電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計及仿真研究畢業(yè)設計論文

電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計及仿真研究摘要溫度控制在工業(yè)控制中一直是富有新意的課題，對于不同的控制對象，有著不同的控制方式和模式。溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重，難以建立精確的數(shù)學模型，給控制過程帶來很大難題。本論文主要針對電阻爐這一類復雜的被控對象，研究一種最佳的控制方案，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標。借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，對電阻爐PID控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)進行仿真分析。結果表明當采用PID控制時，雖然結構簡單、容易實現(xiàn)，但無法保證控制精度；當采用純模糊控制時，超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間雖然同時達到預期效果，但系統(tǒng)出現(xiàn)了穩(wěn)定誤差，所以本文將模糊控制的智能性與PID控制的通用性、可靠性相互結合，提出了模糊控制與PID控制相結合的方案。經(jīng)仿真研究，模糊控制與PID控制相結合的控制效果達到了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標，是一種較為理想的智能性控制方案。關鍵詞：電阻爐；PID控制；模糊控制；MATLAB仿真內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）TheTemperatureControlSystemDesignandSimulationResearchofResistanceFurnaceAbstractTemperaturecontrolisainnovativetopicsintheindustrialcontrol.Fordifferentcontroltargets,ithasdifferentcontrolmethodsandmodels.Thetemperaturesystemhasbiginertiaandserioushysteresis.Sincetheestablishmentofaccuratemathematicalmodelsisratherdifficult,itbringsverybigdifficultproblemsforthecontrolledprocess.Aimsatakindofcomplexcontrolledplantastheresistancefurnace,thepresentpapermainlystudiesonekindofbestcontrolplantoachievestheperformanceindicatorsofstablesystem,shortcontroltimeandsmallperformance.WithSimulinkandFuzzytoolboxinMATLABSimulink，thedesigncarriesonthesimulationanalysistotheresistancefurnacePIDcontrolsystemandthefuzzycontrolsystem.TheresultindicatedthatwhenusesthePIDcontrol,althoughthesystemhassimplestructureandeasytorealize,itisunabletoguaranteethecontrolprecision;Whenitusesthepurefuzzycontrol,althoughcontroltimeandoveradjustmentachievestheexpectationeffect,butthesystempresentedthestableerror,thereforethisarticleproposedthefuzzycontrolandthePIDcontrolunifyplan.Afterthesimulationresearch,thecontroleffectwhichthefuzzycontrolandthePIDcontrolunifiedhasachievedtheresistancefurnacetemperaturecontrolsystem'sperformanceindex.Itisonekindofmoreidealintelligencecontrolplan.Keywords:Resistancefurnace;PIDcontrol;Fuzzycontrol;MATLABsimulation內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1課題背景 11.2論文研究的主要內(nèi)容 11.3論文研究的重點和難點 2第二章電阻爐的介紹 32.1電阻爐的特點 32.2電阻爐的分類 42.3電阻爐的工作原理 62.4電阻爐的數(shù)學模型及其推導 7第三章電阻爐溫度控制系統(tǒng) 93.1溫度控制方案的介紹 93.2溫度控制的基本原理 123.3PID控制 153.3.1PID控制發(fā)展的現(xiàn)狀 153.3.2PID的控制原理 163.3.3PID的控制算法 183.4PID控制的參數(shù)整定 20第四章模糊控制 234.1模糊控制的發(fā)展 234.2模糊控制的原理 244.2.1模糊控制系統(tǒng)組成 244.2.2模糊語言與模糊推理 264.3模糊控制系統(tǒng)的設計 274.3.1模糊控制策略 274.3.2模糊控制規(guī)則 294.3.3輸入、輸出變量的模糊化 314.4模糊控制的特點 33第五章仿真結果的分析與討論 355.1仿真系統(tǒng) 355.1.1MATLAB概述 355.1.2SIMULINK的概述 375.2仿真結果 385.2.1PID控制的仿真 385.2.2純模糊控制的仿真 415.2.3模糊-PID控制的仿真 425.2.4模糊-PID控制與PID控制仿真結果的比較 435.3仿真結果的討論 44參考文獻 45致謝 47內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）引言課題背景工業(yè)電阻爐是一門綜合性應用技術。由于高性能新材料的出現(xiàn)，檢測監(jiān)控元件的更新?lián)Q代，微機控制在電爐中的應用，使得我國工業(yè)電阻爐在90年代發(fā)展迅速。行業(yè)間的壟斷體制已開始打破。對于間歇作業(yè)電阻爐有了快冷式內(nèi)、外循環(huán)的真空護系列，對于連續(xù)作業(yè)式電阻爐有了使用于彩色顯像管的工業(yè)隧道爐系列。由于電阻爐是耗能很大的設備，而能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物質基礎。為了節(jié)約能源，老式電阻爐大都要進行技術改造，使其節(jié)約電能。對于新設計電阻爐，就要更加注意提高熱效率，降低能耗水平，特別是大容量和特高溫的電爐。隨著21世紀的來臨，隨著我國進入WTO行列，這將給我國的工業(yè)電阻爐帶來更佳的發(fā)展機遇。不僅要打破國內(nèi)工業(yè)行業(yè)的界限，也將和國際的產(chǎn)業(yè)接軌，那么，對于電阻爐的研究有很大的意義。論文研究的主要內(nèi)容本文以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎上，主要對模糊控制、PID控制算法在電阻爐溫度控制中的應用進行了研究。利用模糊控制、PID控制算法的優(yōu)越性，改善電阻爐溫度的控制品質，提高控制效果。本文主要進行了以下幾方面的工作：（1）論述了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，當前計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)及本論文的主要內(nèi)容并對電阻爐的控制特點進行了簡要分析。（2）介紹模糊控制及PID控制算法的相關知識。（3）設計電阻爐溫度測控系統(tǒng)的方案及建立電阻爐測控系統(tǒng)的數(shù)學模型。（4）針對被控對象電阻爐這一類大慣性、純延時的數(shù)學模型，設計測溫電路，并利用MATLAB進行了仿真。（5）對仿真結果進行分析和討論。1.3論文研究的重點和難點電阻爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點，應用傳統(tǒng)的PID控制雖然結構簡單、容易實現(xiàn)，卻依賴于被控對象精確的數(shù)學模型且無法保證控制精度。單純模糊控制雖然能夠適用于無法精確解析建模的物理對象，但是要獲得好的控制效果需要有系統(tǒng)的專業(yè)知識和完整合理的模糊規(guī)則，這導致其應用受到了很大局限。