1、I摘要目前罩式炉炉温控制系统大多采用常规PID控制，但是由于罩式炉炉温控制系统具有非线性、时变性、大延迟等特点，传统的PID在某些情况下难以达到理想的控制效果。传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。这就是炉温控制系统中的非线性问题带来的难以解决的问题。本文充分考虑了系统中存在的非线性因素，重点研究了存在非线性因素情况下的模糊PID控制系统。这种不依赖于模型的智能控制为解决这类问题提供了新的方法，成为目前提高生产过程控制质量的重要途径。模糊控制作为现代信息处理技术的一种，正在越来越多的生产应用
2、中展示它的优越性，模糊控制是它在自动控制中的一个重要应用成果。而模糊PID控制技术也在其中扮演了重要的角色，并将成为未来研究与应用的重要技术之一，这是因为PID类型的控制技术是工业生产中被普通使用的控制方法，如果能找到具有类似于PID易于使用的特点，而且性能优于PID的控制器，在理论和实践上都将具有很重要的意义。本文在查阅了大量相关文献的基础上，结合罩式退火炉车间的生产实际，提出了采用基于MATLAB的非线性因素下的模糊PID罩式炉炉温进行控制。关键字MATLAB；非线性；模糊PID控制；仿真；罩式退火炉ABSTRACTNOWCOVERMOSTOFFURNACETEMPERATURECONTR
3、OLSYSTEMUSINGTRADITIONALPIDCONTROL,BUTBECAUSEOFBELLTYPEFURNACETEMPERATURECONTROLSYSTEMWITHNONLINEAR,TIMEVARYINGLARGEDELAYANDOTHERCHARACTERISTICS,THETRADITIONALPIDANDINSOMECASESDIFFICULTTOACHIEVEIDEALCONTROLEFFECTTHETRADITIONALFIXEDPOINTMARGINOFERRORWILLSWITCHCONTROLTHETEMPERATUREAFEWDEGREESPHENOMENO
4、N,BUTTHISISNOTTHETEMPERATURECONTROLLERITSELF,BUTTHEENTIREHEATINGSYSTEMSSTRUCTURALPROBLEMS,SOTHATTHETEMPERATURECONTROLTEMPERATURECONTROLTOPRODUCEATEMPERATUREERROROFINERTIATHISISTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMCAUSEDTHEPROBLEMDIFFICULTTOSOLVENONLINEARPROBLEMSTHISFULLACCOUNTOFNONLINEARFACTORSTHATEXISTINTHES
5、YSTEM,FOCUSONTHECASEOFNONLINEARFACTORSOFFUZZYPIDCONTROLSYSTEMTHISDOESNOTDEPENDONTHEMODELOFINTELLIGENTCONTROLTOADDRESSTHESEISSUESPROVIDESANEWWAYTOIMPROVETHEPRODUCTIONPROCESSBECOMEANIMPORTANTWAYTOCONTROLQUALITYFUZZYCONTROLASAKINDOFMODERNINFORMATIONPROCESSINGTECHNOLOGYISBEINGAPPLIEDMOREANDMOREPRODUCTIO
6、NTODEMONSTRATEITSSUPERIORITY,FUZZYCONTROLISAUTOMATICCONTROLITISANIMPORTANTAPPLICATIONOFTHERESULTSTHEFUZZYPIDCONTROLTECHNOLOGYALSOPLAYSANIMPORTANTROLEWHICHWILLBEIMPORTANTFORFUTURERESEARCHANDAPPLICATIONOFONEOFTHETECHNOLOGIES,BECAUSETHEPIDTYPEOFCONTROLTECHNOLOGYININDUSTRIALPRODUCTIONWASCOMMONTOUSETHECO
7、NTROLMETHOD,IFYOUCANFINDAEASYTOUSEFEATURESSIMILARTOPID,ANDTHEPERFORMANCEISBETTERTHANPIDCONTROLLER,BOTHINTHEORYANDPRACTICEWILLHAVEVERYIMPORTANTSIGNIFICANCETHISPAPERREVIEWEDTHELITERATUREONTHEBASISOFALARGENUMBEROFCOMBINEDANNEALINGFURNACEACTUALPRODUCTIONWORKSHOP,PRESENTEDBYTHENONLINEARFACTORSBASEDONMATL
