1、 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)性能的 MATLAB仿真專(zhuān) 業(yè)：班 級(jí)： 姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 完成日期：目 錄緒 論.11 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及操作方案.211 引言.212 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況.213 模糊控制在電加熱爐溫度控制中的應(yīng)用.41. 4 控制要求.615 主要內(nèi)容和方案.6151 主要內(nèi)容.6152 實(shí)驗(yàn)方案.7153 系統(tǒng)的主要控制功能.72 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).721 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).722 元部件選取與設(shè)計(jì).8221 溫度檢測(cè)元件.8222 PEC7000模塊.9223 單相交流調(diào)壓模塊.93 系統(tǒng)抗干擾措施.104 PID控制器的設(shè)計(jì)及MATLAB仿真.1141 引

2、言.1142 常規(guī)PID控制簡(jiǎn)介.12421 PID控制器的結(jié)構(gòu)和原理.12422 控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響.12423 數(shù)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(shè)計(jì).1845 系統(tǒng)模型的建立.2046 PID控制器性能的研究及MATLAB仿真.20461 慣性時(shí)間常數(shù)T的影晌. .20462 滯后時(shí)間的影響. .21結(jié) 論.22參考文獻(xiàn)緒論溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等

3、先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它們只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入WTO，我國(guó)政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(guó)家、企業(yè)的研發(fā)中心，開(kāi)展創(chuàng)新性研究，使我國(guó)儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，近年來(lái)單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)

4、力，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問(wèn)題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控參數(shù)。然而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)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(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于他主要通過(guò)控制接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)達(dá)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(lái)快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得

5、簡(jiǎn)便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)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(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。單片機(jī)具有集成度高，通用性好，功能強(qiáng)，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本系統(tǒng)使用8031單片機(jī)，使溫度控制大為簡(jiǎn)便。1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及操作方案11 引言 電加熱爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過(guò)布置在爐內(nèi)的電阻絲將電能轉(zhuǎn)化為熱能，借助輻射與對(duì)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(nèi)溫升(指爐內(nèi)溫度與室溫溫差) K放大系數(shù) 純滯后時(shí)間 t加熱時(shí)間 T時(shí)間系數(shù) V控制電壓 在實(shí)際熱處理中，K、T、等參數(shù)隨被加熱材料的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度等因素變化。 在控制領(lǐng)域中，溫度控制廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)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(nèi)部組織，以獲得所要求的性能。這不僅需要準(zhǔn)確控制工件的加熱溫度，有時(shí)還需要控制不同加熱溫度下的持續(xù)時(shí)間。加熱過(guò)程的設(shè)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(diǎn)。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(dāng)其溫度一旦超調(diào)，就無(wú)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(guò)程中很難全面考慮各種因素的影響，準(zhǔn)確控制加熱過(guò)程。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用，但由十繼電器動(dòng)作頻繁，可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。近年來(lái)提出改進(jìn)的電路，采用辛回路無(wú)觸點(diǎn)控制，克服繼電器接觸不良的缺點(diǎn)，且維修方便，缺點(diǎn)是溫度控制范圍小，精度不高。因此，設(shè)計(jì)功能和精度適應(yīng)生產(chǎn)的電加熱爐溫控系統(tǒng)非常有實(shí)際需要。12 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 多年來(lái)，研究人員一直不斷地把各種新方法和新技術(shù)應(yīng)用于電加熱爐的爐溫測(cè)量和控制中，并獲得了許多經(jīng)驗(yàn)和一定的成果。計(jì)算機(jī)、智能