如何運用模糊控制與PID控制相結合的方法對電阻爐溫度進行實時控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重點。電阻爐的介紹電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或熔化工件和物料的熱加工設備。與其他電爐相比，電阻爐具有熱效率高、溫度易控制、操作條件好、爐體壽命長，適用于對加熱制度要求較嚴的工件加熱，并且發(fā)熱部分簡單，對爐料種類的限制少，爐溫控制精度高，容易實現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯(包括隔熱屏)等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子電路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、氣體管道系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，隨爐種的不同而異【18】。電阻爐的主要參數(shù)有額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸、生產(chǎn)率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等。電阻爐廣泛應用于機械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理，也用于各種材料的加熱、干燥、燒結、釬焊、熔化等，是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。電阻爐的特點（1）熱效率高。電阻爐不需要燃燒氣體(或固體、液體)，沒有排出因燃燒而產(chǎn)生的廢氣造成的熱損失，爐膛空間內(nèi)熱強度高，能達到較高的溫度，使高熔點工件得以熔化。（2）能滿足工件在各種工藝氛圍(保護、運載、反應)中的要求，并使之成為可控。能用質量流量計對所控氣氛進行監(jiān)測。由保護氣氛來保證爐內(nèi)氣氛的清潔。比如保護氛田為真空，可以將爐內(nèi)的殘余氣體抽走，保護氣氛為氫氣，各種廢氣可隨之運出。高純度的氫氣，其含氧量可小于0.1ppm，其露點小于-70（3）能夠滿足工作空間溫度場均勻度和恒溫的精度要求，比如在48小時內(nèi)溫度不得漂移±0.5℃（4）整個工藝過程(電、氣、水的壓力與流量)能用微控和智能化程序控制。有連鎖保護、報警、防爆、數(shù)顯、曲線記錄等功能，使之操作簡便，工藝穩(wěn)定，重復性好。（5）勞動條件好，不致污染環(huán)境。（6）占地面積小，節(jié)省投資。電阻爐的分類按傳熱方式分（1）輻射式電阻爐。以輻射傳熱為主、對流傳熱作用很小。爐溫高于1000℃時，稱高溫電阻爐；爐溫為650～l000℃時，稱中溫電阻爐；爐溫低于（2）對流式電阻爐。以對流傳熱為主，輻射傳熱為輔，通常稱空氣循環(huán)電爐，爐溫多低于650℃（3）鹽浴爐。工件浸在鹽液內(nèi)加熱，分以下兩種類型。①電極鹽浴爐。鹽液是發(fā)熱體又是加熱介質，以傳導和對流方式對工件進行加熱。鹽液溫度隨爐溫不同而異：鹽液溫度1000～1350℃時，稱高溫鹽浴爐；550～1000℃時，稱中溫鹽浴爐；150～②硝鹽爐。用管狀電熱元件將硝鹽加熱熔化，熔融的硝鹽是加熱介質，以傳導和對流方式對工件進行加熱。鹽液溫度200～550℃。如用堿類代替硝鹽，則稱為堿浴爐按爐內(nèi)氣氛分按爐內(nèi)氣氛分為氧化性氣氛爐(一般電阻爐均屬此類)、可控氣氛爐、真空電阻爐和流動粒子爐等。按爐型分電阻爐按結構形式分為室式爐、臺車式爐、井式爐、連續(xù)式(包括推桿式、步進式、振底式、輸送帶式)爐等。此外，還有立式聯(lián)合電爐、淬火回火聯(lián)合電爐等。①室內(nèi)電阻爐箱式爐體，固定式爐底，實行間斷加熱，具有結構簡單、通用性好、購置費用低等特點，適用于中小型工件熱處理加熱用。②臺車式電阻爐室狀爐膛，爐底為一活動臺車，臺車兩側及尾部有密封裝置，電熱元件布置在爐膛兩側及爐底溝槽內(nèi)，大型臺車式電阻爐的端墻及爐門上也布置有電熱元件，臺車進出爐和爐門升降均有專門機構驅動。臺車式電阻爐除具有室式電阻爐的優(yōu)點外，還具有裝載量大、生產(chǎn)率高、裝卸料方便等優(yōu)點。缺點是當爐底移出時爐內(nèi)熱量散失大，爐溫下降快。③井式電阻爐爐膛為一豎直圓筒，電熱元件沿爐膛分層布置，多區(qū)分別控溫，爐內(nèi)溫差小，適用于軸類及桿件吊掛加熱，可避免工件彎曲變形，工件進出爐多用橋式起重機起吊。小型井式電阻爐采用整體爐溫，吊具裝在爐內(nèi)，爐口密封性好；大型井式爐采用對開式爐蓋，吊具頂端掛在爐外承料梁上。常用井式電阻爐的爐膛直徑為0.6～1.5m，爐膛深度可達30m。④連續(xù)式電阻爐爐膛前后貫通，爐膛兩端分別設有升降式爐門，爐內(nèi)通常分為預熱、加熱、保溫等幾個加熱區(qū)段。工件置放在爐底或爐底上的料盤內(nèi)，由推料機、步進機或振底機構連續(xù)進料，也可將工件放在輸送帶上連續(xù)、慢速地向爐內(nèi)進料。工件由入爐到出爐的過程，亦即工件的全部加熱過程。連續(xù)式電阻爐的生產(chǎn)率高，操作條件好，適于在生產(chǎn)線上對工件進行淬火、回火、正火處理，爐溫多在950℃以下。電熱元件布置在爐膛側墻上，大型爐子的爐頂、爐底上也需布置電熱元件，元件可采用螺旋線或波形帶式。⑤立式聯(lián)合電爐立式聯(lián)合電爐是將工件在熱處理過程中需要的主要熱處理設備按工藝順序排列成線，組成一個可連續(xù)操作的生產(chǎn)線。淬火加熱爐布置在車間地面以上，可沿軌道左右移動；硝鹽爐、預熱爐、淬火油槽(淬火水槽)冷卻井、洗滌槽、熱水槽、回火電阻爐等布置在地坑內(nèi)。工件熱處理時，先將工件在預熱爐內(nèi)預熱(有的工件可不需預熱)，再吊裝入淬火加熱爐內(nèi)加熱，加熱后的工件隨淬火加熱爐一起移動到淬火油槽(或淬火水槽、硝鹽爐)上方，開動卷揚機迅速將工件降到油槽中淬火。工件入油后，淬火加熱爐開走，再對第二批工件加熱。淬火后的工件吊入洗滌裝置清洗、干燥后，再吊入回火爐中進行回火處理，從而完成一個熱處理周期。立式聯(lián)合電爐適用于軸類、桿件等長形工件的熱處理，工件從出加熱爐到入淬火油槽中冷卻，在大氣中停留的時間短，因而氧化少。又因工件始終在吊掛狀態(tài)下加熱，工件變形小。通過實行機械化半連續(xù)操作，爐子生產(chǎn)率較高。電阻爐的工作原理電阻爐工作原理是使電流通過在爐中的特殊發(fā)熱元件。按楞次——焦耳定律在元件中發(fā)出熱量：（2-1）式中：I—發(fā)熱元件中的電流，安；R—電路電阻，歐；T—加熱時間，秒。發(fā)熱元件由于放射熱量而提高爐膛的溫度，因而就把被加熱金屬加熱至所需要的溫度。電阻爐的數(shù)學模型及其推導整定PID的基礎是對控制系統(tǒng)和控制對象的數(shù)學建模，它需要確定對象數(shù)學模型中的參數(shù)。對象的數(shù)學模型不同，所用的整定程序及整定公式也會不同。從實際應用中，可以知道電阻爐是一種能自衡的對象，其電阻爐的數(shù)學模型是，該模型是個純滯后、一階慣性環(huán)節(jié)，將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量，可以寫出它的常微分方程。當電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時，則某一時刻加熱元件（本系統(tǒng)采用熱電偶）發(fā)出的熱量應該等于該時刻爐膛中積累的熱量，和通過爐體散失掉的熱量之和，即:（2-2）,大致可以用下面兩個式子表示:；（2-3）式中：為電阻爐的熱容量，為爐內(nèi)溫度，t為燒結時間,為環(huán)境溫度，為電阻爐的熱阻(絕緣材料及爐內(nèi)、外部流動氣體產(chǎn)生的)。當爐內(nèi)溫度遠遠大于環(huán)境溫度時，可忽略，于是:（2-4）兩邊取拉氏變換得：（2-5）所以：（2-6）由于測量元件的時間滯后，加上電阻爐本身所固有的熱慣性，使得控制信號與溫度測量值之間存在著一個時滯環(huán)節(jié)，同時控制器輸出的是控制信號，而可以設定正比于，即，輸出，可以得出:；（2-7）其中，，稱為對象的時間常數(shù)，，稱為對象的增益。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)控制過程的模型?？梢越频赜靡浑A慣性、二階慣性或一階慣性加延時、二階慣性加延時來描述。而在本測控系統(tǒng)中，被控對象電阻爐的數(shù)學模型可用一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個延遲環(huán)節(jié)的串聯(lián)來表示：（2-8）其中：—電阻爐的時間常數(shù)；—各環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)總放大系數(shù)；—系統(tǒng)的純滯后時間。