工業(yè)電阻爐溫模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、工業(yè)電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的溫度特性，針對(duì)時(shí)滯和不確定的復(fù)雜非線(xiàn)性系統(tǒng) 的控制問(wèn)題，提出了一種模糊控制系統(tǒng)方案，該模糊控制器用于電阻爐的溫度 控制，可在模型未知的情況下，根據(jù)被控溫度的偏差大小，選取適當(dāng)?shù)目刂扑?法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使?fàn)t溫達(dá)到給定值，方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需被控對(duì)象的精確數(shù) 學(xué)模型，且能適應(yīng)環(huán)境的變化，具有控制精度高、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。電阻爐由電阻絲加熱，溫度控制具有非線(xiàn)性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、 升溫單向性等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用和研究中，溫度控制遇到了以下困難：第一， 很難建立精確的數(shù)學(xué)模型；第二，不能很好地解決非線(xiàn)性、大滯后等問(wèn)題。以 精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的

2、經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制論在解決這些問(wèn)題時(shí)遇到了極 大的困難，而以語(yǔ)言規(guī)則模型（IF-THEN ）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。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些模糊設(shè)計(jì)方法大多存在不同缺點(diǎn)， 而且真正把理論研究應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)例較少。所以，深入研究在電阻爐系 統(tǒng)控制中具體應(yīng)用模糊控制設(shè)計(jì)理論是十分必要的。關(guān)鍵詞：電阻爐；模糊控制器；溫度控制；控制仿真A Design of Temperature Fuzzy Control System ofIndustry Resistor FurnanceAbstractIn this paper, accordi ng to the temper

3、ature characteristic of the real product ion process, and in view of skew ing and un certa in complicated non-li near con trol questi on systematically, this paper puts forward a kind of fuzzy con trol system scheme, whose scheme structure is simple and which does not n eed the target's accurate

4、 mathematical model, and can adapt to the change of the environment , controlling the characteristic with high precisi on and with good dyn amic performa nee. This fuzzy con troller is used in resista nee furn ace temperature con trol. Satisfactory result has bee n obta in ed.Electric heating furnac

5、e is heated by resistance wire, so it has non-linear, great lagg ing, big in ertia, time vary ing and uni directi onal rising. In practical study and applicati on, the temperature con trol of electric heati ng furn ace has met the followi ng difficulty: First, it is very difficult to set up accurate

6、 mathematics model; Second, we can't well solve the problems of non-linear, great lagging etc. The classical control theory based on accurate mathematics model and moder n cyber netics have met great difficulty in solving these problems, but the fuzzy control theory based on regular Ianguage mod

7、el of IF-THEN is an effective way of solving the above-mentioned problems. Some domestic existing fuzzy design methods mostly have different shortcomings, and practical systems applied by theoretical research are less really. So further in vestigat ing how the fuzzy desig n theory system is applied

8、in con trol system of electric heati ng furn ace is very n ecessary.Keywords Resistance furnace fuzzy controller； temperature control目 錄摘要.AbstractII第1章緒論1.1.1課題背景1.1.2工業(yè)電阻爐的介紹 1.1.3模糊控制的研究與進(jìn)展 .4.1.4模糊控制在工業(yè)電阻爐上應(yīng)用的可行性 6第2章模糊控制理論7.2.1 引言7.2.2模糊控制系統(tǒng)組成及工作原理8模糊控制系統(tǒng)的組成9模糊控制系統(tǒng)工作原理 92.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)9第3章電阻爐溫度模

9、糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 33.1電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng) 1.33.2溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述1.4溫度傳感器的選擇 1.4溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路1.53.2.3 A/D轉(zhuǎn)換與開(kāi)關(guān)量輸出接口 1.6可控硅觸發(fā)電路163.3模糊控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)1.6模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟1.73.4模糊控制與PID控制方法的比較24兩者之間的聯(lián)系24第4章模糊控制器的硬件設(shè)計(jì)264.1 89C51型單片機(jī)模糊控制器的系統(tǒng)功能機(jī)硬件組成 26單片機(jī)模糊控制器的系統(tǒng)功能 2 6單片機(jī)類(lèi)型的選擇274.2 89C51型單片機(jī)模糊控制器的硬件系統(tǒng)組成 2 74.2.1 89C51型單片機(jī)模糊控制器前向通道得設(shè)計(jì) 294.2.2 8