8、控制理論的飛速發(fā)展使得溫度控制進(jìn)入了數(shù)字化、智能化的新時(shí)代。最近幾年快速發(fā)展的PID控制、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及模糊控制和智能PID控制在溫度控制中都有所應(yīng)用。 (1) PID控制 PID控制即比例、積分、微分控制。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，然而，自19世紀(jì)40年代以來(lái)，PID控制在工業(yè)過(guò)程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)將熱電阻實(shí)時(shí)采集的溫度值與設(shè)定值比較，所得差值作為PID控制模塊的輸入。經(jīng)PID算法計(jì)算出輸出控制量，利用修改被控變量誤差的方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。該方法需現(xiàn)場(chǎng)整定PID參數(shù)，l酊確定被控對(duì)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(xué)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(jìn)化理論引入待優(yōu)化參數(shù)形成的編碼串(1或O)群體中，選用正確的適配值函數(shù)對(duì)個(gè)體進(jìn)行篩選，保留滿足條件的個(gè)體。經(jīng)過(guò)如繁殖交叉和變異等過(guò)程，進(jìn)行搜索優(yōu)化，直至達(dá)到全局最優(yōu)。 基于遺傳算法的溫度控制系統(tǒng)就是把采集到的溫度信號(hào)經(jīng)遺傳算法處理來(lái)優(yōu)化PID的3個(gè)參數(shù)，然后輸出控制量。將PID的3個(gè)參數(shù)串接在一起構(gòu)成一個(gè)染色體，即遺傳空間中的個(gè)體，通過(guò)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(gè)體即為所求。基于遺傳算法的PID參數(shù)優(yōu)化控制，具有很高的穩(wěn)定性和控制精度。 (3)

10、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力、非線線映射能力、容錯(cuò)能力和魯棒性，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。電加熱溫度控制系統(tǒng)由于負(fù)載以及外界干擾等不確定因素的存在，很難準(zhǔn)確的整定其參數(shù)。傳統(tǒng)的PID控制對(duì)外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，難以適應(yīng)控制要求。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫控系統(tǒng)雖然可以適應(yīng)電加熱爐的復(fù)雜特性，實(shí)施精確的控制，但其訓(xùn)練和學(xué)習(xí)時(shí)問(wèn)很長(zhǎng)，收斂速度較慢，在實(shí)際的熱處理過(guò)程中，很難達(dá)到快速升溫的要求。 (4) 模糊控制 模糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用稱(chēng)為模糊控制。模糊控制主要將操作者的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語(yǔ)言變是描述的控制規(guī)則，然后根據(jù)控制規(guī)則實(shí)施控制。它適用于不易取得精確數(shù)學(xué)

11、模型和數(shù)學(xué)模型未知或經(jīng)常變化的對(duì)象。 基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，首先根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)形成模糊規(guī)則輸入計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量。將控制量精確化后去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入達(dá)到調(diào)節(jié)溫度目的。 (5) 智能PID控制 在現(xiàn)代工業(yè)控制中，約95的回路具有PID結(jié)構(gòu)。因此，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制技術(shù)仍然不過(guò)時(shí)，并且還占著主導(dǎo)地位。但是由于工業(yè)過(guò)程對(duì)象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)常發(fā)生變化，因而在用PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，往往難以得到最佳的控制效果。在過(guò)去的50年，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)

12、的方法獲得了極大的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推進(jìn)，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)。這就產(chǎn)生了智能PID控制。該方法能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，且整定時(shí)間短，操作簡(jiǎn)便，大大改善了響應(yīng)特性，同時(shí)也推動(dòng)了自整定PID控制技術(shù)的發(fā)展。 在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中，PID控制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。因此，在溫控系統(tǒng)中，設(shè)法將模糊控制與PID結(jié)合起來(lái)，以溫度的影響因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為輸入，PID控制器的參數(shù)作為輸出，達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)的目的。與傳統(tǒng)PID相比較，該方法對(duì)模型依賴(lài)性小，響應(yīng)速度快

13、，抗干擾能力強(qiáng)，超調(diào)量小。13 模糊控制在電加熱爐溫度控制中的應(yīng)用 電加熱爐通過(guò)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(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)。鑒于此，在實(shí)際應(yīng)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(shù)學(xué)模型很難建立；第二，非線性、大滯后等問(wèn)題不好解決。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制論要求以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，它們?cè)诮鉀Q溫度控制問(wèn)題時(shí)遇到了極大的困難，而以語(yǔ)言規(guī)則模型為基礎(chǔ)的模糊控制理論卻是解決上述問(wèn)題的有效途徑和方法。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制作用，魯棒性較好。 模糊控制

