按一定的工艺曲线升高温 度，保温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 温段要求的温度控制精度小于士 10。罩式退火炉结构图如图 2-1 所示： 图 2-1 罩式退火炉结构图 2.2 煤气罩式退火炉各个温度阶段特点 罩式退火炉温度段分为快速升温阶段，升温阶段，保温阶段以及自由降温阶段。 t1 阶段为退火炉快速升温阶段。在这个阶段，空气阀门和煤气阀

31、门开度为最大。希 望系统在最短的时间内使外罩内部的温度达到预想值（400 摄氏度） 。空气与煤气混 合气体在外罩内部混合燃烧，且两种气体自由进入外罩内部。t2 阶段为平稳升温阶 段。在这个阶段内，温度按一定的速度增加到 700 摄氏度，利用大林算法控制器升 温速度。t3 阶段为保温阶段，在此阶段温度保持在 700 摄氏度不变。t4 阶段为系 统降温。在此阶段系统停止工作，自然降温，炉内停火。温度变化曲线如图 2-2 所 示： t1：快速升温。空气阀门与煤气阀门开度最大，退火炉以最快速度升温至 400 摄氏 度。 t2：升温。控制算法输出来控制阀门开度，使温度按一定的速度上升（45 75）摄 氏

32、度/小时 t3：保温。控制算法输出来控制阀门开度是温度保持在稳定值。 t4：自由降温。系统停止，自然冷却。 图 2-2 罩式退火炉温度变化曲线 2.3 煤气罩式退火炉的建模 2.3.1 系统动态特性分析 对与任何一个自动控制系统来说，它是由被控对象和控制系统组成的。被控对 象和控制器是组成复杂的系统中最基本的元素。如果要对退火炉进行建模，必须了 解被控对象和控制设备的动态特性，对被控对象的动态分析，被控对象的动态特性 的了解，实际上就是建立其数学模型，用数学模型来表达其动态特性是自动控制理 论研究问题的基础。针对退火炉的动态特性，首先应该先了解自动控制系统的一些 基本知识。下文介绍了控制系统中

33、经常出现的基本环节。 2.3.2 惯性环节自动控制系统 自动控制系统中对象传递函数经常包含有惯性环节。所谓惯性环节：是当输入 x（t）为单位阶跃信号时输出 y(t)不能立刻响应输入信号达到稳态值，而是瞬态输 出以指数规律变化形式，经过一段时间过渡后达到稳态输出。 一阶惯性环节的动态方程可表示成： （2- ( ) ( )( ) dy t ty tkx t dt 1） 其中 t 为对象时间常数；k 为系统放大系数 上式两侧同时取拉氏变换可得出关系式： （2-(1) ( )( )tsy skx s 2） 所以，其惯性环节的传递函数可表示成： （2- 3） 其传递函数方框图如图 2-3 所示： k 图

34、 2-4 传递函数方框图 当 t 无限的趋近于零时 惯性环节实际上就变成了比例环节： （2-( )g sk 4）2.3.3 纯滞后环节 在自动控制系统中，存在一种常见的对象环节纯滞后环节。纯滞后环节的 的特点是：输出是输入的完整复现，只是信号在传递过程中延时了一段时间3。设 其输出为 输入为 用来表示延时系统中函数关系，为纯延( )y t ( )y t( )()y ty t 时时间。 上式取拉氏变换后可得出函数： （2-( )( ) s y sy s e 5） ( ) ( ) ( )1 y sk g s x sts 1 1ts 所以纯滞后环节的传递函数可表示成： （2- ( ) ( ) ( )

35、 s y s g se y s 6） 其传递函数方框图为： 图 2-4 纯滞后环节框图 对于一阶纯滞后惯性环节微分方程可用数学关系表示为： （2- () ()( ) dy t ty tkx t dt 7） 上式取拉氏变换后得出函数： （2-(1)( )( ) s tse y skx s 8） 又如，一阶纯滞后惯性环节微分方程可表示成： （2- ( ) ( )() dy t ty tkx t dt 9） 取拉氏变换后得出函数： （2-(1)( )( ) s tsy skex s 10） 上述可以得出相同的传递函数： （2-( ) 1 s k g se ts 11） 上式中 t 为一阶惯性环节时间

