一种跟踪参考输出的加热炉温控系统.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2001.02.019 第23卷第2期北京科技大学学报 Vol.23 No.2 2001年4月· Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2001 种跟踪参考输出的加热炉温控系统张绍德李金厚安徽工业大学自动化系，马鞍山243002 摘要提出了加热炉广义对象模型概念和一种跟踪参考输出的模糊自适应控制方案，以及最佳炉温工艺曲线专家系统构成及根据产品质量模糊评价的概念.系统仿真证明了上述方案的，有效性关健词广义对象模型：跟踪参考输出；模糊自适应控制；工艺曲线；专家系统分类号TP273 加热炉是一个大惯性、纯滞后和有诸多干 1.1 跟踪参考输出的模糊自适应控制器设计扰的复杂的非线性系统，传统的控制方法难以考虑如下SISO离散非线性系统：取得满意的控制效果，近年来，将智能控制技术 yk+1)-fy),k-1),…,yk-n+1): 应用到加热炉控制中，为摆脱在炉窑控制中采 k),w(k-1),…,ak-m+1)]+(1) 用常规数学模型方法的局限性，开辟了一条新其中，代)为未知的非线性函数，)ER和的途径.本研究基于模糊逻辑系统的万能逼 ()∈R分别为系统的控制输人和输出. 近理论和文献[2]提出的模型参考模糊自适应对于式(1)所示的非线性离散系统，如果非控制，设计出一种跟踪参考输出的加热炉温控线性函数)已知，取控制律为4(--f+ 系统 y.+l)tpe(),式中，y(k+1)为参考输出，p0，一定存在一个模糊逻辑系统xyPx),使得：模粉 f(k) DL 讲课器 V-yp/xse,记(x)-Eyp/x)-0P(x), 式中，(y,…yw, P(x)=p(x)p:(x),PMx)] 图1跟踪参考输出的横糊自适应控制系统框图定义p立Ax/空ix)为模糊基.以上 l isl Fig.1 Diagram of fuzzy adaptive control system based on x)为输入前件的模糊隶属度函数，y为推理 tracking reference ontput 规则后件模糊集合隶属度函数y)取最大值收稿日期200009-10张绍德男，45岁，副教授时所对应的论域点.模糊自适应控制系统稳定 *安徽省教育厅科研计划项目资助No.99J10168) 性证明见文献[2]

第卷第期年月 ‘ 北京科技大学学报比恤 ‘ 一种跟踪参考输出的加热炉温控系统张绍德李金厚安徽工业大学自动化系，马鞍山摘要提出了加热炉广义对象模型概念和一种跟踪参考输出的模糊自适应控制方案，以及最佳炉温工艺曲线专家系统构成及根据产品质量模糊评价的概念系统仿真证明了上述方案的有效性关健词广义对象模型跟踪参考输出模糊自适应控制工艺曲线专家系统分类号加热炉是一个大惯性、纯滞后和有诸多干扰的复杂的非线性系统，传统的控制方法难以取得满意的控制效果近年来，将智能控制技术应用到加热炉控制中，为摆脱在炉窑控制中采用常规数学模型方法的局限性，开辟了一条新的途径本研究基于模糊逻辑系统的万能逼近理论和文献提出的模型参考模糊自适应控制，设计出一种跟踪参考输出的加热炉温控系统加热炉温控系统设计将产生最佳加热温度曲线的专家系统应用到模型参考模糊自适应控制系统中口，，系统框图如图所示产生炉温工艺曲线的专家系纺温度控制器 ’ 模丫辨畔跟踪参考输出的模糊自适应控制器设计考虑如下离散非线性系统只粉习妙，只一，一，只一 “ 劝，一， … ，试一切其中，八 · 为未知的非线性函数，任和只任分别为系统的控制输入和输出对于式所示的非线性离散系统，如果非线性函数已知，取控制律为一夕口卜，式中，粉为参考输出，为反馈增益，则系统的输出误差为只卜一当回时，系统的输出能渐近跟踪参考输出如粉由于 · 是未知的连续函数，因此用基于模糊基函数的模糊逻辑系统入 · 代替 · ，则控制律为。一入劝，因此，气八幻气一入劝试无气凡无一只卜卜入劝一刀的，动八八幻一式中，八八幻歌劝一刀幻为未知非线性函数的辨识误差由文献可知，对于给定的￡，一定存在一个模糊逻辑系统网氓邓，使得，沙以一艺娜办匀圈跟踪参考输出的模糊自适应控制系统框圈 · 抽扮血碑收稿日期矢张绍德男，岁，副教授安徽省教育厅科研计划项目资助困。式中，决蜘伪，… 祠，尸习沙刃，二子办〕定义蒯观州阁侣县圳为模糊基 · 以上州伙〕为输人前件的模糊隶属度函数，为推理规则后件模糊集合隶属度函数脚切取最大值时所对应的论域点模糊自适应控制系统稳定性证明见文献』， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．02．019

