（控制理论与控制工程专业论文）大型台车式电阻炉预测模糊温度控制系统.pdf

ab s t r a c t abstract t h e b i g l a g g i n g , n o n - l i n e a r a n d t i m e - v a ry i n g u s u a l l y a p p e a r s s e r i o u s l y i n t h e p r o c e s s o f h e a t t r e a t m e n t , a n d t h e l a r g e b o g i e - h e a r th r e s i s t a n c e f u rna c e h a s m o r e c h a r a c t e r s s u c h a s s t r o n g c o u p l i n g , d i s t u r b a n c e o f t e m p e r a t u r e fi e l d b e c a u s e o f it s l a r g e h e a t i n g s p a c e . s o i t b r i n g s g r e a t d i ff i c u l t i e s f o r t e m p e r a t u r e c o n t r o l . t h e r e f o r e , i t i s s o i m p o rt a n t t o h a v e a s u c c e s s f u l s o l u t i o n t o c o n t r o l t h e f u r n a c e t e m p e r a t u r e . f ir s t l y , t h e p a p e r c o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e s t h e p r e s e n t s it u a t i o n , d e v e l o p m e n t t r e n d s a n d p r o b l e m s a b o u t t h e a p p l i c a t i o n o f t e m p e r a t u r e c o n t r o l o f l a r g e b o g i e - h e a r t h r e s i s t a n c e f u r n a c e . s e c o n d l y , a c c o r d i n g t o t h e p r o b l e m s s y s t e m o f mi mo , t h e t i m e o f l a r g e l a g a n d g r e a t c o u p l i n g , a k i n d m e t h o d o f c o m b i n i n g p r e d i c t i v e c o n t r o l a n d fu z z y c o n t r o l i s g i v e n . t h a t i s , u s e t h e f u z z y c o n t r o l u n i t a s a n a s s i s t a n t u n it t o o p t i m i z e a n d c o m p e n s a t e t h e c l o s e d l o o p i n t h e b as i s o f g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l . t h e s i m u l i n k s h o w s t h a t t h e p r e d i c t i v e a n d f u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m h a v e a s a t i s f y i n g c o n t r o l f u n c t i o n t o c o n t r o l t h e m i mo , p u r e l a g a n d g r e a t c o u p l i n g s y s t e m . a c c o r d i n g t o t h e r e q u e s t o f h e a t t r e a t m e n t , a b o g i e - h e a r t h r e s i s t a n c e f u rn a c e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m w as g i v e n t h e f u n c t i o n o f t e s t , c o n t r o l a n d m a n a g e b as e d o n fi e l d b u s t e c h n o l o g y . t h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f