14、的概念是由美國(guó)著名教授LAZadeh首先提出的，經(jīng)過(guò)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(lái)，關(guān)于它的研究開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用一直備受人們的關(guān)注。最早取得應(yīng)用成果的是英國(guó)倫敦大學(xué)的教授EHMamdani，1974年他首先將模糊控制理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)及鍋爐中。隨后，日本Omron公司、美國(guó)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(guó)對(duì)模糊控制理論的研究和應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展較快。ASIC芯片F(xiàn)100模糊控制器、模糊處理板HY8140模糊系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具FSDT1O相繼研制成功。 與此同時(shí)，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(chǎn)的SR70智能模糊控制器對(duì)電加熱爐進(jìn)行控制，穩(wěn)態(tài)精度達(dá)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(yīng)模糊控制系統(tǒng)對(duì)電加熱爐進(jìn)行控制。實(shí)時(shí)控制表明，該自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的超調(diào)基本為零，調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，控制精度在±l攝氏度。 在爐溫系統(tǒng)中應(yīng)用雙模預(yù)測(cè)模糊控制。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，雙模預(yù)測(cè)控制優(yōu)于常規(guī)模糊控制。 應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)控制器對(duì)電加熱爐進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)試驗(yàn)表明，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)輸入變量隸屬函數(shù)的在線自調(diào)整，對(duì)電加熱爐這種具有非線性、大滯后的系統(tǒng)具有較好的模糊預(yù)測(cè)及控制功能。 由

16、此可見(jiàn)，模糊控制在電加熱爐的實(shí)際應(yīng)用中的作用越來(lái)越重要。但是單純的模糊控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。PID控制正好能彌補(bǔ)其不足，近年來(lái)已有很多研究將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器。在文獻(xiàn)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(shí)使用模糊控制，偏差較小時(shí)使用PID控制。兩者的轉(zhuǎn)換由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)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(tǒng)余差，但消除系統(tǒng)極限環(huán)振蕩的能力較弱，尤其模糊量化因子取的較大時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定，或是對(duì)誤差的模糊值進(jìn)行積分，消除了系統(tǒng)余差，但只有使縮小才能消除零點(diǎn)附近的極限環(huán)振蕩，而要達(dá)到這一要求，必須增加控制規(guī)則數(shù)，也就增加了模糊控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，因此這種結(jié)構(gòu)沒(méi)計(jì)目前應(yīng)用較少。 (3) 模糊自適應(yīng)PID控制 模糊自適應(yīng)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(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差P和誤差變化，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢(xún)模糊矩陣表進(jìn)

18、行參數(shù)調(diào)整。 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，電加熱爐的特性或結(jié)構(gòu)隨著負(fù)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(shí)滯和時(shí)變性，使其用傳統(tǒng)的控制方法難以得到很好的控制效果。對(duì)于PID控制，若條件稍有變化，其控制參數(shù)需重新調(diào)整。自適應(yīng)控制通過(guò)在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。但操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，模糊理論正好可以解決這一問(wèn)題。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)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(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。 從以上的分析可知：模糊自整定P1D

19、控制應(yīng)用在電加熱爐這類(lèi)具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時(shí)變特點(diǎn)的控制對(duì)象中可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實(shí)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(gè)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(dòng)念響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，義具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用PID參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善PID控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)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(duì)象是一種實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)易性使其保溫性較差，且極易受環(huán)境

20、影響。基于精確數(shù)學(xué)模犁的規(guī)控制難以達(dá)到控制要求。據(jù)此，本設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)如下： (1) 系統(tǒng)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(hào)直接進(jìn)入下位機(jī)進(jìn)行處理； (3) 系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性； (4) 系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，提高工作可靠性。15 主要內(nèi)容和方案151 主要內(nèi)容 本文以實(shí)驗(yàn)室箱式電加熱爐為研究對(duì)象，多次實(shí)驗(yàn)建立針對(duì)該特定控制對(duì)象的合適模糊規(guī)則庫(kù)，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器；采用一定的抗干擾措施，使得該系統(tǒng)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(tǒng)中的應(yīng)用，改善了電加熱爐溫度控制的品質(zhì)，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(jiǎn)要介紹了電加熱爐的溫度控制特點(diǎn)： (2) 在飛升曲線建立模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用一種較簡(jiǎn)單的改進(jìn)方法，提高所建模型準(zhǔn)確度，從而優(yōu)化PID參數(shù)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(diǎn)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(yīng)用，并用Matlab進(jìn)行仿真，對(duì)其控制性能進(jìn)行了比較； (4) 實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，多次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案 (1) 電加熱爐空載時(shí)，應(yīng)用常規(guī)PID控制和模糊PID控制的溫度控制曲線的測(cè)定； (2) 電加熱

