毕业设计（论文）-基于PID控制器的中频烧结机温度控制系统设计.doc

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1、毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 基于基于 PIDPID 控制器的中频烧结机控制器的中频烧结机 温度控制系统设计温度控制系统设计 学生姓名： 学 号： 0615013114 所在系部：电气信息系 专业班级：06 自动化（1） 指导教师： 日 期：二一年六月 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学 院工程技术学院指导教师职 称副教授 学生姓名专业班级 06 自动化 （1） 学 号 0615013114 论文题目基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 论 文 内 容 目 标 及 进 度 要 求 一、设计内容：一、设计内容： 针对中频烧结机的工作特性和控制要求，使用 PI

2、D 控制器，设计一中频烧结机的 控制系统。包括系统硬件设计；软件流程设计；写出设计说明书（论文） 。 二、目标和要求：二、目标和要求： 1、掌握 PID 控制技术的结构原理及设计方法，掌握数据采集、数据处理、数据传递 等功能实现的设计方法，提高实际设计和查阅相关资料的能力。 2、根据设计规范和要求，采用 PID 控制技术，完成烧结过程温度控制设计；设计重 点内容为：烧结机温度检测及控制等功能实现的原理及方法。 3、画出系统硬件结构图，确定所用硬件的规格型号，阐明各部分的功能和原理； 4、编写相关应用程序的流程图，并作说明； 5、阐述设计应用远景；给出设计实验结果。完成设计论文工作。 三、设计进

3、度安排：三、设计进度安排： 1 4 周：收集相关资料，调查研究国内外 PID 控制技术的发展和应用情况，了 解中频烧结机的运行方法，进一步的学习相关理论知识；完成开题报告； 5 7 周：初步方案的确定与设计；画出系统整体框架图； 7 10 周：选择并确定系统硬件规格型号；确定设计参数； 1013 周：编写应用程序流程；分析软硬件，编写设计说明书； 1314 周：修改并完善毕业设计，编写设计说明书； 1415 周：完成系统总体设计（论文） 。答辩 指导教师签名：赵熙临 2010 年 1 月 15 日 系 部 审 核 此表由指导教师填写 由所在系部审核 毕业设计（论文）学生开题报告毕业设计（论文）

4、学生开题报告 课题名称基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 课题类型实践应用类指导教师赵熙临 学生姓名姜晓曦学 号 0615013114 专业班级 06 自动化 （1） 本课题的研究现状、研究目的及意义 烧结机适用于大型黑色冶金 烧结厂的烧结作业， 烧结就是将含铁原料、燃料、溶剂等， 按比例配在一起，经过混均制粒，加水润湿后铺在烧结设备上，从上向下进行点火烧结，点 火的同时烧结机下边开始抽风，混合矿中的燃料从上到下的进行燃烧的同时，将易融物质融 化润湿难融物质，液体逐渐冷却将难融物质粘在一起，这个过程直到烧结机宣告结束。得到 的块状物体叫烧结矿，也叫人造富矿。 中频炉是一种将工频

5、50HZ 交流电转变为中频（ 300HZ 以上至 20K HZ）的电源装置，把 三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感 应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金 属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即金属自 身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中 频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是 圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流 的强弱就能实现。如果圆柱体放

6、在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热 和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。 我们所要设计的中频烧结机就是使用中频炉的加热原理，由于中频感应加热的原理为电 磁感应，其热量在铁矿石内自身产生，用中频烧结机进行烧结工作能更有效的利用能量，节 约电能，在能源危机越发严重的今天，烧结机设备能量的利用率将对该设备的前景有着深远 的影响。另外，该加热方式还有众多有点，比如熔化升温快、炉温容易控制、生产效率高 、 炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好。 本课题所设计的温度控制系统是使用PID 控制器对中频烧结机的工作过程中温度变化 做到精确控制， PID（比例积分微分）英文全称为Propor

