控制工程大作業(yè)1

1、 電加熱爐溫度控制系統性能的 MATLAB仿真專 業(yè)：班 級： 姓 名：學 號：指導教師： 完成日期：目 錄緒 論.11 電加熱爐溫度控制系統的發(fā)展概況及操作方案.211 引言.212 溫度控制系統的發(fā)展概況.213 模糊控制在電加熱爐溫度控制中的應用.41. 4 控制要求.615 主要內容和方案.6151 主要內容.6152 實驗方案.7153 系統的主要控制功能.72 系統的硬件設計.721 系統的結構.722 元部件選取與設計.8221 溫度檢測元件.8222 PEC7000模塊.9223 單相交流調壓模塊.93 系統抗干擾措施.104 PID控制器的設計及MATLAB仿真.1141 引

2、言.1142 常規(guī)PID控制簡介.12421 PID控制器的結構和原理.12422 控制器參數對控制性能的影響.12423 數字PI D控制器.1343 基本模糊控制器.13431 引言.13432 精確量的模糊化.14433 模糊推理.16434 輸出信息的清晰化.1744 模糊PID控制器的設計.1845 系統模型的建立.2046 PID控制器性能的研究及MATLAB仿真.20461 慣性時間常數T的影晌. .20462 滯后時間的影響. .21結 論.22參考文獻緒論溫度控制系統在國內各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等

3、先進國家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應一般溫度系統控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。隨著我國經濟的發(fā)展及加入WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應用為主的新技術革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應用已經滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統的溫度采集方法不僅費時費

4、力，而且精度差，單片機的出現使得溫度的采集和數據處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數據采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統的控制方式以不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于他主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經網絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得

5、簡便，而且使產品的質量更好，降低了產品的成本，提高了生產效率。本系統所使用的加熱器件是電爐絲，功率為三千瓦，要求溫度在4001000。靜態(tài)控制精度為2.43。 本設計使用單片機作為核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數字、智能化方面有廣泛的用途。本系統使用8031單片機，使溫度控制大為簡便。1 電加熱爐溫度控制系統的發(fā)展概況及操作方案11 引言 電加熱爐是熱處理生產中應用最廣的加熱設備，通過布置在爐內的電阻絲將電能轉化為熱能，借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。通常可用以下模型定性描述： (11)式中：X

6、電加熱爐內溫升(指爐內溫度與室溫溫差) K放大系數 純滯后時間 t加熱時間 T時間系數 V控制電壓 在實際熱處理中，K、T、等參數隨被加熱材料的導熱率、裝入量以及加熱溫度等因素變化。 在控制領域中，溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域。根據不同的目的，將材料及其制什加熱到適宜的溫度并保溫，隨后用不同的方法冷卻，改變其內部組織，以獲得所要求的性能。這不僅需要準確控制工件的加熱溫度，有時還需要控制不同加熱溫度下的持續(xù)時間。加熱過程的設定必須滿足不同的被加熱材料、不同的裝爐量、不同的放置方式以及不同的加熱功率等條件。 電加熱爐溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后的特點。其升溫單向性是由于電加熱爐的

7、升溫保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當其溫度一旦超調，就無法單純用控制手段使其降溫。這種很大的不確定性使得電加熱爐在加熱過程中很難全面考慮各種因素的影響，準確控制加熱過程。傳統的繼電器調溫電路簡單實用，但由十繼電器動作頻繁，可能會因觸點不良而影響正常工作。近年來提出改進的電路，采用辛回路無觸點控制，克服繼電器接觸不良的缺點，且維修方便，缺點是溫度控制范圍小，精度不高。因此，設計功能和精度適應生產的電加熱爐溫控系統非常有實際需要。12 溫度控制系統的發(fā)展概況 多年來，研究人員一直不斷地把各種新方法和新技術應用于電加熱爐的爐溫測量和控制中，并獲得了許多經驗和一定的成果。計算機、智能

8、控制理論的飛速發(fā)展使得溫度控制進入了數字化、智能化的新時代。最近幾年快速發(fā)展的PID控制、遺傳算法、神經網絡、以及模糊控制和智能PID控制在溫度控制中都有所應用。 (1) PID控制 PID控制即比例、積分、微分控制。由于其結構簡單、容易實現、控制效果好、魯棒性強等特點，然而，自19世紀40年代以來，PID控制在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應用。溫度控制系統將熱電阻實時采集的溫度值與設定值比較，所得差值作為PID控制模塊的輸入。經PID算法計算出輸出控制量，利用修改被控變量誤差的方法實現閉環(huán)控制。該方法需現場整定PID參數，l酊確定被控對象模型具有一定的難度。另外，該方法抗干擾能力較差。 (2