這三個參數(shù)一般用實驗的方法或數(shù)學分析的方法去求得。在工程中，常用飛升曲線法測得這三個參數(shù)。其方法是先不接把控制器接入控制回路，系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，用飛升曲線法可測得式(2-8)中的各系數(shù)的近似值如下:=360s，=10s，=2,即：（2-9）電阻爐溫度控制系統(tǒng)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)同其它各種自動控制系統(tǒng)一樣，主要由測量、給定、比較、放大和執(zhí)行幾部分組成。采用可控硅作為執(zhí)行元件的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，爐內(nèi)的溫度可以按照編定的程序進行控制。溫度檢測裝置的測頭(如熱電偶)將爐內(nèi)溫度高低轉變成相應的電信號輸入控制系統(tǒng)與設定的電爐溫度整定值進行比較，將比較所得到結果進行放大、校正等處理得到輸出信號送至執(zhí)行元件。執(zhí)行元件根據(jù)輸出信號調(diào)整電爐的輸入功率，從而達到控制爐溫的目的。溫度控制方案的介紹在控制領域中，溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域，電阻爐溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后的特點。其升溫單向性是指電阻爐的升溫、保溫過程依靠電阻絲的加熱來控制，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻，當其溫度一旦超調(diào)，就無法用控制手段使其降溫。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用，但由于繼電器動作頻繁，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，采用主回路無觸點控制，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。所以，最近幾年快速發(fā)展的PID控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法在溫度控制中被廣泛應用。（1）PID控制 PID控制即比例、積分、微分控制。自19世紀40年代以來，由于其結構簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強等特點，因而在工業(yè)過程控制中至今仍被廣泛應用。PID控制的溫控系統(tǒng)將熱電偶實時采集的溫度值與設定值比較，先將差值作為PID功能塊的輸入，然后根據(jù)PID算法計算出合適的輸出控制參數(shù)，利用修改控制變量誤差的方法實現(xiàn)閉環(huán)控制，使控制過程連續(xù)，其缺點是現(xiàn)場PID參數(shù)整定麻煩，被控對象模型參數(shù)難以確定，外界干擾會使控制漂離最佳狀態(tài)。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡控制溫度控制系統(tǒng)由于負載的變化以及外界干擾因素復雜，PID控制只能對電參數(shù)的影響做精確的計算，對于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，影響控制精度。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡以其高度的非線映射，自組織，自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應速度快，抗干擾能力強，算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)。在溫控系統(tǒng)中，將溫度的影響因素如天氣、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網(wǎng)絡的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機上反復迭代，隨實驗與研究的進行與深入，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡權值，達到整定PID參數(shù)的目的。（3）模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。它適用于控制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象。PID控制簡單、方便，但難以解決非線性和參數(shù)的變化，模糊控制不需要裝置的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗直觀判斷，非常容易應用。對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學處理輸入計算機中，計算機根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，并將該控制量變成精確量去驅動執(zhí)行機構，調(diào)整輸入達到調(diào)節(jié)溫度并使之穩(wěn)定的目的。同傳統(tǒng)的PID控制比較，模糊控制響應速度快，超調(diào)量小，參數(shù)變化不敏感。（4）模糊控制與PID控制相結合模糊控制的優(yōu)點是不須知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強魯棒性，對控制系統(tǒng)千擾有較強抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設計分析和標準缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結構。PID控制結構簡單，明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求，特別是其強魯棒性能較好適應過程工況的大范圍變動。但PID控制本質是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領域。如果模糊控制與PID控制結合將具備兩者的優(yōu)點，其實質是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應控制，即在一般PID控制系統(tǒng)基礎上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。根據(jù)不同實時狀態(tài)下對PID參數(shù)的推理結果分析可得，當溫差較大時采用模糊控制，響應速度快，動態(tài)性能好；當溫差較小時采用PID控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。因此模糊PID控制，比單一的模糊控制或PID控制有更好的控制性能，實現(xiàn)對任何一種模型參數(shù)的系統(tǒng)都能自動調(diào)節(jié)出最佳的PID參數(shù)，使輸出與給定的溫度曲線趨于一致，實現(xiàn)快速響應特性與超調(diào)量最優(yōu)的統(tǒng)一。（5）模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡結合溫控系統(tǒng)由于被控過程常常具有嚴重的非線性、時變性以及種類繁多的干擾，使得基于精確數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制方案很難獲得滿意的動靜態(tài)控制效果。近些年來模糊邏輯控制取得了巨大成功。但是，模糊控制所基于的專家經(jīng)驗不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應被控制系統(tǒng)的非線性、時變性，嚴重影響控制效果。因此，應使模糊控制向著自適應方向發(fā)展，使模糊控制規(guī)則、隸屬函數(shù)模糊量化在控制過程自動地調(diào)整和完善。模糊控制提供了一種新的有效途徑，利用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力來修正偏差和偏差變化的比例系數(shù)，達到優(yōu)化模糊控制的作用，從而進一步改進實時控制效果，其優(yōu)點動態(tài)響應快，能達到高精度的快速控制，具有極強的魯棒性和適應能力。綜上所述，實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，將線性控制與非線性相結合，使溫度能滿足用戶的需要是溫控系統(tǒng)的最終目的。在實際應用中，應該根據(jù)具體的應用場合、不同的被控對象和所要求的控制曲線和控制精度，選擇不同的控制方法。通過對目前幾種主要的控制系統(tǒng)比較，本文決定采用模糊控制與PID控制相結合的方法，組成智能控制系統(tǒng)來控制電阻爐的爐溫。