爐溫自動控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

I摘要目前罩式爐爐溫控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)PID控制，但是由于罩式爐爐溫控制系統(tǒng)具有非線性、時變性、大延遲等特點，傳統(tǒng)的PID在某些情況下難以達到理想的控制效果。傳統(tǒng)的定點開關控制溫度會有正負誤差幾度的現象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個熱系統(tǒng)的結構性問題，使溫度控制器控溫產生一種慣性溫度誤差。這就是爐溫控制系統(tǒng)中的非線性問題帶來的難以解決的問題。本文充分考慮了系統(tǒng)中存在的非線性因素，重點研究了存在非線性因素情況下的模糊PID控制系統(tǒng)。這種不依賴于模型的智能控制為解決這類問題提供了新的方法，成為目前提高生產過程控制質量的重要途徑。模糊控制作為現代信息處理技術的一種，正在越來越多的生產應用中展示它的優(yōu)越性，模糊控制是它在自動控制中的一個重要應用成果。而模糊PID控制技術也在其中扮演了重要的角色，并將成為未來研究與應用的重要技術之一，這是因為PID類型的控制技術是工業(yè)生產中被普通使用的控制方法，如果能找到具有類似于PID易于使用的特點，而且性能優(yōu)于PID的控制器，在理論和實踐上都將具有很重要的意義。本文在查閱了大量相關文獻的基礎上，結合罩式退火爐車間的生產實際，提出了采用基于MATLAB的非線性因素下的模糊PID罩式爐爐溫進行控制。關鍵字：MATLAB；非線性；模糊PID控制；仿真；罩式退火爐AbstractNowcovermostoffurnacetemperaturecontrolsystemusingtraditionalPIDcontrol,butbecauseofBell-typefurnacetemperaturecontrolsystemwithnonlinear,time-varyinglargedelayandothercharacteristics,thetraditionalPIDandinsomecasesdifficulttoachieveidealcontroleffect.Thetraditionalfixed-pointmarginoferrorwillswitchcontrolthetemperatureafewdegreesphenomenon,butthisisnotthetemperaturecontrolleritself,buttheentireheatingsystem'sstructuralproblems,sothatthetemperaturecontroltemperaturecontroltoproduceatemperatureerrorofinertia.Thisisthetemperaturecontrolsystemcausedtheproblemdifficulttosolvenonlinearproblems.Thisfullaccountofnonlinearfactorsthatexistinthesystem,focusonthecaseofnonlinearfactorsoffuzzyPIDcontrolsystem.Thisdoesnotdependonthemodelofintelligentcontroltoaddresstheseissuesprovidesanewwaytoimprovetheproductionprocessbecomeanimportantwaytocontrolquality.Fuzzycontrolasakindofmoderninformationprocessingtechnologyisbeingappliedmoreandmoreproductiontodemonstrateitssuperiority,fuzzycontrolisautomaticcontrolitisanimportantapplicationoftheresults.ThefuzzyPIDcontroltechnologyalsoplaysanimportantrolewhichwillbeimportantforfutureresearchandapplicationofoneofthetechnologies,becausethePIDtypeofcontroltechnologyinindustrialproductionwascommontousethecontrolmethod,ifyoucanfindaeasytousefeaturessimilartoPID,andtheperformanceisbetterthanPIDcontroller,bothintheoryandpracticewillhaveveryimportantsignificance.Thispaperreviewedtheliteratureonthebasisofalargenumberofcombinedannealingfurnaceactualproductionworkshop,presentedbythenonlinearfactorsbasedonMATLABFuzzyPIDcontroloftemperatureBell-typefurnace.Keywords：MATLAB；Nonlinear；fuzzyPIDcontrol；Simulation；Bell-typeannealingfurnace目錄TOC\o"1-3"\h\u7484摘要 I7484關鍵詞 I7484Abstract II20735Keywords II104301緒論 159811.1研究背景和意義 1156471.2國內外研究現狀 1157231.2.1國外退火爐研究現狀 1216301.2.2國內退火爐研究現狀 -2-167241.3鍋爐溫度控制發(fā)展現狀 -2-140361.4退火爐溫度控制的主要問題 -3-275781.5本論文主要研究內容 -3-288092罩式退火爐退火工藝 -5-32082.1退火爐介紹 -5-149602.2退火爐用途及特點 -5-264932.3罩式退火爐 -6-181082.4罩式退火爐的冷卻方式 -7-55632.5退火工藝過程 -8-170873傳統(tǒng)控制方法介紹 -12-33593.1PID控制介紹 -12-70173.2傳統(tǒng)PID控制在Simulink下的仿真比較 -13-172133.3傳統(tǒng)PID控制的參數整定方法 -17-171154非線性系統(tǒng)研究 -19-207714.1罩式退火爐的非線性特性 -19-265164.2非線性系統(tǒng)的研究方法 -21-261984.3應用相平面法仿真研究非線性系統(tǒng) -22-209895帶有非線性的模糊PID控制 -25-32455.1模糊控制基礎 -25-8665.2控制算法分析 -26-30495.3模糊控制仿真 -27-18836參考文獻 -32-29508結束語 -33-21710致謝 -34-1-1緒論1.1研究背景和意義自20世紀40年代控制理論創(chuàng)立以來，傳統(tǒng)控制理論經過了兩個主要發(fā)展階段：經典控制理論和現代控制理論。