10、9C51型單片機(jī)模糊控制器后向通道得設(shè)計(jì) 304.2 89C51型單片機(jī)模糊控制器主程序結(jié)構(gòu) 3 14.3 89C51型單片機(jī)模糊控制器的算法程序 3 2第5章電阻爐溫度控制仿真345.1仿真工具M(jìn)ATLAB345.2模糊控制器的設(shè)計(jì)345.3 MATLAB環(huán)境下仿真 35結(jié)論40致謝41參考文獻(xiàn)42附錄A43附錄B50第1章緒論1.1課題背景電阻爐溫度控制器在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)控制過(guò)程中都得到了廣 泛應(yīng)用。但是，目前國(guó)內(nèi)的電阻爐溫度控制器大多還停留在國(guó)際60年代水平，仍在使用常規(guī)PID控制或繼電-接觸器控制，自動(dòng)化程度低，動(dòng)態(tài)控制精度差， 滿(mǎn)足不了日益發(fā)展的工藝技術(shù)要求。電阻爐由電阻

11、絲加熱，溫度控制具有非線(xiàn) 性、大滯后、大慣性、多變量、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用和研 究中，電阻爐溫度控制遇到了以下困難：第一，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型；第 二，不能很好地解決非線(xiàn)性、大滯后等問(wèn)題。以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的經(jīng)典控 制理論和現(xiàn)代控制論在解決這些問(wèn)題時(shí)遇到了極大的困難，而以語(yǔ)言規(guī)則模型 (IF-THEN)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。自1965年Zadeh提出模糊集合論以來(lái)，模糊控制作為模糊理論應(yīng)用的一個(gè)重 要分支，己經(jīng)發(fā)展成為具有一定系統(tǒng)化理論及大量應(yīng)用背景的新興學(xué)科，并且 成功地應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、家用電器、機(jī)器人操作、機(jī)車(chē)控制、航空航天等 諸多領(lǐng)

12、域。模糊控制理論日趨成熟，并且由于其基于人的邏輯推理、不依賴(lài)控 制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型這一特點(diǎn)，體現(xiàn)了它巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力。基于單片機(jī)技術(shù)的控制器自80年代以來(lái)取得了巨大的成功，尤其是微型計(jì) 算機(jī)的蓬勃發(fā)展，使得單片機(jī)控制器具有強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)。因此，尋求適合單片機(jī) 控制器的控制技術(shù)一直是控制人員關(guān)心的課題。在現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)條件下，應(yīng) 用現(xiàn)代控制理論很難設(shè)計(jì)出有效而且實(shí)用的控制器，在工業(yè)控制領(lǐng)域，應(yīng)用現(xiàn) 代控制理論設(shè)計(jì)出來(lái)的控制器的效果往往還不如根據(jù)經(jīng)典PID理論設(shè)計(jì)的過(guò)程控制器的控制效果。到目前為止，在工業(yè)控制過(guò)程中，占統(tǒng)治地位的仍然是經(jīng) 典的PID控制調(diào)節(jié)器，其比例達(dá)到了 90%以上。但是PID控制

13、技術(shù)在處理一些 非線(xiàn)性、時(shí)滯性大又不便建立數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象時(shí)，如上述的電阻爐，存在 著兩個(gè)固有的缺陷：第一、參數(shù)調(diào)節(jié)困難，尤其對(duì)于參數(shù)變化大的控制對(duì)象； 第二、不適宜具有大時(shí)滯的控制對(duì)象。盡管1957年Smith提出Smith預(yù)估器控制策略，但必須以精確的數(shù)學(xué)模型為前提。因此，研究先進(jìn)的模糊控制策略， 以及在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，從而使模糊控制技術(shù)更好地應(yīng)用在電加熱爐溫度控制 系統(tǒng)以及其它的過(guò)程控制，具有很高的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià) O1.2工業(yè)電阻爐的介紹工業(yè)電阻爐是工業(yè)上很常見(jiàn)的工業(yè)設(shè)備。下面對(duì)它進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的介紹：(1) 電加熱原理：當(dāng)電流在導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，因?yàn)槿魏螌?dǎo)體均存在電阻，電能即在導(dǎo)體中形成