9、) 遺傳算法 遺傳算法是一種基于自然選擇和基因遺傳學原理的優(yōu)化搜索算法，具有全局搜索的能力。它將“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的生物進化理論引入待優(yōu)化參數形成的編碼串(1或O)群體中，選用正確的適配值函數對個體進行篩選，保留滿足條件的個體。經過如繁殖交叉和變異等過程，進行搜索優(yōu)化，直至達到全局最優(yōu)。 基于遺傳算法的溫度控制系統就是把采集到的溫度信號經遺傳算法處理來優(yōu)化PID的3個參數，然后輸出控制量。將PID的3個參數串接在一起構成一個染色體，即遺傳空間中的個體，通過繁殖交叉和變異遺傳等操作，多次搜索獲得適配值最大的個體即為所求?；谶z傳算法的PID參數優(yōu)化控制，具有很高的穩(wěn)定性和控制精度。 (3)

10、神經網絡控制 神經網絡具有很強的自適應性和學習能力、非線線映射能力、容錯能力和魯棒性，可對復雜的非線性系統建模。電加熱溫度控制系統由于負載以及外界干擾等不確定因素的存在，很難準確的整定其參數。傳統的PID控制對外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，難以適應控制要求。基于神經網絡的溫控系統雖然可以適應電加熱爐的復雜特性，實施精確的控制，但其訓練和學習時問很長，收斂速度較慢，在實際的熱處理過程中，很難達到快速升溫的要求。 (4) 模糊控制 模糊邏輯在控制領域的應用稱為模糊控制。模糊控制主要將操作者的經驗和專家的控制經驗和知識表示成語言變是描述的控制規(guī)則，然后根據控制規(guī)則實施控制。它適用于不易取得精確數學

11、模型和數學模型未知或經常變化的對象。 基于模糊算法的溫度控制系統的實現，首先根據控制經驗形成模糊規(guī)則輸入計算機中。然后將采樣所得溫度誤差和誤差變化率的精確量模糊化，計算機根據模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量。將控制量精確化后去驅動執(zhí)行機構，調整輸入達到調節(jié)溫度目的。 (5) 智能PID控制 在現代工業(yè)控制中，約95的回路具有PID結構。因此，隨著工業(yè)現代化和其他各種先進控制技術的發(fā)展，PID控制技術仍然不過時，并且還占著主導地位。但是由于工業(yè)過程對象的精確模型難以建立，系統參數常發(fā)生變化，因而在用PID控制器進行調節(jié)時，往往難以得到最佳的控制效果。在過去的50年，調節(jié)PID控制器參數

12、的方法獲得了極大的發(fā)展。隨著計算機技術的推進，人們利用人工智能的方法將操作人員的調整經驗存入計算機中，根據現場實際情況，計算機自動調整PID參數。這就產生了智能PID控制。該方法能實現自動調整，且整定時間短，操作簡便，大大改善了響應特性，同時也推動了自整定PID控制技術的發(fā)展。 在現有的電加熱爐溫度控制方案中，PID控制和模糊控制應用最多，也最具代表性。因此，在溫控系統中，設法將模糊控制與PID結合起來，以溫度的影響因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質以及被加熱物體溫度等作為輸入，PID控制器的參數作為輸出，達到自整定PID控制器參數的目的。與傳統PID相比較，該方法對模型依賴性小，響應速度快

13、，抗干擾能力強，超調量小。13 模糊控制在電加熱爐溫度控制中的應用 電加熱爐通過電阻絲加熱，其溫度控制具有非線性、大滯后、大慣性、多變量、時變性、升溫單向性等特點。鑒于此，在實際應用和研究中，電加熱爐溫度控制存在兩人難題：第一，精確的數學模型很難建立；第二，非線性、大滯后等問題不好解決。經典控制理論和現代控制論要求以精確數學模型為基礎，它們在解決溫度控制問題時遇到了極大的困難，而以語言規(guī)則模型為基礎的模糊控制理論卻是解決上述問題的有效途徑和方法。模糊控制適用于非線性、數學模型不確定的控制對象，對被控對象的時滯非線性和時變性具有一定的適應能力，同時對噪聲也有較強的抑制作用，魯棒性較好。 模糊控制