8、ABFUZZYPIDCONTROLOFTEMPERATUREBELLTYPEFURNACEKEYWORDSMATLAB；NONLINEAR；FUZZYPIDCONTROL；SIMULATION；BELLTYPEANNEALINGFURNACE目录摘要I关键词IABSTRACTIIKEYWORDSII1绪论111研究背景和意义112国内外研究现状1121国外退火炉研究现状1122国内退火炉研究现状213锅炉温度控制发展现状214退火炉温度控制的主要问题315本论文主要研究内容32罩式退火炉退火工艺521退火炉介绍522退火炉用途及特点523罩式退火炉624罩式退火炉的冷却方式725退火工艺过程8
9、3传统控制方法介绍1231PID控制介绍1232传统PID控制在SIMULINK下的仿真比较1333传统PID控制的参数整定方法174非线性系统研究1941罩式退火炉的非线性特性1942非线性系统的研究方法2143应用相平面法仿真研究非线性系统225带有非线性的模糊PID控制2551模糊控制基础2552控制算法分析2653模糊控制仿真27参考文献32结束语33致谢3411绪论11研究背景和意义自20世纪40年代控制理论创立以来，传统控制理论经过了两个主要发展阶段经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论主要解决了单变量系统的反馈控制问题，而现代控制理论主要解决了多变量系统的优化控制问题。传统控制
10、理论是建立在被控对象精确数学模型的基础之上的，一般来说，过程描述越精确，控制效果就越好。而随着现代工业的发展，控制对象已经不能用确定的传递函数来表达，这就导致了传统控制理论无法去精确控制被控对象。而且被控对象大多是有非线性，时变和纯滞后等复杂特性，很难建立其数学模型。但是，传统控制理论中的一些经典思想可以运用到现代智能控制理论中，所以本文重点研究的在非线性因素下的模糊PID控制有着深远的意义。退火炉作为轧钢企业主要设备之一，处于关键位置，直接影响产品的质量、产量和成本。退火炉控制的自动化技术在提高生产率、改善质量和节约能源上有举足轻重的意义。而钢铁一直作为人类使用的主要结构材料，人类文明的每一
11、点进步都与钢铁工业的发展以及钢铁材料性能水平的提高息息相关。现代社会中，生产量最大且用于重要部分的工业材料是金属材料，根据1981年联合国统计年鉴记载，全世界金属材料产量中约95的是钢铁1。从某种意义上讲，钢铁是近代社会的骨骼，而能源是近代社会的血液。钢铁的人均年消费量，是一个国家工业化和文明程度的重要指标之一。钢铁的广阔应用前景，使得钢铁工业的发展成为国家进步的重要标志。所以在这样的背景下能够研究出对于控制退火炉炉温的模糊控制系统是有非常重要的意义的。12国内外研究现状目前国内外对于退火炉的研究处于一个多元化的趋势，研究的侧重点各有不同，国外主要侧重于用当今快速发展起来的计算机技术来提高控制
12、水平，国内主要侧重于研究更加好的控制方法和控制设备，国内更加偏重于实际应用的研究。121国外退火炉研究现状国际上从20世纪70年代就开始了退火炉计算机控制的研究，近年来，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，取得了一些应用成果。在这一时期还产生了一类新型计算机控制算法一预测控制，它在复杂工业过程中得到成功应用，由于它突破了传统思想的约束，采用了预测模型、滚动优化、反馈校正和多步预测等新的控制策略，获取了更多的系统运行信息，因而使控制效果和鲁棒性得以提高。随着数字计算机向小型化、高速化、大容量、低成本方向的发展，传统的PID控制不断发展改进的
13、同时，现代控制理论也在不断发展。122国内退火炉研究现状20世纪80年代以后，国内对退火炉的控制进行了广泛研究，并且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。对传统的负反馈、单一PID控制系统做了多种补充从而使控制性能更佳。这些改变都是从系统的结构方面入手，例如用串联，反馈，SMITH预估期等方法。在以前控制系统中，处理燃料与空气的关系通常采用配比调节，由于燃料与空气调节回路的响应速度不一致，燃料的热值不稳定及烧嘴特性等的变化，这种配比关系难以保证。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。为解决这些问题，产生了3种处理空燃关系的交叉限幅法单交叉限幅法、双交叉限