14、損耗，轉(zhuǎn)換為熱能，按焦耳楞次定律：Q= 0.2412 Rt(1-1)按上式推算，當(dāng)1千瓦小時(shí)的電能，全部轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)：Q= (0.24 W00 X36000)/1000=864 千卡(1-2)在電熱技術(shù)上按I千瓦小時(shí)二860千卡計(jì)算。電阻爐在結(jié)構(gòu)上是使電能轉(zhuǎn)換為熱 能的設(shè)備，它能有效地 用來(lái)加熱指定的工件，并保持高的效率。(2) 分類(lèi)：電阻爐按熱量產(chǎn)生的方法不同，可分為間接加熱式和直接加熱式二大類(lèi)。 間接加熱式電阻爐、就是在爐子內(nèi)部有專(zhuān)用的電阻材料做的發(fā)熱元件。電流通 過(guò)加熱元件時(shí)產(chǎn)生熱量，再通過(guò)熱的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射而使放置在爐中的爐料 被加熱。直接加熱式電阻爐，電源直接接在所需加熱的材料上，

15、使強(qiáng)大的電流直接流過(guò)所需加熱的材料而使材料自己發(fā)熱達(dá)到加熱效果。工業(yè)電阻爐，大部 分是采用間接加熱式的，只有一部分因加熱工藝人的特殊需要而采用直接加熱 式。(3) 用途：工業(yè)電阻爐的主要用途是供機(jī)械工業(yè)對(duì)原材料、毛坯、機(jī)械另件加熱用。 如板材軋制前的坯料加熱，鍛件的加熱。機(jī)械另件及半成品的熱處理以改善其 機(jī)械性能，如進(jìn)桿淬火、回火、退火、正火、氣體滲碳、氮化等。亦有用于燒 結(jié)、釬焊，部份電阻爐用于低熔點(diǎn)金屬的熔煉及陶瓷玻璃工業(yè)的加熱。(4) 主要的技術(shù)特性：電阻爐消耗電能轉(zhuǎn)換來(lái)的熱能。一部分由電爐構(gòu)筑材料及傳熱的各種因素 而散失到空間去了，另一部分則用于對(duì)爐內(nèi)工件的加熱，前面的一部分形成了 電

16、爐損失功率，后一部分形成了電爐有效功率。當(dāng)電爐開(kāi)始升溫時(shí)，爐內(nèi)砌磚體大量地吸收熱量，以提高本身溫度，在停爐冷下來(lái)時(shí)又把這一部分熱量散失 到空間去；這一部分形成爐體蓄熱損失。一臺(tái)先進(jìn)的電爐應(yīng)具有低的空爐損失 及高的有效功率。較少蓄熱相失?？諣t損失的大小是衡量電爐效率好壞的重要 指標(biāo)，空爐損失小的電爐，可以得到高的技術(shù)生產(chǎn)率及低的單位電能消耗比。 一般工業(yè)電阻爐的效率。小型電爐較低一些。大型電爐較高一些，從10-100千瓦的箱式電爐效率約為 65%-85%，空爐損失約占總功率的 35%-15%。電爐 從室溫升到工作溫度的時(shí)間對(duì)電爐的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是有明顯影響的，升溫時(shí)間短則 爐子投入正常使用的時(shí)間就較長(zhǎng)

17、每天的生產(chǎn)率就較高，每公斤工件的電耗量就 降低，所以要盡量采用熱慣性小的爐襯材料并降低爐體蓄熱量來(lái)加快電爐的升 溫速度：爐體的蓄熱量對(duì)周期作業(yè)爐影響很大，尤其是每天一班或二班生產(chǎn)的 電爐。對(duì)連續(xù)作業(yè)爐其影響就不明顯。加熱能力是一臺(tái)電爐的主要技術(shù)指標(biāo)， 加熱能力是指電爐的有效功率，從理論計(jì)算上在一個(gè)小時(shí)內(nèi)能把指定的材料加 熱到額定溫度的最大重量數(shù)，以公斤/小時(shí)計(jì)算。(5) 電阻加熱爐基本結(jié)構(gòu)及型式 ：電阻爐是隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，由于各種加熱工藝及冶煉工 藝上的需要，電阻爐是一個(gè)品種很多的產(chǎn)品。電阻爐爐體結(jié)構(gòu)，分周期式及連續(xù)式二個(gè)型式來(lái)分別介紹。周期式作業(yè)爐分為箱式電爐，臺(tái)車(chē)式電爐、井