t w o l a y e r s o f c o m p u t e r c o n t r o l s t r u c t u r e , b asi c a u t o m a t i o n i s c o m p l e t e d t o c o n t r o l t h e a c t i o n o f b o g i e a n d p o w e r c a r r i a g e , l i ft a n d s e a l o f s a n d s i e v e g r a d i n g a n d f ii m a c e s g a t e妙 s i m e n p l c . s u p e r v i s o r i s m a d e 叩w it h i n d u s t r i a l c o m p u t e r fr o m y a n h u a c o r p o r a t i o n o f t a i w a n , a n d f u l f i l l s m a n y f u n c t i o n s s u c h as c o n fi g u r a t i o n , s u p e r v i s i o n , a l a r m , t a b l e , e t c . t h e s o ft w a r e o f t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m i s o p e r a t e d s i m p l y w i t h in t u i t i o n i s t i c m e n u ， g o o d c o n t r o l l i n g e ff e c t ,a n d w it h t h e c h a r a c t e r i s t i c o f a c t i v e p i c t u r e s , h i g h a d j u s t a b i l ity , h i g h r e l i a b i l i ty , a n d h i g h s t a b i l ity . t h e p r o d u c t i o n o f t h e p a p e r f o l l o w s : t h e k e y t e c h n i c a l p r o b l e m i s s e tt l e d s u c c e s s f u ll y in t h e p r o c e s s o f m a n u f a c t u r i n g g r e a t h e a t t r e a t m e n t e q u i p m e n t b y d e s i g n i n g t h e l a r g e b o g i e - h e a r t h r e s i s t a n c e f u r n a c e , t h e d e v e l o p m e n t o f h e a t t re a t m e n t t e c h n i c s r e q u i r in g h i g h t e m p e r a t u r e as y m m e t ry a n d p r e c i s i o n i s f u rt h e r e d , ab s t r a c t t h e q u a l i ty o f p r e s s v e s s e l a n d s o o n i s g r e a t l y i m p r o v e d ,p r o d u c t i o n a u t o m a t i o n i s p r o mo t e d i n h e a t t r e a t me n t m a c h i n i n g i n d u s t ry , a n d t h e m a t u r e t e c h n o l o g y a n d t h e r e l i a b i l i t y r u n n i n g e x p e r i e n c e o f t h e d e v i c e c a n g i v e s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e f o r m a n u f a c t u r i n g g r e a t h e a t t r e a t m e n t e q u i p m e n t a n d a l t e r a t i o n . k e y w o r d s : b o g i e - h e a rt h r e s i s t a n c e f u rn a c e , p r e d i c t i v e c o n t r o l , t r e a t me n t c o n t r o l , h e a t 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已 经发表 或撰写 过的研究成果， 也不包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 储 签 名 (手 写 ):补 妙字 日 期 : -2,1g7 年 。 