14、幅法、改进型双交叉限幅法。随着工业控制机、可编程控制器及集散系统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。无论是PLC还是DCS，其软件编制均较简单，无须专门编程人员就可自行编制，此外不但能独立使用，且其通讯能力较强，便于联网。越来越多的控制系统采用现代控制理论，最优控制、自适应控制、自校正控制器、自整定PID参数的控制器，有些已成功地在工业中应用。国内的退火炉控制技术在理论上已经达到先进国家的水平，但在工程应用上相比发达国家相还存在着较大的差距。13锅炉温度控制发展现状锅炉温度控制在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中得到了广泛应用。但目前国内的温度控制大多还停留在20
15、世纪80年代水平，自动化程度低，动态控制精度差，满足不了日益发展的工艺技术要求。到目前为止，在工业控制过程中，占统治地位的仍然是PID控制。但PID控制技术在处理一些非线性，时变性又不便建立数学模型的控制对象时，存在着固有的缺陷2。炉温控制是一个带有很多不定因素的系统，对于温度传感器一般都有滞后性，且温度存在惯性误差。传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常被加热系统元件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于设定温度，发热棒、发热圈还将会对被加热的系统件进行加热，即使温度控制器发出信
16、号停止加热，被加热系统件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热系统件需要一定的时候，这就要看发热丝与被加热系统件之间的介质情况而定。目前国内专家对于这种情况一般都是采用调压系统来代替温度控制器。当然，在电压稳定工作的速度不变、外界气温不变和空气流动速度不变的情况下，这样做是完全可以的，但要清楚地知道，以上的环境因素是不断改变的，同时，用调压系统来代替温度控制器时，必须在很大程度上靠人力调节，随着工作环境的变化而用人手调好所需温度的度数，然后靠相对稳定的电压来通电加热，勉强运作，但这决不是自动控温
17、。当需要控温的开关键很多时，就会手忙脚乱。这样，调压系统就派不上用场，因为靠人手不能同时调节那么多需要温控的关键，如果采用PID模糊控制技术，就能解决这个问题，使操作得心应手，运行畅顺。14退火炉温度控制的主要问题罩式退火炉温控系统是一类具有大滞后及模型慢时变系统,用传统的控制方法,如PID控制，自校正控制等方法较难得到满意的控制效果。在退火炉控制中，常规的燃烧方式通常是通过采用单交叉或双交叉的燃烧控制方式。但从工业现场使用和仿真研究结果分析来看，采用上述控制系统存在如下几点缺陷1重油，燃油雾化不好，易造成燃烧不充分；2常规的燃烧控制采用分区集中控制，区内所有烧嘴同步工作；通过分区调节燃烧，空
18、气的物流副值来适应加热曲线要求的；对较大的炉子来讲，分区多调节困难，因此难以达到工艺要求的炉温均匀性；3采用线性阀，易使燃烧状况恶化，影响控制精度；4很难控制最佳的空燃比。一般退火炉在运行中的温度都受很多方面的因素影响，这就会产生温度的输出和燃料或电压不是成线性关系，而是一种很复杂的非线性关系。针对常规燃烧方式存在以上诸多弊端，本文提出了在考虑非线性因素下的模糊PID智能控制系统，以改善退火炉不完全燃烧的缺点，使之很快达到设定温度。15本论文主要研究内容本文具体研究内容包括以下几个方面1学习研究罩式炉的退火工艺。2深入系统地分析和研究了传统PID控制和非线性系统的研究方法，得到了一种在非线性因
19、素下的模糊PID控制模型的建立，并经过仿真软件MATLAB仿真实现。3针对罩式退火炉这一复杂、非线性系统，本文提出了基于MATLAB的模糊PID控制方法对罩式炉炉温进行控制。首先采用传统控制方法建立罩式炉炉温的预测模型，然后根据这个模型来研究控制温度的最佳控制方法。然后在把非线性的因素考虑进去，通过对燃气流量的控制来实现罩式炉炉温的控制。4大量的仿真研究，仿真结果表明，该控制策略是可行的。2罩式退火炉退火工艺21退火炉介绍退火炉是一种热处理设备，它把一种材料加热到一定温度并维持一段时间，然后让其自然冷却。其目的主要包括1释放应力；2增加材料延展性和韧性；3产生特殊显微结构。不管是燃油、燃气还是