經典控制理論主要解決了單變量系統(tǒng)的反饋控制問題，而現代控制理論主要解決了多變量系統(tǒng)的優(yōu)化控制問題。傳統(tǒng)控制理論是建立在被控對象精確數學模型的基礎之上的，一般來說，過程描述越精確，控制效果就越好。而隨著現代工業(yè)的發(fā)展，控制對象已經不能用確定的傳遞函數來表達，這就導致了傳統(tǒng)控制理論無法去精確控制被控對象。而且被控對象大多是有非線性，時變和純滯后等復雜特性，很難建立其數學模型。但是，傳統(tǒng)控制理論中的一些經典思想可以運用到現代智能控制理論中，所以本文重點研究的在非線性因素下的模糊PID控制有著深遠的意義。退火爐作為軋鋼企業(yè)主要設備之一，處于關鍵位置，直接影響產品的質量、產量和成本。退火爐控制的自動化技術在提高生產率、改善質量和節(jié)約能源上有舉足輕重的意義。而鋼鐵一直作為人類使用的主要結構材料，人類文明的每一點進步都與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以及鋼鐵材料性能水平的提高息息相關。現代社會中，生產量最大且用于重要部分的工業(yè)材料是金屬材料，根據1981年聯合國統(tǒng)計年鑒記載，全世界金屬材料產量中約95%的是鋼鐵[1]。從某種意義上講，鋼鐵是近代社會的骨骼，而能源是近代社會的血液。鋼鐵的人均年消費量，是一個國家工業(yè)化和文明程度的重要指標之一。鋼鐵的廣闊應用前景，使得鋼鐵工業(yè)的發(fā)展成為國家進步的重要標志。所以在這樣的背景下能夠研究出對于控制退火爐爐溫的模糊控制系統(tǒng)是有非常重要的意義的。1.2國內外研究現狀目前國內外對于退火爐的研究處于一個多元化的趨勢，研究的側重點各有不同，國外主要側重于用當今快速發(fā)展起來的計算機技術來提高控制水平，國內主要側重于研究更加好的控制方法和控制設備，國內更加偏重于實際應用的研究。1.2.1國外退火爐研究現狀國際上從20世紀70年代就開始了退火爐計算機控制的研究，近年來，由于計算機技術以及智能控制技術的迅速發(fā)展，退火爐計算機控制的應用日趨廣泛，控制水平明顯提高，取得了一些應用成果。在這一時期還產生了一類新型計算機控制算法一預測控制，它在復雜工業(yè)過程中得到成功應用，由于它突破了傳統(tǒng)思想的約束，采用了預測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正和多步預測等新的控制策略，獲取了更多的系統(tǒng)運行信息，因而使控制效果和魯棒性得以提高。隨著數字計算機向小型化、高速化、大容量、低成本方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的PID控制不斷發(fā)展改進的同時，現代控制理論也在不斷發(fā)展。1.2.2國內退火爐研究現狀20世紀80年代以后，國內對退火爐的控制進行了廣泛研究，并且隨著微型計算機技術的發(fā)展，退火爐計算機控制逐步進入實用化階段。對傳統(tǒng)的負反饋、單一PID控制系統(tǒng)做了多種補充從而使控制性能更佳。這些改變都是從系統(tǒng)的結構方面入手，例如用串聯，反饋，Smith預估期等方法。在以前控制系統(tǒng)中，處理燃料與空氣的關系通常采用配比調節(jié)，由于燃料與空氣調節(jié)回路的響應速度不一致，燃料的熱值不穩(wěn)定及燒嘴特性等的變化，這種配比關系難以保證。特別是在燃燒負荷發(fā)生變化的情況下，更無法保持最佳配比。為解決這些問題，產生了3種處理空燃關系的交叉限幅法單交叉限幅法、雙交叉限幅法、改進型雙交叉限幅法。隨著工業(yè)控制機、可編程控制器及集散系統(tǒng)等先進控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式儀表。無論是PLC還是DCS，其軟件編制均較簡單，無須專門編程人員就可自行編制，此外不但能獨立使用，且其通訊能力較強，便于聯網。越來越多的控制系統(tǒng)采用現代控制理論，最優(yōu)控制、自適應控制、自校正控制器、自整定PID參數的控制器，有些已成功地在工業(yè)中應用。國內的退火爐控制技術在理論上已經達到先進國家的水平，但在工程應用上相比發(fā)達國家相還存在著較大的差距。1.3鍋爐溫度控制發(fā)展現狀鍋爐溫度控制在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制過程中得到了廣泛應用。但目前國內的溫度控制大多還停留在20世紀80年代水平，自動化程度低，動態(tài)控制精度差，滿足不了日益發(fā)展的工藝技術要求。到目前為止，在工業(yè)控制過程中，占統(tǒng)治地位的仍然是PID控制。但PID控制技術在處理一些非線性，時變性又不便建立數學模型的控制對象時，存在著固有的缺陷[2]。爐溫控制是一個帶有很多不定因素的系統(tǒng)，對于溫度傳感器一般都有滯后性，且溫度存在慣性誤差。傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主，兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時，通常被加熱系統(tǒng)元件溫度升高至設定溫度時，溫度控制器會發(fā)出信號停止加熱。但這時發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內部溫度會高于設定溫度，發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的系統(tǒng)件進行加熱，即使溫度控制器發(fā)出信號停止加熱，被加熱系統(tǒng)件的溫度還往往繼續(xù)上升幾度，然后才開始下降。當下降到設定溫度的下限時，溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱系統(tǒng)件需要一定的時候，這就要看發(fā)熱絲與被加熱系統(tǒng)件之間的介質情況而定。