7、tion Integration Differentiation，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工 程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID 控制器产品，各大公司均开发了具有PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调 整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现，成熟的 PID 控制仪表为我们温度控制 系统的设计带来了很多方便。 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。近日，中国金 属学会组织科技成果评价会，对首自信公司与首钢京唐公司合作完成的“550烧结

8、机智 能闭环控制系统 ”项目给予了 “国际领先”的高度评价 。 成功的设计出 基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统将具有深远意义，不仅能给予烧 结机炉专业工人舒适的工作环境，烧结本身也是个高耗能、高污染的生产过程，更先进的温 度控制系统在节能环保方面也当大有作为，另外，烧结机对烧结过程的优化也将促进钢铁产 能的提升。 本课题的研究内容 烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备，中频烧结机使用中频电磁感应原理加热，电磁 感应过程中电流的大小将决定电磁感应产生热量的多少，对电磁感应过程中电流进行PID 控制可以对中频烧结机的工作过程中温度变化进行控制。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史

9、，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方 便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确 的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和 现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对 象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。 PID 控制， 实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出 控制量进行控制的。比例（ P）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

10、系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。在 积分（I）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 （System with Steady-state Error） 。在微分（D）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（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑 制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。 使用温度传感器，将烧结机中的温度作为控制参数

11、传递给PID 控制器，然后由 PID 控制 器使用正确的算法进行精确的控制，这样，烧结机的每一点温度变化都能得到准确及时的测 量及控制。 本课题研究的实施方案、进度安排 1 4 周：收集相关资料，调查研究国内外 PID 控制技术的发展和应用情况，了解中频烧结 机的运行方法，进一步的学习相关理论知识；完成开题报告； 5 7 周：初步方案的确定与设计；画出系统整体框架图； 7 10 周：选择并确定系统硬件规格型号；确定设计参数； 1013 周：编写应用程序流程；分析软硬件，编写设计说明书； 1314 周：修改并完善毕业设计，编写设计说明书； 1415 周：完成系统总体设计（论文） 。答辩。 已查阅

12、的主要参考文献 1张惠宁，烧结设计手册M.北京：冶金工业出版社，1990. 2贾艳，李文兴，铁矿石烧结生产M. 北京：冶金工业出版社，2006. 3傅菊英,姜涛.烧结球团学M.长沙：中南工业大学出版社 1996. 4黄友锐，曲立国. PID 控制器参数整定与实现M.北京：科学出版社，2008. 5陶永华，尹怡欣，葛芦生编著.新型 PID 控制及其应用M.北京:机械工业出版社,1998. 6田淑珍，S7-200 PLC 原理及应用M.北京：机械工业出版社，2009. 7高鸿斌、赫孟合. 西门子 PLC 与工业控制网络应用M,电子工业出版社，2006. 8王永华，现代电气控制及 PLC 应用技术M

13、.北京：北京航空航天大学出版社，2008. 9黄柱深，黄超麟.基于 PLC 的高精度温度控制系统M.广州:广东省机械研究所,2006. 10张扬.S7-200PLC 原理与应用系统设计M.北京：机械工业出版社，2007. 11肖宝兴.西门子 S7-200PLC 的使用经验和技巧M.北京：机械工业出版社，2008. 12张伟林.电气控制与 PLC 综合应用技术M. 北京：人民邮电出版社，2009. 13郑凤翼，郑丹丹. PLC 控制系统梯形图和语句表M. 北京：人民邮电出版社，2006. 14赵继文,何玉森.传感器与应用电路设计M.北京:科学出版社,2002. 15王家祯.调节器与执行器M.北京

14、:清华大学出版社，2001. 16徐学峰.传感器变送器测控仪表大全M.北京:机械工业出版社，1998. 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 毕毕业业设设计计（论论文文）学学生生申申请请答答辩辩表表 课 题 名 称基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 指导教师(职称)赵熙临（副教授） 申 请 理 由 本人已修完本科四年各专业课程的学习，并完成毕业论文，特申 请本科毕业答辩 学生所在系部电气信息系专业班级 06 自动化 （1） 学号 061501311 4 学生签名： 日期： 毕业设计（论文）指导教师评审表毕业设计（论文）指导教师评审表 序号评分项目（理工类）满分评分 1工作量