18、式電爐等：箱式電爐，外殼一般是用型鋼、鋼板焊接而成的，小型電爐由于需保持工 作面的一定高度，一般均做成帶支架的，在箱型殼體下邊，有支持爐體的腿或 支架。中型電爐因本身重量大及加入爐內(nèi)的工件重量也大，所以一般均直接在 底盤(pán)上焊接爐體及砌磚。大型電爐可以在特定的專(zhuān)用的地基上設(shè)計(jì)成無(wú)鋼性底 盤(pán)的結(jié)構(gòu)，而就地焊接砌磚，但這種電爐在安裝后不能吊運(yùn)及移動(dòng)。中小型電 爐的爐門(mén)可用配重及手動(dòng)裝置來(lái)開(kāi)閉，下部一般均有砂封槽，有些爐門(mén)上邊也 設(shè)有砂封槽，以保證良好的密封性，爐門(mén)關(guān)閉時(shí)，用壓緊裝置使?fàn)t門(mén)緊密的與 門(mén)框接觸，減少漏氣。大型電爐可以用電動(dòng)或氣動(dòng)、液壓開(kāi)閉爐門(mén)，電加熱元 件一般可以在爐膛內(nèi)左右側(cè)墻上及底面

19、上布置，為了得到良好的熱場(chǎng)，最好在 爐頂上也布置電加熱元件，因?yàn)闋t內(nèi)工件一般堆放高度不會(huì)超過(guò)寬度，所以以 上下兩個(gè)方面加熱比左右兩個(gè)方面更為有效。大型及中型電爐可以在爐門(mén)上及 后墻上適當(dāng)?shù)牟贾靡恍╇娂訜嵩詼p少爐內(nèi)的溫差，為了保證爐門(mén)口的熱 損失能得到更好的平衡，可以在較大的箱型電爐上靠爐門(mén)口的爐膛長(zhǎng)度1/3處作為一個(gè)控制區(qū)。通保護(hù)氣體的爐子應(yīng)設(shè)有保證安全運(yùn)行的必要裝置及良好曲 密封性。井式電爐一般均為圓筒形爐膛，內(nèi)徑一般最小為600毫米，大小了，安裝維修時(shí)不方便；爐殼用型鋼作為骨架再焊上鋼板，小型爐蓋可用手動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi) 閉，大型及中型的可用電動(dòng)或液壓等機(jī)構(gòu)開(kāi)閉，高度與直徑好比在1-1.5的電

20、爐工件一般放管在爐膛底部，高度與直徑比在2以上時(shí)。工件大部用吊掛方式，吊于爐口內(nèi)或爐上外部的專(zhuān)用吊架上，控制區(qū)的設(shè)置一般以直徑的1-1. 5倍為一個(gè)。在溫度控制要求不高時(shí)。有時(shí)一個(gè)控制區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到直徑的2倍?？煽貧夥障湫味嘤脿t一般在結(jié)構(gòu)上是分為前室及爐膛、冷卻槽，前室由型 鋼及鋼板焊成的密封空間下邊與冷知槽相連，上邊設(shè)有水冷壁的空氣冷卻室。 中間有通過(guò)工件的軌道及上下升降的料架，由頂上的氣缸來(lái)操作（可電氣動(dòng)或液動(dòng)）下降時(shí)工件進(jìn)入冷卻槽，進(jìn)行快速冷卻或等溫淬火、上升時(shí)工件在上邊氣氛 中緩冷。爐膛在前室后邊，中間有一個(gè)爐門(mén)隔開(kāi)，進(jìn)料出料時(shí)。爐門(mén)由上部氣 缸打開(kāi)。爐膛由抗?jié)B碳砌成。電加熱器有兩種形式，

21、一種是由高電阻合金板材 制成；為了消除表面積炭形成短路，加熱器面涂上專(zhuān)用的高溫絕緣釉；另一種 為輻射管式的，水平或垂直的插入爐中，管中用大切面圓形電阻線(xiàn)組成金屬發(fā) 熱器。爐內(nèi)具有強(qiáng)力的風(fēng)扇，爐子前面為一個(gè)推料裝置，用以向爐內(nèi)進(jìn)出料， 電爐附有氣體發(fā)生器或直接向爐內(nèi)滴注有機(jī)液及碳勢(shì)控制設(shè)備。連續(xù)式電爐有推桿式及傳送帶式：推桿式由三個(gè)部分組成，爐體是用型鋼、鋼板焊成，由于這一類(lèi)電爐較 長(zhǎng)，重量及裝料量亦較大，爐體一般均在工地安裝，設(shè)計(jì)上可米用無(wú)鋼性底盤(pán) 的結(jié)構(gòu)，在特定的地基上進(jìn)行安裝，總裝完成后，不能吊裝、移動(dòng)，爐內(nèi)的砌 體上設(shè)有軌道以放置料盤(pán)及工件，低溫的電爐，爐頂一般是做成與下?tīng)t體可以分開(kāi)的，