目前國內專家對于這種情況一般都是采用調壓系統(tǒng)來代替溫度控制器。當然，在電壓穩(wěn)定工作的速度不變、外界氣溫不變和空氣流動速度不變的情況下，這樣做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的環(huán)境因素是不斷改變的，同時，用調壓系統(tǒng)來代替溫度控制器時，必須在很大程度上靠人力調節(jié)，隨著工作環(huán)境的變化而用人手調好所需溫度的度數，然后靠相對穩(wěn)定的電壓來通電加熱，勉強運作，但這決不是自動控溫。當需要控溫的開關鍵很多時，就會手忙腳亂。這樣，調壓系統(tǒng)就派不上用場，因為靠人手不能同時調節(jié)那么多需要溫控的關鍵，如果采用PID模糊控制技術，就能解決這個問題，使操作得心應手，運行暢順。1.4退火爐溫度控制的主要問題罩式退火爐溫控系統(tǒng)是一類具有大滯后及模型慢時變系統(tǒng),用傳統(tǒng)的控制方法,如PID控制，自校正控制等方法較難得到滿意的控制效果。在退火爐控制中，常規(guī)的燃燒方式通常是通過采用單交叉或雙交叉的燃燒控制方式。但從工業(yè)現場使用和仿真研究結果分析來看，采用上述控制系統(tǒng)存在如下幾點缺陷：(1)重油，燃油霧化不好，易造成燃燒不充分；(2)常規(guī)的燃燒控制采用分區(qū)集中控制，區(qū)內所有燒嘴同步工作；通過分區(qū)調節(jié)燃燒，空氣的物流副值來適應加熱曲線要求的；對較大的爐子來講，分區(qū)多調節(jié)困難，因此難以達到工藝要求的爐溫均勻性；(3)采用線性閥，易使燃燒狀況惡化，影響控制精度；(4)很難控制最佳的空燃比。一般退火爐在運行中的溫度都受很多方面的因素影響，這就會產生溫度的輸出和燃料或電壓不是成線性關系，而是一種很復雜的非線性關系。針對常規(guī)燃燒方式存在以上諸多弊端，本文提出了在考慮非線性因素下的模糊PID智能控制系統(tǒng)，以改善退火爐不完全燃燒的缺點，使之很快達到設定溫度。1.5本論文主要研究內容本文具體研究內容包括以下幾個方面：(1)學習研究罩式爐的退火工藝。(2)深入系統(tǒng)地分析和研究了傳統(tǒng)PID控制和非線性系統(tǒng)的研究方法，得到了一種在非線性因素下的模糊PID控制模型的建立，并經過仿真軟件MATLAB仿真實現。(3)針對罩式退火爐這一復雜、非線性系統(tǒng)，本文提出了基于MATLAB的模糊PID控制方法對罩式爐爐溫進行控制。首先采用傳統(tǒng)控制方法建立罩式爐爐溫的預測模型，然后根據這個模型來研究控制溫度的最佳控制方法。然后在把非線性的因素考慮進去，通過對燃氣流量的控制來實現罩式爐爐溫的控制。(4)大量的仿真研究，仿真結果表明，該控制策略是可行的。2罩式退火爐退火工藝2.1退火爐介紹退火爐是一種熱處理設備，它把一種材料加熱到一定溫度并維持一段時間，然后讓其自然冷卻。其目的主要包括：(1)釋放應力；(2)增加材料延展性和韌性；(3)產生特殊顯微結構。不管是燃油、燃氣還是電加熱退火爐都要求有較精確的溫度控制，以便降低退火工序的能耗。退火爐骨架由各種型鋼焊接而成，外框用槽鋼作主梁，圍板采用薄板，臺車用槽鋼作主梁，底板及前后端板采用中板。傳動部分是采用電動機，減速機通過鏈條帶動前端一組主動輪傳動。爐門傳動是采用渦輪減速機和電動機組合電動升降。臺車與爐體密封采用迷宮式結構，并在臺車側有自動沙封刀密封裝置[3]。爐門密封采用滾道式壓緊和彈簧壓緊自動機構密封該爐爐體部分采用優(yōu)質耐火磚結構，保證爐膛密封性。在臺車耐壓部分采用高鋁磚砌，下部均添保溫磚保溫。在爐后上端安裝排煙預熱裝置，爐內的煙氣通過預熱器時，由風機送入冷風進行預熱，再由管路送至燒嘴進行助燃，并在出口安裝一只手動碟閥，該閥可調節(jié)爐內壓力，這就是退火爐的主要結構。2.2退火爐用途及特點熱軋后帶鋼會發(fā)生塑性變形，各晶粒順著軋制方向伸長，壓扁，破碎，導致加工硬化。退火處理是在固態(tài)下將金屬或合金加熱到一定得溫度、保持一定的時間。然后用不同的冷卻速度冷卻下來，通過對加熱速度、加熱溫度、保溫時間和冷卻速度四個要素的有機結合，使組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金發(fā)生響應的轉變。帶鋼通過退火設備可以消除軋制內應力和加工硬化，獲得良好的冷加工性能。生產帶鋼用的鋼種由于煉鋼水平的發(fā)展可分為三類：碳素鋼、低碳優(yōu)質鎮(zhèn)靜鋼和低合金鋼。由于鋼的化學成分、加工方式以及用途的不同，它們的熱處理退火工藝也有各自特點和要求。帶鋼的退火是在退火爐中進行的。根據帶鋼鋼種的不同要求，對退火爐的退火工藝與設備有下列基本要求：(1)在退火過程中，鋼卷應盡可能的快速、均勻加熱。(2)鋼卷在保溫過程中，鋼卷各點的溫度差要盡可能小。(3)鋼卷在保溫階段結束后，要盡快的冷卻到額定溫度。(4)經過退火后的鋼卷，表面要求光亮，無碳污染，更不能有氧化色。(5)要盡可能減小熱能消耗，提高加熱效率，降低保護氣體和冷卻水的消耗。(6)操作方法應盡可能的簡單和安全。2.3罩式退火爐對于退火爐的種類，主要有臺車式電阻爐、井式退火爐、箱式退火爐、罩式退火爐、連續(xù)光亮退火爐等。本文主要研究的是罩式退火爐，因為罩式退火爐主要有以下幾方面的優(yōu)點：(1)不受帶鋼寬度、厚度和品種的限制，生產靈活，應用廣泛。(2)投資少，建造成本低廉（建一條連續(xù)退火線約需1.5億美元的投資，而達到相同產量的全氫罩式爐只需2500萬美元）。但罩式退火爐的缺點也比較明顯，主要有。(1)退火周期比較長，生產率低。(2)熱耗高。(3)溫度均勻性差。罩式爐是一種間歇式退火設備，它的發(fā)展經歷了從氮氣（加少量氫氣）保護氣體向全氫氣保護氣的發(fā)展過程。由于對帶鋼產品的產量及質量的需求不斷提高，對帶鋼罩式退火爐的結構、退火工藝及退火性能也就提出了更大的挑戰(zhàn)。帶鋼罩式退火爐用于板卷成品前的再結晶退火，由于是成品退火，所以對帶鋼的表面質量以及產品性能的要求都很高。為提高退火爐的產量和產品質量，應強化退火空間的對流傳熱；為得到光亮表面還應在氮氣、氫氣和氮氫混合氣等保護氣氛中進行，控制保護氣的成分和流量，減少碳污染；降低包括供熱、風機轉動用電、保護氣及冷卻水的消耗；同時還要提高控制水平以保證產品的質量、產量和安全性。為了達到以上工藝水平，帶鋼罩式退火爐經歷了由傳統(tǒng)罩式爐到氮氫強對流罩式爐再到全氫強對流高性能罩式爐等三種爐型的發(fā)展過程。