溫度控制的基本原理電阻爐為被控對象的控制過程見圖3.1。圖3.1的工作原理為：由熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度，經(jīng)過溫度變送器轉換為電壓信號，經(jīng)計算機采集后與設定溫度進行比較，根據(jù)偏差信號計算出相應控制量并輸出，經(jīng)過控制可控硅的導通角來控制電阻絲中電流，進而控制對象溫度，使對象的實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。溫度控制系統(tǒng)的被控對象是電阻爐，被控參數(shù)為爐內(nèi)溫度，用熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度。控制器根據(jù)設定溫度與實際溫度的偏差及溫度的變化率，利用控制算法求出控制輸出量，該輸出量輸送到可控硅電路的輸入端，使可控硅的導通角改變，導通角越大，輸送到電阻爐兩端的交流電壓就會愈高，電阻爐的輸入功率也就增大，爐溫上升；反之，導通角減小，電阻爐輸入功率減小；爐溫偏差為零時，可控硅保持一定的導通角，電阻爐輸入一定的功率，使爐溫穩(wěn)定在給定值。圖3.1溫度控制框圖變送器變送器是基于負反饋原理工作的，其構成原理如圖3.2所示，它包括測量部分、放大器和反饋部分。圖3.2構成原理圖變送器的輸入輸出特性如圖3.3，x是檢測信號，y是標準信號。xmax、xmin分別為被測變量的上限值和下限值。圖3.3輸入輸出特性測量部分用以檢測被測變量x，并將其轉換成能被放大器接受的輸入信號Zi（電壓、電流、位移、作用力和力矩等信號）。反饋部分則把變送器的輸出信號y轉換成反饋信號Zf，再送回至輸入端。Zi與調(diào)零信號Zo的代數(shù)和同反饋信號Zf進行比較，其差值ε送入放大器進行放大，并轉換成標準輸出信號y。由圖3.3可求得變送器輸出與輸入之間的關系為：（3-1）當滿足深度負反饋的條件，即KF》1時，上式變?yōu)椋海?-2）此式表明，在KF》1的條件下，變送器輸出與輸入之間的關系取決于測量部分和反饋部分的特性，而與放大器的特性幾乎無關。如果轉換系數(shù)C和反饋F是常數(shù)，則變送器的輸出與輸入之間將保持良好的線性關系。要進行量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移只要改變F、C、Zo的大小就能實現(xiàn)?？煽毓杩煽毓瑁⊿CR）國際通用名稱為Thyyistoy，中文簡稱晶閘管。自從20世紀50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管。它能在高電壓、大電流條件下，具有耐壓高、容量大、體積小等優(yōu)點，它是大功率開關型半導體器件，被廣泛應用在電力、電子線路，自動控制技術中【15】。熱電偶溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類。電阻爐的溫度測量傳統(tǒng)大都采用熱電偶。熱電偶的工作原理基于熱電效應。熱電偶是一種熱電型的溫度傳感器，它將溫度信號轉換成電勢(mV)信號，配以測量mV信號的儀表或變換器，便可以實現(xiàn)溫度的測量和溫度信號的轉換。熱電偶由于測溫范圍寬，它在工程實際中的應用非常廣泛。熱電偶能用來測量點的溫度和壁面溫度，也能用來進行動態(tài)溫度測量。不同的溫區(qū)，都可選擇不同型號的熱電偶實現(xiàn)溫度測量。自19世紀發(fā)現(xiàn)熱電效應以來，熱電偶便被廣泛用來測量100~1300℃范圍內(nèi)的溫度，根據(jù)需要還可以用來測量更高或更低的溫度。除此以外，熱電偶還具有明顯的優(yōu)點：（1）結構簡單，制造方便，價格便宜；（2）測溫精度較高，高溫區(qū)的復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；（3）由于測溫顯示的是電信號，這就便于信號的遠傳和記錄，也有利于集中檢測和控制；（4）熱電偶體積小，熱容量及熱慣性也相對很小。根據(jù)國際電工委員會(IEC)推薦的八種類型標準化熱電偶，以及本設計要求，測控對象(電阻爐)的溫度變化范圍，選用K型熱電偶(鎳鉻—鎳硅熱電偶)作為檢測元件，其測溫范圍一般在-200~1200℃?zhèn)鞲衅鞑捎肒型熱電偶，它的精度分為三級：0.4級在0~1000℃之間，其誤差為±1.50.75級在0~1200℃之間，其誤差為±2.51.5級在-200~0℃之間，其誤差為±2.5本系統(tǒng)采用0.75級K型熱電偶。PID控制PID控制有模擬和數(shù)字兩種類型，數(shù)字PID控制是在模擬PID控制發(fā)展而來的，它適合于在單機片機上實現(xiàn)。PID控制算法是按誤差的比例，積分、微分進行控制的，其參數(shù)可以在現(xiàn)場在線整定，由于軟件設計的靈活性，一般可以得到較好的控制效果。PID控制發(fā)展的現(xiàn)狀在工業(yè)過程控制中，PID控制是歷史最悠久，生命力最強的一種控制方式。它是迄今為止最通用的控制方法。它提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分作用可以預測未來。PID控制能解決許多控制問題，尤其是在動態(tài)過程是良性或者是性能要求不太高的情況下。PID控制不僅是分布式控制系統(tǒng)的重要組成部分，而且還嵌入在許多有特殊要求的控制系統(tǒng)中。在過程控制中，90%以上的控制回路采用PID類型的控制，因此，大多數(shù)反饋回路采用該方法或其較小的變形來控制。我們今天所熟知的PID控制產(chǎn)生并發(fā)展于1915～1940年期間。盡管1940年以來，許多先進的控制方法不斷推出，但PID控制方法以其結構簡單，被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。據(jù)日本電氣計量器工業(yè)會先進控制動向調(diào)查委員會統(tǒng)計，在日本有91%的控制回路采用的是PID控制。在美國，據(jù)控制工程雜志估計，有90%以上的工業(yè)控制采用的是PID控制。而在我國，現(xiàn)在PID控制方法的應用就更加普遍。雖然隨著控制理論的發(fā)展和控制手段的更新，許多基于現(xiàn)代控制理論的新型控制方法不斷出現(xiàn)，但PID控制仍是最重要的控制方法。據(jù)估計：在我國過程控制工業(yè)中需要約50萬個智能的PID控制器。PID控制的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式幾個階段，目前正經(jīng)歷由模擬控制向著數(shù)字化、智能化控制的方向發(fā)展階段，這些數(shù)字化、智能化的控制有著傳統(tǒng)的模擬控制無法比擬的優(yōu)點，如：可以靈活的改變控制參數(shù)；可以靈活的改變控制策略等【6】。隨著工業(yè)的發(fā)展，對象的復雜程度不斷加深，尤其對于大滯后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時或隨機干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學模型或模型非常粗糙，加之，人們對控制品質的要求日益提高，基本PID控制方法的缺陷逐漸暴露出來。對于時變對象和非線性系統(tǒng)，基本的PID控制更是顯得無能為力。因此，基本PID控制的應用受到很大限制和挑戰(zhàn)。人們在對PID控制方法應用的同時，也對其控制算法進行了各種改進，例如：不完全微分PID算式、積分分離PID算式、變速積分PID算式和帶死區(qū)PID算式等。PID的控制原理PID控制是20世紀30年代提出并實現(xiàn)的控制機理。其控制規(guī)律是：(3-3)u(t)是控制器的輸出；e(t)是控制器的輸入，是偏差值，即給定值r(t)與被控參數(shù)實際輸出y(t)的差值：e(t)=r(t)-y(t)，Kp是比例系數(shù)；Ti是積分時間常數(shù)；TD是微分時間常數(shù)。從式（3-3）可知，控制器的輸出由三個部分組成：第一部分是比例控制部分，輸出u1(t)=Kpe(t)與輸入偏差e(t)成正比；只要偏差e(t)一出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控參數(shù)朝著減小偏差的方向變化，具有控制及時的特點?？刂谱饔玫膹娙跞Q于Kp的大小。如果只用比例控制，系統(tǒng)穩(wěn)定時要使控制器仍維持一定控制量輸出，必然存在靜差；加大Kp可以使靜差減小，Kp過大會使系統(tǒng)動態(tài)品質變壞，引起被控量振蕩導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。第二部分是積分控制部分，輸出為,只要偏差e(t)不為0，它將通過累積作用影響控制量，以求減小偏差;偏差為0，控制作用不再變化，系統(tǒng)達到穩(wěn)定。積分作用加人可以消除系統(tǒng)靜差。積分時間Ti小，積分速度快，積分作用強。增大Ti將減慢消除靜差的過程(降低響應速度)。從而可以減小超調(diào)、提高穩(wěn)定性。