月 /) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大檬有关保留、使 用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人 授权南昌大学可以 将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库 进行检索， 可以 采用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ): 升 枷 pd导 师 签 名 (手 写 ): 、 ， 签 字 日 期 : “ 夕 年 ” ) 日签 字 日 期 : “一 夕 年 “ a , 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 电话: 邮编: 第 i 章 引言 第 1 章 引言 1 . 1课题来源 本课题是根据中 石化南京化学工业有限公司 ， 1 7 m x 5 m x 5 . 5 m ”台车式电 阻炉招标技术要求和经济合同而设计制造的大型热处理设备计算机温度控制系 统，由南昌大学信息工程学院自 动化系实施。该电阻炉是一期项目“ 1 5 m x 5 m x5 . 5 m ”电阻炉成功运行的推广和拓展，于2 0 0 6 年完成，并获得用户的好评。 中石化南京化学工业有限公司创建于 1 9 3 4 年， 在 1 9 9 8 年国家重大产业重 组中成为中国石化集团成员单位，其所属化工机械厂( 简称南化机) 是我国第一 台高压容器的 “ 故乡” ，是原化学工业部制造化肥、化工、石油化工等大型装置 的专业化生产企业。多年来，该厂一直致力于我国化肥、化工、石油化工等行 业的大型装置的国产化，现又被中国石化集团公司确认为重大装备国产化制造 基地、检修服务基地和石油化工机械出口基地。该厂的专业主导产品之一一压 力容器，而确保该产品质量的技术关键就是热处理。台车式电阻炉作为压力容 器热处理的主要热加工设备，其炉体结构与控温精度直接影响产品的质量.同 时为了顺应大型化和超大型化压力容器的热加工处理要求，台车式电阻炉也正 朝着大型的 方向 发展。 该厂审时 度势、 顺应时代的需求， 在2 0 0 4 年投资制造“ 1 5 m x5 m x 5 . 5 m ”台车式电阻炉并成功运行一年多之后，随着定单数量的增加，为 了满足热处理项目 的需求，该厂于2 0 0 6 年将厂内一旧电阻炉改造成效率更高， 控制精度更高， 用户操作更加方便的“ 1 7 m x 5 m x 5 . 5 m ”电阻炉。 1 . 2课题简介 该电阻炉控制系统原由上海某大学研制，采用常规的 p i d控制策略。由于 电阻炉工作空间大、强祸合等特点，随着控制工艺日 渐提高，电阻炉日 渐陈旧， 该系统己经不能满足工艺要求。针对南化机提出的工艺要求，南昌大学对该电 阻炉控制系统进行了 改造。该电阻炉最高工作温度为9 0 0 *c ，工作区尺寸为1 7 m x 5 m x 5 . 5 m ( 长x宽x 高) ，全纤维节能电加热炉，总安装功率 4 5 0 0 k w ，最大装 第 1 章 引言 料 2 5 0吨，与传统的大型台车式电阻炉相比，该电阻炉由 于是改造炉，密封性 能较差，并且工作空间大、工作温度高、安装功率大，为国内目 前最大的中高 温台车式电阻炉。 电阻炉工作包括开炉、加工热处理和停炉三个阶段。其中: 开炉:将所处理的工件放在台车上，由台车将工件运送到炉膛，然后炉门 闭合，侧砂封密封，台车尾部密封，并接上台车电源使电 炉进入加温状态; 加工热处理:工件按照预定工艺温度曲线进行加热，保温，降温的热处理 过程; 停炉:关闭计算机控制系统，停止加热，使侧砂封下降、电源车脱离、后 墙密封上升，使炉门放松、炉门上升、台车开出，出料，台车返回炉膛，炉门 下降。 本课题研究电阻炉加热、保温、降温阶段温度的自 动控制，实现工件按给 定的工艺曲线自动进行热处理。 1 . 3本文的主要研究内容和方法 本文主要任务是研究设计出一套性能良 好的温度控制系统 ( 硬件构成和软 件实现)，实现大型全纤维台车式电阻炉温度的自 动控制，满足工艺要求。主 要研究内容及方法如下: ( 1 )由 于该改造电阻炉加热空间大、密封性能差，大加热工件的热惯性等 原因，加热过程中呈现出大纯滞后、非线性、强祸合的特点.根据这些特点， 研究和制定智能控制策略。 ( 2 )根据工艺要求，结合计算机控制理论提出系统方案设计。主要包括: 硬件元器件的选型、系统软件平台的选择、系统总体结构的组成等。 ( 3 )根据所确定的控制策略，基于组态软件一组态王 6 . 5 1平台开发设计 出智能控制器，以满足工艺要求。 ( 4 )结合用户需求设计软件监控程序，并进行软件与硬件的联合调试，并 对系统进行检测和优化，使系统达到设计目 标。 ( 5 ) 到现场调试运行， 并根据现场运行情况完善系统， 最后交付用户使用. 第2 章 课题背景及发展趋势 第2 章 课题背景及发展趋势 2 . 1课题背景 中石化南京化学工业有限公司其专业产品大型反应罐，为确保其产品质量， 最基本的一点是消除应力。