15、15 2文献阅读与外文翻译 10 3技术水平与实际能力 25 4研究成果基础理论与专业知识 25 5文字表达 10 6学习态度与规范要求 15 总 分100 评 语 （是否同意参加答辩）是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日 毕业设计（论文）评阅人评审表毕业设计（论文）评阅人评审表 学生姓名姜晓曦专业班级 06 自动化 （1） 学号 0615013 114 设计(论文)题目基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 评阅人 评阅人职 称 序号评分项目（理工类）满分评分 1工作量 15 2文献阅读与外文翻译 10 3技术水平与实际能力 25 4研究成

16、果基础理论与专业知识 25 5文字表达 10 6学习态度与规范要求 15 总 分100 评 语 评阅人签名： 年 月 日 毕业设计（论文）答辩表毕业设计（论文）答辩表 学生姓名姜晓曦专业班级 06 自动化 （1） 学 号 0615013114 设计(论文)题目基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 序号评审项目指 标满分 评 分 1 报告内容 思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验 方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。 40 2 报告过程准备工作充分,时间符合要求。 10 3 创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 10 4 答 辩 回答问题有理论依据，基本概念清

17、楚。主要问题回答准 确，深入。 40 总 分 100 答 辩 组 评 语 答辩组组长（签字）： 年 月 日 答辩 委员会 意见 答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日 毕业设计（论文）答辩记录表毕业设计（论文）答辩记录表 学生姓名姜晓曦专业班级 06 自动化 （1） 学号 061501311 4 设计(论文)题目基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 答辩时间答辩地点 答辩委员会名单 问题： 问题 1 提问人： 回答（要点）： 问题： 问题 2 提问人： 回答（要点）： 问题： 问题 3 提问人： 回答（要点）： 记录人签名 问题： 问题 4 提问人： 回答（要点）： 问题： 问题

18、5 提问人： 回答（要点）： 问题： 问题 6 提问人： 回答（要点）： 问题： 问题 7 提问人： 回答（要点）： 问题： 问题 8 提问人： 回答（要点）： 记录人签名 毕业设计（论文）成绩评定总表毕业设计（论文）成绩评定总表 学生姓名：姜晓曦 专业班级：06 自动化（1） 毕业设计（论文）题目：基于 PID 控制器的中频烧结机温度控制系统设计 注：成绩评定由指导教师、评阅人和答辩组分别给分(以百分记)，最后按“优(90-100)” 、 “良 (80-89)” 、 “中(70-79)” 、 “及格(60-69)” 、 “不及格(60 以下)”评定等级。其中，指导教师评 定成绩占 40%，评

19、阅人评定成绩占 20%，答辩组评定成绩占 40%。 成绩类别成绩评定 指导教师评定成绩 评阅人评定成绩 答辩组评定成绩 总评成绩 40%+20%+40% 评定等级 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留 并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的

20、复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 楼宇空调监控系统设计楼宇空调监控系统设计 学生姓名： 姜晓曦 学 号： 0615013114 所在系部：电气信息系 专业班级：06 自动化（1） 指导教师：赵熙临 副教授 日 期：二一年六月 Based on PID

21、 controller IF sintering temperature control system design By Jiang Xiaoxi June 2010 i 摘摘 要要 烧结机适用于大型黑色冶金烧结厂的烧结作业，可将不同成份，不同粒度的精矿粉， 富矿粉烧结成块，并部分消除矿石中所含的硫，磷等有害杂质。利用中频炉加热技术的 中频烧结机与传统的冷矿带式烧结机相比,前者具有加热速度快、生产效率高、无污染、 低耗能等做多有点。 可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计 算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期 连续工作

22、的特点，非常适合温度控制的要求。 本文主要介绍了基于西门子公司 S7-200 系列的可编程控制器的炉温控制系统的设计 方案。编程时调用了编程软件 STEP 7 -Micro WIN 中自带的 PID 控制模块，使得程序更 为简洁，运行速度更为理想。 关键词： 中频烧结机 温度控制 PID 控制器 可编程控制器 ii AbstractAbstract Sintering machine is suitable for large-scale black metallurgy sintering plant, it is the main equipment of the sintering pr