另外在其他方面也在不斷進行改進，如使用橡膠密封、機械密封取代砂封；使用輕質節(jié)能的陶瓷纖維做爐襯；使用大功率循環(huán)風機進行強制對流，高速循環(huán)；使用冷卻罩強制冷卻，縮短退火時間大大提高了退火效率。經典全氫罩式爐結構如圖2.1所示。圖2.1全氫罩式爐設備圖2.4罩式退火爐的冷卻方式全氫罩式爐有三種基本的冷卻方式：噴淋冷卻、分流冷卻和射流冷卻。(1)噴淋冷卻空氣冷卻后向內罩表面噴水的冷卻過程。為了避免在退火車間產生過多的蒸汽，并防止內罩腐蝕，在對內罩噴水之前，需關閉循環(huán)風機，用常規(guī)空氣冷卻的方法將內罩溫度降至120℃~160℃之間，然后將冷卻水噴到內罩頂部。特殊的給水系統(tǒng)保證整個內罩表面均覆蓋一層水膜且沒有汽泡，冷卻水量不得少于20m3/h以確保內罩完全被水覆蓋。否則，內罩部分淋水，會因產生機械張力而損壞。噴淋冷卻的優(yōu)點是設備簡單，投資低，降低了氣氛消耗，冷卻罩風機的額定功率低。內罩表面水膜的導熱系數非常高，與空氣冷卻相比冷卻性能有很大提高。缺點是冷卻方式對水質要求很高，冷卻能力不大，內罩壽命較短，帶鋼容易產生粘結現象等。(2)分流冷卻在內罩中循環(huán)的一部分氫氣被旁通到一個外部冷卻環(huán)路（熱交換器）冷卻后再送回到退火空間；另外，內罩通過擴散空冷或噴水冷卻進行冷卻。分流冷卻的優(yōu)點是內罩壽命長，由于可以平緩地開始冷卻過程，避免了帶鋼卷層間的粘結，冷卻能力比噴淋方式高出10～20%，并可以連續(xù)調節(jié)。缺點是必須具備閉路水循環(huán)的條件，一般要有地下室。(3)射流冷卻若無高質量的冷卻水和地下室，可以考慮射流冷卻。射流冷卻通常用于規(guī)模較小的車間，冷卻噴嘴直接安裝在冷卻罩的鋼殼上和冷卻罩頂部?，F代射流冷卻系統(tǒng)特別適于需長時間退火處理的設備，其通過直接向內罩外側噴射空氣來實現。通過在冷卻罩表面安裝大量的空氣噴口產生氣流，有兩個或三個離心風機抽取來自冷卻罩的空氣。由于氣流回彈效應，高速冷空氣以一定角度撞擊內罩，打亂薄的邊界層加速熱傳導，改變冷卻性能。射流冷卻的熱傳導系數是擴散空氣冷卻的三倍。射流冷卻罩可用于已建成的車間以提高冷卻性能。如將已有的擴散空氣冷卻罩全部改為噴射冷卻罩，則產量可提高8%左右?，F在軋鋼廠采用的冷卻方式一般是兩種冷卻方式相結合，很少采用單一的冷卻方式，這是因為單獨每種冷卻方式都有缺點不能更好的提高冷卻效率。噴淋冷卻雖然投資低但高質量的冷卻水很缺乏，而且內罩壽命短。分流冷卻性能高但投資高，射流冷卻冷卻性能低維護成本高。2.5退火工藝過程整個退火過程都由中央操作系統(tǒng)自動控制。反映設備狀況的一些重要信息可在可視系統(tǒng)上得到充分顯示，若程序出現問題，隨時可以進行人工干預。安裝在退火車間鋼結構平臺上的退火爐臺是整個退火工藝的基礎設備。爐臺由鋼結構本體、絕熱材料、擴散器和底部對流板組成。根據不同的冷卻方式，爐臺通常有圓錐形和圓柱形之分。圓錐形爐臺適于分流冷卻和射流冷卻，圓柱形爐臺則多采用水噴淋冷卻。按絕熱部分密封形式的不同，爐臺又可分為開放式和全封閉兩種。爐臺外部的鋼結構和爐臺底板焊接在一起，構成堅固的承重底座。爐臺金屬殼體內部填充絕熱材料，以收到絕熱效果。另外，爐臺兩側的兩個導向柱為加熱罩、冷卻罩和內罩提供定位的作用。爐臺的對流傳熱循環(huán)系統(tǒng)由安裝在擴散系統(tǒng)中心的葉輪和電機構成。對于這種退火爐的退火工藝，是目前最普通的一種控制方法，其中對溫度的要求很嚴格也很精確。所以這樣的控制器要求有很好的平穩(wěn)性，并能夠實時控制，這些要求都要通過選擇合適的控制算法去實現，也就要求本文要提出一種很好的控制系統(tǒng)。這必須對退火爐的退火工藝有一個很全面的了解。每座爐的退火周期工藝操作控制流程如圖2.2所示：移內罩、卸鋼卷裝料、移內罩、卸鋼卷裝料、放置內罩內罩、爐臺密封試驗氣體置換：H2換N2氮氣吹掃（后吹掃）：N2換H2冷卻卸加熱罩、放冷卻罩保溫檢漏氮氣吹掃（前吹掃）：N2換空氣加熱罩加熱圖2.2退火工藝操作控制流程圖(1)吊裝鋼卷操作人員在現場控制臺把不銹鋼熱軋卷用專用吊具吊裝到爐臺上，鋼卷之間墊有不銹鋼對流板。(2)選擇退火程序典型鋼種的工藝退火程序均存儲在罩式爐退火程序控制系統(tǒng)(PCS)或中心控制系統(tǒng)(COS)數學模型中。對于不同鋼種，須選擇其特定的退火程序。某一鋼種正常退火正常生產時，從退火程序控制系統(tǒng)(PCS)或中心控制系統(tǒng)(COS)下載其工藝退火程序到爐臺的PLC中。除非操作人員中斷此程序，否則退火程序過程自動按此工藝退火程序完成。(3)加內罩并鎖緊內罩爐臺上裝好鋼卷以后，操作人員把內罩對準放置到爐臺上。自動鎖緊裝置（液壓設備）將內罩與爐臺自動鎖緊，內罩與爐臺連接法蘭內的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)開始工作。(4)冷態(tài)檢漏測試內罩鎖緊后，系統(tǒng)自動開始冷態(tài)檢漏測試。先進行H2閥密封性檢測，確保H2不泄露。再檢查內罩、爐臺、旁路冷卻系統(tǒng)、循環(huán)風機、排氣管路的密封性，關閉所有氣體輸入及輸出閥門，內罩內壓力自動調整到5000Pa左右，如果內罩內壓力在一定時間內保持在規(guī)定的范圍，罩式爐操作界面上顯示“內罩內無泄漏”則冷態(tài)檢漏測試完成。否則須對內罩密封進行檢漏。(5)氮氣吹掃（前吹掃）冷態(tài)檢漏測試完成后，進行N2前吹掃，將內罩空間（又稱退火空間），循環(huán)風機，旁路冷卻管路，N2排放管路及煤氣管路的空氣用N2置換，防止殘余空氣與H2混合后形成爆炸空間。程序自動以120m3/h的流量向內罩內充入N2，時間約為40分鐘。通過一個孔板測量壓差，利用渦輪流量計檢測流量，同時使用氧化鈷探頭檢測O2含量降到1％以下。開始充入工作介質H2，充入氫氣的同時將加熱罩吊裝到爐臺上。為了保證內罩內的壓力保持在一個規(guī)定的壓力之上，系統(tǒng)將即時測定內罩內的壓力。如果壓力低于安全范圍，N2管路上的閥門自動打開，H2管路上的閥門同時自動關閉，內罩內壓力由N2維持。在充入H2的初期，可以通過調整H2的充入閥來控制H2的流速，以帶走鋼卷中的軋制時帶入的油蒸汽。(6)加熱階段罩式爐加熱罩上配置了先進的燒嘴，每個燒嘴均配有自動點火和火焰監(jiān)測設備。燃燒系統(tǒng)中每個燒嘴的狀態(tài)均有PLC控制系統(tǒng)控制，隨著退火曲線溫度的變化，PLC自動地、隨機地調整每個燒嘴的開和閉，實現控制系統(tǒng)數學模型中設定的即時供熱能力，同時有保持了加熱罩內溫度場的均勻，達到最佳的加熱狀態(tài)。當整個鋼卷垛的溫度達到要求時，加熱過程結束，進入保溫期，煤氣量逐漸減少，使鋼卷垛外層熱量逐漸向中心傳遞，當鋼卷垛內外溫差達到要求時，保溫期結束，關閉燒嘴。