●162 北京科技大学学报 2001年第2期 1.2基于二阶工程设计法和Smith补偿原理的燃 T>T2,可化成二阶形式；令=T,则校正后，在气、空气副控制器设计暂不考虑e时，空气回路的开环传递函数为：加热炉的热惯性很大，纯滞后时间很长，影中lSC.(SG,S(T,ksTs+D用二阶工程设响温度变化的因素很多，如燃料、空气、燃油压计法设计空气调节器，可得：Tnk=2T2,则力等，用一般的单回路调节已达不到要求.因此， T=2k1T2. 本系统采用温度与流量串级控制方案温度控燃气控制回路被控对象传递函数为G(s)= 制回路为主回路，燃气、空气回路为副回路.当油压或风压波动时，不等到它影响炉温，副控制 C(es+1员Tms+1e,本系统燃气与空气器就及时进行控制，将这种波动对炉温的影响控制回路被控对象纯滞后时间基本相等均为T. 减弱到最低限度.系统副控回路如图2所示.图然气调节器G,令T同上述中，比例系数K用于调节空燃比设计方法，可得燃气调节器参数T2=2k,Ta.用在本设计中，将燃气、空气回路及加热炉看 Smith补偿原理，设计出空气、燃气回路的等效作一个广义控制对象，其简化结构图如图3所示. 传递函数分别为：用二阶工程设计法设计空气调节器G(S), 空气控制回路被控对象传递函数为： k612品e”o1282e” G,(s)-C,(s)e 温度控制对象的传递函数为：G6”由采用I调节器进行校正，即G6小器，者图3可得广义对象的传递函数为： Wi(s)=W(sH+Wa(s)G(s). (3) 空气同服空气空司 G-(s(1-e 控制器做大器执行器对差压变送单元 Gl(s G(s) G.(s) 湿度燃料门伺服燃料燃料控制器控制器放大器执行器对「度 G(s(1-e 流量检测元件图2温控系统副控回路图图3温控系统广义对象结构图 Fig.2 Assistant control block diagram of temperature Fig.3 Generalized object structure diagram of control system temperature control system 13加热炉温控系统的仿真 yk)=2.9312yk-1)-4.922yk-2)+ 加热炉温控系统测定参数如下：T。=120s, 5.5979yk-3)-4.1733k-4)+2.1403k-5)- t0=250s,k=10,T=15s,T2=10s,k=5,T21=12s,T2= 0.5973yk-6)-k-1)9.6539(k-2)H 8s,T=5s. 28.0298(k-3)-38.7826u(k-4)+33.645w(k-5)- 使用连续系统的离散化设计方法求W(s)的 16.29324(k-6)+2.9974uk-7)+(k-1)(⑤) Z变换，并将这些参数代入，便求出广义对象将式(5)作为对广义对象的仿真模型.由1.1 W(S)输出的差分方程如下：节已知一个模糊逻辑系统可以用模糊基函数表 yWk)=2.9312yk-1)-4.922y(k-2)+ 示为： 5.5979yk-3)-4.1733yWk-4)+2.1403yk-5)- x-立yi4AxM2i4x】 (6) 0.5973yk-6)-9.6539uk-2)+28.0298k-3)- =11 本系统取一维模糊语言变量，即n=1,模糊 38.7826u(k-4)+33.645k-5)-16.29324(k-6)+ 规则条数N=11,隶属函数为高斯型，即： 2.9974uk-7) (4) 将此差分方程写成式(1)形式： A6x)exp[-(二y1. yk+1卢fk)ruk)即yWk)=fk-1)+k-I), 由文献[1]，优化参数为：于是式(4)变为： yWk+1)=)-