14、的概念是由美國著名教授LAZadeh首先提出的，經過20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。自模糊控制思想誕生以來，關于它的研究開發(fā)和實際應用一直備受人們的關注。最早取得應用成果的是英國倫敦大學的教授EHMamdani，1974年他首先將模糊控制理論應用于蒸汽機及鍋爐中。隨后，日本Omron公司、美國的Togai Infralog公司、Simens和Inform公司相繼研制成第一、二、三代模糊微處理器。我國對模糊控制理論的研究和應用起步較晚，但發(fā)展較快。ASIC芯片F100模糊控制器、模糊處理板HY8140模糊系統開發(fā)工具FSDT1O相繼研制成功。 與此同時，模糊控制以其良好的性能在電加熱爐

15、的溫度控制中也得到了很快的發(fā)展。 采用日本生產的SR70智能模糊控制器對電加熱爐進行控制，穩(wěn)態(tài)精度達到±05攝氏度左右，控制效果十分理想。 也可采用一種新的自適應模糊控制系統對電加熱爐進行控制。實時控制表明，該自適應模糊控制系統的超調基本為零，調節(jié)時間短，系統很快進入穩(wěn)態(tài)，控制精度在±l攝氏度。 在爐溫系統中應用雙模預測模糊控制。系統運行結果表明，雙模預測控制優(yōu)于常規(guī)模糊控制。 應用模糊神經網絡自學習控制器對電加熱爐進行物理模擬實驗。系統試驗表明，通過神經網絡的自學習，實現輸入變量隸屬函數的在線自調整，對電加熱爐這種具有非線性、大滯后的系統具有較好的模糊預測及控制功能。 由

16、此可見，模糊控制在電加熱爐的實際應用中的作用越來越重要。但是單純的模糊控制器消除系統穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度。PID控制正好能彌補其不足，近年來已有很多研究將模糊技術與傳統技術結合起來設計模糊邏輯控制器。在文獻中介紹了多種能提高PID控制精度的模糊PID混合控制方案。 (1) FuzzyPID混合控制 這種控制器的思想是：偏差很大時使用模糊控制，偏差較小時使用PID控制。兩者的轉換由微機程序根據事先給定的偏差范圍自動實現。由于兩種控制作用均包含有積分作用，故穩(wěn)態(tài)精度相同，但Fuzzy.PID控制比PID控制動態(tài)響應快，超調小，比模糊控制穩(wěn)態(tài)精度高。 (2) 引入積分因子的模

17、糊PID控制器 這種控制器將積分環(huán)節(jié)加在誤差輸入量的模糊化之前和模糊控制器輸出量的解模糊之后，在一定程度上可減少系統余差，但消除系統極限環(huán)振蕩的能力較弱，尤其模糊量化因子取的較大時，系統可能出現不穩(wěn)定，或是對誤差的模糊值進行積分，消除了系統余差，但只有使縮小才能消除零點附近的極限環(huán)振蕩，而要達到這一要求，必須增加控制規(guī)則數，也就增加了模糊控制器的設計復雜性，因此這種結構沒計目前應用較少。 (3) 模糊自適應PID控制 模糊自適應PID控制器有多種控制形式，但工作原理基本一致。模糊自整定PID控制是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統誤差P和誤差變化，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進

18、行參數調整。 在工業(yè)生產過程中，電加熱爐的特性或結構隨著負荷變化或干擾因素的影響而發(fā)生改變。電加熱爐溫控的這種升溫單向性、大時滯和時變性，使其用傳統的控制方法難以得到很好的控制效果。對于PID控制，若條件稍有變化，其控制參數需重新調整。自適應控制通過在線辨識對象特征參數，實時改變其控制策略，使控制系統指標保持在最佳范圍內。但操作者經驗不易精確描述，模糊理論正好可以解決這一問題。運用模糊數學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示；把這些模糊控制規(guī)則作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況運用模糊推理，實現對PID參數的自動調整。 從以上的分析可知：模糊自整定P1D

19、控制應用在電加熱爐這類具有明顯的純滯后、非線性、參數時變特點的控制對象中可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實踐也充分證明了用模糊自整定PID控制電加熱爐的溫度是一個非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動念響應好、上升時間快和超調小的特點，義具有PID控制器的動態(tài)跟蹤品質和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設計中，采用PID參數模糊自整定復合控制，實現PID參數的在線自調整功能，可以進一步完善PID控制的自適應性能，在實際應用中也取得了較好的效果。14 控制要求 本次所研究的控制對象是一種實驗竄箱式電加熱爐，它除具有一般電加熱爐的不確定性外，其工藝的簡易性使其保溫性較差，且極易受環(huán)境