20、电加热退火炉都要求有较精确的温度控制，以便降低退火工序的能耗。退火炉骨架由各种型钢焊接而成，外框用槽钢作主梁，围板采用薄板，台车用槽钢作主梁，底板及前后端板采用中板。传动部分是采用电动机，减速机通过链条带动前端一组主动轮传动。炉门传动是采用涡轮减速机和电动机组合电动升降。台车与炉体密封采用迷宫式结构，并在台车侧有自动沙封刀密封装置3。炉门密封采用滚道式压紧和弹簧压紧自动机构密封该炉炉体部分采用优质耐火砖结构，保证炉膛密封性。在台车耐压部分采用高铝砖砌，下部均添保温砖保温。在炉后上端安装排烟预热装置，炉内的烟气通过预热器时，由风机送入冷风进行预热，再由管路送至烧嘴进行助燃，并在出口安装一只手动碟
21、阀，该阀可调节炉内压力，这就是退火炉的主要结构。22退火炉用途及特点热轧后带钢会发生塑性变形，各晶粒顺着轧制方向伸长，压扁，破碎，导致加工硬化。退火处理是在固态下将金属或合金加热到一定得温度、保持一定的时间。然后用不同的冷却速度冷却下来，通过对加热速度、加热温度、保温时间和冷却速度四个要素的有机结合，使组织偏离平衡状态的金属或合金发生响应的转变。带钢通过退火设备可以消除轧制内应力和加工硬化，获得良好的冷加工性能。生产带钢用的钢种由于炼钢水平的发展可分为三类碳素钢、低碳优质镇静钢和低合金钢。由于钢的化学成分、加工方式以及用途的不同，它们的热处理退火工艺也有各自特点和要求。带钢的退火是在退火炉中进
22、行的。根据带钢钢种的不同要求，对退火炉的退火工艺与设备有下列基本要求1在退火过程中，钢卷应尽可能的快速、均匀加热。2钢卷在保温过程中，钢卷各点的温度差要尽可能小。3钢卷在保温阶段结束后，要尽快的冷却到额定温度。4经过退火后的钢卷，表面要求光亮，无碳污染，更不能有氧化色。5要尽可能减小热能消耗，提高加热效率，降低保护气体和冷却水的消耗。6操作方法应尽可能的简单和安全。23罩式退火炉对于退火炉的种类，主要有台车式电阻炉、井式退火炉、箱式退火炉、罩式退火炉、连续光亮退火炉等。本文主要研究的是罩式退火炉，因为罩式退火炉主要有以下几方面的优点1不受带钢宽度、厚度和品种的限制，生产灵活，应用广泛。2投资少
23、，建造成本低廉（建一条连续退火线约需15亿美元的投资，而达到相同产量的全氢罩式炉只需2500万美元）。但罩式退火炉的缺点也比较明显，主要有。1退火周期比较长，生产率低。2热耗高。3温度均匀性差。罩式炉是一种间歇式退火设备，它的发展经历了从氮气（加少量氢气）保护气体向全氢气保护气的发展过程。由于对带钢产品的产量及质量的需求不断提高，对带钢罩式退火炉的结构、退火工艺及退火性能也就提出了更大的挑战。带钢罩式退火炉用于板卷成品前的再结晶退火，由于是成品退火，所以对带钢的表面质量以及产品性能的要求都很高。为提高退火炉的产量和产品质量，应强化退火空间的对流传热；为得到光亮表面还应在氮气、氢气和氮氢混合气等
24、保护气氛中进行，控制保护气的成分和流量，减少碳污染；降低包括供热、风机转动用电、保护气及冷却水的消耗；同时还要提高控制水平以保证产品的质量、产量和安全性。为了达到以上工艺水平，带钢罩式退火炉经历了由传统罩式炉到氮氢强对流罩式炉再到全氢强对流高性能罩式炉等三种炉型的发展过程。另外在其他方面也在不断进行改进，如使用橡胶密封、机械密封取代砂封；使用轻质节能的陶瓷纤维做炉衬；使用大功率循环风机进行强制对流，高速循环；使用冷却罩强制冷却，缩短退火时间大大提高了退火效率。经典全氢罩式炉结构如图21所示。图21全氢罩式炉设备图24罩式退火炉的冷却方式全氢罩式炉有三种基本的冷却方式喷淋冷却、分流冷却和射流冷却
25、。1喷淋冷却空气冷却后向内罩表面喷水的冷却过程。为了避免在退火车间产生过多的蒸汽，并防止内罩腐蚀，在对内罩喷水之前，需关闭循环风机，用常规空气冷却的方法将内罩温度降至120160之间，然后将冷却水喷到内罩顶部。特殊的给水系统保证整个内罩表面均覆盖一层水膜且没有汽泡，冷却水量不得少于20M3/H以确保内罩完全被水覆盖。否则，内罩部分淋水，会因产生机械张力而损坏。喷淋冷却的优点是设备简单，投资低，降低了气氛消耗，冷却罩风机的额定功率低。内罩表面水膜的导热系数非常高，与空气冷却相比冷却性能有很大提高。缺点是冷却方式对水质要求很高，冷却能力不大，内罩寿命较短，带钢容易产生粘结现象等。2分流冷却在内罩中
26、循环的一部分氢气被旁通到一个外部冷却环路（热交换器）冷却后再送回到退火空间；另外，内罩通过扩散空冷或喷水冷却进行冷却。分流冷却的优点是内罩寿命长，由于可以平缓地开始冷却过程，避免了带钢卷层间的粘结，冷却能力比喷淋方式高出1020，并可以连续调节。缺点是必须具备闭路水循环的条件，一般要有地下室。3射流冷却若无高质量的冷却水和地下室，可以考虑射流冷却。射流冷却通常用于规模较小的车间，冷却喷嘴直接安装在冷却罩的钢壳上和冷却罩顶部。现代射流冷却系统特别适于需长时间退火处理的设备，其通过直接向内罩外侧喷射空气来实现。通过在冷却罩表面安装大量的空气喷口产生气流，有两个或三个离心风机抽取来自冷却罩的空气。由