通常的做法是采用焊后热处理( p o s t -w e l d h e a t t r e a t m e n t ，简称 p w h t ) ， 也称去应力退火。 热处理是保证工件性能的重要工艺 过程，它对工件的制造精度、强度、工作寿命、性能有着直接的影响。 进行热处理时，首先要确定热处理装置一 加热装置。加热装置的选用主要从 三个方面进行考虑: 热处理部件的结构特点。能够控制被加热部分所要求 的温度。加热时对被加热件不产生有害影响。本课题考虑到该设备是为解决 大型反应罐的退火、正火、调质及固溶处理工艺，其加工工件之大，重量之重， 故采用大型台车式电阻炉。 2 . 1 . 1电阻炉简介 炉子是综合应用燃烧学、燃烧技术、传热学、热力学、流体力学、耐火材 料学、电工学、材料力学等技术制造并使用的设备。所以，难于按某个统一要 求将炉子进行分类，从不同角度有不同的分类。 按热源分为直接加热和间接加热。其中:电加热中的直接加热是直接将电 流通过被加热件，间接加热是将电流产生的热能传给被加热件。 根据加热方式分为电阻加热，红外线加热、电弧加热、感应加热、电介质 加热、微波加热、电 子束加热和等离子加热等。 其中用于工业炉的主要为电阻加热，电弧加热、感应加热、等离子加热。 本课题研究电阻炉。 2 、电阻炉的 种类 电阻炉按功能分: 倾斜式台车炉 主要适用中型、小型零件的淬火处理，如不锈钢的固溶处理、碳钢淬水处 理等。 第2 章 课题背景及发展趋势 井式电阻炉 适合细长类 ( 轴)零件的退火、回火、正火处理，也可满足一般调质工艺 要求。电炉采用立式结构，外层钢板，内用型钢支撑，保温材料采用耐火砖和 保温砖。炉盖的开启方式多样，大型电炉可采用机械方式两边对开，中小型采 用单臂液压顶升，向一侧旋开。低温炉炉盖上一般安装一台循环风机。炉内加 热元件可采用螺旋形电阻丝搁在搁丝砖上，也可采用电阻带吊挂式挂在炉壁。 柑祸熔化炉 本系列柑祸熔化电阻炉的炉壳是由型钢及钢板焊接的，耐火砖的炉衬与炉 壳之间砌有保温砖及填满保温粉，由高电阻合金丝烧成螺旋状的加热元件布置 在炉衬周围的搁砖上，柑祸由耐热钢铸成。 炉面板上装有两个半园形可灵活开 闭的炉盖，炉温控制的是加热器部分温度。 双体增祸熔铝保温炉 双体柑祸熔铝炉主要是为铝合金铸造行业度身定做的，能实现一个柑拐熔 炼另一个增祸浇铸。实现了熔炼与保温浇铸一体化，双增竭一炉身，加热元件 采用电阻丝，保温材料是耐火砖，温度控制采用双套仪表，双套电器元件一个 控制柜。 并式气体渗碳炉 井式气氛渗碳炉现己形成系列标准产品，最高使用温度 9 5 0 0c ，功率从 2 5 k w - - 1 0 5 k w ，炉罐、装料筐材料有二种，一般采用耐热铸钢，高级的可采用耐 热钢板焊接面成。炉顶部有一台轴流风机，有机液滴注装置也装在顶部，炉盖 上下运动是靠液压油缸实现的，炉盖打开后可吊入工件，炉罐与炉盖之间的用 石棉盘根 ( 现也有用耐火纤维盘根)密封。 网带式保护气氛退火/ 钎焊炉 温网带式电炉的最高使用温度可达 1 1 0 0 。 适用不锈钢的淬火。 退火处理。 处理后工件不氧化、不变色。适合小零件的光亮热处理。 箱式电炉 r x系列箱式电阻炉系周期式电炉。主要用于金属或合金钢件在空气中加热 及淬火之用。炉门 升降 采用手动， 一般常用温度有9 5 0 0c , 1 2 0 0 1c , 1 3 0 0 等。 台车式电阻炉 该电炉主要可供大型零件进行退火、正火、回火、淬火处理，对要求不高 的零件有时也可满足调质工艺需要。电炉外壳为碳钢，内采用轻质耐火材料砌 第2 章 课题背景及发展趋势 制。下面小车可安放工件，台车工作时进入炉体，淬火时可电动开出。减轻了 劳动强度。 2 . 1 . 2全纤维台车式电阻炉介绍 台车式电阻炉是借助台车移动实现进出料的间接加热设备。加热前台车在 炉外装料，加热时台车传动机构将台车拉入炉内，加热后由台车传动机构将台 车拉出炉外卸料，使用灵活、方便，且工人的劳动强度低，是大件集中加热的 一种理想炉型。高温全纤维台车电阻炉的主要特点:采用轻型炉衬结构即高铝 耐火纤维针刺毯及普通耐火纤维针刺复合材料，炉子的蓄热及散热损失少，升 温速度快，节能效果显著。 2 . 1 . 3大型全纤维台车式电阻炉介绍 大型高温台车式电阻炉为全纤维结构，通过对纤维的二次加工和在加工过 程中预埋紧固件，以及加热器挂条采用冷端固定等方法，做到了全纤维炉炉衬 无钢制短路件，充分发挥了全纤维的特点，大大减少了炉子的热损失。 台车热面安装了厚度仅6 毫米的新颖炉底板，比传统炉底板节约材料4 / 5 . 炉底瓦楞形通风式的设计，使台车上1 5 0 0 k w 的加热器功率充分散发到炉膛中， 减少了 热屏敝，大大提高了热效率。 电源小车和炉体密封的独特设计，解决了台车炉电源接触不良和热态下热 伸长引起的起弧问题，保证了台车炉的密封，使台车炉运行稳定、安全可靠。 2 . 2台车式电阻炉温度控制现状及发展趋势 热处理工艺对热处理温度实时控制的要求使所设计的控制器应具有较强的 跟踪伺服信号的能力及良 好的稳态性能，平稳的动态性能。即要求温度控制系 统能够满意地跟踪设定的温度曲线。 p i d 控制器由于其工作稳定、 可靠性高、 鲁棒性强、且易于接受， 在电阻炉 温度控制系统中得到了普遍的采用。