北京科技大学学报年第期基于二阶工程设计法和补偿原理的燃气、空气副控制器设计加热炉的热惯性很大，纯滞后时间很长，影响温度变化的因素很多，如燃料、空气、燃油压力等，用一般的单回路调节已达不到要求因此，本系统采用温度与流量串级控制方案。温度控制回路为主回路，燃气、空气回路为副回路当油压或风压波动时，不等到它影响炉温，副控制器就及时进行控制，将这种波动对炉温的影响减弱到最低限度系统副控回路如图所示图中，比例系数用于调节空燃比在本设计中，将燃气、空气回路及加热炉看作一个广义控制对象淇简化结构图如图所示用二阶工程设计法设计空气调节器，空气控制回路被控对象传递函数为不不，可化成二阶形式令不，，则校正后，在暂不考虑一介时，空气回路的开环传递函数为和，场友界，计法设计空气调节器，可得不，趁不用二阶工程设不，不，则，、，、，，无、卿一叭切 ‘ ’ 瓦砰攻瓦砰习 ‘ 采用调节器进行校正，即镖屯，若才燃气控制回路被控对象传递函数为场一，、，，无，，一一认、、几介称犷丁黑布万下一扣， “ 解切尸本系统燃气与空气几几 ” 甲， “ ” ， “ 二工、控制回路被控对象纯滞后时间基本相等均为燃气调节器仇考粤，令。一兀，一同上述乃，” 、甲， ” 习叮 “ ，几 ’ 丫 ’ “ ‘ ， ” ，一设计方法，可得燃气调节器参数几粗丸几用补偿原理，设计出空气、燃气回路的等效传递函数分别为。二耀豁黯一、耀黯黯一温度控制对象的传递函数为味熬一灿图可得广义对象的传递函数为磷卜【爪叽〕式夕伺服放大器味一一玛差压变送单元，湿度控制器仇一一赞图温控系统剧控回路图加翻” 】加代功加热炉温控系统的仿真加热炉温控系统测定参数如下，而，，不，，，，兀，几，界，使用连续系统的离散化设计方法求琳的变换，并将这些参数代人，便求出广义对象琳输出的差分方程如下只幻一一妙一 ‘ 尔一一尔一尔一一妙一一一一一一一一一一将此差分方程写成式形式少粉气八幻即只幻气八无一一，于是式变为图温控系统广义对象结构圈血，呱认代只习尔一一酬一尔一一尔一尔一一洲一一一弓无一一一一一一一一一将式作为对广义对象的仿真模型由节已知一个模糊逻辑系统可以用模糊基函数表示为一〔知套，〕艺川，」本系统取一维模糊语言变量，即，规则条数刀七，隶属函数为高斯型， ‘ 咖〔一导〕 · 由文献，优化参数为为粉只劝一模糊即

Vol.23No.2 张绍德等：一种跟踪参考输出的加热炉温控系统 ·163◆ a N 】-f) 调整至稳定阶段，系统输出跟踪参考输出 exp[-(x-)/a)] 情况列表2所示. 温控系统仿真步骤如下：表2y)与y(比较 ①给优化参数赋初始值.设定最小辨识 Table 2 Comparison of y(k)and y(k) 误差为ε；设辨识用的样本函数为误差收敛速率p 调整步数y.()) x()=0.1sin(2πk/50)+0.4cos(2rk/60). 0.01 3 12801279 ·“②计算样本值x 0.1 1280 1277 ③计算广义对象仿真模型的输出y),并根据)=fk-1)+uk-1)求k-1). 2最佳炉温工艺曲线专家系统的设 ④计算辨识器输出九x)】. 计方法 ⑤计算式(6)中的优化参数. 从节能考虑，为了最大限度地利用燃料，必 ⑥计算辨识累积误差E=E+12(x)- f). 须采用最佳炉温设定方法，即从炉内热交换出发，统筹考虑炉内各段的温度，钢种，钢坯入、出 ⑦若Eε，则仿真步数加1并返回至②，循炉温度，坯料形状、尺寸，生产速率等各种因素，环调整参数y;若E≤e,则向下执行. ⑧计算系统输出k+1)=fx()-x()+ 确定目标函数（最低燃料消耗），进行优化计算，从而得出炉内各段最佳温度设定曲线（即工艺 y(k+1十pe(),绘出y.(k)及y)曲线，并转至①. 曲线).工艺曲线随时间变化可以分成数个不同 ⑨若系统运行受到于扰，出现E>e,则仿真阶段，每个阶段变化规律不尽相同，必须将工艺步数加1，并返回至②，再循环调整y,程序执行曲线分段考虑.