1、 （二 一 一 年 六 月本科毕业设计说明书题 目 ： 基于改进型 Smith 控制的加热炉温度控制系统设计内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要大迟延对象的控制一直是控制领域研究的焦点问题。加热炉温度控制便属于这类复杂的控制对象。传统的加热炉温度控制系统采用的是原料油出口温度同燃料油流量或同炉膛温度的串级控制，但由于燃料油流量存在波动，使得温度控制效果较差。而且由于近年来炉膛改造，炉膛容积增大，使得控制系统主副被控对象均存在较大的时间滞后。对于无滞后或滞后比较小的系统，通常采用PID控制。对于大滞后系统，PID控制效果并不好，需要另加补偿，因此提出了Smith预估补偿控制系统。而 Smith
2、 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的 ,当模型失配时,Smith 预估算法就难以取得良好的控制效果,因此提出了改进型Smith控制系统。本文研究的重点是设计与实现适用于燃烧控制过程的控制规律和控制算法。具体讨论了纯滞后系统的Smith预估器及工程实现方法，着重对这种控制算法进行了较深入的讨论，并提出了一种改进型Smith预估控制器，该控制器把自适应控制与史密斯预估器有机地结合起来，实现对控制系统的参数自整定，而且还通过仿真对设计和改进的结果进行了分析。仿真实验中，若采用PID控制算法，系统会出现较大的超调量，采用史密斯预
3、估补偿控制没有超调量。若保持控制器和模型的参数不变，改变对象参数，使估计模型与之失配，此时史密斯预估算法出现振荡，系统稳定性被破坏。改进型Smith算法不仅能够保持系统的稳定，而且振荡次数少，收敛速度快。关键词:加热炉；增益自适应；史密斯预估器 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractLarge delay time has been the focus of research in the control field. Furnace temperature control is belong to this complex control object.Traditional fu
4、rnace temperature control system uses raw oil outlet temperature with the fuel oil flow cascade control or furnace temperature, but due to volatility in fuel flow, making the temperature control less effective. In recent years, due to the furnace chamber volume increases, the control system exists i
5、n a large time lag. For no or less delay, the system usually adopts PID control. For large delay system, PID control effect is not good, need additional compensation. Thus puts forward Smith-predictor compensator control system. The Smith-predictor in the matching model has good performance when, bu
6、t this algorithm heavily depends on the exact match model, but it is difficult to do in practice. Smith-predictor algorithm is difficult to obtain good control effect when the model mismatch. Thus put forward an improved Smith-predictor control system.This stduy focuses on design and realize the con
7、trol laws and control algorithm that is applicable to furnace combustion control process. Specific discuss the method of Smith- predictor engineering realization for pure time-delay system, focusing on such a control algorithm for a more in-depth discussion, and puts forward an improved Smith predic
8、tor, which puts adaptive control and Smith predictor implement organically, realize to the parameters of the control system to achieve self-tuning, but also by means of simulation design and improved results are analyzed. Simulation experiment, if adopted PID control algorithm, the system showed a l
9、arger overshoot, but using control without overshoot. If keep the controller and the model parameters constant, change the object parameters that mismatch model to Smith-predictor, Smith-predictor algorithm oscillation occurs and, the system stability were destroyed at this time.The improved Smith p