36、常数，k 为放大系数，为滞后时间。 2.4 被控对象建模 被控对象的动态特性通常可以通过两种不同的方式来研究，即理论建模和实验 建模。实验建模是先要先根据以往做过的实验得出的数据，在不断试验中积累的经 验或试验中得出的数据进行分析，然后确定出初步的对象模型的结构，再由反复试 s e 验得出数据与理论数值相比较后确定我们所希望得到的参数。这种方法是从实验中 得出大量数据经过分析推导反复试验得出的数学模型4。而理论建模则是根据最基 本的物理、化学基本定律结合工艺参数在一定的假设条件下，推导出被控对象的数 学模型。这种方法一般用来研究新型的、未知的系统的动态特性的数学模型。而在 实际的工程应用中许多

37、被控对象都是由复杂的设备构成，以至于他们的数学模型都 很复杂。在这种情况下，建立数学模型采用理论建模的方法相当困难，描述其动态 特性需要用相当复杂的数学模型。因此，在工程上被控对象的数学模型是通过借助 于实验建模的方法来获得的。经过反复的实验证明，对于许多复杂的生产过程，用 实验建模来近似的描述动态特性的数学模型完全能够设计出满意的控制系统。 通常，研究系统动态特性是要在得出的响应曲线上研究的。而系统的出响应曲 线必须要有输入信号。在自动控制理论中有两种信号最常见：一种是阶跃信号，另 一种是矩形方波信号5。阶跃信号是最简单、研究问题最方便的一种信号。也是最 常见的输入信号，且容易被理解。所以，

38、在罩式退火炉的研究中，我们用阶跃信号 来测定响应曲线。当给对象输入阶跃信号时，所对应的输出信号随时间变化曲线称 为阶跃响应曲线(或称飞升曲线)，飞升曲线能够非常直观地反映被控对象的动态性 能指标，被控对象参数可以在阶跃响应曲线上选取并记录下来。而且得出参数值不 需要进行数值转换，试验方法也较为简单。 2.5 被控对象参数确定 本文中被控对象的输入信号采用阶跃信号。首先将系统处于开环状态，原有的 控制器置于手动开关状态，控制器断开，对象与信号发生器相连接，阶跃地改变信 号发生器的输出信号，记录温度测传感器输出的温度信号，可得到一条阶跃响应曲 线，经简单处理，就可得到该过程的模型参数。 实验中应注

39、意以下问题: (1) 输入信号幅值必须根据退火炉的实际情况选择，选择的输入信号幅值大小 必须退火炉相适应的。为了区分实验中随机干扰信号与输入信号，应保证被控对象 有足够大的输入信号幅值，也要注意如果输入信号幅值过大则可能会引起输出信号 超出允许的变化范围这一问题。一般输入信号的幅值选取被控对象额定负荷的 10% 一 15%，即额定符合阀门开度的 10%一 15%。 (2) 实验前应使退火炉在加热温度下保温一段时间，使炉内处于稳定的初始状 态，这样做是为了保证退火炉实验时得出精确参数值。为获得一条准确的阶跃响应 曲线，在相同的条件下应重复实验 3 次以上，得到的实验数据需要综合分析保证在 确定相

40、关的曲线。 2.5.1 对象的参数识别和实验数据处理 对于退火炉这类型的具有特殊性质的对象，其典型传递函数为一阶惯性加延时 模型或二节惯性加延时模型。具体选择哪一种模型，通过以下讨论获得。 模型传递函数如下式所表示: 一阶惯性加延时模型的系统传递函数为： （2-( ) 1 s k g se ts 12） 二阶惯性加延时模型的系统传递函数为： （2- 13） 根据实验所得的飞升曲线来选择两种传递函数之一。根据实验得出的结论来选 择对象的传递函数是比较常见的做法。通过分析比较，一般地，对于相同的飞升曲 线，一阶传递函数拟合率较低，且数据处理较为简单，计算量小，但是精确率较低6； 而相对应的二阶传递

41、函数拟合率较高，数据处理过于繁琐复杂，计算量较大，但是 其匹配度较好。对于传统的闭环控制，采用闭环控制系统，系统设计对对象的传函 精度没有较高要求，所以本文中采用的是一阶惯性纯延时传递函数。 下面根据实验所得的飞升曲线去确定式(2-12)中的参数。 飞升曲线示意图。如图 1 一 3 所示，飞升曲线切线法在确定被控对象参数时被 广泛的应用。 k 参数的确定： 在自动控制系统中，k 为系统放大系数。 k 的值实际上就是系统的总输出稳态值 y()与系统输入信号值 x（s）的比值： （2- ( ) ( ) y k x s 14） t 和参数的确定: 12 ( ) 11 s k g se tst s 根