對溫度參量等滯后較大的對象，宜選Ti大一些。第三部分是微分控制部分，輸出為，輸出與偏差信號e(t)的變化速度成正比，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，便馬上產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化.這是一種“超前”控制作用，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間作用明顯。偏差變化越快，u3(t)越大，反饋校正量越大。微分控制將有助于減小超調(diào)、克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。采用PID控制器，從靜態(tài)和動態(tài)方面改善了控制器的品質。某時刻改變r(t)或y(t)，作為控制器輸人信號的偏差值e(t)是階躍信號，作為控制器輸出信號的u(t)是對e(t)的響應信號。在階躍信號作用下，首先是比例和微分作用，使控制器控制作用加強；然后再進行積分，直到最后消除靜差為止。即這個過渡過程是快速并平穩(wěn)，然后準確跟蹤。PID控制器成為一種應用廣泛的控制器。PID的控制算法控制算法是控制器的一個重要組成部分，整個控制器的功能主要由控制算法來實現(xiàn)。由于計算機技術的發(fā)展，數(shù)字PID控制正在逐漸取代模擬PID控制。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。1.位置式PID的控制算法在模擬控制系統(tǒng)中，PID算法的表達式為：（3-4）式中：─調(diào)節(jié)器的輸出信號；─調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差；─調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；─調(diào)節(jié)器的積分時間；─調(diào)節(jié)器的微分時間。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此必須對式（3-4）進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示：（3-5）（3-6）將式（3-5）和式（3-6）代入式（3-4），則可得到離散的PID表達式：（3-7）式中：△t=T─采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E(k)─第k次采樣時的偏差值；E(k-1)─第k-1次采樣時的偏差值；k─采樣序號，k=0，1，2，…；P(k)─第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。由于式（3-7）的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此通常把式（3-7）稱為位置式PID控制算式。2.增量式PID的控制算法根據(jù)遞推原理，可寫出（k-1）次的PID輸出表達式：（3-8）用式（3-7）減去式（3-8），可得：（3-9）式中：─積分系數(shù)；─微分系數(shù)；由式（3-9）可知，要計算第k次輸出值，只需知道，，，即可，比用式（3-7）計算要簡單得多。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構是采用步進電機或多圈電位器進行控制的，所以，只要給一個增量信號即可。因此，把式（3-7）和（3-8）相減，得到：（3-10）式（3-10）表示第次輸出的增量，等于第k次與第k-1次調(diào)節(jié)器的輸出和差值，即在第（）次的基礎上增加（或減少）的量，所以式（3-10）叫做增量式PID控制算式。3.兩種控制算法的比較增量式PID與位置式PID控制算法，本質上是一樣的，僅在計算方法上有所變化。但增量式PID控制算法具有如下優(yōu)點：（1）增量式PID控制算法僅與最近幾次采樣偏差有關，無需進行累加，因而不易產(chǎn)生積累誤差，控制效果好。（2）增量式PID控制算法只給出控制增量，因而誤差動作小。（3）增量式PID控制算法，由于利用了執(zhí)行機構的記憶作用，易于實現(xiàn)手動自動控制的無擾動切換，切換時易于實現(xiàn)平滑過渡。PID控制的參數(shù)整定數(shù)字控制系統(tǒng)就其本質來說是一種采樣控制系統(tǒng)。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都有較大的時間常數(shù)，在大多數(shù)使用情況下，采樣周期與系統(tǒng)的時間常數(shù)相比往往要小得多，所以數(shù)字控制系統(tǒng)中數(shù)字控制的參數(shù)整定可以利用模擬控制的參數(shù)整定方法來進行整定。按簡易工程整定法整定參數(shù)在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬控制的參數(shù)整定方法較多，但簡單易行的方法還是簡易工程法。此法的優(yōu)點在于，整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學模型。1．擴充臨界比例度法擴充臨界比例度法是以模擬控制中使用的臨界比例度法為基礎的一種PID數(shù)字控制參數(shù)的整定方法。用它整定、、和的步驟如下：（1）選擇一個足夠短的采樣周期，具體的說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的1/10以下。（2）用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。這時，數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐漸減小比例度，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度及系統(tǒng)的振蕩周期。（3）選擇控制度。所謂控制度就是以模擬控制為基準，將DDC的控制效果與模擬控制的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤差平方面積表示。（3-11）實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。例如，當控制度為1.05時，就是指DDC與模擬控制效果相當；控制度為2.0時，是指DDC比模擬控制效果差。（4）根據(jù)選定的控制度，查表3.1求得、、和的值。表3.1按擴充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI0.03TK0.530.88TKPID0.014TK0.630.49TK0.14TK1.2PI0.05TK0.490.91TKPID0.043TK0.470.47TK0.16TK1.5PI0.14TK0.420.99TKPID0.09TK0.340.43TK0.20TK2.0PI0.22TK0.361.05TKPID0.16TK0.270.40TK0.22TK2．擴充響應曲線法在模擬控制系統(tǒng)中可以用響應曲線法代替臨界比例度法，因此在DDC中也可以用擴充響應曲線法代替擴充臨界比例度法。用擴充曲線法整定、、和的步驟如下：（1）斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作；將被調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來；然后，突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。（2）用記錄儀記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖3.4所示。圖3.4被控的對象的階躍響應曲線（3）在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ、被控對象時間常數(shù)TΤ，以及它們的比值TΤ/τ。（4）根據(jù)所求得的TΤ、τ和它們的比值TΤ/τ，選擇一個控制度，查表即可求得控制器的、、和采樣周期T。表3.2中的控制度求法與擴充臨界比例度法相同。表3.2按擴充響應曲線法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI0.1τ0.84TΤ/τ0.34τPID0.05τ1.15TΤ/τ2.0τ0.45τ1.2PI0.2τ0.78TΤ/τ3.6τPID0.16τ1.0TΤ/τ1.9τ0.55τ1.5PI0.5τ0.68TΤ/τ3.9τPID0.34τ0.85TΤ/τ1.62τ0.65τ2.0PI0.8τ0.57TΤ/τ4.2τPID0.6τ0.6TΤ/τ1.5τ0.82τ以上兩種方法適用于被控對象是一階慣性純滯后環(huán)節(jié)。