控制理论课程设计管式加热炉模糊PID串级控制.docx
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控制理论课程设计管式加热炉模糊PID串级控制
控制理论课程设计
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基于模糊PID的管式加热炉炉温串级控制系统的仿真研究
摘要：
管式加热炉是石油化工、化肥和有机化学工业领域不可缺少的设备，而圆筒管式加热炉具有结构紧凑，简单，占地面积少，实施方便和投资少等优点。
化工，石油和纺织等工业中广泛采用的一种炉型。
而目前管式加热炉在实际生产的应用上还有一些缺陷。
所以对管式加热炉做进一步的研究对提高生产率，节约能源，降低劳动强度，使之更安全等方面具有积极的意义。
综上，管式加热炉在生产上应用极其广泛有进一步完善的必要，而管式加热炉在生产中显现出的缺点急需克服和改进，所以本设计对石化行业未来具有深远的意义对管式加热炉长期安全运行的，节能和提高经济效益非常重要的意义。
本设计想要通过PID调节的方式加快响应的运行并减少超调。
将普通PID、串级PID控制、模糊PID自整定控制的响应比较后，确定更好的PID调节方式对管式加热炉进行优化。
关键词：
模糊PID,串级控制,炉温控制,Simulink仿真
目录
摘要2
关键词2
Abstract24
第一章引言4
1.1研究意义4
1.2研究目的4
1.3研究内容4
第二章文献综述4
2.1工艺背景介绍4
2.2研究方案比较5
2.3研究方案确定6
第三章研究方案设计与说明7
3.1PID的基本概念7
3.2串级控制的基本概念8
3.3模糊PID的基本概念9
3.4串级控制的注意事项12
第四章基于MATLAB的仿真及分析13
4.1MATLAB模块应用13
4.1.1fuzzy模糊模块应用13
4.1.2Simulink模块的应用14
4.2传递函数模型的建立15
4.3程序设计及分析16
4.3.1Simulink模型的建立16
4.3.2仿真波形及参数17
4.3.3仿真结果分析21
4.3.4控制器参数的整定22
结束语23
参考文献25
第1章引言
1.1研究意义
管式加热炉应用范围很广，是石油化工、化肥和有机化学工业领域不可缺少的设备，而圆筒管式加热炉具有结构紧凑，简单，占地面积少，实施方便和投资少等优点是化工，石油和纺织等工业中广泛采用的一种炉型。
而目前管式加热炉在实际生产的应用上还有一些缺陷。
所以对管式加热炉做进一步的研究对提高生产率，节约能源，降低劳动强度，使之更安全等方面具有积极的意义。
综上，管式加热炉在生产上应用极其广泛有进一步完善的必要，而管式加热炉在生产中显现出的缺点急需克服和改进，所以本设计对石化行业未来具有深远的意义对管式加热炉长期安全运行的，节能和提高经济效益非常重要的意义。
1.2研究目的
通过PID调节管式加热炉以提高生产率，节约能源，降低劳动强度。
加快对象传递函数模型的响应速度，降低超调量。
1.3研究内容
通过对比无PID、普通PID、串级PID、基于模糊PID的串级控制调节下对象传递函数模型的响应确定更优化的PID调节方式。
第2章文献综述
2.1工艺背景介绍
管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中使用的工艺加热炉。
包括加热炉本体和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，冷凝液收集池与引风机相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。
被加热物质在管内流动介质为气体或液体，并且都是易燃易爆的物质，操作条件苛刻，同时长周期运转不间断操作，加热方式直接受火。
目前在国内，由于国家宏观经济政策的调整,新建加热装置减少,而早期建造的加热炉,由于受当时技术条件的限制,大多在低负荷条件下运行,热效率低。
从能量平衡的角度来分析,大中型加热炉的热效率均在80%-90%,有待进一步提高，其能量最大的损失是排烟损失,所以为了节约能量而继续提高加热炉的热效率，解决烟气露点腐蚀和经济排烟温度的限制方面的问题是国内加热炉研究的重点。
而国外，加热炉方面的研究很多，在有些方面领先于国内。
但在加热炉长期安全运行，节能和提高经济效益方面也有待做进一步的研究。
所以优化加热炉的性能，为我国石化行业发展具有深远的意义，也为我国在加热炉方面的研究赶超世界先进水做出努力。
2.2研究方案比较
管式加热炉串级控制原理图
T1T是原料温度传感器，T1C是原料温度控制器；T2T是炉膛温度传感器，T1C是炉膛温度控制器。
中间被控变量是炉膛温度；操纵变量是燃料油的流量。
系统的基本扰动来自两个方面，一是原料侧的扰动及负荷扰动，二是燃烧侧的扰动，诸如燃油压力、配风量等。
由于该系统容量滞后较大，如采用以原料出口温度为被控量的单回路控制系统，当燃料侧扰动产生时，系统不能立即感知，直至经过较大的容量滞后反映到原料温度发生改变时，系统控制作用才开始反应，但为时已晚。
同样，控制器的动作必须经过较大容积滞后才能开始对输出的改变进行调整。
这样感知慢、调整慢，控制系统的品质不可能很高。
对于负荷侧的扰动，虽然感知较早，但是控制过程较慢。
为此可增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成一个串级控制系统。
