SIMULINK加热炉非线性控制知识分享.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。SIMULINK加热炉非线性控制-基于Simulink的加热炉温度非线性控制系统设计摘要当前工业用加热炉的控制系统多采用PID控制，但是这种基础的控制算法并不能够适应现场的非线性的控制任务，因此对于非线性的控制，本文提出利用双曲余弦函数对传统的PI控制算法进行改进，让其能够对非线性控制系统进行更合理高效的控制，提高控制系统的各项指标。本文首先对加热炉测温适用的传感器进行了介绍，之后进行了控制器的设计，参数优化以及仿真实验。关键词：非线性控制系统双曲余弦加热炉控制系统仿真AbstractCurrentin

2、dustrialheatingfurnacecontrolsystemwithPIDcontrol,butthefoundationofthecontrolalgorithmcannotadapttothefieldofnon-linearcontroltasks,sofornonlinearcontrolisproposedinthispaperbyusinghyperboliccosinefunctionofthetraditionalPIcontrolalgorithmwasimproved,allowingittothenonlinearcontrolsystemforamorerat

3、ionalandefficientcontrol,improvethecontrolsystemofindicators.Thispaperfirstlyintroducestheapplicationoffurnacetemperaturesensor,thenthecontrollerdesign,parameteroptimizationandsimulationexperience.KeyWords:Simulationofcontrolsystemofhyperboliccosineheatingfurnacefornonlinearcontrolsystem第一章温度传感器测量原理

4、1.1温度传感器介绍1.1.1温度传感器温度传感器是通过检测外界温度来转化成温度数值的仪器，在温度测量中，温度传感器是最重要的器件，一般的温度传感器是通过将温度的高低转化为电阻大小或热电势大小，进而转化为温度信号，通过AD转换得到温度数值。以上两种原理分别称为热电阻温度器和热电偶温度器。同时，温度测量器还按照测量方式分为接触式和非接触式两种。1.1.2温度传感器分类1）接触式温度传感器接触式温度传感器多数通过温度的传导，让测量温度和温度传感器的温度一样，从而获得温度的数值。接触式温度计明显具有测量精度高的优点。图1-1接触式温度传感器温度传感器主要分为双金属温度计，压力温度计，热敏电阻式温度计

5、，玻璃液体温度计等。不同的形式用于不同的温度场合，比如农业，工业，商业等部门，具体行业包括国防，冶金，石油化工，电子，医药，食品等。这说明温度传感器的应用范围广，不仅测量物体内部的温度分布，甚至低温环境下也出现了温度传感器的应用。低温气体温度计，蒸气压温度计，量子温度计，低温热电阻温度计等，这些温度计的要求更高，具体表现在准确性高，器件体积小等。当然，在部分使用条件下测量误差较大，比如较小的，运动的测量目标。2）非接触式温度传感器非接触式的仪表，顾名思义，是测量元件与被测的目标不接触，它的应用主要集中在运动的物体，测量目标小，温度变化快，热容量小的情形。比如辐射测温仪表，利用的测量原理是利用黑

6、体的辐射定律进行温度的测量。非接触式测温仪表的优点主要是耐温范围大，可在高温环境下测量，同时当前温度仪表出现基于红外技术测温原理的仪表，提高分辨率，提高使用范围，测量精度也得到改善。图1-2非接触式温度传感器辐射测温法可以测量光度温度，辐射温度和闭塞温度，而其中想要测量真实温度就需要获得黑体温度，也就是吸收全部辐射而不反光的物体所测得温度。但是，这种测量方法精度不高。由于受到表面状态的影响，材料表面发射率的修正难以准确获得。辐射测温法是工业生产中常用的温度测量方法，应用于各种工业场合，比如用于金属加工，冶炼时的温度测量。其中，测量物体的表面发射率是该测量过程中的主要待解决问题。常见的方法是利用