加熱罩上設置了一個獨立的高溫報警溫度控制器。當加熱罩內的溫度超過最高加熱設置溫度10℃時，此溫度控制器將報警，并將信號及時反饋到加熱罩燃燒控制系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)迅速關閉。加熱罩燃燒系統(tǒng)主要通過控制空氣流量來實現空氣煤氣的比例調節(jié)。(7)保溫階段檢漏由于H2的密度在高溫下很小很小，任何泄露在很早的階段就能檢測出來。所以在保溫的最后階段，一般在結束前18分鐘左右，系統(tǒng)自動對爐臺內罩進行一次泄漏檢測，當檢測安全后就可調走加熱罩。(8)冷卻階段調走加熱罩后，隨即將冷卻罩吊到爐臺上。冷卻罩吊裝到位后，控制系統(tǒng)自動啟動冷卻罩上的冷卻風機，開始冷卻。冷卻的初期，利用高速射流將鋼卷迅速冷卻到400℃（鋼卷的熱點溫度），在冷卻罩的軸流風機運轉的同時，爐臺風機仍在運轉。(9)氮氣吹掃（后吹掃）當內罩里的控制溫度冷卻到預先設定的溫度時，冷卻風機停止工作，爐臺循環(huán)風機的速度開始減小，N2以140m3/h的速度充入約20分鐘。(10)退火結束當爐臺的控制系統(tǒng)程序滿足以下兩個條件：設定的N2充入量已經充入罩內、設定的最短時間必須保證。爐臺循環(huán)風機停止工作，操作人員利用天車吊走冷卻罩。液壓系統(tǒng)啟動松開內罩夾緊機構。移走內罩，將鋼卷調離爐臺。一個退火周期結束。3傳統(tǒng)控制方法介紹3.1PID控制介紹在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的傳遞函數能完全掌握，或得到精確的數學模型時，這時應用PID控制技術最為方便。對于PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值yin（t）與實際輸出值yout(t)構成控制偏差：(3.1)++比例微分積分被控對象rin(t)－++yout(t)圖3.1PID控制系統(tǒng)原理框圖PID的控制規(guī)律為：(3.2)或寫成傳遞函數的形式：(3.3)式中，kp為比例系數；TI為積分常數；TD為微分時間常數。比例(P)控制：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)，偏差一旦產生，控制器立刻產生控制作用，以減小偏差。比例系數增大，可以加快系統(tǒng)相應速度，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是過大會產生較大超調，甚至導致不穩(wěn)定；若取得過小，雖能使系統(tǒng)減少超調量，穩(wěn)態(tài)裕度增大，但會降低了系統(tǒng)的調節(jié)精度，使得過渡時間延長[4]。根據系統(tǒng)控制過程中各個不同階段對過渡過程的要求，以及操作量的經驗，我們通常在控制過程的初期讓KP較小，以減少各物理量初始變化的沖擊；控制過程中期加大KP，提高快速性和動態(tài)響應性；在控制末期，為了避免出現較大超調，提高穩(wěn)態(tài)精度，可以減小KP。積分(I)控制：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分環(huán)節(jié)存在滯后現象，使系統(tǒng)相應速度變慢，超調量變大的弱點。增強積分作用可以減少系統(tǒng)靜差，但過強的積分作用會使超調加劇，甚至振蕩。我們通常在控制過程的初期讓TI較小，防止某些因素引起的飽和非線性現象造成積分飽和而使超調量太大；控制過程中期采用適中TI，保證動態(tài)穩(wěn)定性不受影響；在控制末期，應采用較大TI來減少系統(tǒng)靜差，提高精度。微分(D)控制：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)的缺點是抗干擾能力較差。TD的值對相應過程影響非常大。增加微分作用，可以加快系統(tǒng)相應，減少超調，但是同樣會對擾動更加敏感，抗干擾能力變弱。TD太大或太小都不好，太大容易使系統(tǒng)過分提前制動，反而延長了調節(jié)時間；過小則制動滯后，超調量會增加，系統(tǒng)相應速度慢。所以，在控制調節(jié)的過程中，TD不應取定值，應隨被控對象的時間常數變化，達到最好的控制效果。對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。3.2傳統(tǒng)PID控制在Simulink下的仿真比較(1)比例(P)比較比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，以最快的速度產生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數Kp的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調量增大。比例控制實際上是一個具有可調增益的放大器。在信號變換過程中，P控制器只改變信號的增益而不影響其相位。在串連校正中，加大控制器增益可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)控制中很少單獨用比例控制規(guī)律。為了比較比例環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)的影響，本文設計了三個比例大小不同的控制系統(tǒng)，然后進行仿真，通過分析仿真曲線來得出比例環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響。設計的參數分別為0.8、2.4、3.5其他的環(huán)節(jié)不作任何變化。這樣才能得出是比例環(huán)節(jié)對系統(tǒng)產生的影響，而不是其他環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響。下圖3.2是變比例系數比較圖。圖3.2比例系數比較仿真圖經過仿真可以看到在其他環(huán)節(jié)不變的情況下，變換比例系數可以得到仿真結果如下圖3.3所示。無擾動下的仿真曲線圖在擾動下的仿真曲線圖說明：黃色參數為0.8紅色為2.4綠色為3.5說明：黃色為3.5紅色為2.4綠色為0.8圖3.3變比例系數仿真曲線圖由圖可知增大會增大超調量，降低了峰值時間和調節(jié)時間，而減少會降低超調量，但增加了峰值時間和調節(jié)時間。