20、影響。基于精確數學模犁的規(guī)控制難以達到控制要求。據此，本設計主要技術指標如下： (1) 系統控溫采用智能控制算法，控制精度在±2攝氏度以下； (2) 熱電阻信號直接進入下位機進行處理； (3) 系統具有良好的可擴展性； (4) 系統具有良好的抗干擾能力，提高工作可靠性。15 主要內容和方案151 主要內容 本文以實驗室箱式電加熱爐為研究對象，多次實驗建立針對該特定控制對象的合適模糊規(guī)則庫，設計了模糊PID控制器；采用一定的抗干擾措施，使得該系統具有良好的抗干擾能力：并比較分析模糊PID在電加熱爐溫度控制系統中的應用，改善了電加熱爐溫度控制的品質，提高了控制效果。為此，本次做了以下工作

21、： (1) 論述比較了多種常用電加熱爐溫度控制方法，簡要介紹了電加熱爐的溫度控制特點： (2) 在飛升曲線建立模型的基礎上，應用一種較簡單的改進方法，提高所建模型準確度，從而優(yōu)化PID參數的整定，提高模糊PID與常規(guī)PID性能比較的可靠性； (3) 本次重點研究了常規(guī)PID控制和模糊PID控制在電加熱爐溫度控制中的應用，并用Matlab進行仿真，對其控制性能進行了比較； (4) 實現上下位機的通訊，現場調試運行，多次實驗比較常規(guī)PID控制和模糊PID控制在電加熱爐溫度控制中的性能。152 實驗方案 (1) 電加熱爐空載時，應用常規(guī)PID控制和模糊PID控制的溫度控制曲線的測定； (2) 電加熱

22、爐加載時，應用常規(guī)PID控制和模糊P1D控制的溫度控制曲線的測定； (3) 分別在不同控溫區(qū)，應用常規(guī)PID控制和模糊PID控制的溫度控制曲線的測定；153 系統的主要控制功能 (1) 數據采集： (2) 過程監(jiān)控包括參數顯示數據打印事故報警等； (3) 根據實際溫度與理想溫度的偏差，進行模糊PID控制算法，對電加熱爐進行實時控制，使系統始終處于最佳運行狀態(tài)； (4) 系統實現了對尖脈沖擾動的有效處理，使系統能更半穩(wěn)的運行； (5) 實現了上下位機的通信。2 系統的硬件設計21 系統的結構 本系統的硬件部分是由溫度檢測元件、PEC7000模塊、可控硅調壓模塊、數字顯示表、穩(wěn)壓電源、蜂鳴器及開關

23、等。系統的硬件組成如圖21。 圖2. 1 控制系統硬件框圖 本系統的上位機為一般的計算機，下位機主要由PEC7000、熱電阻和可控硅調壓模塊組成，負責信號的采集、轉換和傳輸。上位機中，在組態(tài)王軟件基礎上二次開發(fā)設計了一個溫度監(jiān)控系統，主要用來接收現場的反饋信息，處理數據并通過算法得到控制信號，將控制信號傳輸給下位機，并實現數據的顯示，保存和打印等。控制程序是用組態(tài)語言編寫的。 系統的工作原理為：熱電阻采集電加熱爐的溫度并實時的傳遞給PEC7000模塊，通過模塊將模擬量轉化為數字量。上位機組態(tài)王盟控系統接收此信號，根據溫度反饋與設定溫度的比較來實施算法，輸出控制信號。控制信號經PEC7000模塊

24、輸出0-5V電壓，調節(jié)可控硅模塊的導通角，以控制加給電加熱爐的電壓0-220V，從而來達到控制電加熱爐溫度的目的。當溫度超過限定值時，上位機畫面彈出報警窗口，并使得PEC7000輸出開關量置l，蜂鳴器報警。22 元部件選取與設計221 溫度檢測元件 日前，常用的溫度柃測元件有熱電阻和熱電偶。熱電阻最常應用于中低溫區(qū)，它是根據物質的電阻率阻隨溫度變化的特性制成的，測量范圍一般為一200850。C。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電偶的測量范圍比熱電阻大，常用的可從501600。C連續(xù)測溫。測溫時，兩種不同材料問產生電動勢，回路里形成電流，熱電偶就是根據這種熱電效應工作的。 根據本系統的要求