22、爐加載時(shí)，應(yīng)用常規(guī)PID控制和模糊P1D控制的溫度控制曲線的測(cè)定； (3) 分別在不同控溫區(qū)，應(yīng)用常規(guī)PID控制和模糊PID控制的溫度控制曲線的測(cè)定；153 系統(tǒng)的主要控制功能 (1) 數(shù)據(jù)采集： (2) 過(guò)程監(jiān)控包括參數(shù)顯示數(shù)據(jù)打印事故報(bào)警等； (3) 根據(jù)實(shí)際溫度與理想溫度的偏差，進(jìn)行模糊PID控制算法，對(duì)電加熱爐進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使系統(tǒng)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)； (4) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)尖脈沖擾動(dòng)的有效處理，使系統(tǒng)能更半穩(wěn)的運(yùn)行； (5) 實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的通信。2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)21 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)的硬件部分是由溫度檢測(cè)元件、PEC7000模塊、可控硅調(diào)壓模塊、數(shù)字顯示表、穩(wěn)壓電源、蜂鳴器及開(kāi)關(guān)

23、等。系統(tǒng)的硬件組成如圖21。 圖2. 1 控制系統(tǒng)硬件框圖 本系統(tǒng)的上位機(jī)為一般的計(jì)算機(jī)，下位機(jī)主要由PEC7000、熱電阻和可控硅調(diào)壓模塊組成，負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和傳輸。上位機(jī)中，在組態(tài)王軟件基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，主要用來(lái)接收現(xiàn)場(chǎng)的反饋信息，處理數(shù)據(jù)并通過(guò)算法得到控制信號(hào)，將控制信號(hào)傳輸給下位機(jī)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，保存和打印等。控制程序是用組態(tài)語(yǔ)言編寫(xiě)的。 系統(tǒng)的工作原理為：熱電阻采集電加熱爐的溫度并實(shí)時(shí)的傳遞給PEC7000模塊，通過(guò)模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。上位機(jī)組態(tài)王盟控系統(tǒng)接收此信號(hào)，根據(jù)溫度反饋與設(shè)定溫度的比較來(lái)實(shí)施算法，輸出控制信號(hào)。控制信號(hào)經(jīng)PEC7000模塊

24、輸出0-5V電壓，調(diào)節(jié)可控硅模塊的導(dǎo)通角，以控制加給電加熱爐的電壓0-220V，從而來(lái)達(dá)到控制電加熱爐溫度的目的。當(dāng)溫度超過(guò)限定值時(shí)，上位機(jī)畫(huà)面彈出報(bào)警窗口，并使得PEC7000輸出開(kāi)關(guān)量置l，蜂鳴器報(bào)警。22 元部件選取與設(shè)計(jì)221 溫度檢測(cè)元件 日前，常用的溫度柃測(cè)元件有熱電阻和熱電偶。熱電阻最常應(yīng)用于中低溫區(qū)，它是根據(jù)物質(zhì)的電阻率阻隨溫度變化的特性制成的，測(cè)量范圍一般為一200850。C。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。熱電偶的測(cè)量范圍比熱電阻大，常用的可從501600。C連續(xù)測(cè)溫。測(cè)溫時(shí)，兩種不同材料問(wèn)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路里形成電流，熱電偶就是根據(jù)這種熱電效應(yīng)工作的。 根據(jù)本系統(tǒng)的要求