(2)比例積分(PI)控制比例積分控制相對于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加了一個位于S左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。而增加的負實零點則用來減少系統(tǒng)的阻尼程度，緩解PI控制器極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)過程產生的不利影響。只要積分時間常數足夠大，PI控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在工程控制中PI控制主要用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。圖3.4為PI仿真結構圖。圖3.4PI控制仿真結構圖經過仿真可以看到在其他環(huán)節(jié)不變的情況下，變換積分系數可以得到仿真結果如下圖3.5所示。無擾動下的仿真曲線圖在擾動下的仿真曲線圖說明：綠色為1/12紅色為1/6黃色為1/3說明：紅色為1/12綠色為1/6黃色為1/3圖3.5PI控制仿真曲線圖總結以上曲線結果，我們可以得出PI控制中的I項的作用，增大能增加系統(tǒng)超調量；而減少則相對地降低了系統(tǒng)超調量；無則系統(tǒng)存在余差。(3)比例微分(PD)控制PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反映輸入信號的變化趨勢，產生有效的早期修正信號，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯校正中，可使系統(tǒng)增加一個開環(huán)零點，使系統(tǒng)的相角裕度提高，因而有助于系統(tǒng)的動態(tài)性能的改善。如圖3.6所示。圖3.6PD控制仿真結構圖經過仿真可以看到在其他環(huán)節(jié)不變的情況下，變換微分系數可以得到仿真結果如下圖3.7所示。無擾動下的仿真曲線圖在擾動下的仿真曲線圖說明：綠色為3紅色為0.9黃色為0說明：綠色為3紅色為0.9黃色為0圖3.7PD控制仿真曲線圖由圖知，增大會降低系統(tǒng)的超調量；減小會相對地增大系統(tǒng)超調量。總結以上所有仿真結果，我們可以得到PID控制的特點為：(1)當階躍輸入作用時，P作用是始終起作用的基本分量；I作用一開始不顯著，隨著時間逐漸增強；D作用與I作用相反，在前期作用強些，隨著時間逐漸減弱。(2)PI控制器與被控對象串聯連接時，可以使系統(tǒng)的型別提高一級，而且還提供了兩個負實部的零點。(3)與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點外，還多提供了一個負實部零點，因此在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性。(4)PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應，是綜合了PI控制與PD控制長處并去除其短處的控制。(5)從頻域角度來看，PID控制是通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。3.3傳統(tǒng)PID控制的參數整定方法PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：(1)理論計算整定法主要依據系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接使用，還必須通過工程實際進行調整和修改。(2)工程整定方法主要有Ziegler-Nichols整定法、臨界比例度法、衰減曲線法。這三種方法各有特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善[5]。工程整定法的基本特點是：不需要事先知道過程的數學模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進行現場整定；方法簡單，計算簡便，易于掌握。PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。利用這幾種整定方法可以很方便的得到各個參數值。下圖3.8為整定過程的仿真結構圖。圖3.8整定系統(tǒng)結構圖從圖中可以一步一步仿真的到所要的參數，下圖為每步的仿真結果曲線圖。如圖3.9所示，先只用比例去調節(jié)參數，然后是逐步的加入其他環(huán)節(jié)，通過觀察各個曲線圖的形狀來確定調節(jié)參數的好壞。系統(tǒng)開環(huán)單位階躍響應曲線系統(tǒng)P控制時單位階躍響應曲線系統(tǒng)PI控制時的單位階躍響應曲線系統(tǒng)PID控制時的單位階躍響應曲線圖3.9系統(tǒng)整定的各步響應曲線總結以上的仿真結果可以總結出幾條基本的PID參數整定規(guī)律：(1)增大比例系數一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數會使系統(tǒng)有比較大的超調，并產生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。(2)增大積分時間有利于減小超調，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。(3)增大微分時間有利于加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)超調量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。4非線性系統(tǒng)研究4.1罩式退火爐的非線性特性所謂非線性系統(tǒng)，即系統(tǒng)的數學模型是用非線性方程所表示的。在自然界中，非線性系統(tǒng)是最一般的系統(tǒng)，線性系統(tǒng)只是其中的特殊例子，或者說是非線性系統(tǒng)在一定精度或一定范圍內的近似。盡管人們對非線性控制系統(tǒng)的研究幾乎與線性系統(tǒng)同步，但非線性系統(tǒng)的理論遠不及線性系統(tǒng)理論完善。其中最主要原因是由于非線性系統(tǒng)本身所包含的現象十分豐富，即非線性特性千差萬別，人們對它的了解還不夠[6]。如對非線性系統(tǒng)來講，系統(tǒng)的數學工具遠遠不夠也是影響非線性系統(tǒng)研究的主要原因。嚴格地說，所有的工業(yè)過程都存在非線性，只是非線性的程度不同而己。