25、及實驗對比，最后選取熱電阻作為系統的溫度檢測元件。本系統的被控對象箱式電加熱爐溫度的測量范圍為0600，因此本系統檢測元件選用Ptl00熱電阻，B級，允許誤差為±012。Ptl00熱電阻與溫度的關系可以用下式表示： (21)式中：溫度為t時鉑電阻的電阻值(Q)； 一溫度為0"C時鉑電阻的電阻值(Q)； A一常數，396847x10-3(）； B一常數，-5847x10-7()； C一常數，-422x10。2()。 工業(yè)熱電阻一般采用三線制接法，避免或減小導線電阻對測溫的影響。三線制的接法如圖22所示。 圖2. 2 熱電阻三線制接圖 由圖22可知，當電橋平衡時，有下列關系式：

26、 （2，2）則 （2，3） 如果設計電橋讓其滿足，則式中右邊含有r的項完全消去。這種情況下連線電阻，對橋路毫無影響，即可以消除熱電阻測量過程中r的影響。222 PEC7000模塊 系統選取PEC7000作為數據采集和轉換模塊。PEC7000將外部硬件設備和計算機相連，完成熱電阻信號的轉換處理。它是一個功能強大的可編程以太網控制器，其主要性能指標如下： (1)模擬量輸入，包括6路熱電阻、熱電偶、O20mA或420mA電流、O5V或15V電壓： (2)模擬量輸出，包括2路420mA直流或輸出l5V電壓輸出，輸出精度優(yōu)于±05： (3) 開關量輸入，8路開關量無極性隔離輸入，輸入電壓范圍0

27、30V，其中第6路和第7路為高速DI輸入最高頻率為1200HZ； (4) 開關量輸出，8路開關量輸出，可驅動+24V繼電器，其中第7路為高速DO輸出； (5) 通訊接口，1個10M以太網通信接U，兩個RS485串行通信接U，串行通信波特率為1200、2400、4800、9600、19200、38400bps可選。 本系統所用的熱電阻輸入、模擬量輸出和開關量輸出的接線方式如圖23、24、25所示。 圖2.3 熱電阻接線圖 圖2.4 模擬量輸出 圖2.5 開關量輸出 223 單相交流調壓模塊 本文采用的調壓模塊是一種傘隔離單相交流調壓模塊，集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發(fā)電路和雙向可控硅于一體

28、。通過調節(jié)控制電壓的大小，就可改變可控硅的觸發(fā)相角，實現單相交電的調壓目的。其應用電路圖如圖26。 圖2.6 調壓模塊應用電路圖 其中，為輸出端，為模塊內部同步變壓器初級，COM為內部地端，CON為控制端，+5V端為內部產生，只供電位器手動控制用。的強電部分和+5V、CON，COM的弱電部分為全隔離。通過加在負載卜的電壓相位和端的電雎相位必須一致，否則失控。電網頻率須為50Hz。CON對COM必須為正，如極性相反則輸出端失控(全開或全閉)。當CON從05V改變時，交流負載上的電壓從0V到最大值可調。其巾CON在008V左有時為全關閉區(qū)域；CON在08V46V左右為可調區(qū)域，即隨著控制電壓的增大

29、，導通角0L從1800到00線性減小，交流負載上的電壓從0V增大到最大值；CON在465V左右時為全開通區(qū)域，交流負載上的電壓為最大值。其中控制電壓與導通角關系曲線及波形如圖27所示。 圖2.7 調壓模塊原理圖3 系統抗干擾措施實際的生產中，系統的運行會受到報多噪音和干擾，他們來自信號源、傳感器、外界干擾等。為了提高系統運行的可靠性，準確地實施溫度控制，有必要消除此類噪音和干擾。本系統在硬件方而采取了些抗干擾措施。(1) 計算機接地。既能有效的機干擾，又一可使計算機穩(wěn)定的工作；(2) 采用全隔離的單向蒯壓模塊；(3) PEC7000模塊具有濾波功能。盡管采用了r述的抗干擾措施，但布究際調試時，

30、遷會干偶然性的尖脈沖干擾現象出現。此現象使得算注不能正常實施控制現偏蔗。因此，為r消除此類尖脈沖1擾，本系統還采用了數字濾波，即通過編程消除干擾，使系統穩(wěn)定運行。所謂數字濾波，就是通過程序計算或判斷以減少干擾在有用信號中的比重，因此實際上它是一種程序濾波。數字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點：(1) 數字濾波是用程序實現的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。(2) 數字濾波可以對頻率很低(如001Hz)的信號實現濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。(3) 模擬濾波器通常每個通道都有，而數字濾波器則可以多個通道共用，從而降低成本。(4) 數字濾波器可以根據信號的不