7、光的反射进行有效辐射的提高，比如增加反射镜，让被测的表面形成一种空腔的结构，辐射次数的增加，能够提高有效的发射系数，这样利用该系数修正测得的温度，对获得温度进行修正，提高获得温度的精度。目前最常见的附加反射镜是半球式。通过半球表面的漫反射又重新通过镜反射到半球镜表面，经过多次辐射，获得有效发射系数高的反射结果。对于测量气体和液体，我们可以加入一些介质来改变有效发射系数，比如一些管状的耐高温材料，形成空腔结构。该空腔的温度值对空腔底部介质的温度进行修正即得到真实的温度。1.2温度传感器热电阻的应用原理热电阻温度传感器是测量精度较高，测量范围较广的一种测温手段，广泛制成标准仪表用于校对测温仪表，并

8、大量应用于工业现场。其中铂元素制成的热电阻综合性能最好。1.2.1温度传感器热电阻测温原理及材料温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。1.2.2温度传感器热电阻的分类1）精通型温度传感器热电阻这种温度传感器热电阻的适用范围最广，通过热电阻的阻值变化来得到温度变化，这是一种简单实用的直接测量方法，由于没有较多的中间转换，因此精确度也较高。这种热电阻可能会由于导线上电阻的变化而出现测量误差，因此测量的时候多考虑补偿导线的方式减小

9、误差，同时采用三线制进行传感器和变送器的连接。2）铠装温度传感器热电阻铠型热电阻温度传感器是对热电阻部分增加了保护措施，具体表现为在热电阻外围包裹上一层不锈钢套管材料，大约直径在2-8毫米，这种结构的好处是减小热惯性引发的测量误差，同时可以抗氧化，抗外部力的破坏，抗震，耐冲击。此外安装方便和寿命长也是这种器件的优势。3）端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。端面型温度传感器热电阻主要测量端面的温度，外部结构

10、是通过电阻丝缠绕成感温元件，贴在测量元件的端面4）隔爆型温度传感器热电阻温度传感器为适应不同使用场景，会对原有装置进行改造，比如隔爆型热电阻是用来防止爆炸性混合气体在传感器变送端因为电子器件产生电弧而引起爆炸。它的原理是将热电阻的接线部分隔离，放在接线盒内，防止出现爆炸时引发工业现场的爆炸。隔爆型热电阻可以在B1aB3a级区的工业生产场所使用。1.2.3温度传感器热电阻测温系统的组成整套测温装置由感温元件，变送器，导线，显示装置组成，连接时采用三线制或四线制居多，通过变送器将检测到的温度信号转化成4-20mA电流信号。1.3温度传感器测量原理分类1）双金属片式传感器金属材料的传感器的原理是金属

11、在温度变化时，其结构会发生一个伸展的变化，通过检测这一变化换算成电流信号。双金属片传感器是通过金属片在温度变化下弯曲而进行温度检测的，它的原理类似于应变片的压力传感器，由两片金属片片合在一起，但两种金属的材料不同，受热膨胀的程度也不同。温度变化时金属片的两部分膨胀有差别，导致金属片发生弯曲，将弯曲程度转化为输出的电信号。2）双金属杆和金属管传感器这种传感器的原理与金属片类似，温度变化时金属杆（管）的膨胀系数不同，因此长度增加的程度不同，将长度的增加转化成电信号即可进行温度的测量。3）液体和气体的变形曲线设计的传感器液体和气体随着温度的变化，许多指数如气体膨胀，液体的流动性，感应偏差，挡流板等，

12、也会随之变化，其中主要是体积变化。例如气体随着温度升高而膨胀，发生位移变化，将这一变化转化成温度指示。从原理上我们可以推测这些传感器在温度变化不大的时候测量精度并不够高。4）热电阻传感器金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型：正温度系数：温度升高=阻值增加温度降低=阻值减少负温度系数：温度升高=阻值减少温度降低=阻值增加5）热电偶传感器热电偶温度传感器由不同的金属导体线组成，由于不同材料的传热系数不同，金属加热导体后在两个不同的导体上产生热电势，一端焊接在一起放入测量的温度环境中，另一端放