27、于气流回弹效应，高速冷空气以一定角度撞击内罩，打乱薄的边界层加速热传导，改变冷却性能。射流冷却的热传导系数是扩散空气冷却的三倍。射流冷却罩可用于已建成的车间以提高冷却性能。如将已有的扩散空气冷却罩全部改为喷射冷却罩，则产量可提高8左右。现在轧钢厂采用的冷却方式一般是两种冷却方式相结合，很少采用单一的冷却方式，这是因为单独每种冷却方式都有缺点不能更好的提高冷却效率。喷淋冷却虽然投资低但高质量的冷却水很缺乏，而且内罩寿命短。分流冷却性能高但投资高，射流冷却冷却性能低维护成本高。25退火工艺过程整个退火过程都由中央操作系统自动控制。反映设备状况的一些重要信息可在可视系统上得到充分显示，若程序出现问题
28、，随时可以进行人工干预。安装在退火车间钢结构平台上的退火炉台是整个退火工艺的基础设备。炉台由钢结构本体、绝热材料、扩散器和底部对流板组成。根据不同的冷却方式，炉台通常有圆锥形和圆柱形之分。圆锥形炉台适于分流冷却和射流冷却，圆柱形炉台则多采用水喷淋冷却。按绝热部分密封形式的不同，炉台又可分为开放式和全封闭两种。炉台外部的钢结构和炉台底板焊接在一起，构成坚固的承重底座。炉台金属壳体内部填充绝热材料，以收到绝热效果。另外，炉台两侧的两个导向柱为加热罩、冷却罩和内罩提供定位的作用。炉台的对流传热循环系统由安装在扩散系统中心的叶轮和电机构成。对于这种退火炉的退火工艺，是目前最普通的一种控制方法，其中对温
29、度的要求很严格也很精确。所以这样的控制器要求有很好的平稳性，并能够实时控制，这些要求都要通过选择合适的控制算法去实现，也就要求本文要提出一种很好的控制系统。这必须对退火炉的退火工艺有一个很全面的了解。每座炉的退火周期工艺操作控制流程如图22所示图22退火工艺操作控制流程图1吊装钢卷操作人员在现场控制台把不锈钢热轧卷用专用吊具吊装到炉台上，钢卷之间垫有不锈钢对流板。2选择退火程序典型钢种的工艺退火程序均存储在罩式炉退火程序控制系统PCS或中心控制系统COS数学模型中。对于不同钢种，须选择其特定的退火程序。某一钢种正常退火正常生产时，从退火程序控制系统PCS或中心控制系统COS下载其工艺退火程序到
30、炉台的移内罩、卸钢卷装料、放置内罩内罩、炉台密封试验气体置换H2换N2氮气吹扫（后吹扫）N2换H2冷却卸加热罩、放冷却罩保温检漏氮气吹扫（前吹扫）N2换空气加热罩加热PLC中。除非操作人员中断此程序，否则退火程序过程自动按此工艺退火程序完成。3加内罩并锁紧内罩炉台上装好钢卷以后，操作人员把内罩对准放置到炉台上。自动锁紧装置（液压设备）将内罩与炉台自动锁紧，内罩与炉台连接法兰内的冷却水循环系统开始工作。4冷态检漏测试内罩锁紧后，系统自动开始冷态检漏测试。先进行H2阀密封性检测，确保H2不泄露。再检查内罩、炉台、旁路冷却系统、循环风机、排气管路的密封性，关闭所有气体输入及输出阀门，内罩内压力自动调
31、整到5000PA左右，如果内罩内压力在一定时间内保持在规定的范围，罩式炉操作界面上显示“内罩内无泄漏”则冷态检漏测试完成。否则须对内罩密封进行检漏。5氮气吹扫（前吹扫）冷态检漏测试完成后，进行N2前吹扫，将内罩空间（又称退火空间），循环风机，旁路冷却管路，N2排放管路及煤气管路的空气用N2置换，防止残余空气与H2混合后形成爆炸空间。程序自动以120M3/H的流量向内罩内充入N2，时间约为40分钟。通过一个孔板测量压差，利用涡轮流量计检测流量，同时使用氧化钴探头检测O2含量降到1以下。开始充入工作介质H2，充入氢气的同时将加热罩吊装到炉台上。为了保证内罩内的压力保持在一个规定的压力之上，系统将即
32、时测定内罩内的压力。如果压力低于安全范围，N2管路上的阀门自动打开，H2管路上的阀门同时自动关闭，内罩内压力由N2维持。在充入H2的初期，可以通过调整H2的充入阀来控制H2的流速，以带走钢卷中的轧制时带入的油蒸汽。6加热阶段罩式炉加热罩上配置了先进的烧嘴，每个烧嘴均配有自动点火和火焰监测设备。燃烧系统中每个烧嘴的状态均有PLC控制系统控制，随着退火曲线温度的变化，PLC自动地、随机地调整每个烧嘴的开和闭，实现控制系统数学模型中设定的即时供热能力，同时有保持了加热罩内温度场的均匀，达到最佳的加热状态。当整个钢卷垛的温度达到要求时，加热过程结束，进入保温期，煤气量逐渐减少，使钢卷垛外层热量逐渐向中