22、在爐頂上有專(zhuān)用的導(dǎo)風(fēng)板及風(fēng)扇，推料機(jī)可以是機(jī)械的，或液壓的。對(duì)單排軌爐每動(dòng)作一次向爐內(nèi)推入一盤(pán)料，出料部分在中小型的爐中可用人工 拉出的，也可以是用機(jī)械方式出料的，各種動(dòng)作由電氣控制裝置自動(dòng)操作。傳送帶式電爐，爐體與推桿式的相似，不同的只是爐內(nèi)用一條環(huán)形的耐熱 鋼制的傳送帶來(lái)傳送工件，傳送速度由一臺(tái)無(wú)級(jí)變速電機(jī)及減速機(jī)或機(jī)械變速 機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)。一般電爐的砌磚體組成，簡(jiǎn)單的介紹如下：爐中表層爐膛磚在 1200C的電爐中，一般用比重 0.8或0.6高鋁質(zhì)或輕質(zhì)粘土磚。在1000C以下 的一般用比重0.6的輕質(zhì)粘土磚。在推桿式及傳送式電爐中，及大型電爐中， 一般宜采用較重的磚，以保證磚體具有較長(zhǎng)的使用壽

23、命，而較厚的保溫層一般 是用來(lái)保證電爐具有較小的熱損失。在700。1000的電爐中，一般用113毫米厚的保溫耐火層及113-180毫米厚的保溫層。在400-650C的電爐中，用65 113毫米厚的保溫耐火層及 65-113毫米厚的保溫層。1200的電爐中可用113 毫米厚的耐火層及65-113毫米厚的高溫隔熱層及135-180毫米厚的保溫層。 一般小功率的電爐可用較薄的磚層，功率大的電爐可用較厚的磚層。1.3模糊控制的研究與進(jìn)展在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，控制科學(xué)同其它技術(shù)科學(xué)一樣，它的產(chǎn)生與發(fā)展主 要由人類(lèi)的生產(chǎn)發(fā)展需求和人類(lèi)當(dāng)時(shí)的技術(shù)和知識(shí)水平所決定的。從古代亞歷 山大運(yùn)用反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)水流的水鐘

24、到現(xiàn)代太空和大規(guī)模復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的綜合 自動(dòng)化，控制科學(xué)在技術(shù)進(jìn)步中都起著十分重要的作用。直到二十一世紀(jì)的今 天，人們?nèi)栽诓煌５奶剿?。?788年 J.Watt的飛球調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)為起點(diǎn)，控制 理論經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論、及智能控制理論的發(fā)展過(guò)程。1965年美國(guó)加州大學(xué)的LAZadeh教授在其發(fā)表的著名論文 “Fuzzgets ”， 首次提出用 隸屬函數(shù)”的概念來(lái)定量描述事物模糊性的模糊集合理論，從此奠 定了模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。1974年英國(guó)學(xué)者首次把模糊集合理論成功地 應(yīng)用在鍋爐和蒸汽機(jī)的控制之中，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中首開(kāi)模糊控制在實(shí)際工程 上應(yīng)用之先河。在此后的短短 30多年里，模糊控制獲

25、得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在理論 和應(yīng)用上都取得了令人驚嘆的豐碩成果。1985年世界上第一塊模糊邏輯芯片在美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，這是模糊技術(shù)走向?qū)嵱没挠忠焕锍瘫?0年代初，模糊家電風(fēng)靡日本，給日本企業(yè)帶來(lái)了巨大的商業(yè)利潤(rùn)，同時(shí)也推動(dòng)了歐 美和其它國(guó)家，進(jìn)一步促進(jìn)了模糊技術(shù)的發(fā)展。模糊控制的發(fā)展大體分為三個(gè)階段：基本模糊控制；復(fù)合模糊控制；仿生模糊控制。模糊控制在短短的三十多年中發(fā)展如此迅速，足以說(shuō)明其具有很 大的理論和實(shí)際意義。理論研究和實(shí)際應(yīng)用都表明模糊控制具有良好的控制性 能，具有響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)、魯棒性好、控制算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。早期研制的模糊控制器，應(yīng)用在一些較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)中，以模糊