當系統(tǒng)的非線性不很嚴重時，可用線性系統(tǒng)來近似，這在工程上是可以接受的。但是對于存在嚴重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會產生很大的偏差，甚至會得出完全相反的結論。線性系統(tǒng)的分析設計有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而非線性系統(tǒng)的研究雖然取得了一些新成果，但非線性理論遠非完善，有很多問題尚待研究。所以本章重點研究退火爐中存在非線性因素下的系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法。一般我們系統(tǒng)研究對象存在的非線性為繼電特性、死區(qū)特性、飽和特性、間隙特性和摩擦特性。繼電特性：繼電器、接觸器等電氣元件的特性通常都表現為繼電特性。繼電特性的等效增益曲線如圖4.1所示。當輸入x趨于零時，等效增益趨于無窮大；由于輸出y的幅度保持不變，故當增大時，等效增益減少，趨于無窮大時，等效增益趨于零。bb-bxy圖4.1繼電特性死區(qū)特性：一般是測量原件，放大原件及執(zhí)行機構的不靈敏區(qū)所造成的。死區(qū)特性的等效增益曲線如圖4.2所示。其數學描述為kk-aaxy圖4.2死區(qū)特性飽和特性：當輸入信號較小時，工作在線性區(qū)域；當輸入信號較大時，輸出呈飽和狀態(tài)。飽和非線性特性的數學描述為其等效增益曲線如圖4.3所示kkM-aaxy圖4.3飽和特性由于本文主要研究的是罩式退火爐，根據罩式退火爐的特性在Simulink下設計模塊如圖4.4所示。圖4.4退火爐中非線性因素在Simulink工具箱中我們可以通過改變拐點的參數來設計需要的非線性環(huán)節(jié)，例如本文中考慮到的非線性控制環(huán)節(jié)就是通過改變拐點的參數來設計的具體的參數如圖4.5所示。圖4.5非線性模塊參數4.2非線性系統(tǒng)的研究方法人們在非線性系統(tǒng)研究方面取得了一定的進展。在研究方法上主要分三種類型：一是針對某個具體的非線性系統(tǒng)，通過由簡單到復雜、由特殊到一般的方法進行分析、研究；二是基于非線性系統(tǒng)的數學模型，通過變換后利用線性系統(tǒng)的分析方法來求解；三是在數學模型不清楚的情況下，尋求智能控制算法來實現有效控制，如神經網絡、模糊控制等[7]。本文主要研究后一種方法——模糊控制?；谙到y(tǒng)分析和設計的目的是通過求取系統(tǒng)的運動形式，以解決穩(wěn)定性問題為中心，對系統(tǒng)實施有效的控制。由于非線性系統(tǒng)形式多樣，受數學工具限制，一般情況下難以求得非線性微分方程的解析解，只能采用工程上適用的近似方法。目前，研究領域主要有三種分析方法：(1)相平面法相平面法是推廣應用時域分析法的一種圖解分析方法。該方法通過在相平面上繪制相軌跡曲線，確定非線性微分方程在不同初始條件下的運動形式。相平面僅適用于一階和二階系統(tǒng)。(2)描述函數法描述函數法是基于頻域分析法和非線性諧波線性化得一種圖解分析方法。該方法對于滿足結構要求的一類非線性系統(tǒng)，通過諧波線性化，將非線性特性近似表示為復變增益環(huán)節(jié)，然后推廣應用頻域法，分析非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)逆系統(tǒng)法逆系統(tǒng)法是用內環(huán)非線性反饋控制，構成偽線性系統(tǒng)，并以此為基礎，設計外環(huán)控制網絡。該方法應用數字工具直接研究非線性控制問題，不必求解非線性系統(tǒng)的運動方程，是非線性系統(tǒng)控制研究的一個發(fā)展方向。4.3應用相平面法仿真研究非線性系統(tǒng)相平面法由龐加萊1885年首先提出。該方法通過圖解法將一階和二階系統(tǒng)的運動過程轉化為位置和速度平面上的相軌跡，從而比較直觀、準確地反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平衡狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度以及初始條件及參數對系統(tǒng)運動的影響。相軌跡的繪制方法步驟簡單、計算量小，特別適用于分析常見非線性特性和一階、二階線性環(huán)節(jié)組合而成的非線性系統(tǒng)。相平面法是一種求解二階以下線性或非線性微分方程的圖解方法。對于形如下式的二階系統(tǒng)其中是和的線性或非線性函數。該方程的解可以用的時間函數曲線表示，也可以用和的關系曲線表示，而為參變量。和稱為系統(tǒng)運動的相變量（狀態(tài)變量），以為橫坐標，為縱坐標構成的直角坐標平面稱為相平面。相軌跡就是以時間為參變量，由表示運動狀態(tài)的分別作為橫坐標和縱坐標而繪制的曲線稱為相軌跡，每根相軌跡與起始條件有關。表示了質點在時刻的位置和速度。相平面圖為同一系統(tǒng)，不同初始條件下的相軌跡是不同的。由所有相軌跡組成的曲線族所構成的圖稱為相平面圖。利用上面的相平面方法可以研究退火爐中的非線性因素，我們有必要把非線性因素單獨拿出來研究，看其對系統(tǒng)有什么樣的影響。面對罩式退火爐這樣一個控制對象，選用一個二階滯后數學模型去研究退火爐中的非線性因素。利用MATLAB中的Simulink去研究系統(tǒng)中的非線性因素，這里為了方便研究，我們選用飽和特性環(huán)節(jié)。仿真的結構圖如圖4.6所示。圖4.6非線性仿真圖圖中的相平面圖可以用X于Y關系圖顯示出來，其中一條線先去了微分相當于另一條相當于，這樣就可以顯示出非線性的相平面圖。仿真圖如圖4.7所示，從圖中可以看出系統(tǒng)是穩(wěn)定的，以為圖像最終收縮到一點。圖4.7系統(tǒng)相平面圖當把手動開關放在不同的位置時，我們可以得到有非線性因素和沒有非線性因素的系統(tǒng)仿真曲線圖，然后比較兩個圖像的關系，就能得出非線性環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中產生的影響。從非線性環(huán)節(jié)仿真出的相平面圖，我們也可以看出系統(tǒng)是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，因為相平面圖中顯示圖像最終收斂到一個奇點。但是產生的曲線比沒有非線性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)好與壞就要通過如圖4.8來分析研究了。