33、心传递，当钢卷垛内外温差达到要求时，保温期结束，关闭烧嘴。加热罩上设置了一个独立的高温报警温度控制器。当加热罩内的温度超过最高加热设置温度10时，此温度控制器将报警，并将信号及时反馈到加热罩燃烧控制系统，燃烧系统迅速关闭。加热罩燃烧系统主要通过控制空气流量来实现空气煤气的比例调节。7保温阶段检漏由于H2的密度在高温下很小很小，任何泄露在很早的阶段就能检测出来。所以在保温的最后阶段，一般在结束前18分钟左右，系统自动对炉台内罩进行一次泄漏检测，当检测安全后就可调走加热罩。8冷却阶段调走加热罩后，随即将冷却罩吊到炉台上。冷却罩吊装到位后，控制系统自动启动冷却罩上的冷却风机，开始冷却。冷却的初期，利
34、用高速射流将钢卷迅速冷却到400（钢卷的热点温度），在冷却罩的轴流风机运转的同时，炉台风机仍在运转。9氮气吹扫（后吹扫）当内罩里的控制温度冷却到预先设定的温度时，冷却风机停止工作，炉台循环风机的速度开始减小，N2以140M3/H的速度充入约20分钟。10退火结束当炉台的控制系统程序满足以下两个条件设定的N2充入量已经充入罩内、设定的最短时间必须保证。炉台循环风机停止工作，操作人员利用天车吊走冷却罩。液压系统启动松开内罩夹紧机构。移走内罩，将钢卷调离炉台。一个退火周期结束。3传统控制方法介绍31PID控制介绍在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称P
35、ID调节。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。当被控对象的传递函数能完全掌握，或得到精确的数学模型时，这时应用PID控制技术最为方便。对于PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值YIN（T）与实际输出值YOUTT构成控制偏差ERRORTRINTYOUTT31图31PID控制系统原理框图PID的控制规律为10DPITTDERRORTUTKERRORTERRORTDTTDT32或写成传递函数的形式11PDIUSGSKTSESTS33式中，KP为比例系数；TI为积分常数；TD为微分时间
36、常数。比例P控制成比例的反映控制系统的偏差信号ERRORT，偏差一旦产生，控制器立刻产生控制作用，以减小偏差。比例系数增大，可以加快系统相应速度，减少系统稳态误差，提高控制精度。但是过大会产生较大超调，甚至导致不稳定；若取得过小，虽能使系统减少超调量，稳态裕度增大，但会降低了系统的调节精度，使得过渡时间延长4。根据比例微分积分被控对象RINTYOUTT系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求，以及操作量的经验，我们通常在控制过程的初期让KP较小，以减少各物理量初始变化的冲击；控制过程中期加大KP，提高快速性和动态响应性；在控制末期，为了避免出现较大超调，提高稳态精度，可以减小KP。积分I控制
37、主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分环节存在滞后现象，使系统相应速度变慢，超调量变大的弱点。增强积分作用可以减少系统静差，但过强的积分作用会使超调加剧，甚至振荡。我们通常在控制过程的初期让TI较小，防止某些因素引起的饱和非线性现象造成积分饱和而使超调量太大；控制过程中期采用适中TI，保证动态稳定性不受影响；在控制末期，应采用较大TI来减少系统静差，提高精度。微分D控制反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节的缺点是抗干扰能力较差。TD的值对相应过程影响非常大。增加微分作用，可以加快系统
38、相应，减少超调，但是同样会对扰动更加敏感，抗干扰能力变弱。TD太大或太小都不好，太大容易使系统过分提前制动，反而延长了调节时间；过小则制动滞后，超调量会增加，系统相应速度慢。所以，在控制调节的过程中，TD不应取定值，应随被控对象的时间常数变化，达到最好的控制效果。对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。32传统PID控制在SIMULINK下的仿真比较1比例P比较比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号ET，以最快的速度产生控制作用，使偏差向最小的方向变化。随着比例系数KP的增大，稳定误差逐渐减小，但同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增