26、邏輯語(yǔ) 言為出發(fā)點(diǎn)，采用L.A. Zadeh教授提出的模糊關(guān)系合成推理規(guī)則，得出控制決 策，屬于基本模糊控制。由于其設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低廉，控制效果也較為明 顯，至今廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。歷經(jīng)幾十年的研究與實(shí)踐，基本模糊控制逐漸 暴露出自身的局限性，對(duì)于那些較為復(fù)雜的非線(xiàn)性、時(shí)變性較大的多變量系 統(tǒng)，不能進(jìn)行有效的控制。于是，研究人員借助傳統(tǒng)控制方法，將傳統(tǒng)控制方 法和模糊控制相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，形成復(fù)合控制，這也是模糊控制的又一進(jìn) 步?；趶?fù)合模糊控制的許多模型有效地解決了多年的控制難題。近幾年來(lái)， 隨著各個(gè)學(xué)科知識(shí)的交叉發(fā)展，邊緣學(xué)科呈現(xiàn)強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。首先是神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)理論的系統(tǒng)化和完備化，促

27、進(jìn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，包括模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā) 展。緊接著是進(jìn)化計(jì)算(特別是遺傳算法)的興起，人們將這些理論與控制冋題結(jié) 合起來(lái)，逐漸發(fā)展成為基于仿生學(xué)的模糊控制，簡(jiǎn)稱(chēng)仿生模糊控制，標(biāo)志著自 動(dòng)控制己經(jīng)進(jìn)入智能化的嶄新階段。模糊控制之所以能獲得這樣迅速的發(fā)展，與其自身具備的特點(diǎn)不無(wú)關(guān)系， 模糊控制的突出特點(diǎn)在于：(1) 模糊控制器是建立在對(duì)專(zhuān)家、操作人員的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)操作數(shù)據(jù)的模仿總 結(jié)基礎(chǔ)之上，這種控制器的設(shè)計(jì)不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而只需 要提供現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)。(2) 控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，對(duì)于非線(xiàn)性時(shí)變滯后系統(tǒng)，因?yàn)槠鋵?duì)參數(shù)變化不 敏感，所以其動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性均優(yōu)于

28、常規(guī)控制手段。(3) 以語(yǔ)言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專(zhuān)家的知識(shí)”?？刂仆评聿捎?不精確推理(approximate reasoning) ”。由于推理過(guò)程模仿 人的思維過(guò)程，加入了人類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)，因而能夠處理復(fù)雜甚病態(tài)”系統(tǒng)。模糊控制理論之所以能廣泛發(fā)展并在現(xiàn)實(shí)中得以成功應(yīng)用，其根源在于模糊邏輯本身 提供了由專(zhuān)家構(gòu)造語(yǔ)言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法。從 廣義上講，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué) 模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制。它是模糊數(shù)學(xué)同控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)(具有非線(xiàn)性、大時(shí)滯、多變量等特點(diǎn))，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代 控制理論在忽略一些

29、認(rèn)為是次要因素的前提下，建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型或狀 態(tài)空間模型。這樣處理的結(jié)果固然可以得到精確的數(shù)學(xué)模型(有時(shí)也不能得到),但是次要因素的忽略可能使本來(lái)明確的概念模糊起來(lái)。但系統(tǒng)受模糊性因素的 影響不斷積累時(shí)，將使得以建立的精確數(shù)學(xué)模型無(wú)法描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；相 反，當(dāng) 人”作為系統(tǒng)中的一元，參與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，系統(tǒng)的特性將會(huì)得到很 大的改善模糊控制與常規(guī)控制方法相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，無(wú)需建 立數(shù)學(xué)模型，是解決不確定系統(tǒng)的一種有效途徑。(2) 模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，被控對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)模糊控制的影響不 明顯，可以用于非線(xiàn)性、時(shí)變、