25、及實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最后選取熱電阻作為系統(tǒng)的溫度檢測(cè)元件。本系統(tǒng)的被控對(duì)象箱式電加熱爐溫度的測(cè)量范圍為0600，因此本系統(tǒng)檢測(cè)元件選用Ptl00熱電阻，B級(jí)，允許誤差為±012。Ptl00熱電阻與溫度的關(guān)系可以用下式表示： (21)式中：溫度為t時(shí)鉑電阻的電阻值(Q)； 一溫度為0"C時(shí)鉑電阻的電阻值(Q)； A一常數(shù)，396847x10-3(）； B一常數(shù)，-5847x10-7()； C一常數(shù)，-422x10。2()。 工業(yè)熱電阻一般采用三線制接法，避免或減小導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)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(dāng)電橋平衡時(shí)，有下列關(guān)系式：

26、 （2，2）則 （2，3） 如果設(shè)計(jì)電橋讓其滿足，則式中右邊含有r的項(xiàng)完全消去。這種情況下連線電阻，對(duì)橋路毫無(wú)影響，即可以消除熱電阻測(cè)量過(guò)程中r的影響。222 PEC7000模塊 系統(tǒng)選取PEC7000作為數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換模塊。PEC7000將外部硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)相連，完成熱電阻信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理。它是一個(gè)功能強(qiáng)大的可編程以太網(wǎng)控制器，其主要性能指標(biāo)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(kāi)關(guān)量輸入，8路開(kāi)關(guān)量無(wú)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(kāi)關(guān)量輸出，8路開(kāi)關(guān)量輸出，可驅(qū)動(dòng)+24V繼電器，其中第7路為高速DO輸出； (5) 通訊接口，1個(gè)10M以太網(wǎng)通信接U，兩個(gè)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(tǒng)所用的熱電阻輸入、模擬量輸出和開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)量輸出 223 單相交流調(diào)壓模塊 本文采用的調(diào)壓模塊是一種傘隔離單相交流調(diào)壓模塊，集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和雙向可控硅于一體

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

29、，導(dǎo)通角0L從1800到00線性減小，交流負(fù)載上的電壓從0V增大到最大值；CON在465V左右時(shí)為全開(kāi)通區(qū)域，交流負(fù)載上的電壓為最大值。其中控制電壓與導(dǎo)通角關(guān)系曲線及波形如圖27所示。 圖2.7 調(diào)壓模塊原理圖3 系統(tǒng)抗干擾措施實(shí)際的生產(chǎn)中，系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)受到報(bào)多噪音和干擾，他們來(lái)自信號(hào)源、傳感器、外界干擾等。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，準(zhǔn)確地實(shí)施溫度控制，有必要消除此類(lèi)噪音和干擾。本系統(tǒng)在硬件方而采取了些抗干擾措施。(1) 計(jì)算機(jī)接地。既能有效的機(jī)干擾，又一可使計(jì)算機(jī)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(diào)試時(shí)，

30、遷會(huì)干偶然性的尖脈沖干擾現(xiàn)象出現(xiàn)。此現(xiàn)象使得算注不能正常實(shí)施控制現(xiàn)偏蔗。因此，為r消除此類(lèi)尖脈沖1擾，本系統(tǒng)還采用了數(shù)字濾波，即通過(guò)編程消除干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)程序計(jì)算或判斷以減少干擾在有用信號(hào)中的比重，因此實(shí)際上它是一種程序?yàn)V波。數(shù)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。(2) 數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如001Hz)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。(3) 模擬濾波器通常每個(gè)通道都有，而數(shù)字濾波器則可以多個(gè)通道共用，從而降低成本。(4) 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不

31、同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。數(shù)字濾波有多種方法，如算術(shù)平均值濾波，滑動(dòng)平均值濾波等。本系統(tǒng)出現(xiàn)的尖脈沖干擾只影響個(gè)別采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，且與其他采樣點(diǎn)差距很大。顯然，一般的平均值法很難消除此干擾。因此，根據(jù)該溫度控制系統(tǒng)的具體情況，得到兩次采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)之問(wèn)的最大差如若采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)此偏差值，則表明是干擾信號(hào)，應(yīng)該舍去：反之，則是有效的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，采用以下濾波算法：當(dāng)時(shí)，令 (31) 其中，05a1。當(dāng)a=l時(shí)，本次采樣值取為上次采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。 該方法簡(jiǎn)單有效，適用于電加熱爐這種具有大滯后的控制對(duì)象，較好的解決了上述偶然性尖脈沖干擾。4 PID控制器的設(shè)計(jì)41