31、同，采用不同的濾波方法或濾波參數，具有靈活、方便、功能強的特點。數字濾波有多種方法，如算術平均值濾波，滑動平均值濾波等。本系統出現的尖脈沖干擾只影響個別采樣點數據，且與其他采樣點差距很大。顯然，一般的平均值法很難消除此干擾。因此，根據該溫度控制系統的具體情況，得到兩次采樣點數據之問的最大差如若采樣點數據超過此偏差值，則表明是干擾信號，應該舍去：反之，則是有效的數據。在系統實際運行中，采用以下濾波算法：當時，令 (31) 其中，05a1。當a=l時，本次采樣值取為上次采樣點數據。 該方法簡單有效，適用于電加熱爐這種具有大滯后的控制對象，較好的解決了上述偶然性尖脈沖干擾。4 PID控制器的設計41

32、 引言 電加熱爐是一個較為復雜的被控對象，可以用以下模型定量捕述它： （4.1) 式中：K是為放大倍數；T為時間常數：為純滯后時間。 在實際熱力過程中，K、T、等參數隨著被加熱工件的熱導率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同而變化，使得電加熱爐具有很大的不確定性。要控制好這樣一個大慣性、純滯后、參數時變的非線性對象，至今仍是一個熱點和難點。電加熱爐溫度控制技術的發(fā)展迅速。從模擬PID、數字PID到最優(yōu)控制、自適應控制，再到智能控制，每一步都改善了使控制性能。其中常規(guī)PID控制和模糊控制最具代表性。42 常規(guī)PID控制簡介421 PID控制器的結構和原理 PID控制器是一種基于對偏差“過去、現在和未

33、來”信息估計的有效而簡單的控制算法。常規(guī)連續(xù)型PID控制器的控制規(guī)律為： （4.2) 其中：e(t)=r(t)一y(t)為系統的給定值與輸出值的偏差；一比例系數；一積分時問常數；一微分時間常數。 其控制系統原理如圖41： 422 控制器參數對控制性能的影響 (1) 比例環(huán)節(jié)對控制性能的影響 比例增益能及時地反映控制系統的偏差信號，系統一旦出現了偏差，比例環(huán)節(jié)立即產生調節(jié)作用，使系統偏差快速向減小的趨勢變化。當比例增益越大，PID控制器調節(jié)速度越快。但不能太大，過大的比例增益會加大調節(jié)過程的超調量，從而降低系統的穩(wěn)定性，甚至可能造成系統的不穩(wěn)定。 (2) 積分環(huán)節(jié)對控制性能的影響 積分環(huán)節(jié)可以消

34、除系統穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統的無差度，以保證實現對設定值的無靜差跟蹤。假設系統已經達到閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統的輸出和誤差量為常值和，則由式42可知，當且僅當e(t)=0時，控制器的輸出才為常數。由此可見，只要被控系統存在動態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)就產生作用。直到系統無差時，積分環(huán)節(jié)的輸出為一個常值，積分作用停止。積分作用的強弱取決于積分時問常數的大小，越小，積分作用越強，反之則積分作用弱。積分作用的引入會使系統穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。在實際過程中，積分作用對超調量的貢獻是很重要的。 (3) 微分環(huán)節(jié)對控制性能的影響 微分環(huán)節(jié)的引入，主要是為了改善控制系統的響應速度和穩(wěn)定性。微分作用反映的是系統偏差的變化

35、律，它可以預見偏差變化的趨勢，具有超前的控制作朋。換言之，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就將其消除。因此，微分作用可以改善系統的動態(tài)性能。微分作用反映的是變化率，當偏差沒有變化時，微分環(huán)節(jié)的輸出為零。微分作用的強弱取決丁微分時間的大小，越大，微分作用越強，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統的超調量和調節(jié)時間可以被有效的減小。微分作用對噪聲干擾有放大作用，所以我們不能過強地增加微分調節(jié)，否則會對控制系統抗干擾產生不利的影響。423 數字PI D控制器 計算機控制實際上是一種采樣控制，它根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，存使用計算機實現PID控制時需將其數字化。將式41中的連續(xù)時間t用

36、一系列采樣時刻點代替，用求和形式代替積分，同時，以一階后向差分近似代替微分，可得離散化后的PID控制方程為： (4.3) 其中：積分系數；微分系數為消除積分環(huán)節(jié)中計算量過大造成的負擔，以及減小對誤差的累積作用，因此上式表示為控制量u(k)的增量形式。增量式數字PID控制方程為： (4.4) 由上式可以看出比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)在控制器中的明確物理意義。根據工程指標，可以很容易地掌握PID參數整定方法，獲得較好的控制效果。但是常規(guī)PID控制過于依賴被控塒象的數學模型，三個環(huán)節(jié)的參數隨模型改變而不同。而在實際生產中，參數一旦確定便無法實時地改變。對于電加熱爐這樣的控制對象，一旦裝爐量發(fā)生變化，其