30、時(shí)滯的系統(tǒng)。(3) 由離散計(jì)算得到控制查詢(xún)表，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?？刂频臋C(jī)理符合人們對(duì)過(guò)程控制作用的直觀描述和思維邏輯，為智能控 制應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。1.4模糊控制在工業(yè)電阻爐上應(yīng)用的可行性在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，電阻爐隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性 或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電阻爐溫控具有升溫單向性、大時(shí)滯和時(shí)變的特點(diǎn)，如升溫 靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方 法難以得到更好的控制效果。另外對(duì)于 PID控制若條件稍有變化，則控制參數(shù)也 需調(diào)整。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線(xiàn)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)。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)

31、不易精確描 述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決 這一冋題的有效途徑。人們運(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并 把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息（如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等）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)自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。從以上的分析可知模糊控制應(yīng)用在具有明顯的純滯后、非線(xiàn)性、參數(shù)時(shí) 變，類(lèi)似于電阻爐這樣特點(diǎn)的控制對(duì)象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控制電阻爐溫度是一種非常好的解決方法。它 發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小

32、的特點(diǎn)。因此在 溫度控制器設(shè)計(jì)中采用模糊控制。第2章模糊控制理論2.1引言在冶金、化工、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度控制是較普遍且較關(guān)鍵的控 制系統(tǒng)，它具有非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、時(shí)滯等特性。采用常規(guī)的PID控制器，一般很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其快速有效地精確控制。而作為非線(xiàn)性控制的一個(gè)分支-模糊控制，在溫度控制系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。學(xué)術(shù)界對(duì)模糊現(xiàn)象的研究由來(lái)已久，從20世紀(jì)20年代開(kāi)始，就一直有學(xué)者在對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究，直到1965年，美國(guó)柏克萊加里福尼亞大學(xué)電氣工程系 教授，把經(jīng)典集合與J丄ukasiewicz的多值邏輯融為一體創(chuàng)立模糊集 合理論，從而真正開(kāi)辟了解決模糊問(wèn)題的科學(xué)途徑。在他的<<

33、FuzzySets>>,«Fuzzy Algorith>> 和 <<A Rati on ale for Fuzzy Con trol>> 等著作中，首先 提出了模糊數(shù)學(xué)和模糊控制的概念。其核心是對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)或過(guò)程建立一種語(yǔ) 言分析的數(shù)學(xué)模式，使人的自然語(yǔ)言直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受的算法語(yǔ)言。模 糊集合理論為處理客觀上存在的一類(lèi)模糊性問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的工具，所以作 為模糊數(shù)學(xué)的一個(gè)重要應(yīng)用分支的模糊控制理論由此應(yīng)運(yùn)而生。模糊理論發(fā)展至今只有將近 40年，其友展極為巡速，研究大致有以下幾 個(gè)方面：1、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制理論的研究；2、模糊

34、推理策略的研究；3、模糊辯識(shí)模型的研究；4、模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究；5、模糊控制器的硬件實(shí)現(xiàn)。而在工程上，模糊控制的工程應(yīng)用也在不斷發(fā)展。最早是英國(guó)倫敦大學(xué)教 授在1974年首先利用模糊語(yǔ)句組成的模糊控制器對(duì)鍋爐和氣輪機(jī) 的運(yùn)行進(jìn)行控制并取得了成功。之后，有一大批學(xué)者致力于模糊控制工程應(yīng)用 的研究。自20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，模糊控制進(jìn)入了實(shí)用化階段，并且其應(yīng) 用技術(shù)逐漸趨向成熟，應(yīng)用面也逐漸擴(kuò)展，主要反映在：1、從以大型機(jī)械設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程為主要對(duì)象擴(kuò)展到大眾化機(jī)電產(chǎn) 品；2、向復(fù)雜大系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、人與社會(huì)系統(tǒng)以及生態(tài)系統(tǒng)等縱深方向拓 展；3、在硬件方面進(jìn)一步研制模糊控制器、模糊推理等