32、 引言 電加熱爐是一個(gè)較為復(fù)雜的被控對(duì)象，可以用以下模型定量捕述它： （4.1) 式中：K是為放大倍數(shù)；T為時(shí)間常數(shù)：為純滯后時(shí)間。 在實(shí)際熱力過(guò)程中，K、T、等參數(shù)隨著被加熱工件的熱導(dǎo)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(gè)大慣性、純滯后、參數(shù)時(shí)變的非線性對(duì)象，至今仍是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。電加熱爐溫度控制技術(shù)的發(fā)展迅速。從模擬PID、數(shù)字PID到最優(yōu)控制、自適應(yīng)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(jiǎn)介421 PID控制器的結(jié)構(gòu)和原理 PID控制器是一種基于對(duì)偏差“過(guò)去、現(xiàn)在和未

33、來(lái)”信息估計(jì)的有效而簡(jiǎn)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(tǒng)的給定值與輸出值的偏差；一比例系數(shù)；一積分時(shí)問(wèn)常數(shù)；一微分時(shí)間常數(shù)。 其控制系統(tǒng)原理如圖41： 422 控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 (1) 比例環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響 比例增益能及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)比例增益越大，PID控制器調(diào)節(jié)速度越快。但不能太大，過(guò)大的比例增益會(huì)加大調(diào)節(jié)過(guò)程的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 (2) 積分環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響 積分環(huán)節(jié)可以消

34、除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出和誤差量為常值和，則由式42可知，當(dāng)且僅當(dāng)e(t)=0時(shí)，控制器的輸出才為常數(shù)。由此可見(jiàn)，只要被控系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)就產(chǎn)生作用。直到系統(tǒng)無(wú)差時(shí)，積分環(huán)節(jié)的輸出為一個(gè)常值，積分作用停止。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)問(wèn)常數(shù)的大小，越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。在實(shí)際過(guò)程中，積分作用對(duì)超調(diào)量的貢獻(xiàn)是很重要的。 (3) 微分環(huán)節(jié)對(duì)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(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用反映的是系統(tǒng)偏差的變化

35、律，它可以預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，具有超前的控制作朋。換言之，微分作用能在偏差還沒(méi)有形成之前，就將其消除。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒(méi)有變化時(shí)，微分環(huán)節(jié)的輸出為零。微分作用的強(qiáng)弱取決丁微分時(shí)間的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。423 數(shù)字PI D控制器 計(jì)算機(jī)控制實(shí)際上是一種采樣控制，它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，存使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制時(shí)需將其數(shù)字化。將式41中的連續(xù)時(shí)間t用

36、一系列采樣時(shí)刻點(diǎn)代替，用求和形式代替積分，同時(shí)，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(shù)；微分系數(shù)為消除積分環(huán)節(jié)中計(jì)算量過(guò)大造成的負(fù)擔(dān)，以及減小對(duì)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(shù)字PID控制方程為： (4.4) 由上式可以看出比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)在控制器中的明確物理意義。根據(jù)工程指標(biāo)，可以很容易地掌握PID參數(shù)整定方法，獲得較好的控制效果。但是常規(guī)PID控制過(guò)于依賴(lài)被控塒象的數(shù)學(xué)模型，三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)隨模型改變而不同。而在實(shí)際生產(chǎn)中，參數(shù)一旦確定便無(wú)法實(shí)時(shí)地改變。對(duì)于電加熱爐這樣的控制對(duì)象，一旦裝爐量發(fā)生變化，其