13、在常温环境中，通过检测热电势的不同，根据热电偶分度表来获得对应的温度。热电偶的优势在于测量较为精准，因为温度变化与热电势的变化对应，灵敏度高。此外因为这种传感器的材质问题，可以有较好的延伸，因此在温度变化过快的环境中也能测量到对应的温度。一般热电偶的电势值在0-20mV左右变化，在温度变化1的时候大概能够变化20uV左右。第二章K型热电偶特性测试2.1K型热电偶简介金属热电偶传感器根据材质不同可分为S,T,K,N等十余种型号，其中K型热电偶是比较主流的一种，他的元素组成是镍铬正极-镍硅负极。当然目前国内还出现了镍-镍硅组成的新型热电偶。而国外多数是镍-镍铝型的热电偶。但是这些材质都属于K型热电

14、偶，测量时都可以使用这种型号热电偶的分度表。使用时，K型热电偶两导体接触的一段放入被测量的温度环境下，另一端则放置于常温环境下，由于温度不同，导体间产生热电势差，因此通过电位计测量电压值，再对照分度表就可以得到当前测量的温度。2.2K型热电偶特点和适用范围K型热电偶的特点如下：1) 适用温度范围广，一般能耐1000-1200度的高温。2) 抗氧化性强，多数在工业现场中氧化性强的场合中使用，有时还在电极上附着Mg元素的抗氧化添加剂，提高抗氧化能力。3) 抗还原性差，在有还原性的环境下只能测量几百度的介质，否则会出现腐蚀现象。如果在这种环境下使用需增加保护装置改装成铠型传感器。4) 价格较低，性价

15、比高。为了提高精度甚至可以考虑多组热电偶同时使用，得到数据进行处理在获得温度值，更加精准。5) 测量时具有良好的线性特性。6) 当温度变化时，同一温度先后两次测量的值不同，这说明在温度变化过程中虽然灵敏度高，但是稳定性较差。2.3K型热电偶在阶跃温度变化条件下的时间响应特性K型热电偶具有许多特性，比如具有良好的线性特性，对K型热电偶有许多实验进行了特性的研究，如阶跃温度下热电偶的时间特性。投入法是温度传感器实验的常见手法，其方法是将温度传感器快速放入一个介质中，相当于给温度传感器一个阶跃的温度信号变化，通过观察传感器的输出值，来获得整个过程的变化曲线，称之为动态特性。该实验依据二阶闭环控制系统

16、的阶跃特性数学模型，设计了变量来进行对比研究，如是否增加电极表面的抗氧化性，是否进行等阶跃变化，是否增加外部的套管等。在不同的方式下获得了较好的实验结果，记录了不同条件下响应特性的变化。3.铂热电阻特性测试热电阻的原理：铂丝电阻值会随着温度的变化而展现不同的阻值。如果按照0摄氏度时阻值的大小可以有多种型号，Pt100阻值100欧，Pt10阻值10欧等，Pt100测量范围比较大，一般在-200850摄氏度。而Pt10热电阻的感温元件是采用比较粗的铂丝电阻经过绕制而制作成的，所以他的耐温性能明显比PT100好得多，主要适用于在650度的环境下使用，同样的PT100能够在这样的环境下使用，但是不能够

17、产生A级错误。纵观热电阻的原理以及使用途径，热电阻就是把实际环境的温度转化成一种数字型号可以用来监控或者测量某种物体的温度的原件，一般工业过程中就需要把热电阻与计算机控制系统通过引线连接起来，或者也可以连接在一般的仪表之上，那么在实际工业现场，热电阻就必须能够实施的传输现场的温度，就是安装在现场或是在高温度锅炉中也或是在液体中，一般都会与计算机或者控制室有一定的距离，这也成为影响热电阻测量精度的主要因素之一。热电阻的引线模式有三种：1） 二线制：在热电阻的两端各自连接一根导线用来引出信号。这虽然这种方法很是简单，但有一个问题，这么长的导线必然会有引线电阻R，那么导线电阻R就和长度以及材料有关，