模糊控制模糊控制的發(fā)展控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制又包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制和仿人智能控制等。在古典控制理論中，應用最成功的是比例積分微分(PID)控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的常規(guī)控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優(yōu)點是結構簡單，使用方便，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡單實用而被廣大工程技術人員所熟悉。但是當被控對象比較復雜時，便難以取得滿意的控制效果。現(xiàn)代控制理論為控制復雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進行控制時，需要提供準確的數(shù)學模型。盡管數(shù)值計算與計算機技術的發(fā)展為求解模型參數(shù)提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計，而求解這些參數(shù)時又往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應用。對于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時一個有實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點，通過對外界事物進行識別與判決，使看來不經(jīng)意的模糊手動操作達到精確控制的目的。模糊控制理論是由美國加利福尼亞大學著名教授L.A.Zadeh于1965年首先提出。他以模糊數(shù)學為基礎，用語言規(guī)則表示方法和先進的計算機技術，由模糊推理進行判決的一種高級控制策略。自從1974年英國的E.H.Mamdan首先把模糊語言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發(fā)動機，在以后的二十多年中，模糊控制在控制領域中的應用越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。模糊控制較大規(guī)模的研究是從1980年開始的。1985年，模糊推理集成塊開始開發(fā)。1986年，在日本，基于模糊控制技術所開發(fā)的產(chǎn)品及系統(tǒng)開始出現(xiàn)，并在實際應用中取得明顯的經(jīng)濟效益。之后，模糊控制在許多國家如美國、西歐、中國、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國際控制理論學術界的關注。1984年，國際模糊系統(tǒng)學會成立。1985年，召開了第一屆國際模糊系統(tǒng)學會的學術交流會，各國相繼成立了模糊控制系統(tǒng)工程研究所，90年代起，世界上一些大公司開始了模糊產(chǎn)品的開發(fā)，模糊理論與應用研究及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強勁的風浪席卷世界各地【13】。到目前為止，模糊控制還沒有統(tǒng)一的定義。但從廣義上可將它定義為：模糊控制指的是以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為基礎的一類計算機數(shù)字控制方法或者定義為基于模糊集合理論、模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結合，模擬人的思維方式，對難以建立數(shù)學模型的對象實施的一種控制方法。其基本思想是在被控對象的模糊模型的基礎上，用機器去模擬人對系統(tǒng)控制的一種方法。模糊控制的原理模糊自動控制是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。模糊控制系統(tǒng)組成一個模糊控制系統(tǒng)必須包含一些必要的部件。模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式，它的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其框圖如圖4.1所示。圖4.1模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分：（1）模糊控制器，是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所應用的控制規(guī)則（或策略）各異，可以構成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運算放大器加上阻容網(wǎng)絡構成的PID控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構成的各種串、并聯(lián)校正器。在現(xiàn)代控制理論中，設計的有限狀態(tài)觀測器、自適應控制器、解耦控制器、魯棒控制器等。而在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。（2）輸入/輸出接口。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉換，將其轉變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉換外，還包括必要的電平轉換電路。（3）執(zhí)行機構：包括各交、直流電動機，伺服電動機，步進電動機，氣動調(diào)節(jié)閥和液壓電動機、液壓缸等。（4）被控對象。它可以是一種設備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其他各種的狀態(tài)轉移過程。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量的、有滯后或無滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時變的，以及具有強耦合和干擾等多種情況。對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。（5）傳感器。傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉換為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時，應注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。模糊語言與模糊推理人們在日常生活中所使用的自然語言與計算機所能接受的形式語言(如C，F(xiàn)ortran)有很大的差別。自然語言的重要特點是它的模糊性，即自然語言中的某些詞匯很難用定量的方法確定它的確切外延。自然語言的這種模糊性是人類思維方式的特點，也是人類解決復雜問題、表達復雜思想所不可缺少的。這些含有模糊概念的語言可以稱為模糊語言。為了讓計算機能夠處理自然語言、表達和模擬人的智慧，人們將模糊集的概念應用到自然語言，提供了處理模糊概念的方法，以下列出了關于這方面的工作。（1）語言變量是以自然語言中的字、詞或句作為名稱，并且以自然語言中的單詞或詞組作為值的變量，它不同于一般數(shù)學中以數(shù)為值的數(shù)值變量。因此，語言變量實際上是一種模糊變量，是用模糊語言表示的模糊集合。例如，“年幼”、“年輕”、“年老”等用模糊語言表示的模糊集合。（2）自然語言具有模糊性和靈活性。語言算子是指語言系統(tǒng)中的一類修飾字詞的前綴詞或模糊量詞，通常加在單詞或詞組的前面，用來調(diào)整單詞或詞組的含義。根據(jù)語言算子功能的不同，通常劃分為語氣算子、模糊化算子、判定化算子三種。把“很”，“極”，“略”，“比較”，“微”等修飾詞加在一個單詞的前面，會改變該詞的意義，使之變?yōu)橐粋€新詞。因而這些修飾可以看作一個算子，叫做語氣算子。把“大概”，“大約”，“近乎”等詞加在一個單詞的前面，會使該詞的確切詞義模糊化。因此，它們也是一種算子，稱為模糊化算子。模糊化算子的產(chǎn)生，對模糊控制有很重要的意義。在模糊控制器運算的過程中，常常需要將測得的精確值轉化為模糊值，這個過程叫“模糊化”?！皩儆凇保敖咏?，“偏向于”，“傾向于”等詞是另外一種算子，叫做判定化算子。與模糊化算子相反，判定化算子是將模糊化為肯定，在模糊中給出一個粗糙的判斷。模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎是模糊邏輯，它是一種以模糊判斷為前提，運用模糊語言規(guī)則，推出一個新的近似的模糊判斷結論的方法。雖然它的理論問題一直有爭議，但在應用實踐中證明是有效的，并且用這種推理方法得到的結論與人的思維一致或相近。對于模糊命題“若A則B”，L.A.Zadeh在1973年利用模糊變換關系提出了近似推理的方法，稱為模糊推理合成規(guī)則。