42、据飞升曲线示意图，经过阶跃响应曲线的拐点作一条切线，那么切线与时间 轴交于 a 点，则线段 oa 值即为被控对象的纯滞后时间常数。过稳态值 y()做 与 x 轴平行的直线，这条切线与稳态值 y()作的水平线交于 b 点，切线线段 ab 在时间轴上的投影线段值即为时间常数 t。飞升曲线切线法的缺点就是当做切线时 不容易做准确，切线落点容易发生误差，主要的优点是方法明显，易于计算 图 2-6 飞升曲线 2.5.2 对象的传递函数的确定 退火炉燃烧系统是一个有自平衡能力的被控对象，可用一阶惯性环节加延时环节来 近似，得到的传递函数： （2-( ) 1 s k g se ts 15） 式中: k 为退

43、火炉比例环节系数（放大系数） ； 为退火炉的纯滞后时间； t 为退火炉的时间常数 最后，利用阶跃响应曲线得出参数值： =120seeonds，t=27.667seconds，k=0.1488 所以该退火炉的传递函数为: （2- 120 0.1488 ( ) 27.6671 s g se s 16） 第三章 离散控制系统 3.1 离散系统简介 在一个控制系统中，各处信号都是时间 t 的连续信号，这样的控制系统叫做连 续控制系统。而与其相对应的，有一处或几处的信号，在其传递过程中出现时间段 的断续信号，这种控制系统采用离散的采样数据方式进行处理信息，我们称这样的 控制系统为离散控制系统7。本文的控

44、制系统为离散控制系统。 3.1.1 离散信号 离散信号又叫做离散时间信号，它是在给定的离散时刻上取响应值的信号。这 种信号是定义在某一个瞬时的时刻上的一种瞬时信号。而我们熟知的连续信号是时 间上的连续函数，被定义在连续的时间范围以内，系统中的传递函数都是连续的。 离散信号有数字信号和采样信号两种。数字信号是以数字序列排列的数字码出 现的数字信号。例如：数字计算机所接受的信号和输出的信号都是数字序列。采样 信号在离散的时刻队连续信号进行采样的到的，以脉冲的形式出现。采样时对连续 信息的间断处理过程。 3.1.2 离散系统研究方法 离散系统的研究方法有两种：一是 z 变换法，二是状态空间描述法。本

45、文只对 z 变换做讲解。z 变换法在离散控制系统的研究过程和拉氏变换在连续系统中的研究 过程是一样的，其作用也雷同。用 z 变换这种数学工具可以将描述线性离散系统的 差分方程数学模式化为代数方程。建立以脉冲传递函数为基础的 z 域分析方式。具 体的 z 变换方法本文不赘余。 3.1.3 离散系统特点 离散系统与连续系统的主要区别在于：第一，在离散系统中有一处或多处存在 采样器，采样器把连续的信号通过采样功能变换为离散信号；第二，离散系统中存 在保持器，保持器把离散信号与系统中连续部分相连接。就是离散系统中这两个重 要的原件 使得离散系统有其自身的特点。 3.2 采样器及采样过程 3.2.1 采

46、样器 采样器可以看作是一个特殊的开关，采样器实际是定期或不定期接通很小的一 段时间，将连续信号 f(t)转换为一系列的离散的信号 f*(t)的装置,采样器模型如图 3-1 所示： 图 3-1 采样器模型 采样的过程就是通过采样器的接通与断开，把连续信号转换成离散信号的过程， 相邻的两次采样时间间隔称为采样周期，用 t 表示。每次采样开关从闭合到断开都 要经过很小的一段时间 r，虽然 r 很小，可是毕竟存在。在离散控制系统中为了方便 考虑，可以忽略采样开关闭合到断开的一瞬间时间值 r，认为 r=0。这种忽略采样时 间的采样器我们称之为为理想采样器。 理想采样器存在是建立在两个假设的基础之上：第一

47、，采样周期为固定时间段 t，认为每次采样所经历的时间相同；第二，采样时间 r 认为趋近于零。这样我们的 到输入输出函数图像为等间距的脉冲函数图。理想采样器的应用可以大大简化系统 的分析过程，原本复杂的连续函数通过采样过程可以化简为研究瞬时时刻的函数， 使复杂的问题简单化。因此，一个连续传递时间信号通过理想采样器就会得到一系 列采样周期为定值 t 采样时间为零的离散脉冲信号。这样的采样过程称为理想采样 过程。 3.2.2 采样过程数学描述 为了推导出理想采样器输出 f*(t)与输入 f(t)的数学关系，建立理想的采样过程数 学模型，这里引入单位脉冲函数，在本文的作用是作为采样器的载波信号，( )