39、大。比例控制实际上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中，P控制器只改变信号的增益而不影响其相位。在串连校正中，加大控制器增益可以提高系统的开环增益，减少系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定。因此，在系统控制中很少单独用比例控制规律。为了比较比例环节在控制系统的影响，本文设计了三个比例大小不同的控制系统，然后进行仿真，通过分析仿真曲线来得出比例环节对系统的影响。设计的参数分别为08、24、35其他的环节不作任何变化。这样才能得出是比例环节对系统产生的影响，而不是其他环节对系统的影响。下图32是变比例系数比较图。图32比例系数比较仿
40、真图经过仿真可以看到在其他环节不变的情况下，变换比例系数可以得到仿真结果如下图33所示。无扰动下的仿真曲线图在扰动下的仿真曲线图说明黄色参数为08红色为24绿色为35说明黄色为35红色为24绿色为08图33变比例系数仿真曲线图由图可知增大PK会增大超调量，降低了峰值时间和调节时间，而减少PK会降低超调量，但增加了峰值时间和调节时间。2比例积分PI控制比例积分控制相对于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于S左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减少系统的稳态误差。而增加的负实零点则用来减少系统的阻尼程度，缓解PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的
41、不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。在工程控制中PI控制主要用来改善系统的稳态性能。图34为PI仿真结构图。图34PI控制仿真结构图经过仿真可以看到在其他环节不变的情况下，变换积分系数可以得到仿真结果如下图35所示。无扰动下的仿真曲线图在扰动下的仿真曲线图说明绿色为1/12红色为1/6黄色为1/3说明红色为1/12绿色为1/6黄色为1/3图35PI控制仿真曲线图总结以上曲线结果，我们可以得出PI控制中的I项的作用，增大IK能增加系统超调量；而减少IK则相对地降低了系统超调量；无IK则系统存在余差。3比例微分PD控制PD控制器中的微分控制规律，能反映输入
42、信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正中，可使系统增加一个开环零点，使系统的相角裕度提高，因而有助于系统的动态性能的改善。如图36所示。图36PD控制仿真结构图经过仿真可以看到在其他环节不变的情况下，变换微分系数可以得到仿真结果如下图37所示。无扰动下的仿真曲线图在扰动下的仿真曲线图说明绿色为3红色为09黄色为0说明绿色为3红色为09黄色为0图37PD控制仿真曲线图由图知，增大DK会降低系统的超调量；减小DK会相对地增大系统超调量。总结以上所有仿真结果，我们可以得到PID控制的特点为1当阶跃输入作用时，P作用是始终起作用的基本分量；I作用
43、一开始不显著，随着时间逐渐增强；D作用与I作用相反，在前期作用强些，随着时间逐渐减弱。2PI控制器与被控对象串联连接时，可以使系统的型别提高一级，而且还提供了两个负实部的零点。3与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，还多提供了一个负实部零点，因此在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。4PID控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小超越量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处并去除其短处的控制。5从频域角度来看，PID控制是通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳态性能，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。33传统PID控制的参数整定方法PID
44、控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类1理论计算整定法主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。2工程整定方法主要有ZIEGLERNICHOLS整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善5。工程整定法的基本特点是不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是