18、所以此种方法只能是用于测量精度要求精度较低的场合。2） 三线制：除了像上文那样两节连根导线以外，还要在热电阻的底部连接一根引线，它的作用就是这样的模式一旦与电桥巧妙的结合，就能达到较好的引线电阻影响，这也是工业现场大多数应用这种线制的原因。3） 四线制：就是在三限制的基础上，又在底部加装一根引线，在低端的两边，这样构成的四线制，一种有两根是为热电阻提供电流，完成R到电压的转换，另外的两根导线就可以吧U引出来引导上级仪表，由此可以看到，不断的增加引线就是为了消除热电阻传输过程中带来的误差影响，这种四线制热电阻主要适用于更高精度的测量。本次设计中，我们采用了三线制，原因就是为了消除而限制过程中引导

19、线过长而引起的电阻方面的误差。那么就要结合电桥电路来消除三线制方面带来的误差了，我们把三线制热电阻作为了电桥的一个桥臂，成为桥臂电阻的一部分，导线部分会随着外界不断不变化的温度，造成测量误差。采用三线制以后，其中一根导线与电桥的电源连接，其余的两根与电桥的桥臂连接，这样就是为了消除到现代的误差。从电路的原理上来看，两边的电桥桥臂是对称的，所以他们在电路上的特性就是相反的，运用这个原理就可以在很大程度上消除误差。热电阻分类以及特点：（1） 热电阻的测温系统一那么就是有热电阻，导线还有对应的显示仪表组成。同时应该值得注意的是：1. 热电阻与仪表必须保持一致的分度号；2. 为了消除连接导线的误差，即

20、导线随温度电阻变化，必须采用三线制测温。（2） 铠装热电阻：它是由感温元件，导线，绝缘材料以及不锈钢的套管组合成的坚固的实体，一般尺寸为外径18mm，最小的有1mm，相对于普通的热电阻，他有很多优点，比如说：1. 体积较小，所以内部构造没有空气的影响，而且测量反应速度快没有滞后；2. 机械性能好。兼顾能够抵御足够的冲击力；3. 灵活性高，可以弯曲适合不同形状的现场；4. 寿命长，可以长期使用。（3） 端面热电阻。这个元件是由经过特殊处理的电阻丝绕制而成，他的电阻丝紧紧地贴在温度计的表面。星队以一般的轴向热电阻，它能够更加快速的反映当时的温度，这样的热电阻适用于测量轴瓦以及其他机件的端面温度，这

21、样的环境要求较高。隔爆型热电阻。之所以叫做隔爆型，是因为有一个特殊结构的接线盒，它能够使内部与外部完全的隔绝。因为外界火花或者其他因素，所以电阻的断路修理一定会改变电阻的阻值使测量不够准确，因此应该更换新的电阻，如果硬是要修理的化就应该先检测合格之后再使用。4.了解采用双曲余弦增益的非线性PI的理论和应用PID控制器由于结构简单、使用方便等特点在工业控制中得到广泛应用。然而，对具有显著的非线性、大惯性、大滞后等特点的蒸汽温度进行有效控制一直是国内外研究的一个难题。为解决传统PID对控制性能方面被控量不能及时反映系统所承受的扰动、调节时间增大、速度趋缓的制约，多年来众多学者纷纷提出各种方法提高控

22、制系统的性能。文献1提出了一种基于神经网络预测模型的模糊神经控制实现过热汽温的控制。文献2提出一种通过在线调解可调因子的PID型自适应模糊控制。文献3根据被控对象模型的参数摄动范围及概率密度分布，结合遗传算法设计优化串级PID控制器。文献4引入增益自适应Smith预估控制设计汽温控制器。文献5引入二次型性能指标，设计大滞后系统的基于改进灰色预测模型的自适应PID控制。文献6将双曲余弦函数增益这一非线性函数引入PID控制，通过系统偏差的大小对PI参数进行调整，在无延迟的一阶、二阶对象的控制中取得了较好的效果。本文基于一种双曲余弦增益的非线性PI控制器，设计了结构简单易于实现的蒸汽温度的棒控制器。