但是，本课题的电阻炉温度控制系统是大 空间，密封性差、多输入多输出、强祸合的系统。对于这样的系统，根据南化 机多年的运行经验和有关文献报道，常规的p i d 控制难以获得满意的控制效果。 第z 章 课题背景及发展趋势 为了适应复杂的电阻炉温度控制系统，满足越来越高的控制要求，已有不 少学者研究了一些先进控制策略，实现了许多相对复杂的高级控制算法。 文献 u针对热处理电阻炉炉温的 精确与平稳控制，简介了 用p i d算法及经 典模糊控制算法的使用结果与缺陷，在此基础上给出一种用于控制滞后系统的 预报式模糊控制算法，并将此算法作了 适合电阻炉特性的改进。通过对比三种 算法的温度控制结果，验证了新算法的有效性。 文献1z ， 介绍基于模糊神经网络的电阻炉炉温智能控制系统， 该系统将人工 智能中的神经网络控制技术和模糊控制技术结合， 采用闭环控制方式实现对炉 温的自 动控制。其特点是: 用神经网络代替传统的模糊控制器的隶属函数和权值， 实现了模糊规则的自 动更新。实践证明， 该控制系统对无法取得数学模型或数学 模型相当粗糙的系统可以取得满意的控制效果，与传统的 p i d炉温控制系统相 比， 该系统具有控制精度高、速度快、控制质量可靠、稳定等优点。 文献3 ， 对目 前常用的模糊推理方法:“ 最小 一最大 一重心法” 进行分析， 提出了 “ 代数积一和一重心法”、 “ 强制积一最大一重心法”等新的模糊推理 方法，用几种模糊推理方法对电阻炉进行温度控制，表明新的模糊推理方法具 有较好的控制效果。 文献4 1 提出了一种基于l m 优化算法的神经网 络偏差补偿预测控制， 对预测 偏差进行及时补偿校正 ， 并以电加热炉为模型进行实验研究。仿真结果表明， 该控制算法不仅能够较好地控制非线性系统 ， 具有良 好的跟踪性能 ， 而且系统 的快速性得到很大的提高。 文献5 1 针对一类具有大滞后及模型慢时变的温度控制系统， 提出了 一种自 适应预测控制方案。并以煤气罩式退火炉为例， 建立了该过程的数学模型， 提出 了有煤气压力干扰补偿方案。仿真结果表明， 该方法增强了系统的跟踪性及鲁棒 性。 文献16 1 以中小型锅炉为工业背景， 深入研究了 预测控制的理论， 提出了广义 预测控制算法，实现对锅炉燃烧的计算机控制。实践证明，该算法取得了良 好 的控制效果。 文献171 提出 在一 种在线修改 遗忘因 子的 模糊辨识方 法的 基础上，以 工 业电 炉为控制对象，通过在线辨识模糊模型获得模糊控制规则，实现了模糊自 适应 控制。实践表明，采用该方法，有效地改善了控制系统的性能，提高了系统的 鲁棒性。 第2 章 课题背景及发展趋势 文献ca l 以 具 有大滞 后、 大惯性和严重非线 性的 工业电阻 炉作为 被控对象， 提 出了将预测控制与模糊控制相结合的控制方法。实践证明，该算法获得了较满 意的控制效果。 以上几种控制系统均以中小型电阻炉为研究对象，针对该类对象具有大滞 后、参数时变、非线性的特点，提出了预测控制的思想，并做了仿真实验，有 的己在实际的控制系统中得到了应用，且效果良 好。本课题的研究对象为大型 台车式改造电阻炉，除了 上述特点，还有空间大，密封性差等特点，因此使用 单纯的一种控制方法难以 达到良 好的控制效果。考虑到基于参数模型的广义预 测控制是在广义最小方差控制的基础上，在优化中引入多步预测的思想，抗负 载扰动和抗滞后的能力显著，并对过程参数时变的系统，易于在线估计参数， 实现自适应控制;模糊控制则具有不依赖于系统模型及鲁棒性强的优点，故本 文提出了将广义预测控制与模糊控制相结合的控制策略，该控制方案能够取长 补短，发挥两种控制算法各自的优势。 第 3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 3 . 1引言 1 9 8 5 年 c l a r k e 等人提出的广义预测控制作为一种优化控制算法，其优点是 抗干扰、抗时变、抗滞后能力显著，并可以直接处理多变量过程的控制问 题， 另外采用受控自回归滑动平均 ( c a r i m a - c o n tr o l- r e g r e s s i v e i n t e g r a t e d m o v i n g - a v e r a g e ) 模型， 可以 消除系统的 静态误差。 但是 将广义 预测 控制应用于 复杂的电阻炉温度控制系统时，为了获得良好的跟踪特性，常常需要增加控制 域长，从而大大增加了算法的复杂程度及在线计算时间，这样就会严重影响电 阻炉温度控制系统的适应性和实时性。如能引入模糊控制算法，既简化预测控 制的控制域长，减少计算量又不会影响系统的跟踪性能，以达到预测控制与模 糊控制相结合的最优控制效果，这便是本章所要研究的问题。 3 . 2预测模糊控制产生的背景 3 . 2 . 1预测控制概述 1 、预测控制的产生、发展及现状 自从美国数学家维纳四十年代创立控制理论以来，自动控制理论经历了经典控 制理论和现代控制理论两个重要发展阶段。 经典控制理论的主要特点是:线性定常对象、单输入单输出、完成给定任 务。经典控制理论在解决广泛的控制问题上是很有效的，并且己为广大从事自 动控制的工程技术人员所掌握。它的广泛应用给人类带来了巨大的社会和经济 效益。它导致了自 动化技术的诞生和发展。但是，经典控制理论也存在很大的 局限性，很多问题，单纯依赖经典控制理论是无法解决的。