23、ocess that could sinter different ingredients and different particle size of ore or rich ore into pieces, and partially remove sulfur contained in ore, phosphorus and other harmful impurities. Comparing the IF sintering machine with the technology of IF furnace heating and the traditional cold belt-

24、type sintering machine, the former has a fast heating, high efficiency, no pollution, low energy consumption and so do many advantages. Programmable controller is a very wide application of automatic control device, it combines traditional relay control technology, computer technology and communicat

25、ion technology together. With the characteristics of control capability, flexible and convenient operation, high reliability, suitable for long-term continuous work, it is ideal for temperature control requirements. This paper mainly introduces the design plan of the furnace temperature control syst

26、em of the programmable controller based on Siemens Company S7-200 series. During the programming when has transferred the PID control module which is contented in the programming software STEP 7 - Micro WIN, it makes the procedure even more succinct and the running speed even more ideal. Keywords: I

27、F sintering machine Temperature control PID controller PLC iii 目目 录录 摘摘 要要 i AbstractAbstract ii 1 1 引言引言 1 1.1 项目背景和意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 项目研究内容.4 1.4 整体方案设计.5 2 2 烧结机及烧结机及 PIDPID 控制器基础控制器基础 6 2.1 中频烧结机和烧结工艺流程.6 2.1.1 中频烧结机介绍 .6 2.1.2 烧结工艺流程 .6 2.2 PID 控制器选择 .8 2.2.1 PID 控制器介绍8 2.2.2 使用 PLC 进行 PID

28、 控制 .9 3 3 PLCPLC 控制系统硬件设计控制系统硬件设计11 3.1 PLC 选型 12 3.1.1 PLC 型号的选择.12 3.1.2 S7-200 CPU 的选择12 3.2 PLC 的控制系统硬件配置 12 3.2.1 EM231 模拟量输入模块.12 3.2.2 热电式传感器 14 3.3 I/O 点分配及电气连接图 15 3.4 控制系统数学模型的建立16 3.5 PID 控制及参数整定 17 4 4 PLCPLC 控制系统软件设计控制系统软件设计19 4.1 PLC 程序设计方法 19 4.2 编程软件 STEP7-MICRO/WIN 概述20 4.2.1 STEP7

29、-Micro/WIN 简单介绍.20 4.2.2 梯形图语言特点 21 4.2.3 STEP7-Micro/WIN 参数设置（通讯设置）.22 4.3 程序设计24 4.3.1 设计思路 24 4.3.2 控制程序流程图 24 iv 4.3.3 梯形图程序 25 4.3.4 PID 指令向导的运用.28 4.3.5 语句表（STL）程序 .32 总总 结结 34 致致 谢谢 35 参考文献参考文献 36 1 1 1 引言引言 1.1 项目背景和意义 烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备，目前，随着市场竞争的加剧，钢铁工业设 备向大型化发展，对高炉炼铁生产技术指标要求日益提高的提高，主要依靠入炉原

30、料性 质的改善，烧结矿是我国高炉的主要入炉料，因此，保证和提高烧结矿的质量，是保证 钢铁工业稳定发展的重要手段。 目前国内外通用的烧结设备冷矿带式烧结机，冷矿带式烧结机存在着实收率低、能 耗大、原料浪费严重、运行效率低等缺点。总的来说，普遍有下列原因:冷却风机尾气 温度高，带走大量的热量;烧结不完全，热损失大;鼓风量大，烟气含氧量大;操作水平 不高，负荷变化大，温度变化不稳定。实践表明，温度的波动会影响烧结矿的还原性和 强度，导致焦比升高，生铁产量下降。因此，对烧结机的温度控制技术的提高就意味着 生产技术的提高。然而，由于烧结机温度受到复杂的工况、多变的参数的影响，以及运 行惯性大、控制滞后，