23、仿真结果表明引入双曲余弦增益的非线性PI控制器对蒸汽温度控制系统的动态性能得到显著改善，具有良好的抵抗干扰能力和鲁棒性。5.在MATLAB/SIMULINK下设计采用双曲余弦增益的非线性PI控制器；当前工业对加热炉控制多数使用PI控制算法或者PID控制算法，但是基础的PI算法针对线性系统，而实际运用中多数要面临非线性系统，也就是在整个闭环传递函数中加入非线性的函数环节，达到对非线性系统的控制。这也是对传统的比例积分控制的一种改进，能够提高控制精度，获得更好的控制效果，如减少控制时间和超调量等。双曲余弦增益是一种适用于非线性PI控制的非线性函数，能够达到非线性控制。双曲余弦增益主要利用了误差e对

24、系统的影响，具体表达式如下：k(e1)=ch(k0e1)=exp(k0e1)+exp(k0e1)/2e1=e(t)，|e(t)|emaxemaxsgn(t)，|e(t)|emax(1)u(t)=k(e1)Kpe(t)dt+Kit0e(t)dt+Kdde(t)dt(2)在上述公式中：k0是非线性的增益参数，然后kp以及ki分别是比例积分的系数。我们根据这个控制方程在MATLAB的simulink上搭建如下图所示的控制器模型以便对模型进行进一步的模拟以及调整。其中Kp和Ki是比例环节和积分环节的系数。基于此函数我们构建闭环系统非线性控制器，利用simulink进行搭建仿真控制模型，观测该控制器的实

25、际效果，模型结构图如图5-1所示。图5-1仿真模型图其中应该注意的一点是：非线性部分如果不对误差e加以控制，就可能会导致整个控制回路的不稳定性，如因为非线性增益补偿过大，导致线性部分变为不能控部分。因此通过限制k（e）的大小来避免这个问题。其中当k0=0.125的时候，emax=5时，k（e）会随着误差的变化而变化。如图5-2所示。图5-2函数曲线图6.加热炉温度智能控制系统设计6.1设计的目的及意义加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。在一些工业过程控制中,工业加热炉

26、是关键部件,炉温控制精度及其工作稳定性已成为产品质量的决定性因素。对于工业控制过程,PID调节器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,它在工业控制领域仍具有强大的生命力。在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制。在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。6.2控制系统工艺流程及控制要求6.2.1生产工艺介绍加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要

27、动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。用泵将从初馏塔底得到的拔顶油送入加热炉中加热到360370后，再送入常压分馏塔中。经分馏，在塔顶可得到低沸点汽油馏分，

28、经冷凝和冷却到3040时，一部分作为塔顶回流液，另一部分作为汽油产品。此外，还设有12个中段回流。在常压塔中一般有34个侧线，分别馏出煤油、轻柴油。侧线产品是按人们的不同需要而取的不同沸点范围的产品，在不同的流程中并不相同。有的侧线产品仅为煤油和轻柴油，而重油为塔底产品；有的侧线为煤油、轻柴油和重柴油，而塔底产品为常压渣油。初底油用泵加压后与高温位的中段回流、产品、减渣进行换热，一般换后温度能达到260C以上，如果换热流程优化的好，换热温度可达到310C左右。初底油在进入常压炉进一步加热至365C（各装置设定的炉出口温度随所炼不同原油的组成性质而差异，一般都在360C至370C之间）。最后初底

29、油进入常压塔进行分离。加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。图2-1加热炉设备主要工艺流程图6.2.2控制要求加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：加热炉燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，保证燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定范围内。6.3总体设计方案6.3.1系统控制方案随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品

30、质。本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。PID调节器的比例调节,可产生强大的稳定作用;积分调节可消除静差;微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后。控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。在运行过程中，当物料出口温度