10、redictor algorithm not only can keep the system stability but also decreases oscillation frequency, increases convergence speed.Keywords: furnace; gain adaptive control; Smith-predictor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 研究的背景及意义 .11.2 国内外基于加热炉温度控制的研究 .1第二章 传统的加热炉温度控制系统 .42.1 加热炉及其模型的建立 .42.1.1 加热温度控制系统
11、总体结构图 .42.1.2 加热温度控制系统模型的建立 .42.2 简单控制系统 .52.2.1 被控变量的选择 .52.2.2 选择被控变量的原则 .52.2.3 操纵变量的选择 .52.3 常用复杂控制系统 .62.3.1 串级控制系统 .62.3.2 比值控制系统 .82.3.3 前馈控制系统 .82.4 先进控制系统 .10第三章 数字 PID 控制理论 .113.1 PID 控制算法 .113.1.1 模拟 PID 调节器 .113.1.2 数字 PID 控制算法 .113.2 PID 的参数整定 .12第四章 改进型 Smith 预估器控制理论 .144.1 Smith 预估器控制
12、理论 .144.2 改进型 Smith 控制理论 .164.2.1 增益自适应补偿方案 .164.2.2 FuzzySmith 预估补偿控制方案 .17第五章 加热炉温度控制系统仿真研究 .195.1 PID 控制系统仿真研究 .195.2 Smith 控制系统仿真研究 .205.2.1 控制方案和仿真框图的建立 .20内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5.2.2 仿真分析 .205.2.3 Smith 控制稳定性分析 .215.3 增益自适应 Smith 控制系统仿真研究 .22总 结 .24参考文献 .25谢 辞 .27内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 研究的背景及意义加
13、热炉温度控制系统为一个大滞后的系统，改变传统的控制方式，采用温度、流量串级控制，并把煤气热值和烟气残氧检测量引入控制系统，对煤气和空气的配比值进行优化、调节，实现了加热炉高效燃烧控制、温度迅速反应控制。在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在的纯滞后，使得被控量不能及时反映所承受的扰动。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间，被认为是较难控制的过程，其控制难度将随着纯滞后 占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。一般认为纯滞后 与过程的时间常数T之比大于0.5，则称过程是大滞后过程。当 与T之比增加时，过程中的相位滞后增加而使超调增大甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。
14、此外大滞后会降低整个控制系统的稳定性，因此大滞后过程控制一直备受关注。1.2 国内外基于加热炉温度控制的研究滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定。因此近年来，对时滞系统的控制方法研究方兴未艾 1。从 50 年代以来，时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型这两大方法。基于模型的方法有 smith 预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等。无模型方法有模糊 smith 控制、模糊自适应控制、模糊 PD 控制、神经网络控制、专家控制等。其控制方法也己经由传统控制转向智能控制，或者是二者的结合。PID 控制是迄今为止应用最
15、广泛的一种控制方法。在工业过程控制中大多采用 PID 控制，其优点是原理简单、通用性强、鲁棒性好间。然而 PID 控制在纯滞后系统中的应用是有一定限制的，对于滞后较大的系统，常规 PID 控制往往显得无能为力。（1）国外最早在 1958 年提出预估控制器 2，这是一个时滞预估补偿算法，其最大优点是将时滞环节移到了闭环之外，提高了系统的控制品质，但其过于依赖精确的数学模型，实际应用比较困难。为此人们提出了许多改进方法，大致可以分为两种:一种是基于结构上的改进，这类方法主要是结合智能控制通过在不同的位置增加一些并联或者串联的环节进行补偿;另一种是在参数整定上的改进，这种方法将 项通过泰勒多项式展开
16、用鲁棒性能指标及其他的指标函数对控制器进行解析设计，或者对其中的控制参数进行鲁棒调整，还有的方法是对 Smith 预估系统的反馈传递函数进行改进,以增强它的鲁棒性和稳定性。se内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2（2）神经网络具有自组织和自学习的特点，它可以任意精度逼近非线性函数，可进行在线和离线学习，容错性比较强;它不需要复杂的控制结构，也不需要精确的数学模型，其简单有效的特点适合工业应用。在时滞系统中的应用，神经网络主要用于辨识和控制。在辨识方面，用于辩识系统的参数和滞后时间,在控制方面，主要有模型参考自适应控制和预测控制。另外，神经网络也和 Smith 控制结合对时滞系统进行控制，该方法也