由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。
副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。
由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。
与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著的提高。
其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。
综上所述，本设计选择串级控制系统。
虽然PID控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件比较困难的事。
合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。
在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。
为此，需要引入一套模糊PID控制算法。
计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。
常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想。
而模糊PID控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛的应用。
因此这里主回路采用模糊PID调节。
2.3研究方案确定
为了明确体现出串级控制与模糊控制相结合的优势，我决定分别将无PID、普通PID、串级PID、基于模糊PID的串级控制集中情况下的响应都做出来，将波形对比，观察他们的超调量以及响应时间。
但按照理论来说，对于大滞后的管式加热炉系统来说串级的控制是明显优于单回路控制的。
加入模糊PID只是改良了主回路的PID调节方法，但其根本上的串级控制的优越性依然存在。
第3章研究方案设计与说明
3.1PID的基本概念
PID控制器是一种线性控制器，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。
PID原理图其控制规律为:
其传递函数为:
式中，Kp—比例系数，Ti—积分时间常数，Td—微分时间常数。
PID控制器包括积分、比例、微分三个组成部分，分别代表过去、现在、未来的控制误差。
比例（P）控制:
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I）控制:
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入"积分项"。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳态误差。
微分（D）控制:
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化"超前"，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入"比例"项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是"微分项"，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以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。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是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。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是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用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
两种方法各有其特点，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。
一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:
⑴首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作
⑵仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期
⑶在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改
3.2串级控制的基本概念
串级控制是改善控制过程品质极为有效的方法，并得到了广泛的应用。
与简单的单回路控制系统相比，串级控制系统在其结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路；另一个闭环在外，被称为外回路或者主回路。
副回路在控制过程中负责粗调，主回路则完成细调，两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