48、 t( ) t 通过载波信号可以将连续信号通过采样器转换为脉冲序列过程理解为调制过程，经 过调制过程使连续信号 f(t)调制成以 t 为周期的单位脉冲系列而得到输出信号 f*(t)。 连续输入信号 f(t)与经过采样器的输出信号 f*(t)的函数关系为： （3-*( )( ) ( ) t ftt f t 1） 输出信号 f*(t)为输入的连续信号和脉冲序列函数的乘积： （3-( )( )()(2 ) t tttttt 2） 即： （3-( )() t n ttnt 3） 其实，这里的就是发生在 t=nt 时刻的单位脉冲函数。采样后的系统输()tnt 出信号为： （3-*( )( ) () n

49、ftf ttnt 4） 由于采样器为理想采样器，则连续信号 f(t)就只能在 nt 瞬时被采样。所以上式 又可表示成： （3-*( )() () n ftf nttnt 5） 在实际的控制系统中，当 t0 的时间中，即系统停止工作，无采样过程时函数 值都为零。因此上式应该写成： （3- 0 *( )() () n ftf nttnt 6） 该式为采样器的数学表达式，其建立了连续信号与采样信号的关系，即离散系 统中，输出采样信号为某时刻连续系统函数值与该时刻单位脉冲函数值的乘积。在 单位脉冲函数的基础上可以对上述函数关系作出如下解释：采样器的输出信号 f*(t) 是一个脉冲信号的序列。连续信号

50、f(t)在各个采样瞬间的函数值分别等于相对应时刻 的脉冲强度。 3.3 保持器 连续的信号经过采样器后被离散成采样信号。而离散系统中存在着连续的控制 器以及调节器，这样系统的连续部分就无法接受离散信号。为了使将要进入连续部 分的离散信号恢复成连续的信号，即信号的再次复现。解决这个问题引入保持器这 一重要的元件。 保持器是指将采样信号转换成连续信号的过程的一种功能装置。从转换过程来 看，保持其恢复离散信号的过程，这正是采样的逆过程。保过程是将采样信号转换 成连续信号的过程。从频域上分析，保持器实际上就是一个滤波器。采样信号中的 高频分量和低频分量被保持器滤掉，保持原连续信号的频率。 3.3.1零

51、阶保持器 零阶保持器的时域数学表达式 ： （3-( )()f tf nt 7） 式中： （3-(1)nttnt 8） 其表明零阶保持器是能够把nt采样时刻的采样值f(nt)不增不减的保持到下一个 采样时刻(n+1)t到来之前。显然，当下一个采样时刻(n+1)t到来之前，应按新的采 样值f(n+1)t继续外推，即它是一种按常值外推的保持器，如图: 图 3-2 零阶保持器模型 零阶保持器常用 h(s)表示。 为了分析零阶保持器的低通滤波特性，首先求出它的传递函数。零阶保持器是 一组单位脉冲响应幅值为 1、宽度为 t 的矩阵波，此矩阵波可以表示成为以下两个 单位的阶跃函数的叠加，即 h(t)=1(t

52、)-1(t-t) (3-9) 由于系统的单位脉冲响应函数的拉氏变换就是系统的传递函数，所以零阶保 持器的传递函数为: (3-10) 1 ( ) ts e h s s 第四章 控制算法的实现 在一些具体的实际工程应用（如热工和化工）中, 经常会遇到一些带有特使性 质的对象。例如，被控对象是带有纯滞后的大延迟滞后系统。对于这样的系统，其 滞后时间很长, 想要调节时间在期望的时间内结束，而且在希望的时间内结束过渡 过程，系统控制在没有或者只有有很小的超调量的情况下是比较困难的。在任何控 制系统中，人们都不希望系统存在超调。研究自动控制理论最重要的一个项目就是 把超调控制在所能达到的最小范围。但是用一般的控制系统（如 pid 调节控制系统） 设计方法往往使得超调较大。所以对于滞后时间较大的系统，我们应该寻找一种新 的控制算法来达到所希望的性能指标。 1968 年 ibm 公司的大林提出了一种针对在工业生产中被控对象存在纯延迟的系 统的控制算法，即大林算法8。事实证明这种算法具有良好的效果，采用大林算法 的优点在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面