例如非线性的、时 变的、或者分布参数系统的控制问题，对系统本身或周围环境的不确定因素的 适应控制问题，多输入多输出的分析与综合问题，以及实现控制的某种目 标函 数意义下的最优化问题等等。 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 正是因为经典控制理论有种种局限性，加上现代数学和计算机技术的成就 为控制理论的发展提供了强有力的工具支持， 在6 0年代初期逐渐形成了现代控 制理论。 “ 现代控制理论”这一名称是在 1 9 6 0年召开的美国自动化大会上确定 下来的.现代控制论形成的标志是卡尔曼系统地把状态空间法引入到系统和控 制理论中。 现代控制论中 重要的理 论主要有p o n t ri a g i n的极大值原 理、 b e l l m a n 的动态规划以及wi e n e r 和k a l m a n的滤波理论、能控性和能观测性理论等.正 是他们在这些理论上的突破性成果奠定了现代控制理论的基础，并成为控制理 论由经典控制理论发展到现代控制理论的里程碑。现代控制理论自出现以来， 在航天、航空、化工等领域都取得了辉煌的成果。利用状态空间法分析和设计 系统，提高了人们对被控对象的洞察能力， 提供了在更高层次上设计控制系统 的手段。特别是，立足于最优性能指标的设计理论和方法己 趋成熟，这对于在 工业过程中追求更高控制质量和经济效益的控制工程师来说，无疑具有极大的 吸引力.特别是最优控制如 l q g等的理论发展己 经比较完善，这其中己 经取得 了许多很漂亮的结果，主要的有当时域取为无穷大时可保证闭环系统的稳定性， 并且对于稳定裕度有一些定量的描述。数学和计算机科学的发展不仅使新的控 制理论的应用成为可能，而且也促使控制理论朝着结合使用计算机的方向上发 展，它们为控制学科注入了新的活力，使人们对系统对象的描述和分析手段多 样化、精细化。 然而， 在现代工业中占有重要地位的大量过程，具有规模庞大、结构复杂、 对象与环境不确定、信息不完全等特点，并有各种实际的约束和综合的要求。 使得以 精确数学模型为基础，立足最优性能指标且许多算法较为复杂的现代控 制理论难以有效地应用于复杂的工业过程。基于精确模型的最优控制并不能完 全应付上述种种实际问题，因此在实际应用中，大量使用的还是传统的结构简 单的p i d调节器。但是，随着对于市场竞争的日 益激烈，对于工艺的要求越来 越严格，由于自 身结构的限制，p i d控制器常常无法达到高质量的控制，尤其 是对于经常遇见的具有强烈祸合作用的多变量系统，多回路 p i d控制很难达到 令人满意的效果。 为了克服理论与实际应用之间的不协调性，自7 0年代以来， 人们一方面为 了提高数学模型的精确程度及考虑不确定性因素的影响加强了对系统辨识、工 业过程的建模、自 适应控制、鲁棒控制等方面的研究，另一方面开始突破传统 控制思想的约束，试图面向实际工业过程的特点，研究发展对模型要求低、在 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 线计算简单方便、实时性好、控制效果佳的控制新算法。加上计算机技术的飞 速发展，也为新控制策略提供了良 好的运行平台和基础。在这样的背景下，预 测控制应运而生。 预测控制技术最初由r i c h a l e t和 c u t l e r提出。由于预测控制是从工业实践 过程中发展起来的，最大限度的结合了工业实际的要求，综合效果好，因而引 起了工业控制界和理论学术界的广泛兴趣和关注，已经在理论和应用方面取得 了显著的进展。各种新型的预测控制算法不断产生并得到发展。 一般来说，可以将现有的预测控制算法分为两大类: 第一类， 基于非参数化模型的模型预测控制 ( m o d e l p r e d i c t i v e c o n t r o l 简称 m p c ) 。主要代表是 r i c h a le t ( 1 9 7 8 )提出的建立在脉冲响应模型基础上的模型 预测启发控制 ( mo d e l p r e d i c t i v e h e u r i s t i c c o n t r o l，简称w h o、或模型算法 控制( m o d e l a l g o r it h m i c c o n t r o l 简称m a c )，c u t l e r ( 1 9 8 0 ) 等提出 的建 立在 阶 跃响 应模型 基础上的 动态矩阵 控制( d y n a m i c m a t r i x c o n t r o l ， 简 称d m c ) 。 这 类预测控制方法的特点是:脉冲响应和阶跃响应在工业现场易于获得，不再需 要复杂的系统辨识建模;采用反馈校正基础上的在线滚动优化取代传统最优控 制:因而可以克服各种不确定性的影响，增强控制的鲁棒性，而且在线计算简 单。因此这类算法很适合于实际工业过程的控制需要，很快引起了广泛兴趣并 得到大量成功应用。 第二类，基于参数化模型的预测控制，主要有c l a r k e ( 1 9 8 7 ) 提出的广义预 测控制 ( g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o l ，简称g p c ) 和l e l i c ( 1 9 8 7 ) 提出的广义 预测极点配置控制 ( g e n e r a l iz e d p o l e s p l a c e m e n t s c o n t r o l ，简称g p p ) 。