31、它对控制调节器要求极高。 铁矿石烧结本身是一个复杂的工业过程，涉及温度、速度、压力等众多物理参数， 包括物理、化学、液相等反应。烧结过程具有非线性、强藕合、大时滞的特点，精确的 数学模型难以建立，采用传统的控制方式，无法达到良好的控制效果。目前，大量采用 的是智能控制的方式。 近年来，国内外对温度控制器的研究进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机 技术的发展，温度控制器的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器， 如:职能化 PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好,可广泛应用于温度控 制系统及企业相关设备的技术改造服务。 在恒温控制中，由于 PID 技术的成熟以及控制结

32、构的简单，参数容易调整而受到众 多工程技术人员的青睐。而本文也将采用成熟的 PID 控制器可编程逻辑控制器 PLC 对中频烧结机温度进行控制。 1.2 国内外研究现状 目前，学术界所研究出的控制算法很多，但其中许多算法仍只停留在计算机仿真或 实验验证上，能有效地应用在工业过程中的仍为数不多。工业过程控制中常采用的方法 2 主要有:以古典控制理论为主要基础的 PID 控制方法，以现代控制理论为主要基础的自 适应控制和预测控制等方法以及神经网络控制、模糊控制等智能控制方法。下面介绍几 种有效应用于工业过程中己得到工程界认可的控制算法。 （1）PID 控制 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，

33、由于具有原理简单，适应性强，鲁棒性 强，易于操作等优点，而被广泛应用于工业过程控制中。常规 PID 控制器作为一种线性 控制器，按照偏差的比例(P-Proportional)、积分(I-Integral)和微分(D-Derivative) 的线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 对于不同的被控对象只要适当地整定 PID 的三个参数，就可以获得满意的控制效果， 实际上是对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷。大量的事实证明，传统的 PID 控 制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制结果。但是在实际生产现场 中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，PID 控制器的参数往往整定不良而使

34、其控制效 果欠佳，并且当对象特性变化较大时，需重新整定参数，以保证系统的性能。传统 PID 控制一般只适用于线性时不变空间，对难以建模且无法取得传递函数的系统难以适用。 现代控制理论、智能控制的研究和应用的发展为控制复杂过程系统开辟了新途径。 近年来，为适应复杂的工况和高指标的控制要求，采用改进的 PID 算法或将 PID 算法与 其它算法进行有机结合，出现了 PID 控制器参数的自整定技术以及许多新型的 PID 控 制方式，如:预测控制、自适应控制、神经网络控制等多种技术结合的 PID 控制方式， 具有传统 PID 及现代控制理论、智能控制理论技术的多重特点，对于复杂对象的控制效 果远远超过

35、常规的 PID 控制。 （2）预侧控制 预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结 合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界的广 泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明 它是一种开放式的控制策略，体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想 方法。目前多变量预测控制获得了成功的应用，DCS 厂家及软件公司己有专用软件问世。 预测控制仍在不断的发展中，将预测控制思想和方法推广到广义控制问题是重要的研究 方向之一。 (3)自适应控制 3 在实际工业过程中，很多被控对象的数学模型会随着工况和环境

36、条件的改变而改变， 变化规律事先往往并不知道。如采用参数与结构固定不变的控制器，控制系统的性能会 不断恶化，为此设计一种特殊的控制系统，能自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号 方面非预知的变化，这就是自适应控制系统。采用自适应控制系统来适应时变的过程， 是辨识与控制的结合，通过不断地测量系统的状态、性能或参数，从而“认识”或“掌 握”系统当前的运行指标并与期望的指标相比较，进而作出决策以改变控制器的结构、 参数或根据自适应律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或接近最优 状态。 从理论研究的角度看，比较成熟的自适应控制系统分三类: a、自整定调节器及其它 简单自适应控制器;b、模型