37、數學模型就改變，此時需重新確定PID的三個參數。顯然在電加熱爐的溫度控制中，僅僅依靠常規(guī)PID控制器是無法滿足控制要求的。43 基本模糊控制器431 引言 在實際生產過程中，有經驗的操作人員，雖然不懂被控對象，但卻能憑借經驗采取相應的決策，進行準確的控制。模糊控制器就是據此避開數學模型，在手動控制策略基礎上建立起來的一種控制器。它通過電子計算機，接收由精確量轉化來的模糊輸入信息，按照語言控制器則進行模糊推理，給出模糊輸出，再將其轉化為精確節(jié)，反饋送到被控對象實施控制作用?？梢姡：刂破黧w現了模糊集合理論、語言變量及模糊推理在不具有數學模型，而控制策略只有以語言形式定性描述的復雜被控過程中的有

38、效應用。 設計一個模糊控制器，必須解決以下稱為模糊控制器結構的三方而問題： (1) 精確量的模糊化，把輸入量的確定值轉換為相應論域上的模糊變量值； (2) 模糊推理，通過一組模糊條件語句構成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關系； (3) 輸出信息的清晰化，將模糊量轉化為精確量。 如圖42所示為模糊控制器的系統方框圖。 圖4.2 含模糊控制器的系統方框圖 其中，R為系統設定值(精確量)；e，分別為系統誤差與誤差變化率(精確量)：,分別為反映系統誤差與誤差變化的語言變量的模糊集合(模糊量)；u為模糊控制器的輸出的控制作用(精確量)：y為系統輸出(精確量)。432 精確量的模糊化 在模糊控

39、制系統運行中，控制器的輸入值、輸出值是確定數值的清晰量，而實際控制中是通過模糊語言變量進行的，故在控制前，需要將清晰量轉化為模糊量。 設誤差e的實際變化范圍為-e,e，誤差e的模糊集合的論域為X=-n，-n+l，0，n一l，n，其中e是誤差大小的精確量，即是在范圍內聯系變化的誤差離散化后分成的檔數。通過量化因子即可將系統的任何誤差量化為某一個元素。其中量化因子的定義是 (4.5)假設已知實測誤差為，則它可能存在于以下3種情況之一： (1) (2) (3) 對于情況(2)和(3)分別將量化為-n與n。對于情況(1)，若，則將化為；若則將量化為+l，為某一整數。同理，也可以將誤差變化率的實際范圍量

40、化為論域Y=-n，-n+l，0，n-l，n 實際中，常用“大”、“中”、“小”3個等級的模糊概念描述誤差及其變化率以及控制量的變化，又因為變量具有正負性，故用“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(Z)、“負小”(NS)、“負中”(NM)和“負大”(NB)這七個語言變量來描述。各值隸屬于某個語言變景的程度用隸屬度函數來表示，隸屬度函數可以通過總結操作者的操作經驗或采用模糊統計方法來確定。通常采用正態(tài)分布函數或三角形分布函數。亦可建立各語言值從屬于各自論域程度的表格，稱為語言變量的賦值表。 表41、表42以及表43給出一組典型的語言變量E，EC，U的賦值表。 表4.1 語言

41、變量E賦值表 表4.2 語言變量EC賦值表 表4.3 語言變量U賦值表根據?？汕笕〈_定數在基本論域【-e，e】上的量化等級，接下來通過查找語言變量E的賦值表，即可找出在元素鞏上與最大隸屬度對應的語言值所決定的模糊集合。該模糊集合便代表確定數的模糊化。433 模糊推理 模糊推理，就足通過總結操作者在控制過程中的實踐經驗，生成一條條模糊條件語句的集合，它是模糊控制器的核心。常見的模糊控制器有以下幾種： （1） 單輸入單輸出模糊控制器 圖4.3 模糊控制器方框圖 圖43所示為甲輸入單輸出模糊控制器的方框圖，其中模糊集合為屬于論域X的輸入，模糊集合為屬于論域Y的輸出。這類輸入和輸出均為一維的模糊控制器