串级控制就是通过这两条回路的配合控制完成普通单回路控制系统很难达到的控制效果。
在串级控制中，无论是主回路还是副回路都有着各自的控制对象、测量变送器和控制器。
在主回路中的控制对象、被测参数和控制器分别被称为主对象、主参数和主控制器。
在副回路内则相应地被称为副对象、副参数和副控制器。
副对象是整个控制对象的一部分，常被称为控制对象的前导区，主对象是整个控制对象的另一部分，常被称为控制对象的惰性区。
主控制器具有自己独立的给定值，它的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出信号则送到控制机构去控制生产过程。
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
这里采用串级控制主要是因为首先串级控制对进入副回路的扰动有很强的克服能力。
其次，由于副回路的存在，减小了控制对象的时间参数，从而提高了系统的响应速度。
再者串级控制提高了系统的工作频率，改善了系统的控制质量。
最后，串级系统有一定的自适应能力。
3.3模糊PID的基本概念
模糊PID是PID算法与模糊控制理论相结合的一种控制理论。
随着自动控制系统被控对象的复杂化，表现为控制系统具有多输入、多输出的强耦合特性、参数时变性和非线性特性，更突出的问题是从系统对象获得的信息量相对减少，相反对控制性能的要求却日益高度化。
很多时候被控对象精确的数学模型很难或无法建立。
若将人们的手动控制经验用语言加以描述，构成一系列条件语句，即控制规则，再利用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理，将模糊的控制规则上升为数值运算，让计算机运用程序来实现这些控制规则，这样就可利用计算机模拟人进行自动控制被控对象。
这正是模糊控制的基本思想。
模糊控制系统由模糊数据和规则库、模糊器、模糊推理机和解模糊器组成。
模糊控制系统用作控制器时称为模糊控制器。
模糊控制系统与传统的闭环控制系统不同之处在于用模糊控制器代替了模拟式控制器。
模糊控制器结构如图所示。
模糊控制过程分为模糊化、模糊逻辑推理和解模糊判断3个步骤。
其分别由模糊控制器的模糊器、模糊推理机和解模糊器完成。
模糊系统的性能优劣主要取决于模糊控制器的结构、模糊规则、推理算法以及模糊决策的方法等因素。
模糊控制过程原理图
模糊自整定PID控制器以误差e和误差变化率ec作为输入，PID参数Kp、Ki、Kd作为输出。
以误差e和误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。
利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了模糊自整定PID控制。
如下图：
模糊自整定PID控制原理图
各模糊状态的隶属函数一般选择对称三角形、对称梯形、正态型隶属函数。
因为三角形隶属函数其形状仅与它的直线斜率有关，运算较简单，所占内存空间也小，因此比较适合于有隶属函数在线调整的模糊控制。
实际上，隶属函数的形状（三角形，梯形或正态分布等）对控制效果的影响并不大，而每个模糊子集对整个论域覆盖范围的大小对性能影响较大，一般来说，每个模糊子集的宽度若选择适当，控制效果就会较好，如果所选宽度较小，则部分区域没有规则相适应，那么收敛性就不好，相反，重叠规则相加，规则间相互影响大，使得响应慢。
下图为5隶属函数。
隶属函数图
控制规则是模糊控制器的核心。
根据经验和知觉推理，将人的大量成功的控制策略经整理、加工提炼后，用输入、输出变量的模糊状态给以描述，就得到了控制规则。
典型的隶属函数控制规则如下图：
隶属函数控制规则
而图中NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB等是论域中模糊集合的标记，其意义如下所示：
NB=负方向大的偏差（NegativeBig）
NM=负方向中的偏差（NegativeMedium）
NS=负方向小的偏差（NegativeSmall）
ZO=近于零的偏差（Zero）
PS=正方向小的偏差（PositiveSmall）
PM=正方向中的偏差（PositiveMedium）
PB=正方向大的偏差（PositiveBig）
3.4串级控制的注意事项
在设计串级控制的主、副回路时需考虑主副回路的匹配：
1）主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配
2）主、副调节器的控制规律的匹配、选择
3）主、副调节器正反作用方式的确定
第四章基于MATLAB的仿真及分析
4.1MATLAB模块应用
4.1.1fuzzy模糊模块应用
添加的模糊规则：
4.1.2Simulink模块的应用
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和Simulink电子创新网综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
本次管式加热炉串级控制系统是通过Simulink建模实现仿真研究的。
主要包括以下两部分的设计：
1.主回路设计：
加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。
其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。
温度调节器对被控参数θ1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。