紅色曲線為不帶非線性環(huán)節(jié)曲線，黃色為帶有非線性環(huán)節(jié)曲線圖4.8非線性因素對系統(tǒng)的影響曲線圖比較從仿真結果我們可以肯定的是，有的復雜系統(tǒng)必須考慮非線性因素的影響，如圖中所示，可以發(fā)現有非線性環(huán)節(jié)時的曲線超調量比較小，響應較慢，雖然不是太明顯，但是參數能調好的話，應該是很有研究價值的。5帶有非線性的模糊PID控制5.1模糊控制基礎目前，模糊控制理論及模糊控制器的應發(fā)展很快，顯示出模糊控制在控制領域具有廣闊的前景。模糊控制已成為智能控制的重要組成部分。在工業(yè)過程控制中，因為PID控制器所涉及的設計算法和控制結構簡單，不要求非常精確的受控對象的數學模型，且眾多的過程控制軟件都帶有PID控制器的算法模塊，而被廣泛應用于工業(yè)過程控制中。但是，PID控制器參數的整定尚需工程技術人員才能完成，對于存在時滯、非線性等因素的系統(tǒng)更難整定，調試過程中經常出現超調、振蕩等影響系統(tǒng)正常運行的現象。模糊控制器具有不依賴控制對象精確的數學模型，減弱超調、防止振蕩等優(yōu)點。由此本文合理結合兩種控制算法的優(yōu)點提出一種調整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器，這種控制器在大偏差范圍內利用模糊推理的方法調整系統(tǒng)控制量U，而在小偏差范圍內轉化為PID控制，并以給定的偏差范圍自動完成二者的轉化。本文將討論調整系統(tǒng)控制量的模糊PID控制器的設計與仿真，并以罩式退火爐為對象為例給出該控制器的設計與仿真。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎的計算機智能控制，基本概念是美國加利福尼亞大學著名教授查德（L.A.Zadeh）首先提出的，經過二十多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應用研究方面都取得了重大的成功[8]。模糊控制器的基本組成框圖如圖5.1所示，模糊控制器實際上是依靠微機或單片機構成的，它的絕大部分功能是由計算機程序來完成，隨著專用模糊芯片的研究和開發(fā)，也可以由硬件逐步取代各組成單元的軟件功能。參數自整定模糊PID控制系統(tǒng)結構如圖5.2所示。在常規(guī)PID基礎上，以溫度反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID參數kp,ki,kd進行在線自整定,以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求，從而使受控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。y(t)y(t)-r(t)+ec(t)kp,ki,kde(t)De/dt模糊推理系統(tǒng)PID控制器控制對象圖5.2參數自整定模糊PID控制結構圖5.2控制算法分析設計模糊控制器,本文采用的是兩輸入（e,ec）三輸出(Kp,Ki,Kd)的形式，模糊集均為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中e,ec的論域為[-3,-2,-1,0,1,2,3],Kp,Ki,Kd的論域為[-6,-4,-2,0,2,4,6]，由工程設計人員的技術和實際操作經驗，建立了合適的模糊規(guī)則表，在這里直接引用[9]：(1)Kp的模糊規(guī)則表表5.1Kp的模糊規(guī)則表(行為ec,列為e,內容為ΔKd,下同)NBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB(2)Ki的模糊規(guī)則表表5.2Ki的模糊規(guī)則表NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNSNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB(3)Kd的模糊規(guī)則表表5.3Kd的模糊規(guī)則NBNMNSZOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPBKp，Ki，Kd的模糊規(guī)則表建立好后，可根據以下方法進行Kp，Ki，Kd的自適應校正。設e，ec和Kp，Ki，Kd均服從正態(tài)分布，可得到各模糊子集的隸屬度，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出參數代入下式計算：Kp=Kp’+{ei,eci}eq\o(\s\up6(),\s\do2(P));Ki=Ki’+{ei,eci}eq\o(\s\up6(),\s\do2(i));Kd=Kd’+{ei,eci}eq\o(\s\up6(),\s\do2(d))(5.1)控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理、查表和運算。完成對PID參數在線自動校正，工作流程如圖5.3所示。圖5.3在線自動工作流程圖5.3模糊控制仿真退火中存在大滯后和非線性因素，所以用模糊控制來研究退火爐系統(tǒng)是很好的，但常規(guī)的模糊PID控制方法中并沒有加入非線性環(huán)節(jié)，本文就重點研究在有非線性因素下的控制系統(tǒng)，具體仿真圖如圖5.4所示。圖5.4模糊控制和PID控制系統(tǒng)結構圖退火爐對象的傳遞函數為選取爐溫誤差E的基本論域為[-25,+25],則E的量化因子Ke=6/25=0.24,選取誤差變化EC的基本域為[-6,6],則EC量化因子Kec=6/6=1,選取U的基本域為[-102，102],則控制量U的比例因子Ku=102/714。在爐溫正常時,突加25階躍信號對爐溫系統(tǒng)作定值擾動仿真。模糊控制和PID控制對比曲線如圖5.5所示。紅色線為模糊控制曲線黃色為常規(guī)PID控制曲線圖5.5模糊控制和PID控制曲線對比圖從曲線圖中可以看出，模糊控制明顯比傳統(tǒng)PID控制要好的多，超調量比較小，且快速達到了穩(wěn)定狀態(tài)，調節(jié)時間比較小。上面的仿真結果是在沒有考慮非線性因素下的結果，所以下面的仿真圖在加入了非線性因素下的仿真結果，如圖5.6所示。圖5.6非線性因素下的仿真圖由于系統(tǒng)對象選擇的是二階滯后系統(tǒng)，在選擇模糊控制的參數和PID控制參數時有一定的難度，經過不斷調整，最終比較好圖像如圖5.7所示：紅色為有非線性的控制曲線黃色為正常PID控制曲線圖5.7非線性因素下的仿真曲線圖從圖中，我們