这类算 法保持了mp c算法的基本特征， 但采用的模型是受控自 回归积分滑动平均模型 ( c o n t r o ll e d a u t o r e g r e s s iv e i n t e gr a t e d m o v i n g a v e r a g e m o d e l 简 称c a r im a ) 或受 控自 回归 滑 动平 均 模型( c o n t r o l le d a u t o r e gr e s s i v e m o v in g a v e r a g e m o d e l , 简称 c a r m a ) 。在 8 0年代初期，人们在自 适应控制理论研究的过程中，为了 增强自适应控制系统的鲁棒性，在广义最小方差基础上，汲取预测控制中的多 步预测优化策略，而出现了基于辨识受控参数模型且带有自 适应控制或为增加 系统稳定性而配置极点的预测控制算法。由于将自适应机制与预测控制相结合， 因而可及时修正参数变化产生的预测模型的预测误差，从而改善系统的动态性 能。同m a c和d m c一样， g p c在工业过程控制中也获得了 大量成功应用。 随着众多学者的研究，预测控制的各个分支己经有了一些初步的统一。近 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 年来，国内外对预测控制的研究和应用日 趋广泛。 从1 9 8 4年起， 每年的美国控 制年会 ( a c c )上都有关于预测控制的专题组。1 9 8 7年召开的第 1 0届国际自 控联 ( i f a c )世界大会上，专题讨论了预测控制及其应用，被认为是特别吸引 人的两个专题讨论之一。 1 9 8 8年， i f a c又组织了以预测控制为主题的“ 基于模 型的过程控制”工作讨论会。关于预测控制及其应用的文献越来越多地出现在 各种控制杂志和会议上。特别在过程控制界，己把预测控制作为当前过程控制 的发展方向之一。此外，包含有预测控制的多变量优化控制算法己在国外许多 大公司得到应用。在我国，近年来也有许多单位开展了预测控制的研究，取得 了不少新的成果，并在工业过程中获得了初步成功的应用。这些事实表明，预 测控制已成为当前控制理论界和工业控制界十分关注的一个热门课题。在某种 程度上可以说，预测控制己经成为了先进控制的代名词。 2 、预测控制的基本原理和实施步骤 预测控制是以计算机为实现手段的一种控制算法。因此一般应采用离散控 制算法。尽管其算法各异，但都应建立在如下三个基本原理基础上。 预测模型 预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。预测模型 的功能是根据对象的过去信息和未来输人预测其未来输出，即展示系统未来的 动态行为。由于这里只强调模型的功能而不强调其结构，因此预测模型是多种 多样的。如状态方程、传递函数这类传统的模型都可作为预测模型。对于线性 稳定对象，甚至阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型，也可作为预测模型。此 外，非线性系统、分布参数系统的模型，只要具备上述功能，也可在对这类系 统进行预测控制时作为预测模型使用。值得注意的是，随着各种新技术和新方 法在控制理论中的不断应用，采用诸如模式识别、人工智能、人工神经网络和 模糊逻辑系统等手段来建立高精度的预测模型，特别对非线性系统将是一条很 有效的途径。 滚动优化 预测控制是一种优化控制算法， 它是通过使某一性能指标达到最优来确定 未来的控制作用的。这一性能指标涉及到系统未来的行为， 例如，通常可取被 控对象输出在未来的采样点上跟踪某一期望轨迹的方差为最小，但也可取更广 泛的形式，如要求控制能量为最小而同时保持在某一给定范围内等等。性能指 标中涉及到的系统未来行为，是根据预测模型由未来的控制策略决定的。值得 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 一提的是，预测控制中的优化和传统意义上的离散最优控制有很大的区别.预 测控制中的优化是一种有限时段的滚动优化，在每一采样时刻，优化性能指标 只涉及到从该时刻起未来有限的时间，而到下一采样时刻，这一优化时段同时 向前推移。因此，预测控制不是用一个对全局相同的优化性能指标，而是在每 一时刻有一个相对于该时刻的优化性能指标。不同时刻优化性能指标的相对形 式是一样的，但其绝对形式，即所包含的时间区域是不同的。因此，预测控制 中，优化不是一次离线进行，而是反复在线进行，这就是滚动优化的含义，也 是预测控制区别于传统最优控制的根本点所在。 反馈校正 预测控制是一种闭环控制算法，在通过优化确定了一系列未来的控制作用 后，为了防止模型失配或环境干扰引起控制对理想状态的偏离，它通常不是把 这些控制作用逐一全部实施，而只是实现当前时刻的控制作用。到下一采样时 刻，则首先检测对象的实际输出，并利用这一实时信息对基于模型的预测进行 修正。然后再进行新的优化。反馈校正的形式是多样的，可以在保持预测模型 不变的基础上， 对未来的误差做出预测并加以补偿 ( 如m a c 和d m c )， 也可以采 用在线辨识的原理直接修改预测模型 ( 如 g p o。