設U和V是兩個各自具有基礎變量u，v的論域，R是在U×V論域上描述模糊蘊含“若A則B”的模糊關系，對于給定的∈U，可推得由引出的結論∈V為：=。R(4-1)式(4-1)中，“?！北硎竞铣蛇\算。模糊控制系統(tǒng)的設計模糊控制策略模糊邏輯控制是以模糊集合論，模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制。它是隨著計算機技術的發(fā)展和工業(yè)過程控制對象日益復雜化而出現(xiàn)的，它屬于智能控制的范疇，如今在工業(yè)過程控制中得到了越來越廣泛的應用。模糊控制系統(tǒng)的設計一般分為六個環(huán)節(jié)：模糊控制系統(tǒng)的結構設計，模糊化設計，模糊控制規(guī)則設計，模糊算法設計，反模糊化設計和模糊控制系統(tǒng)參數(shù)設計。首先根據(jù)模糊數(shù)學的理論和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗和技術知識總結成為IF(條件)THEN(結果)形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關信息(如：初始的PID參數(shù))存入計算機中。根據(jù)電阻爐的響應情況，計算出采樣時刻的溫度誤差e和誤差變化ec，然后將溫度誤差e和誤差變化ec作為模糊控制系統(tǒng)的輸入，使之可以滿足不同時刻的溫度誤差E和誤差變化EC之間的模糊關系，在進行中不斷檢測溫度誤差E和誤差變化EC，運用模糊推理進行模糊運算，實現(xiàn)對參數(shù)的最佳調(diào)整，從而使被控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能。模糊推理部分主要由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分組成。模糊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)或由計算機(或微處理機)的程序來實現(xiàn)，用計算機實現(xiàn)的具體過程如下：1．求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差e。微機通過采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給定值比較，得到系統(tǒng)的誤差。2．計算誤差變化率。這里，對誤差求微分，指的是在一個A/D采樣周期內(nèi)求誤差的變化△e。圖4.2模糊控制系統(tǒng)的組成3．輸入量的模糊化。由于前面得到的誤差e及誤差變化率ec都是精確值，所以，必須將其模糊化變成模糊量E、EC。同時，把語言變量E、EC的語言值化為某適當論域上模糊子集(如“大”、“小”、“快”、“慢”等)。4．控制規(guī)則。它是模糊控制系統(tǒng)的核心，是專家的知識或現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗的一種體現(xiàn)，即控制中所需要的策略。控制規(guī)則的條數(shù)可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則R，作為模糊推理的依據(jù)。5．模糊推理。輸入量模糊化后的語言變量E、EC(具有一定的語言值)推理部分的輸入，再由E、EC和總的控制規(guī)則R，根據(jù)推理規(guī)則進行模糊推理得到模糊控制量U為：U=。R(4-2)6．逆模糊化。為了對被控對象施加精確的控制，必須將模糊控制量轉化為精確量U，即逆模糊化。7．計算機執(zhí)行完1~6步驟后，即完成了對被控對象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就完成了對被控對象的控制。模糊控制規(guī)則控制規(guī)則的輸入是在RuleEditor窗口輸入的，以if-then的形式表達。溫度控制規(guī)則共56條如表4.1所示：表4.1模糊控制規(guī)則表UECEPBPMPSONSNMNBPBPBPBPBPBPMOOPMPBPBPBPBPMOOPSPMPMPMPMONSNSPOPMPMPSONSNMNMNOPMPMPSONSNMNMNSPSPSONMNMNMNMNMPSPSONMNMNMNMNBOONMNBNBNBNB模糊if-then規(guī)則又稱模糊隱含或模糊條件語句。if-then規(guī)則語句用以闡明包含模糊邏輯的條件語句。一個單獨的模糊if-then規(guī)則形式如下：ifxisAthenyisB其中，A和B是由模糊集合分別定義在x，y范圍(論域)上的語言值。模糊規(guī)則中的if部分“xisA”被稱為規(guī)則的前提或假設，同時then部分“yisB”被稱為結果或結論。實質上，該表達式描述了變量x與y之間的關系。因此，我們可以把if-then規(guī)則定義為乘積空間中的二元模糊關系。例如，要購買一個軟件，其價格由其用戶界面和軟件功能決定。若單獨考慮其價格，則：ifinterfaceisgoodthenchargeishigh。注意“good”用一個0和1之間的數(shù)字表示，因此所謂的前提是一個解析，它返回一個0和1之間的單位。另一面，“high”由一個模糊集合表示，因此所謂的結果是一個分配，它分配整個模糊集合B到輸出變量y。在if-then規(guī)則中，當“is”分別出現(xiàn)在前提和結果中時，其意義完全不同。就如在MATLAB術語中，使用關系運算符“＝=”和使用變量賦值符號“＝”時，其意義也完全不同，書寫這個規(guī)則時，避免混淆的寫法是：ifinterface＝＝goodthencharge＝high，一般來說，if-then規(guī)則的輸入是輸入變量的當前值(在此是“interface”)，輸出是一個模糊集合的整體(在此是“high”)。在后面將對這個集合進行反模糊化，將一個值分配到輸出。在Matlab下運行fuzzydb.fis可進入Matlab動態(tài)仿真工具箱動態(tài)仿真環(huán)境，觀察模糊控制規(guī)則，如圖4.3、4.4所示。圖4.3模糊推理編輯器圖4.4模糊規(guī)則編輯器輸入、輸出變量的模糊化一般來說，對于實際問題輸入的模糊化是建立模糊推理系統(tǒng)的第一步，也就是選擇系統(tǒng)的輸入變量并根據(jù)其相應的隸屬度函數(shù)來確定這些輸入分別歸屬于恰當?shù)哪：?。在MATLAB模糊邏輯工具箱中，模糊化過程的輸入必須是一個確定的值，這也對輸入變量的廣泛性起了一些限制作用，而輸出則是一個特定的模糊集合上的隸屬程度(總是在于l之間)。在所設計的模糊-PID控制方案中，輸入變量和輸出變量的語言值的模糊子集分別為以下七個語言值：{NB、NM、NS、O、PS、PM、PB}，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強的三角函數(shù)。在仿真環(huán)境下，如4.5、4.6、4.7所示。圖4.5輸入變量E的隸屬函數(shù)曲線圖4.6輸入變量EC的隸屬函數(shù)曲線圖4.7輸出變量U的隸屬函數(shù)曲線可見輸入變量E、EC和U的模糊子集均為{NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB},E和EC的論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，U的論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。模糊控制的特點（1）模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據(jù)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。（2）由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。（3）基于模型的控制算法及系統(tǒng)設計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異，但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制。（4）模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平。（5）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。仿真結果的分析與討論仿真系統(tǒng)MATLAB是一種面向科學與工程計算的高級語言，它集科學計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡和圖像處理等學科的處理功能于—體，具有極高的編程效率。MATLAB是一個高度集成的系統(tǒng)，MATLAB提供的Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或者兩者的混合時間域里進行建模，它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)。