37、参考自适应控制系统。c、自校正控制系统。从实际应用的 角度看，自适应控制己经遍及到航天航空、冶金、机械及机器人等各种领域，在生活和 生产中发挥了巨大作用。自适应控制系统本质是一种非线性的系统，常常兼有随机和时 变等多种特征，内部机理也相当复杂，分析十分困难。至今仍然有许多待进一步解决的 问题，系统的稳定性、鲁棒性和算法的收敛性等重要问题特别在参数估计方面的研究成 果与人们的期望还相差甚远。对于对象特性或扰动特性变化范围很大，又要求保持高性 能指标的系统，采用自适应控制是合适的。但自适应控制比常规控制复杂，成本也高， 只在常规反馈控制达不到期望的性能时，才考虑采用自适应控制，其广泛应用仍将遇到

38、许多困难。 (4)神经网络控制 人工神经网络,主要是从结构和实现机理方面或从功能上对生物神经网络的一种模拟 和近似，使其具有学习、识别、控制等生物神经网络的某些功能。基本的工作原理为: 由结点、有向并加权的链组成的神经网络构成知识表达方式，通过输入激活神经网络的 初始结点，网络中各连接权的权值决定了后续结点的激活，进而逐步传播到最外层的结 点，并把它作为输出。这种方法的本质在于提供了一种非线性静态映射，能以任意精度 逼近任意给定的非线性关系，在对象或环境变化时，通过自动修改权值，使其输出接近 或达到期望值。 一个神经网络的特性及能力主要取决于网络的拓扑结构及学习方法。常用于控制系 统中的两种网

39、络结构为前馈网络和反馈网络。前馈网络如单层、多层感知网络和 BP 网 络等，主要用于分类、拟合、预测等问题。反馈网络如离散或连续的 Hopfield 网络、 4 Boltzmann 机等，主要用于实现联想记忆和优化计算。学习方法是修正神经元之间连接 强度或加权系数的算法，使获得的知识结构适应周围环境的变化。可分为有监督学习和 无监督学习。神经网络在控制系统中的应用多种多样，典型的主要有:神经网络监督控 制、神经网络自适应控制、神经网络直接逆控制、神经网络内模控制以及神经网络预测 控制等。 (5)模糊控制 模糊控制是智能控制的一个重要分支，其主要思想是把现场操作人员的经验知识等 逻辑规则的语言表

40、达转化为相关的控制量，在建立专家“知识”的基础上，模仿人的思 维过程，通过对模糊信息采用“不精确推理” ，可有效地处理控制系统中的不精确和不 确定性，解决许多复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题。模糊控制的研究发展 经历了“理论-应用-理论”的交替热潮过程。自 1965 年 Zadeh 教授创建模糊集合论和 1974 年 Mamdani 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制器被广泛应 用于热交换过程控制、污水处理过程控制、交通路口控制以及汽车速度控制等多种典型 场合，取得了良好的控制效果，生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机，充分展示了模 糊控制技术的应用前景。近几十年来，模

41、糊控制研究及技术产品已经在经济、医学尤其 是工业应用及民用方面取得了巨大的发展。 然而，不同于传统控制技术，模糊控制理论的发展似乎落后于模糊控制应用的发展， 缺乏常规控制理论指导是阻碍模糊控制理论发展的一个重要因素，如模糊控制器的系统 化设计方法、稳定性分析及其非线性逼近能力等问题都有待于进一步深入探索和研究。 另外，为解决模糊控制对信息的简单模糊处理而导致的系统控制精度降低和动态品质变 差问题，目前混合模糊控制的思想已引起广泛重视，如模糊 PID 控制、自校正模糊控制 器、模糊专家系统、模糊神经网络控制等。 1.3 项目研究内容 烧结机是属于生产人造富矿的烧结设备，中频烧结机使用中频电磁感应

42、原理加热， 电磁感应过程中电流的大小将决定电磁感应产生热量的多少，对电磁感应过程中电流进 行 PID 控制可以对中频烧结机的工作过程中温度变化进行控制。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调 整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得 不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必 5 须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解 一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控 制技术。PID 控制，实际中也有

43、PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用 比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）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 （Steady-state error） 。在积分（I）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（System with Steady-state Error） 。在微分（D）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