但不论采用何种校正方式，预 测控制总是把优化建立在实际系统的基础上，并力图在优化时对系统的未来动 态行为做出较准确的预测。因此，预测控制中的优化不仅基于模型，而且利用 了反馈信息，因而构成了闭环优化。 预测控制的实施步骤如下: 第一步:根据预测棋型预测未来n ( 预测时域)步的系统输出， y ( t + k l t ) ( k = 1 , 2 ， 二 ，n ) ; 第二步:优化性能指标函数，计算当前及未来的控制输入序列 u ( t + 1 l t ) ( 1 = 1 , 2 , . . ., n u ) ; 其中n u 为控制时 域; 第三步:取控制序列的当前值作用于系统; 第四步:返回第一步。 3 、多变量系统的预测控制研究 工业过程通常是有祸合的多变量系统，因而产生于过程控制的预测控制从 一开始就被推广到多变量系统 ( mi mo ) o p i d算法对多变量控制常常无能为力， 因而正好要预测控制去弥补。多变量、多目标、多速率、多约束构成了预测控 制中的重要内容。近十年来，对于线性多变量广义预测控制己开展了研究，并 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊温度控制策略研究 取得了一些重要成果.从原理上说，预测控制的设计可以平行推广到mi mo系 统， 如m g p c。 s c a t o l in i 93 得到了m g p c 的闭 环方 程， 并 且对 于开 环稳 定的 方系 统，在 n=1时，给出了预测时域和控制增量加权阵的选取办法，以保证闭环 稳定性。m o h t a d i 利用根轨迹、主增益评价 mg p c的稳定性和动态特性，显示 了设计参数对闭环的影响，并给出一系列启发性的参数调整规则。 k o u v a ri t a k i d s lo 等 采用 非常 简单的 方 法 把s g p c推 广到m s g p c. 但是在实际工业过程中，系统的多个环节之间有着较强的祸合，只简单套 用s i s o控制算法， 很难使每一个回路的输出都得到满意的控制效果， 并且计算 过程也相当复杂，因此有必要对g p c控制器进行解祸设计。 .对g p c的解祸， 虽然可以 通过合适选择二次目 标函 数中的加权项来实现 i t ， 但这样一来各个变 量跟踪设定 值的 性能 变 坏。 k o u v a r i t a k i s (1 2 1 等分别采用增益相 位分解法和单 值分 解 法， 把m i m o系 统 转 化为 一组s i s o 系统分别 设 计。 柴天 佑 13 3 用在 线修正目 标中前馈加权的方法结 合最小二乘法， 对预测控制实现了 近似解祸。 文献 闲针 对不同通道间的不同响应特性，分别设计控制参数，但是这种方法对控制对象 的模型要求极高，不适合实际应用。从一般性角度来看，能够完全实现各个回 路精确解祸的 预测控制算法是极难设计的。 而本文结合文献叫和 is 推导出 一种 多变量广义预测控制( mg p c )算法， 它特有的隐式解祸功能可以有效地克服传 统分散控制、解祸控制的烦琐和缺陷。 3 . 2 . 2模糊控制概述 从1 9 6 5 年美国著名控制论学者l .a . z a d e h 发表开创性的论文，首次提出了 一种完全不同于传统数学与控制理论的模糊集合理论，到1 9 8 6 年世界上第一块 基于模糊逻辑的人工智能芯片在著名的贝尔实验室研制成功，其间只经历了短 短的2 0 年。 这一事实就足以说明 模糊系统理论这门新兴的学科具有强劲的生命 力和令人鼓舞的应用前景。 模糊理论之所以能在信息时代获得如此迅速的发展，是由于它提供了一种 新的富有魅力的数学 工具与手段，主要具有以 下三个优点 le a 其一，模糊理论给出了一套表现自 然语义的理论与方法，使自 然语言能够 转化成机器可以 “ 理解”和接受的东西，提高了机器的灵活性。 第3 章 电阻炉多变量广义预测模糊派度控制策略研究 其二，模糊理论给出了模糊逻辑和近似推理的理论和方法，用简洁的软、 硬件可以使机器变 “ 聪明” ，智能化程度更高。己经实现的家电模糊控制产品和 工业模糊控制系统等都证实了这一点。 其三，模糊理论比一般的数学理论应用更广，除自 然科学和工程技术领域 外，它将为社会、经济、哲学、心理、教育、管理等人文科学提供数学描述的 语言和工具，将有力地促进这些学科的发展。 在已过去的3 0 多年里，以模糊控制理论为基础发展起来的模糊控制己经为 将人的控制经验及推理过程纳入自动控制策略之中提供了一条简捷的途径。模 糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系 统扩展。从己实现的控制系统来看，它具有易于掌握、 输出量连续、可靠性高、 能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。除经典的模糊控制己在许多方 面取得了一大批有实际意义的成果外，人们目前也相当重视经典模糊控制系统 稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应、专家模糊控制、神经模糊控制 与多变量模糊控制理论与设计方法的研究。特别是针对复杂系统的自 学习与参 数( 或规则) 自 调整模糊