45、根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。利用这几种整定方法可以很方便的得到各个参数值。下图38为整定过程的仿真结构图。图38整定系统结构图从图中可以一步一步仿真的到所要的参数，下图为每步的仿真结果曲线图。如图39所示，先只用比例去调节参数，然后是逐步的加入其他环节，通过观察各个曲线图的形状来确定调节参数的好坏。系统开环单位阶跃响应曲线系统P控制时单位阶跃响应曲线系统PI控制时的单位阶跃响应曲线系统PID控制时的单位阶跃响应曲线图39系统整定的各步响应曲线总结以上的仿真结果可以总结出几条基本的PID参数整定规律1增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有
46、利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。2增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。3增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。4非线性系统研究41罩式退火炉的非线性特性所谓非线性系统，即系统的数学模型是用非线性方程所表示的。在自然界中，非线性系统是最一般的系统，线性系统只是其中的特殊例子，或者说是非线性系统在一定精度或一定范围内的近似。尽管人们对非线性控制系统的研究几乎与线性系统同步，但非线性系统的理论远不及线性系统理论完善。其中最主要原因是由于非线性系统
47、本身所包含的现象十分丰富，即非线性特性千差万别，人们对它的了解还不够6。如对非线性系统来讲，系统的数学工具远远不够也是影响非线性系统研究的主要原因。严格地说，所有的工业过程都存在非线性，只是非线性的程度不同而己。当系统的非线性不很严重时，可用线性系统来近似，这在工程上是可以接受的。但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的处理方法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。线性系统的分析设计有着比较完善和系统的理论方法，而非线性系统的研究虽然取得了一些新成果，但非线性理论远非完善，有很多问题尚待研究。所以本章重点研究退火炉中存在非线性因素下的系统稳定控制方法。一般我们系统研究对象存在的非
48、线性为继电特性、死区特性、饱和特性、间隙特性和摩擦特性。继电特性继电器、接触器等电气元件的特性通常都表现为继电特性。继电特性的等效增益曲线如图41所示。当输入X趋于零时，等效增益趋于无穷大；由于输出Y的幅度保持不变，故当X增大时，等效增益减少，X趋于无穷大时，等效增益趋于零。图41继电特性死区特性一般是测量原件，放大原件及执行机构的不灵敏区所造成的。死区特性的等效增益曲线如图42所示。其数学描述为AXAXKAXAXKAXY0BBXY图42死区特性饱和特性当输入信号较小时，工作在线性区域；当输入信号较大时，输出呈饱和状态。饱和非线性特性的数学描述为AXMAXKXAXMY其等效增益曲线如图43所示
49、图43饱和特性由于本文主要研究的是罩式退火炉，根据罩式退火炉的特性在SIMULINK下设计模块如图44所示。图44退火炉中非线性因素在SIMULINK工具箱中我们可以通过改变拐点的参数来设计需要的非线性环节，例如本文中考虑到的非线性控制环节就是通过改变拐点的参数来设计的具体的参数如图45所示。KAAXYKMAAXY图45非线性模块参数42非线性系统的研究方法人们在非线性系统研究方面取得了一定的进展。在研究方法上主要分三种类型一是针对某个具体的非线性系统，通过由简单到复杂、由特殊到一般的方法进行分析、研究；二是基于非线性系统的数学模型，通过变换后利用线性系统的分析方法来求解；三是在数学模型不清楚的情况下，寻求智能控制算法来实现有效控制，如神经网络、模糊控制等7。本文主要研究后一种方法模糊控制。基于系统分析和设计的目的是通过求取系统的运动形式，以解决稳定性问题为中心，对系统实施有效的控制。由于非线性系统形式多样，受数学工具限制，一般情况下难以求得非线性微分方程的解析解，只能采用工程上适用的近似方法。目前，研究领域主要有三种分析方法1相平面法相平面法是推广应用时域分析法的一种图解分析方法。该方法通过在相平面上绘制相轨迹曲线，确定非线性微分方程在不同初始条件下的运动形式。相平面仅适用于一阶和二阶系