17、较有效。（3）模糊控制是一种基于专家规则的智能控制方法 3，它无需知道系统精确的数学模型，只需要现场操作人员的经验和操作数据。模糊算法对于时滞系统比较适用，它是处理时滞系统中难以定量化环节和不确定性的有效手段。模糊算法在时滞系统中的应用大致有以下几个方面 4:l)模糊 Smith 控制控制器，它一般是由 Smith预估器解决对象的时滞问题，模糊控制器控制对象的大惯性环节。2)模糊预估控制方法，它是在模糊控制的基础上，进行并联模糊补偿。模糊预估模型是通过一系列有针对性的推导得到的，模糊预估器得到的增量经过补偿器的作用产生一个补偿校正。3)模糊自整定方法，它是对模型的某些参数进行模糊整定，以达到改
18、善系统控制品质。其中较为有名的是提出的改进 Smith 预估模型，对主反馈通道传递函数中的滤波时间常数进行模糊整定。该方法具有较强的鲁棒性和较好的控制性能，但是计算效率不是很高。（4） 变结构控制系统对干扰和系统参数变化具有鲁棒性这正是鲁棒控制所需要解决的问题。变结构控制的这一优点，己广泛地引起了人们的重视。非时滞变结构控制系统的研究己形成较完整的理论体系，而时滞变结构控制理论是一个具有潜力的研究方向。迄今为止，时滞系统的变结构控制理论的研究仍处于萌芽和兴起阶段，成果较少，有待于进一步完善。工业生产的大规模化使得工业过程变得更为复杂，大时滞、不确定性、严重非线性、时变性对工业过程控制系统的设计
19、提出了更高的要求。对于时滞系统的控制不是单一的方法就可以完全解决的，开发与设计出各种智能控制方法或以不同的形式结合在一起，将是解决时滞过程的有效途径。1.3 课题研究的内容在工业生产中,经常会遇到具有纯滞后特性的被控对象,并常将这种被控对象看成是带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节。这类系统,一般要求具有较好的动态特性和稳定性. 例如炉温控制系统。在温度控制技术领域中,普遍采用 PID 控制算法。但是在一些具有纯滞后环节的系统中,PID 控制很难兼顾动、静两方面的性能,而且多参数整定也很难实现最佳控制。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3为了改善纯滞后对系统带来的不良影响,将预估法用于此类系统
20、中, Smith 预估法也叫纯滞后补偿法,设计的目标是引入一个纯滞后环节 ,即 Smith 预估器,与被控对象相并联,使补偿后的被控对象的等效传递函数不包括纯滞后项 ，基于Smith 预估器的温控系统能有效克服大纯滞后对控制系统稳定性的影响,且实现简单,可靠性好。使闭环系统的指标达到最佳。从以上分析中可以看到,对于具有大时间滞后系统的控制,PID 控制算法仅仅在模型匹配时能够进行稳定的控制 ,但动态性能不理想 .当模型失配时 ,PID 算法就无能为力了。而 Smith 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的 ,因此模型失配时
21、,Smith 预估算法就难以取得良好的控制效果，改进型 Smith 预估器是克服纯滞后影响的有效方法之一。该方法不要求建立准确的对象数学模型，且能通过控制对象和模型输出信号比较来对模型增益作出适应性修正。相对而言,改进型 Smith 算法的稳定性和鲁棒性比较好 ,在模型失配时也能够进行有效地控制 ，能够保持一定的动态性能，快速地使系统收敛。仿真结果表明,改进型 Smith 算法在模型失配时 ,具有良好的稳定和鲁棒性 ,对于大时间滞后系统是一种比较实用的控制方法。(s)Dzse内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4第二章 传统的加热炉温度控制系统2.1 加热炉及其模型的建立加热炉在工业生产中应用很广
22、，有各种形式的加热炉，其中管式加热炉最常见，其型式有可分为箱式、立式和圆筒炉三大类 5。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行气化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产平质量。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命，因此加热炉出口温度必须严格控制。2.1.1 加热温度控制系统总体结构图图 2.1 所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的
23、管道后，加热到炉工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制温度的目的。被加热物料燃料T 1支路 1支路 2炉膛出口图 2.1 加热炉温度系统2.1.2 加热温度控制系统模型的建立加热炉对象是一个多容量的复杂对象。根据实验测试，并作了一些简化，可以用一阶环节加时滞来近似，即(2-1)1)(sTpeKsG内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5其时间常数 和时滞时间 与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关 5。Tp本文针对的是河北唐山某轧钢厂加热炉温度控制系统, 其被控对象的传递函数为:(2-2)2.2 简单控制系统简单控制系统（单回路控制系统）是指由一个受控对
24、象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。图 2.2 加热炉温度单回路反馈控制系统结构框图2.2.1 被控变量的选择被控变量选择方法：方法一：选择能直接反映生产过程中产品产量和质量又易于测量的参数作为 被控变量，称为直接参数法。方法二：选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控变量，称为间接参数法。2.2.2 选择被控变量的原则1. 选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控变量。2. 当不能用直接参数作为被控变量时，可选择一个与直接参数有单值函数关系并满足如下条件的间接参数为被控变量。(1) 满足工艺的合理性(2) 具有尽可能大的灵敏度且线形好(3) 测量变送装置的滞后小。2.2.3 操纵变量的选择选择操纵变量，就是从诸多影响被控变量的输入参数中选择一个对被控变量影essG10)(