37、數(shù)學(xué)模型就改變，此時(shí)需重新確定PID的三個(gè)參數(shù)。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(wú)法滿足控制要求的。43 基本模糊控制器431 引言 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，雖然不懂被控對(duì)象，但卻能憑借經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策，進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。模糊控制器就是據(jù)此避開(kāi)數(shù)學(xué)模型，在手動(dòng)控制策略基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種控制器。它通過(guò)電子計(jì)算機(jī)，接收由精確量轉(zhuǎn)化來(lái)的模糊輸入信息，按照語(yǔ)言控制器則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出，再將其轉(zhuǎn)化為精確節(jié)，反饋送到被控對(duì)象實(shí)施控制作用。可見(jiàn)，模糊控制器體現(xiàn)了模糊集合理論、語(yǔ)言變量及模糊推理在不具有數(shù)學(xué)模型，而控制策略只有以語(yǔ)言形式定性描述的復(fù)雜被控過(guò)程中的有

38、效應(yīng)用。 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器，必須解決以下稱(chēng)為模糊控制器結(jié)構(gòu)的三方而問(wèn)題： (1) 精確量的模糊化，把輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)論域上的模糊變量值； (2) 模糊推理，通過(guò)一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計(jì)算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系； (3) 輸出信息的清晰化，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。 如圖42所示為模糊控制器的系統(tǒng)方框圖。 圖4.2 含模糊控制器的系統(tǒng)方框圖 其中，R為系統(tǒng)設(shè)定值(精確量)；e，分別為系統(tǒng)誤差與誤差變化率(精確量)：,分別為反映系統(tǒng)誤差與誤差變化的語(yǔ)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(tǒng)輸出(精確量)。432 精確量的模糊化 在模糊控

39、制系統(tǒng)運(yùn)行中，控制器的輸入值、輸出值是確定數(shù)值的清晰量，而實(shí)際控制中是通過(guò)模糊語(yǔ)言變量進(jìn)行的，故在控制前，需要將清晰量轉(zhuǎn)化為模糊量。 設(shè)誤差e的實(shí)際變化范圍為-e,e，誤差e的模糊集合的論域?yàn)閄=-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(nèi)聯(lián)系變化的誤差離散化后分成的檔數(shù)。通過(guò)量化因子即可將系統(tǒng)的任何誤差量化為某一個(gè)元素。其中量化因子的定義是 (4.5)假設(shè)已知實(shí)測(cè)誤差為，則它可能存在于以下3種情況之一： (1) (2) (3) 對(duì)于情況(2)和(3)分別將量化為-n與n。對(duì)于情況(1)，若，則將化為；若則將量化為+l，為某一整數(shù)。同理，也可以將誤差變化率的實(shí)際范圍量

40、化為論域Y=-n，-n+l，0，n-l，n 實(shí)際中，常用“大”、“中”、“小”3個(gè)等級(jí)的模糊概念描述誤差及其變化率以及控制量的變化，又因?yàn)樽兞烤哂姓?fù)性，故用“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(Z)、“負(fù)小”(NS)、“負(fù)中”(NM)和“負(fù)大”(NB)這七個(gè)語(yǔ)言變量來(lái)描述。各值隸屬于某個(gè)語(yǔ)言變景的程度用隸屬度函數(shù)來(lái)表示，隸屬度函數(shù)可以通過(guò)總結(jié)操作者的操作經(jīng)驗(yàn)或采用模糊統(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定。通常采用正態(tài)分布函數(shù)或三角形分布函數(shù)。亦可建立各語(yǔ)言值從屬于各自論域程度的表格，稱(chēng)為語(yǔ)言變量的賦值表。 表41、表42以及表43給出一組典型的語(yǔ)言變量E，EC，U的賦值表。 表4.1 語(yǔ)言

