摘 要

温度是加热炉在工业生产过程中的一个重要指标，其控制品质的优劣直接影响能耗成本和产物质量。因此，温度控制在加热炉工业生产控制领域中具有十分重要的意义，控制系统要求也越来越高。

本文针对工业加热炉模型参数未知、温控系统滞后、时变等特点，且常规PID控制对其难以进行良好的控制作用，设计了一种基于二维模糊控制器与改进过的可调PID控制器相联结的自适应PID控制器,并且能对不同温区进行分段控制的仿真温度控制系统。本系统开发环境为Matlab集成开发软件，通过对预设模型加入白噪声模拟现场干扰得到数据进行参数辨识，根据偏差和偏差变化率以及模糊推理实现在线整定PID参数，并设计了Matlab GUI图形化系统对仿真模型进行控制，方便进行参数调整和控制效果查看。通过仿真波形可以得知，本课题所设计的自适应PID控制器动态性能和适应性均有所提高，使加热炉温控系统升温慢、有超调等问题得到改善。

关键词：加热炉 温度控制 模糊控制 自适应PID

Design and implementation of an adaptive PID thermostat for large time delay heating furnace

Abstract

Temperature is an important indicator of heating furnace in industrial production process, and its control performance directly impacts energy consumption cost and quality of product. Therefore, temperature control is of great significance in the field of industrial control of heating furnaces, and the requirements of control systems are also increasing.

In this paper, the parameters of the industrial heating furnace are unknown, the temperature control system is lagging, time-varying, etc., and the conventional PID control is difficult to control. Designed a two-dimensional fuzzy controller and improved adjustable PID. It is an adaptive PID controller and can simulate the temperature control system and achieved segmentation control in different temperature zones. The system development environment is Matlab integrated development software. By adding white noise to the preset model to obtain the data to identify the parameters, the PID parameters are adjusted online under the deviation and deviation change rate and fuzzy reasoning, and the Matlab GUI graphical system is designed. The simulation model is controlled to facilitate parameter adjustment and control effect viewing. According to the simulation waveform, it is found that the dynamic performance and adaptability of the adaptive PID controller designed by this subject are improved, and the problems of slow heating and overshoot in the the heating furnace temperature control system are improved.

Keywords: Heating Furnace; Temperature Control; Fuzzy Control; Adaptive PID

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 1

1.2.1 国内外研究现状 1

1.2.2 发展趋势 2

1.3 控制系统问题分析 3

1.3.1 炉温控制目前存在的问题 3

1.3.2 系统滞后原因分析 3

1.4 文章组织结构 4

第二章 大滞后加热炉温度控制策略分析 5

2.1 加热炉特性分析 5

2.2 被控对象数学模型分析 5

2.3 PID控制分析 6

2.3.1 PID控制原理简介 6

2.3.2 不同P\I\D\PI\PD\PID控制组合作用分析 7

2.4 常规PID控制与自适应PID控制性能比较 11

2.4.1 常规PID控制 11

2.4.2 自适应PID控制 11

2.5 控制策略介绍 11

2.5.1 模糊自适应PID控制 11

2.5.2 分段控制 12

2.6 本章小结 12

第三章 模糊自适应PID控制器的实现 13

3.1 模糊控制理论 13

3.1.1 模糊控制原理 13

3.1.2 模糊控制系统结构 13

3.2 模糊自适应PID控制器的设计 14

3.2.1 模糊自适应PID控制原理 14

3.2.2 模糊变量及模糊子集的确定 15

3.2.3 隶属度函数的确定 16

3.2.4 PID参数自整定原则 17

3.2.5 模糊控制规则表的确定 17

3.2.6 控制参数计算 18

3.3 本章小结 18

第四章 大时滞加热炉温度控制系统的Matlab仿真与GUI设计 19

4.1 仿真控制工具简介 19

4.2 计算机仿真系统的实现 19

4.2.1 数学模型辨识 20

4.2.2 模糊控制器的实现 22

4.2.3 Simulink模型搭建与仿真对比 23

4.2.4 大滞后系统控制结论分析 25

4.2.5 GUI实现仿真控制 26

4.3 本章小结 28

第五章 总结与展望 29

5.1总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

附 录 33

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

现如今，加热炉在我国乃至全世界的工业生产过程中应用都非常广泛，它的产物品质和能耗度显得尤为重要，其中，在钢铁产业中工业加热炉能源消耗占其所有能耗的60%～70%^[1]。且温度是最直接影响产物品质和能耗度的指标，在一定范围内严格把控好工业生产现场的炉温，是产品质量及安全生产的重要保证，还能有效的降低加热炉的能源消耗，提高经济效益。因此温度控制系统控制性能的优劣在加热炉工业控制领域中具有至关重要的作用^[2]。在实际工业生产过程中，由于现场环境比较恶劣，影响加热炉运行效果的因素众多，导致本来就难以稳定控制的炉温增加了许多现场的干扰，温度调节更为复杂^[3]。又因为工业加热炉具有保温性好、升温慢、测温时滞严重、保温材料损坏时变等特点，难以建立准确的数学模型。所以炉温控制系统的控制难度愈发加大、控制品质变差、延迟时间增大，系统就越难以稳定^[4]。

针对温度控制，传统方法一般使用常规PID调节器，其结构简单易用，只需通过调节比例（P）、积分（I）与微分（D）三个参数就可实现对温度的控制^[5]。但由于大滞后加热炉温控系统容易出现超调，若想抑制超调则只能设置较小的比例和积分增益，这使得升温时间加长。对此应用常规PID控制器难以确定控制性能较好的参数，且常规PID参数一旦计算好之后，在整个系统运行中不能改变，适应性极差。而在工业生产过程中，控制参数并不是一成不变的，现场人员无法对具有大惯性、大时滞的系统进行快速合理的PID控制器参数整定，就很可能导致加热炉温控系统的控制效果变差。

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