31、受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许范围内，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。6.3.2系统结构和控制流程图根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示,该系统主要由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、调节器和执行器等5个部分组成,构成单回路负反馈温度系统。其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；为物料出口温

32、度，Qg为燃料流量。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。图3-1加热炉温度控制系统结构图图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图Qg为燃料流量，为物料出口温度，加热炉作为控制对象。7.控制器参数优化我们上述讲的非线性PI控制器还缺乏一个较好的参数整定方案。由于许多不确定因素还有一些外部扰动的影响。导致我们想要找到最合适的方法是比较困难的。所以我们准备利用Simulink下的NCD模块对我们所需要的参数进行优化和整定。我们具体准备实施的计划如下：第一步，我们准备先设计仿真过程所需要的框图。第二步，我们准备尝试整定

33、出最优的控制器参数，而且还要对系统初始化。第三步，我们要在时域内，给定其系统性能参数，如，调节、上升时间，还有超调量一些要求。我们根据这些要求，将问题转变为优化方面的问题，从而进行参数的优化计算。第四步，我们就要设置好允许误差还有当我们超出约束时，要停止优化。第五步，我们要对程序进行优化，得到一些关于控制器的参数。第六步，我们要不断的缩小要求，重复之前的操作过程。第七步，反复进行改善，直到无法优化为止。8.设计加热炉分数阶模型和整数阶模型非线性控制仿真试验；我们将具有不确定性、强非线性而且还是纯滞后的蒸汽温度作为被控对象，我们如果使用常规的调节方法，它的效果一定不好，下面我们就分别用对于不确定

34、性、强非线性、纯滞后的蒸汽温度控制对象，采用常规方法进行调节，其效果很不理想。以下分别采用上单回路和串级系统中双曲余弦增益的非线性PI控制器来分别进行控制，看是否能够到达我们所预期的效果。8.1单回路控制系统仿真TNN200型直流锅炉的低温再热器在85%负荷下，烟气旁路挡板扰动时汽温传递函数8为:G(s)=051e96s(37s+1)(270s+1)(3)我们以在状态是85%负荷的对象下，选取超调量和调节时间ts作为系统动态性能指标，通过NCD模块优化控制器参数，得到非线性PI控制器优化后的参数为kp=1.0136，ki=0.0035，k0=0.002;线性PI控制器优化后的参数为kp=2.2

35、514，ki=0.0072图4和图5分别给出了设定值单位阶跃扰动下的系统响应曲线和系统阶跃响应的控制作用曲线。我们从图4就能看出来，双曲余弦增益的非线性PI的响应速度是有多快，而且它到达稳态的时候，花的时间也较短。波动过程也很短暂。我们从图5能够看出来，非线性的PI调节的效果就很好，并没有过调的现象。8.2串级控制系统仿真电厂锅炉要想安全的而且经济有效的运转，再热蒸汽是一个重要的参数，我们必须了解。对于某个工厂在18万比较平稳负荷下进行了20%的喷水。阶跃扰动实验9。1)喷水导前汽温对象:G(s)=028(60s+1)(4)2)惰性汽温对象G(s)=010(120s+1)3(5)8.2.1给定

36、值阶跃下系统仿真对串级系统进行参数优化，得到非线性PI控制器的最优参数:k0=2.5050;kp=3.6323;ki=0.0148;线性PI控制器的最优参数为:kp=71.8091;ki=0.2032内回路都为P控制器，其参数为0.6424图6给出了串级汽温控制系统设定值单位阶跃扰动下的响应曲线。从这个图，我们能够明显看到所用的时间减短了，包括峰值时间和调节时间，它的超调量也较小，和单回路系统比起来，串级系统的非线性PI控制起来，效果更好。8.2.2扰动下系统的仿真我们为了能够对在测量蒸汽温度时双曲余弦函数的增益构成的非线性PI控制器的适应能力，我们特意在2500秒的时候，给一个阶跃信号，这个