41、變量E賦值表 表4.2 語(yǔ)言變量EC賦值表 表4.3 語(yǔ)言變量U賦值表根據(jù)。可求取確定數(shù)在基本論域【-e，e】上的量化等級(jí)，接下來(lái)通過(guò)查找語(yǔ)言變量E的賦值表，即可找出在元素鞏上與最大隸屬度對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值所決定的模糊集合。該模糊集合便代表確定數(shù)的模糊化。433 模糊推理 模糊推理，就足通過(guò)總結(jié)操作者在控制過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，生成一條條模糊條件語(yǔ)句的集合，它是模糊控制器的核心。常見(jiàn)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(lèi)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(tǒng)誤差e的模糊化，屬于論域Y的模糊集合取自系統(tǒng)的誤差變化率的模糊化，二者構(gòu)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(tǒng)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(shí)輸出的第一控制作用，第二控制作用. 基于手動(dòng)控制策略的總結(jié)，所得每一條模糊條件語(yǔ)句只代表一種特定情況下的一個(gè)對(duì)策。由各條模糊條件語(yǔ)句決定的控制決策之間的關(guān)系應(yīng)足“或”的關(guān)系。整個(gè)系統(tǒng)的總模糊關(guān)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(zhuǎn)化為一個(gè)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(gè)論域元素上同時(shí)出現(xiàn)隸屬度最大值，則取它們的平均值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)足簡(jiǎn)單易行，其缺點(diǎn)是包含的信息量較少。 (2) 取中位數(shù)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(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積的均分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的論域元素作為輸出結(jié)果。 （3） 加權(quán)平均法 該法針對(duì)論域中的每個(gè)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(quán)系數(shù)，平均值便是應(yīng)用加權(quán)平均法為模糊集合求得的判決結(jié)果該法也成為重心法。最后，由語(yǔ)言變量控制量變化U的賦值表查出論域元素(或量化等級(jí))對(duì)應(yīng)的精確量，它便是實(shí)際加到被控過(guò)程上的控制量。44 模糊

45、PID控制器的設(shè)計(jì) 目前，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器大量應(yīng)用于工業(yè)過(guò)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(shù)。但由于常規(guī)PID調(diào)節(jié)器不具有在線整定參數(shù)的功能，因此不能滿足在不同工況下系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的自整定要求，從而影響其控制效果的進(jìn)一步提高。本章采用具有PID參數(shù)模糊自整定功能的一類(lèi)FuzzyPID控制器的設(shè)計(jì)方法。圖47為模糊PID箱式電加熱爐溫度控制系統(tǒng)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(dāng)溫度到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，即切換開(kāi)關(guān)，進(jìn)入模糊PID控制。bangbang控制切換到模糊PID控制的時(shí)機(jī)，既要滿足能加快系統(tǒng)上升

46、速度，又要滿足模糊PID控制有足夠的控制空問(wèn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)推出，此轉(zhuǎn)換值隨設(shè)定溫度而變化，但保持一定的規(guī)律。 （4.7）其中，溫度轉(zhuǎn)換值； 設(shè)定溫度； R系統(tǒng)設(shè)定值； 0<a<l，通過(guò)調(diào)節(jié)a的值，即可達(dá)到控制溫度轉(zhuǎn)換值的目的。 圖4.7 模糊PID控制器的系統(tǒng)方框圖 PID參數(shù)模糊自整定控制器是一種在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)，與偏差絕對(duì)值和偏差變化絕對(duì)值的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系中，其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID三個(gè)參數(shù)與偏差和偏差變化率之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)和，再根據(jù)模糊控制原理對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同和時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，而且計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)。 在不同和下被控過(guò)程對(duì)參數(shù)、和的自整定要求可簡(jiǎn)單地總結(jié)出以下規(guī)律： (1) 當(dāng)較大時(shí)，應(yīng)取較大的和較小的(以使系統(tǒng)響應(yīng)加快)且使=0(為避免較大的超調(diào)，故去掉積分作用)。 (2) 當(dāng)相等時(shí)，應(yīng)取較小的(使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào))，適當(dāng)?shù)暮?特別是KD的取值對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)影響較大)。 (3) 當(dāng)較小時(shí)，應(yīng)取較大的和(以使系統(tǒng)能有較好的穩(wěn)態(tài)性能)，的取值要恰當(dāng)，以避免在半衡點(diǎn)附近出現(xiàn)震蕩。 這里取偏差絕對(duì)值和偏差變化率的絕對(duì)值為輸入語(yǔ)言變量，每個(gè)語(yǔ)言變量取三個(gè)語(yǔ)言值“大(B)”、“中