一般加热炉温度变化过程可分至⑧. 成初始加热段、吸热段、快速加热段及温度保持 ⑩运行至规定的仿真步数，结束段.相邻点温度变化是一个连续过程. 仿真曲线如图4所示. 在各段端点已知的情况下，本文拟采用3次图4中，设误差收敛速率p0.9,在仿真步数样条插值确定各段曲线上的各点坐标值.具体 k=500-550之间，模拟一个外来干扰，使y)减小地，设欲求具有分划的3次样条S(①)，使之满足： 100,则系统重新调整参数y,经30步调整后，系 S(t)T,i0,1,…,n; 统输出)再次跟踪上y().扰动前后可调参 S3(to)=To,S3(t)=T, 数变化情况列表1所示并使其直到二阶导数是连续的.此问题的解是： 1400 1200 S3(t)=Po((t-t)/h)y:+p((t-t)/h)ym+ 1000 hod((t-t)/h)mi+ho ((t-t)/h)mu 800 其中，t≤t≤t,h=t1-4,po()=(t-1)2什1)，p(t 600 t-2+3),中(t)=(t-1)2,φ，()=1-1)，及m设为 400 S(),它可以通过追赶法解下面的方程组得到. 200 0 2m1+am2-f1-(1-a)T。 0 500 1000 1500 (1-a2)m1+2m2+am3=p2 k/步图4温控系统仿真曲线 (1-a-2)m-3+2m-2+am-2m-Bx-2 Fig.4 Simulation curve of temperature control sytem (1-an-1)mn-2+2m-1=B-1-an-iT 表1扰动前后参数比较式中，a=h-/(h-th),B,=3[(1-aT-T-)Vh-+ Table 1 Comparison of parametery befor or after perturbance a(T-T)/hi]. 初值一10一8 -6 -4-2 0 采用的专家系统实现步骤：①专家系统数扰动前-99931-7.9456-5.7501-3.3590-1.15770.3814 据库、知识库、推理机的构成及专业知识的提取调整后-9.9890-7.9124-5.5928-2.9208-0.45521.0036 和录人；②利用专家系统输出分段及端点坐标初值2 4 6 810 扰动前1.71573.57135.78627.94579.9923 值，再用三次样条插值方法得到各段工艺曲线调整后1.98793.60125.76687.93759.9909 上每个点的坐标；③将此工艺曲线用于生产，并

】张绍德等一种跟踪参考输出的加热炉温控系统熹 “ 〔一一动闷一斌丫一－ ‘ 气口温控系统仿真步骤如下 ① 给优化参数赋初始值设定最小辨识误差为设辨识用的样本函数为城几泥脚一一 ②针算样本值 ③ 计算广义对象仿真模型的输出少田，并根据只劝气八一一求八无一 ④ 计算辨识器输出大城幻」 ⑤ 计算式中的优化参数 ⑥ 计算辨识累积误差五卜召 ⑦ 若五，￡，则仿真步数加并返回至② ，循环调整参数另若 ‘ 。，则向下执行 ⑧ 计算系统输出只习令卜以的儿粉，绘出及曲线，并转至⑩ ⑨ 若系统运行受到干扰，出现石卜￡，则仿真步数加，并返回至② ，再循环调整另，程序执行至⑧ ⑩ 运行至规定的仿真步数，结束仿真曲线如图所示图中，设误差收敛速率，在仿真步数卜一之间，模拟一个外来干扰，使只减小，则系统重新调整参数另，经步调整后，系统输出只再次跟踪上扰动前后可调参数变化情况列表所示调整至稳定阶段，系统输出跟踪参考输出情况列表所示表只与儿比较介由只少口误差收敛速率户调整步数只尸口最佳炉温工艺曲线专家系统的设计方法从节能考虑，为了最大限度地利用燃料，必须采用最佳炉温设定方法，即从炉内热交换出发，统筹考虑炉内各段的温度，钢种，钢坯人、出炉温度，坯料形状、尺寸，生产速率等各种因素，确定目标函数最低燃料消耗，进行优化计算，、从而得出炉内各段最佳温度设定曲线即工艺曲线工艺曲线随时间变化可以分成数个不同阶段，每个阶段变化规律不尽相同，必须将工艺曲线分段考虑一般加热炉温度变化过程可分成初始加热段、吸热段、快速加热段及温度保持段相邻点温度变化是一个连续过程在各段端点已知的情况下，本文拟采用次样条插值确定各段曲线上的各点坐标值具体地，设欲求具有分划的次样条凡，使之满足凡，不，扮，，… ，，二’ ，议幼二’ ，并使其直到二阶导数是连续的此问题的解是凡价甲。