采用模糊PID进行调节。
模糊PID控制是根据PID控制器的三个参数与偏差e和偏差的变化ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，具有让PID参数可自整定的优点。
炉温串级控制原理框图
2.副回路设计：
副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。
燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。
所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。
串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。
采用普通PID调节。
4.2传递函数模型的建立
由于炉内钢坯温度测量上的困难,建立钢坯加热模型是进行优化设定研究的必须步
骤。
以前这方面多采用多元回归的方法,例如武钢引进的热连轧线所使用的升温控制数
学模型。
多元回归模型的缺点是准确性差,特别是生产条件和轧制节奏发生变动时其
次是系数较多,而且不少系数没有直接的物理意义。
随着建模理论的发展，我们得到的模型也越来越精确。
时至今日，我们可以由实验法建立管式加热炉的动态模型。
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
具体建模步骤为：
（1）使用MCGS打开组态画面
（2）连接通讯线路使通讯成功
（3）开始试验，给管式加热炉上水开始加热
（4）稳定后加阶跃干扰，记录此时的响应数据
（5）根据相关参数的求解方法求出传递函数
（6）可利用具有非线性拟合模块的origin8.0求解参数
由实验图像可知管式加热炉为大滞后系统，将原料油出口温度特性可近似为
;燃料热值变化对炉膛温度影响特性可近似为：
。
4.3程序设计及分析
4.3.1Simulink模型的建立
1.管式加热炉普通PID调节模型：
2.管式加热炉出口温度与炉膛温度串级PID控制系统模型：
3.为基于模糊PID的管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统模型：
（即主回路采用PID调节）
4.3.2仿真波形及参数
1.没有PID调节的对象波形
2.普通PID调节的对象波形
以下为普通PID调节时PID的对应参数：
3.串级控制的PID主回路、副回路波形
（1）主回路波形
以下为主回路对应PID调节参数：
（2）副回路波形
以下为副回路对应PID调节参数：
4.基于模糊PID的对象串级控制波形
（1）无超调但调节时间较大：
（2）为了改善响应速度，改变PID参数得到新的波形：
此时虽然有了3.7%的超调，但是调节时间缩短了近一倍。
此时模糊PID主回路各参数如图为：
4.3.3仿真结果分析
我们可以通过比较无PID、普通PID、串级PID、基于模糊PID的串级控制调节的响应波形判断对象的动态性能。
管式加热炉作为大滞后系统，容易出现控制作用迟缓、系统超调量大、过渡过程时间长的缺陷。
（1）我们直接将这个对象不经过PID调节，通过示波器观察其响应，发现在3000s以内仍有剧烈震荡，足以说明其调节时间长。
作为大滞后的系统，这样的性能肯定是不理想的。
（2）加上普通PID调节器之后，经过调节我们发现震荡的剧烈程度降低了，稳定速度也变快了，但是响应还是震荡三次后才明显收敛于稳态值，而且超调量比较大，约为30%。
这就说明虽然普通的PID调节器对于优化这个系统与一定的作用，但是仍有继续优化的空间。
（3）接下来加上使用串级控制PID之后，注意主副回路之间参数的匹配，经过调节后可以明显看出响应的速度明显加快，且调节时间缩短到约为1200s，系统震荡一次就达到了稳态值。
此时超调量为28%。
说明串级的PID控制系统有利于减小等效副对象的时间常数，提高系统的工作效率，加快系统的响应速度，缩短系统的调节时间，获得较好的控制效果。
（4）由于模糊PID控制算法是由计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec，根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数，且模糊PID控制具有自整定的特点，因此最后将管式加热炉串级温度控制系统的主回路调节器从普通PID改为模糊PID。
在模糊PID调节过程中，出现了没有超调的响应波形，但是其调节时间却在1000s以上，虽然这时系统响应满足稳快准中的稳准，但是并不满足快的特点。
为了继续优化系统的响应速度及调节时间，就对模糊PID的参数继续进行调节。
最终有了一个较为理想的响应波形。
此时我们可以看出响应的动态性能大大提高，超调量只有3.7%，调节时间也减少到约为950s，说明将模糊PID控制算法应用于串级控制的主回路是十分合理且有利的。
由此可见，基于模糊PID的管式加热炉炉温串级控制系统是可以明显优化系统的动态性能的。
且其优化程度高于普通PID调节系统、基于普通PID调节的串级控制系统的。
4.3.4控制器参数的整定
串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：
两步整定法、一步整定
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