44、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（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变 化。 使用温度传感器，将烧结机中的温度作为控制参数传递给 PID 控制器，然后由 PID 控制器使用正确的算法进行精确的控制，这样，烧结机的每一点温度变化都能得到准确 及时的测量及控制。 1.4 整体方案设计 烧结机温度控制系统是以西门子公司的 S7-200 系列 PLC 控制器为控制核心。整个 系统硬件部分包括温度检测系统、A/D 转换、PLC、控制执行系统等。温度传感器将检测 到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字量信号

45、并送到 PLC 中进 行 PID 调节，PID 控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制中频烧结机加热的 通断来实现对中频烧结机温度的控制。整个系统分为两个部分： （1）控制系统硬件设计。 在掌握了可编程控制器（PLC）的组成、工作原理以及充分了解被控对象的基础上， 选择了西门子 S7-200 系列 PLC CPU226 为控制器，热电式传感器作为温度检测传感器， 再加上固态继电器和烤炉组成了温度控制系统。根据硬件连接图完成控制系统实际的硬 件连接。 （2）控制系统软件设计。 认真学习 PLC 的功能指令，在掌握系统硬件工作过程的基础上画出控制程序流程图， 然后利用编程软件 STEP7-M

46、icro/WIN 编写了梯形图程序。编程时应用了编程软件自带 6 的 PID 指令向导模块，使得程序结构简单，更容易理解。 7 2 2 烧结机及烧结机及 PIDPID 控制器基础控制器基础 2.1 中频烧结机和烧结工艺流程 2.1.1 中频烧结机介绍 中频烧结机就是利用中频加热原理，对贫矿石进行加热烧结，制造烧结矿的设 备。烧结机适用于大型黑色冶金 烧结厂的烧结作业，它是抽风烧结过程中的主体设 备，可将不同成份，不同粒度的精矿粉，富矿粉烧结成块，并部分消除矿石中所含的 硫，磷等有害杂质。烧结机按烧结面积划分为不同长度不同宽度几种规格，烧结面积 越大，产量就越高 。 中频炉是一种将工频 50HZ

47、 交流电转变为中频（ 300HZ 以上至 20KHZ）的电源装 置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供 给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切 割感应圈里盛放的金属材料，在金 属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中 频电流的一些性质，即 金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。 例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线 圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化， 而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体 放在线

48、圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害 气体、强光污染环境。 中频炉加热装置具有体积小，重量轻、效率高、热加工质量优及有利环境等优 点正迅速淘汰燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。 2.1.2 烧结工艺流程 烧结生产工艺流程由原料的接受，贮存和中和，溶剂、燃料的破碎、筛分，配料 ，混合料的制备，烧结，烧结产成品的处理以及烧结过程的除尘等环节。原料厂 按贫矿粉、富精粉、溶剂按不比例混合，然后送混料机进行二次混匀和造球，由皮 带运输机送到烧结机混料仓，完成供料工艺。铺底料装置先把底料（原块矿，粒度为 10-20mm）均匀的铺在台车的篦条上，混好

49、的料由布料器对 底料进行点火烧结，从 8 台车上的烧结矿翻到单辊破碎机进行破碎。通过漏斗溜到设在下层平台的热振动筛 中进行筛分， 5mm 的合格烧结矿通过溜槽溜到储矿槽，供 高炉使用。5mm 的粉 矿，通过配料皮带机进行重新配料，烧结过程产生的废气，除尘器除尘后，经风机抽 入烟囱，排入大气。 系统功能： 1. 配料系统：配料系统由配料仓、圆盘给矿机、配料皮带机等组成。用装载机 将精矿粉、富矿粉、燃料、熔剂、返矿等物料装入配料室料仓内，通过圆盘给矿机将 以上物料按要求比例，送到配料皮带机上，由皮带机将物料运至圆筒混料机进行混匀 造球。 2. 混料制粒系统：混料系统一般由二次混合完成，一次混合主要是将从配料室 来的各种物料混合均匀，再用皮带机送至二次混合造球，二次混合的目的主要