37、信号作为扰动信号。d1=+0.8mA，那么，它的响应曲线如图7。我们于实验中看出来，在我们给扰动信号是，最先有反应的是双曲余弦函数增益的非线性PI控制器。而且是十分稳定的调节到稳态。没有过多的振荡过程。但是线性的PI控制就不是这样了，它的调节时间长，振荡比较激烈。超调量也是十分大。9.分析实验数据和图表，并得出结论。我们对以下四个指标进行相互比较和分析：上升、峰值、调节时间和超调量。我们在表1中，就给出了在不同的控制作用下单回路系统的阶跃响应的一些指标；表2中，我们就给出了在不同的控制作用下，串级系统的阶跃响应一些指标。我们从表1里的这些数据就能看出，在阶跃响应的时候，单回路系统的非线性PI的

38、曲线上升时间明显比单回路系统的线性PI快了将近107秒，不仅如此，曲线到达峰值的时间也相应的比线性PI曲线到达峰值的时间少了将近187秒，对于超调量来说，显得更少，在线性的PI曲线中，超调量是1%。但是在非线性系统中的PI曲线救只有0.2%。我们可以纵观整个阶跃响应的过程，非线性的PI所需要的调节时间用不了线性PI曲线调节时间的一半。我们从表2中，就能看到在阶跃响应里，串级系统的非线性PI的上升时间要比线性PI的上升时间快上80秒左右，对于超调量来说，线性PI是1.5%，非线性PI是1%。对于调节时间来说，非线性的PI调节时间要比线性PI调节时间短1100秒。通过以上的数据比较，我们采用的双曲

39、余弦函数增益一起构成了非线性PI控制器，在双曲余弦函数的增益作用之下，只有少量的衰减振荡显示出来，从而达到了快准稳的效果，这些效果都是要优于线性PI控制的。我们对于一些不确定性，能够快速的追踪响应。但是在再串级的控制系统中，作用于阶跃响应下，再加上有扰动的情况，双曲余弦函数增益所构成的非线性PI控制器的作用会明显的有着增强的效果，它的超调量还很小，响应的速度也很快。但是线性的PI作用时，就显得慢，而且有多次波动，不稳定。10.总结对于像蒸汽温度这种具有惯性大而且纯滞后的控制对象来说，我们在设计PI控制的时候就需要在传统方法的技术之上还要加上双曲余弦增益，这时就需要设计双曲余弦增益的非线性PI控

40、制器来对系统进行控制，我们在将传统的PI控制技术和双曲余弦增益相结合之后，我们需要调节的变量就是k0,使得整个系统能有一个比较良好的动态性能，我们在设计完之后，还进行了一些仿真，事实证明，我们所设计的双曲余弦增益的非线性PI比较适合具有严重滞后现象的对象，而且还具有较好的抗干扰的能力兼鲁棒性质。它的超调量也十分小，调节时间也明显缩短了，稳定性也有所增强，总的来说，控制效果要优于传统控制很多。参考文献:1荣雅君，窦春霞，袁石文，等过热汽温模糊神经网络预测控制器的设计J中国电机工程学报，2003，23(1):1771802牛培峰，任娟，王帅PID型自适应模糊控制在锅炉主蒸汽温度控制中的仿真研究J热

41、力发电，2008(6):24273王传峰，李东海，姜学智，等基于概率鲁棒性的锅炉过热汽温串级PID控制器J清华大学学报(自然科学版)，2009，49(2):2492524罗嘉，李锋，张红福，等过热汽温增益自适应Smith预估控制J电力系统及其自动化学报，2010，22(1):1561605刘威，肖军，翟春艳，等基于改进灰色预测模型的自适应PID控制算法J科学技术与工程，2010，10(2):5015046苏玉鑫，段宝岩一种新型非线性PID控制器J控制与决策，2003，18(1):1261287顾红艳，李东海，宁喜荣，等单元机组的非线性协调控制J动力工程，2007，27(4):1771808唐义军大型火电厂机组汽温控制系统研究与应用D南京:东南大学，20049王清海，张寿明基于PID的锅炉温度控制系统设计J云南大学学报，2009，31(S2):140142-