摘 要

时滞现象广泛存在于各工业生产物流过程中，因其对控制量输出的延迟，常引起系统振荡，趋于失稳，严重时更会造成发散，影响控制品质。常规PID控制虽然方法简单成熟，但是抗扰动性和鲁棒性较差，不适合于大时滞、非线性、时变的控制系统，而模糊控制在与PID控制结合后，构成模糊自适应PID控制，实现两者优势互补，解决了存在的问题，控制效果良好。乙苯脱氢制苯乙烯属于典型的时滞工业生产物流过程，由蒸汽过热炉控制的脱氢反应温度对苯乙烯产率具有重大影响。为提高市场竞争力，开发盈利空间，需要革新温度控制策略，引入先进控制或智能控制。

本文以充分的文献阅读和相关资料学习为基石，首先明晰乙苯脱氢制苯乙烯的工艺流程，并建立其温度控制系统框图和数学模型，接着按照相应步骤，确定系统输入输出的模糊状态及论域、建立模糊控制规则等，设计合适的模糊自适应PID控制器，引入模糊控制思想，实时对PID参数在线调整，然后使用MATLAB软件构建模糊逻辑规则库，完整的蒸汽过热炉温度控制系统由Simulink模块构建，最后与常规PID进行仿真对比，结合不同参数调整，包括时间常数、时滞常数和增益，对各性能指标和控制品质做出详细分析。

仿真分析结果表明，模糊自适应PID控制较之常规PID控制，阶跃响应时，上升时间、调节时间更短，超调量、稳态误差更小；在外部干扰条件下，受影响更小，抗干扰能力强；参数变化时，振荡变化小，鲁棒性更好。本次课题研究，旨在为时滞生产控制提供一种新思路，提出的模糊自适应PID控制具有一定理论和实际的参考价值。

关键词：时滞生产；乙苯脱氢；模糊自适应；PID控制；仿真分析

Abstract

The phenomenon of time delay is widespread in various industrial logistics processes. Due to the delay in output control, it often leads control systems to be oscillation and unstable, even diverge, which influence control quality. The conventional PID control is simple and mature but lack of disturbance rejection and robustness, not suitable for large time delay, nonlinear, time-varying control systems. However, the fuzzy self-adaptive PID control, consisting of the fuzzy control and the PID control, complements each other and solves the existing problems with good control effect. Ethylene dehydrogenation to styrene is a typical time delay industrial logistics process; the dehydrogenation reaction temperature controlled by steam superheater has a significant effect on the yield of styrene. To enhance market competitiveness and develop profit space, innovating temperature control strategy and introducing advanced control or intelligent control are required.

This paper takes full literature reading and the relevant information learning as the cornerstone. First clear the process flow of ethylene dehydrogenation to styrene, and establish its temperature control system block diagram and mathematical model. And then follow the steps to determine the fuzzy state and the domain of discourse, the appropriate fuzzy PID self-adaptive controller is designed, which introduced fuzzy control theory to adjust the PID parameters on-line in real time. Next use MATLAB software to build the fuzzy logic rule base and the full steam superheater temperature control system is built by Simulink modules. Finally, combining with different parameter adjustments including the time constant, the time delay constant and the gain，the designed one compares with the conventional PID simulation to make a detailed analysis of the various performance indexes and the quality of control.

The simulation results show that the fuzzy self-adaptive PID control’ step response compared to the conventional PID control’s has shorter rise time and settling time and smaller overshoot and steady state error; under the conditions of external interference, the former is affected less with strong anti-interference ability; while the parameters modify, there are small changes in the former’s oscillation with better robustness. The research aims to provide a new idea for the time delay production control and the fuzzy self-adaptive PID control proposed has made some theoretical and practical reference value.

Key words: Time delay production; ethylene dehydrogenation; fuzzy self-adaptive; PID control; simulation and analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 时滞系统概述 1

1.2.1 时滞系统定义 1

1.2.2 含纯滞后环节的传递函数 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 基本内容和技术方案 5

1.4.1 基本内容 5

1.4.2 技术方案 6

第2章 乙苯脱氢制苯乙烯生产工艺及建模 7

2.1 苯乙烯供需现状分析 7

2.2 乙苯脱氢制苯乙烯生产技术简介 8

2.3 苯乙烯生产工艺流程 9

2.4 控制系统框图的建立 11

2.5 数学模型的建立 12

2.6 本章小结 12

第3章 温控系统模糊自适应PID控制器的设计 13

3.1 PID控制的基本结构 13

3.2 模糊自适应PID控制器结构 14

3.2.1 定义系统输入输出量的模糊状态及论域 15

3.2.2 模糊规则表的建立 16

3.2.3 模糊推理的实现 17

3.2.4 解模糊化 17

3.2.5 量化因子和比例因子的确定 18

3.3 模糊自适应PID控制算法流程图 19

3.4 本章小结 20

第4章 蒸汽过热炉温控系统MATLAB仿真设计 21

4.1 MATLAB简介 21

4.2 PID控制初始参数设计 21

4.3 模糊控制器的设计 21

4.4 创建Simulink仿真框图 27

4.5 本章小结 28

第5章 控制系统仿真结果分析 29

5.1 系统阶跃响应 29

5.2 抗干扰能力 30

5.3 模型参数改变 31

5.3.1 时滞参数τ变化 31

5.3.2 时间常数T变化 32

5.3.3 增益K发生变化 33

5.4 经济可行性分析 35

5.5 本章小结 35

第6章 结论与展望 36

6.1 结论 36

6.2 展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

近现代科学技术的革新和发展，在推动工业生产方式和效益日新月异的同时，也使得控制问题日趋复杂，其中许多被控系统的时滞、非线性、时变性等情况十分严重。

时滞现象广泛存在于物流、电厂、冶金、化工、炼油、航天制造、废水处理等复杂工业过程中，其原因归咎于现实系统中设备装置的物理性质、变量的检测以及信号的采集、传递和处理等因素和进程造成输出响应相对于输入时间的滞后现象^[1]，譬如物流系统中传送带输送物料的运行过程。若时滞时间较小时，通常忽略所带来的影响，一旦时滞时间过大，引起了超调量增加、振荡加剧、调节时间延长以至于发散等问题，导致系统的动态特性变差，系统设计和控制的难度骤增，则必须采取方法措施进行调控。

乙苯脱氢制苯乙烯生产过程中蒸汽过热炉的温度控制就是典型的时滞系统^[2]。因为传统的PID控制器存在系统抗干扰能力弱，在时滞系统中鲁棒性差等问题^[3]；而普通模糊控制虽然一定程度上避免了常规控制的短处，但精度不高，控制品质差强人意^[4]。目前主要将模糊PID控制方法用于蒸汽过热炉温度控制。