42、，其中模糊集合具有相同論域Y，。這種控制規(guī)則反映非線性比例(P)控制規(guī)律。 （2） 雙輸入單輸出模糊控制器 圖4.4 模糊控制器方框圖 圖44所示為雙輸入單輸出模糊控制器的方框圖。其中，屬于論域x的模糊集合取自系統誤差e的模糊化，屬于論域Y的模糊集合取自系統的誤差變化率的模糊化，二者構成模糊控制器的二維輸入；屬于論域Z的模糊集合是反映控制量的模糊控制器的一維輸出。是模糊控制中最常用的一種控制規(guī)則，它反映非線性比例加微分(PD)控制規(guī)律。 （3） 多輸入單輸出模糊控制器 圖4.5 模糊控制器方框圖 圖45所示為具有輸入以及輸出的多輸入單輸出模糊控制器的方框圖。其中，多維輸入模糊集合和一維輸出模糊

43、集合分別屬于論域X，Y，W和V。 （4） 多輸入多輸出模糊控制器 圖4.6 模糊控制器方框圖 圖46所示為二維輸入(系統誤差及其變化率)的模糊化和，以及多維輸出的模糊控制器方框圖。其中U,V,W分別為向不同控制通道同時輸出的第一控制作用，第二控制作用. 基于手動控制策略的總結，所得每一條模糊條件語句只代表一種特定情況下的一個對策。由各條模糊條件語句決定的控制決策之間的關系應足“或”的關系。整個系統的總模糊關系可表示為 (4.6)434 輸出信息的清晰化 輸出信息的清晰化就是將模糊推理得到的模糊輸出值轉化為一個精確量。較常用的方法有下列幾種： (1) 最大隸屬度法 最大隸屬度法是在輸出模糊集合中

44、選取隸屬度最大的論域元素為控制量的方法，如果在多個論域元素上同時出現隸屬度最大值，則取它們的平均值。這種方法的優(yōu)點足簡單易行，其缺點是包含的信息量較少。 (2) 取中位數法 該方法充分利用了輸出模糊集合所包含的信息，將描述輸出模糊集合的隸屬度函數曲線與橫坐標圍成的面積的均分點對應的論域元素作為輸出結果。 （3） 加權平均法 該法針對論域中的每個元素(i=1,2，n)，以它作為判決輸出模糊集合的隸屬度的加權系數，平均值便是應用加權平均法為模糊集合求得的判決結果該法也成為重心法。最后，由語言變量控制量變化U的賦值表查出論域元素(或量化等級)對應的精確量，它便是實際加到被控過程上的控制量。44 模糊

45、PID控制器的設計 目前，常規(guī)PID調節(jié)器大量應用于工業(yè)過程控制，并取得了較好的控制效果。，分別為表征其比例(P)、積分(I)和微分(D)作用的參數。但由于常規(guī)PID調節(jié)器不具有在線整定參數的功能，因此不能滿足在不同工況下系統對參數的自整定要求，從而影響其控制效果的進一步提高。本章采用具有PID參數模糊自整定功能的一類FuzzyPID控制器的設計方法。圖47為模糊PID箱式電加熱爐溫度控制系統的框圖。首先，在控制的初始階段采用bang-bang控制，使電加熱爐能快速升溫。當溫度到達一定數值時，即切換開關，進入模糊PID控制。bangbang控制切換到模糊PID控制的時機，既要滿足能加快系統上升

46、速度，又要滿足模糊PID控制有足夠的控制空問。通過實驗推出，此轉換值隨設定溫度而變化，但保持一定的規(guī)律。 （4.7）其中，溫度轉換值； 設定溫度； R系統設定值； 0<a<l，通過調節(jié)a的值，即可達到控制溫度轉換值的目的。 圖4.7 模糊PID控制器的系統方框圖 PID參數模糊自整定控制器是一種在常規(guī)PID控制器的基礎上，應用模糊集合理論建立參數，與偏差絕對值和偏差變化絕對值的二元連續(xù)函數關系中，其實現思想是先找出PID三個參數與偏差和偏差變化率之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測和，再根據模糊控制原理對三個參數進行在線修改，以滿足在不同和時對控制參數的不同要求，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能，而且計算量小，易于實現。 在不同和下被控過程對參數、和的自整定要求可簡單地總結出以下規(guī)律： (1) 當較大時，應取較大的和較小的(以使系統響應加快)且使=0(為避免較大的超調，故去掉積分作用)。 (2) 當相等時，應取較小的(使系統響應具有較小的超調)，適當的和(特別是KD的取值對系統的響應影響較大)。 (3) 當較小時，應取較大的和(以使系統能有較好的穩(wěn)態(tài)性能)，的取值要恰當，以避免在半衡點附近出現震蕩。 這里取偏差絕對值和偏差變化率的絕對值為輸入語言變量，每個語言變量取三個語言值“大(B)”、“中