在過去幾年里，Simulilnk已經(jīng)成為教學和工業(yè)應用中對動態(tài)系統(tǒng)進行建模時使用得最為廣泛的軟件包。MATLAB概述MATLAB的發(fā)展MATLAB是英文MATrixLABoratory(矩陣實驗室)的縮寫。1980年前后，時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的CleveMoler教授在給學生講授線性代數(shù)課程時，想教學生使用當時流行的線性代數(shù)軟件包LINPACK和基于特征值計算的軟件包EISPACK，但發(fā)現(xiàn)許多高級語言調(diào)用LINPACK和EISPACK軟件包極為不便，于是，CleveMoler教授使著手編寫了接口程序并命名為MATLAB，這便是MATLAB的雛形【10】。早期的MATLAB是用FORTRAN語言編寫的，盡管功能十分簡單，但由于是免費軟件，還是吸引了大批使用者。經(jīng)過幾年的校際流傳，在JohnLittle的推動下，由JohnLittle、CleveMoler和SteveBangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并正式推出MATLAB第1版(DOS版)。從這時起，MATLAB的核心采用C語言編寫，功能也越來越強。它不僅具有數(shù)值計算功能，而且還具有符號計算、圖形處理等功能【10】。以后，MATLAB版本不斷更新。MathWorks公司于1992年推出了具有劃時代意義的4.0版,并于1993年推出了其微機版，該版本可以配合Windows3.x一起使用，使其應用范圍越來越廣。1994年推出的4.2版擴充了4.0版的功能，尤其在圖形界面設計方面提供了新的方法。1997年推出的5.0版提供了更多的數(shù)據(jù)結構，如結構數(shù)據(jù)、單元數(shù)據(jù)、多維矩陣、對象與類等，使編程更方便。1999年初推出的5.3版在很多方面又進行了進一步改進。2001年7月，MathWorks公司推出了MATLAB的最新版本6.1版，隨著控制系統(tǒng)仿真、分析與設計方面得到了廣泛應用，MATLAB也得到迅速發(fā)展，功能不斷擴充，現(xiàn)已發(fā)展至7.0版本【10】。MATLAB的系統(tǒng)構成MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學函數(shù)庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應用程序接口五大部分構成。（1）MATLAB開發(fā)環(huán)境MATLAB開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用MATLAB函數(shù)和文件的工具集，其中許多工具是圖形化的用戶接口。它是一個集成化的工作空間，可以讓用戶輸入、輸出數(shù)據(jù)，并提供了M文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境。它包括MATLAB桌面、命令窗口M文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間和在線幫助文檔。（2）MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 MATLAB數(shù)學函數(shù)庫包括了大量的計算算法（如加法、正弦等），從基本運算到復雜算法，如矩陣求逆、貝塞爾函數(shù)、快速傅立葉變換等。（3）MATLAB語言MATLAB語言是一個高級的基于矩陣、數(shù)組的語言，它有程序流控制、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入/輸出和面向對象編程等特色。用戶既可以用它來快速編寫簡單的程序，也可以用來編寫龐大復雜的應用程序。（4）MATLAB圖形處理系統(tǒng)圖形處理系統(tǒng)使得MATLAB能方便地圖形化顯示向量和矩陣,而且能對圖形添加標注和打印。它包括強力的二維、三維圖形函數(shù)、圖像顯示和動畫處理等函數(shù)。（5）MATLAB應用程序接口MATLAB應用程序接口是一個使MATLAB語言能與C語言等高級編程語言進行交互的函數(shù)庫，該函數(shù)庫的函數(shù)通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)與MATLAB文件的數(shù)據(jù)交換，其主要功能包括在MATLAB中調(diào)用C程序，以及在MATLAB與其他應用程序間建立客戶服務器關系。SIMULINK的概述Simulink是一個對動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包。它既適用于線性系統(tǒng)，也適用于非線性系統(tǒng)；既適用于連續(xù)系統(tǒng)，也適用于離散系統(tǒng)和連續(xù)與離散混合系統(tǒng)；既適用于定常系統(tǒng)，也適用于時變系統(tǒng)，系統(tǒng)也可以有多種采樣周期。Simulink提供一個圖形用戶界面(GUI)，使用戶可以用鼠標操作，從Simulink提供的模塊庫中選擇出適當?shù)膱D形模塊，在顯示屏幕上畫出系統(tǒng)模型的方塊圖，并且用各模塊的對話框為圖中各模塊設置參數(shù)。當且僅當各模塊的參數(shù)設置完成之后，該系統(tǒng)的模型才算真正建立起來。如果對某一模塊沒有設置參數(shù)，那就意味著使用缺省值(Simulink預先為該塊設置的參數(shù)值)作為該模塊的參數(shù)。Simulink模塊庫內(nèi)容十分豐富，并且分成以下幾種：源(Sources)模塊庫，輸出信號變換/保存(Sink)模塊庫，線性(Linear)模塊庫，非線性(Nonlinear)模塊庫以及連接(Connectors)模塊庫。除了庫中原有的模塊以外，用戶還可以自己定制和創(chuàng)建模塊。對于復雜的系統(tǒng)，可以把它的模型建成分級式的，高一級的模型中，有的一個模塊可能代表幾個模塊，用鼠標雙擊該模塊，使可以顯示出它所代表的幾個模塊及其連接關系，即它的下一級模型。系統(tǒng)的模型建立之后，選擇仿真參數(shù)和數(shù)值解法，然后便可以啟動對該系統(tǒng)進行仿真，而這種操作可以用Simulink菜單，也可以用MATLAB命令實現(xiàn)。菜單方式對于交互式運行特別方便，而命令方式對于運行一批仿真時很有用。在仿真過程中，用戶可以使用設置在模型中的scope模塊和其他顯示模塊(都屬于Sink庫)來觀察結果(有關信號的變化曲線)。用戶也可以改變參數(shù)，觀察會產(chǎn)生什么變化。仿真結果可以存放在特定的內(nèi)存空間MATLABWorkspace中，供后處理和畫圖用。Simulink還提供了系統(tǒng)模型處理工具，包括提取系統(tǒng)的線性化模型(狀態(tài)空間線模型)和尋求系統(tǒng)的平衡工作點兩種，它們都是用MATLAB命令進行調(diào)用的。因為MATLAB和Simulink是集成在一起的,用戶可以在其中任何—種環(huán)境下，仿真、分析和修改模型。仿真結果PID控制的仿真PID控制的仿真結構圖如圖5.1所示。圖5.1PID控制系統(tǒng)本圖是電阻爐特性仿真圖，以單回路控制系統(tǒng)為研究基礎，又因為單回路最簡單，所以在仿真過程中，所得仿真特性圖最能體現(xiàn)對象的特性。由于該PID控制只調(diào)整一個參數(shù)Kp，取不同的Kp值，可得到一系列的仿真成果，當Kp=0.5,TD=5,Ti=1/200時，仿真結果如圖5.2所示。圖5.2PID仿真結果當Kp=0.8,TD=8,Ti=1/100時，階躍響應結果如圖5.3所示。圖5.3PID仿真結果當Kp=1,TD=5,Ti=1/200時，階躍響應結果如圖5.4所示。圖5.4PID仿真結果當Kp=1.5,TD=15,Ti=1/50時，階躍響應結果如圖5.5所示。圖5.5PID仿真結果由這些圖可以看出，參數(shù)Kp、Ti、TD的選定是很重要的。當比例系數(shù)KP增大時，余差雖然會減小，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性會變差，容易產(chǎn)生振蕩，相反的話，余差又會增大，當被控變量受干擾影響而偏離給定值后，不可能再回到原先數(shù)值上，因為如果被控變量值和給定值之間的偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出不會發(fā)生變化，系統(tǒng)也就無法保持平衡。由此可知，當Kp=0.5,TD=5,Ti=1/200時，仿真結果最好。純模糊控制的仿真模糊控制的仿真結構圖如圖5.6所示。圖5.6純模糊控制系統(tǒng)純模糊控制仿真結果如圖5.7所示。圖5.7純模糊仿真結果模糊-PID控制的仿真模糊-PID控制的仿真結構圖如圖5.8所示。圖5.8模糊-PID控制系統(tǒng)模糊-PID控制仿真結果如圖5.9所示。圖5.9模糊-PID仿真結果模糊-PID控制與PID控制仿真結果的比較為了方