《卜咖无才沙汁叭一， ‘ 什劝。一，〕砂，一，宕其中， ‘ 悠介，产介，一右，肠一，叭代一，咖抓卜，咖才一，及，设为，，，它可以通过追赶法解下面的方程组得到节一一飞一几久八乙 “甘﹄︸一甘︸︸犬 ‘ ︵飞七步图温控系统仿真曲线恤加表扰动前后参数，比较介另初值一一一一一扰动前一一一一一调整后一一一 ‘ 一一丽二盲一了一一交一一花黔一一玄一言军一一一扰动前调整后一氏一卜卜汁氏一卜机一式中， ‘ 卜氏一，一汁浅一斌一一一， ’ 瓶一八一〕，八一不一界一卜，久几一不月采用的专家系统实现步骤 ① 专家系统数据库、知识库、推理机的构成及专业知识的提取和录人 ② 利用专家系统输出分段及端点坐标值，再用三次样条插值方法得到各段工艺曲线上每个点的坐标 ③ 将此工艺曲线用于生产，并

●164 北京科技大学学报 2001年第2期对产品质量进行模糊评价：④利用评价结果对 3 结论专家系统中的知识与推理规则进行调整与改善，修正分段端点坐标值，再用样条插值得到修正 (1)将加热炉的副控回路及加热炉看作一个后的整个工艺曲线，专家系统框图如图5所示广义对象，对其实行在线模糊辨识，以建立广义对象辨识模型，实质已将各种干扰和不确定因产品输入加热炉产品质量输出素统统包含进去，方法简捷 (②)仿真结果表明本文提出的跟踪参考输出模糊自适应控制方案有效. 样条插值期望产品质量 (3)首次将专家系统和样条插值方法结合起来用于加热炉炉温工艺曲线的产生和优化.借数据录入推理机数据库助模糊评价，提出一种根据产品质量对专家系数据输出统规则进行调整的方法，所构造的炉温工艺曲线专家系统具有自学习功能.这对类似工艺曲产生工艺曲线线的获取与优化问题很有借鉴作用. 知识库 y() 参考文献 (报警等其他管理模块) 1 王立新.自适应模糊系统与控制，北京：国防工业出版社1995.32,58 计算机控制台 2 模糊评价模块张绍德.一类非线性离散系统模糊自适应控制器设计.华中理工大学学报，2000,28(5)：75 图5炉温工艺曲线专家系统框图 3李文酸，崔朝贤，王利民.中型轧钢厂加热炉自动控 Table 5 Expert system block diagram of furnace 制系统.冶金自动化，1998，(6)：17 4黄一夫，微型计算机控制技术.北京：机械工业出版 temperature process curve 杜，1988.125,133 Temperature Control System of Tracking Reference Output for Reheating Furnace ZHANG Soude,LI Jinghou Anhui Polytechnical University,Department of Automation,Ma'anshan 243002,China ABSTRACT A concept of general plant model and an expert system structure of generating optimizing tech- nological curve for reheating furnace and a concept of fuzzy judgement for product quality and an design sche- me of fuzzy adaptive control of tracking reference model output is proposed.The simulation results show the effectiveness of the scheme. KEY WORDS general plant model;tracking reference output;fuzzy adaptive control;technological curve expert system