35、專(zhuān)用芯片，開(kāi)發(fā)模糊 控制用的通用系統(tǒng)。現(xiàn)在，模糊控制在化工、機(jī)械、冶金、工業(yè)爐窯、水處理、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域中都得到了實(shí)際的應(yīng)用。模糊控制充分顯示了在大規(guī)模系統(tǒng)、多目標(biāo)系統(tǒng)、 非線(xiàn)性系統(tǒng)以及無(wú)適當(dāng)傳感器可檢測(cè)系統(tǒng)中的良好應(yīng)用效果?？傊?，模糊控制具有一系列傳統(tǒng)控制所無(wú)法與之比擬的優(yōu)點(diǎn)：1、無(wú)需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。所以可以對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難 以求取或無(wú)法求取的對(duì)象進(jìn)行有效控制。2、 由于控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的條件語(yǔ)句表示的.所以對(duì)于對(duì) 模糊控制理論不熟悉的人來(lái)說(shuō)也很容易學(xué)懂和掌握模糊控制的方法。3、由于控制知識(shí)是以人的語(yǔ)言形式表示的，故有利于人機(jī)對(duì)話(huà)和系統(tǒng)知 識(shí)的處理，從而使系統(tǒng)處理

36、更具靈活性和機(jī)動(dòng)性。所以模糊控制技術(shù)目前正在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)然其仍有很多問(wèn)題 有待解決，這些也就是我們所將面臨的主要工作：1、模糊控制在多變量、非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用的模糊建模、模糊規(guī)則的獲 取和建立、模糊推理算法的深入研究；2、如何根據(jù)研究系統(tǒng)的性能綜合指標(biāo)，來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化模糊控制器的結(jié)構(gòu) 與參數(shù)；3、根據(jù)不同研究對(duì)象，研究模糊控制器中模糊推理合成算子的選取，以 及非線(xiàn)性程度對(duì)模糊控制器控制效果的影響；4、模糊控制系統(tǒng)基本理論的研究；5、自學(xué)習(xí)模糊控制策略和智能優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究及實(shí)現(xiàn)；6、傳統(tǒng)控制與模糊控制構(gòu)成的模糊集成控制系統(tǒng)；7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與模糊控制理論相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成模糊神

37、經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Fuzzy-Neural Network )，組成一種更接近于人腦的智能信息處理系統(tǒng)；8把已取得的理論研究成果盡快地應(yīng)用到工程實(shí)際過(guò)程中，使其盡快轉(zhuǎn) 化為生產(chǎn)力；9、簡(jiǎn)單、實(shí)用且具有高性能模糊推理功能的模糊集成芯片、模糊控制用 的通用控制器和模糊控制用的通用系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)以及推廣應(yīng)用；基于以上所述情況，本文工作以 PCT V實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的已有的西門(mén)子 57-300 可編程序控制器的硬件設(shè)施及其編程軟件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱器的模糊控 制，力求在模糊控制的工程應(yīng)用研究方面進(jìn)行一些實(shí)際工作，即將人類(lèi)具有的 比較單純的宏知識(shí)移植到受控對(duì)象上來(lái)，實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有的自動(dòng)化機(jī)械具有更好的 功能，以PLC

38、編程為實(shí)現(xiàn)手段，進(jìn)行有較強(qiáng)針對(duì)性的工程應(yīng)用嘗試。2.2模糊控制系統(tǒng)組成及工作原理模糊控制系統(tǒng)是一種以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的 規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)；采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)機(jī)構(gòu) 數(shù)字自動(dòng)控制系統(tǒng)，其核心是具有智能性的模糊控制器。由此可見(jiàn)模糊控制技 術(shù)是一種由模糊數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、知識(shí)工程等多門(mén)學(xué)科領(lǐng)域相互 滲透、理論性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)。2.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控式：給定值模糊控制器 D/A傳感器被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖2-1模糊控制系統(tǒng)組成圖2-1即為模糊控制系統(tǒng)的一般組成，根據(jù)人手動(dòng)調(diào)節(jié)方式經(jīng)驗(yàn)建立一種數(shù) 學(xué)描述實(shí)現(xiàn)控制。模糊控制系統(tǒng)組成具有

39、常規(guī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，如 圖，通常包括模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和測(cè)量裝置等 五個(gè)部分組成，其核心是模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)的工作主要體現(xiàn)在其核心部件模糊控制器的工作上，其工作 主要分為三步：模糊化，模糊決策，清晰化。如圖 2-2所示：圖2-2模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖模糊控制系統(tǒng)工作原理首先，我們得到一個(gè)測(cè)量變送來(lái)的精確量e,按照一定的隸屬度關(guān)系將其進(jìn)行模糊化得到模糊矢量E,然后，根據(jù)實(shí)際手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)建立的模糊規(guī)則及輸入模糊矢量和輸出模糊矢量的隸屬度函數(shù)所決定的模糊關(guān)系R進(jìn)行模糊推理,做出模糊決策，最后，將此決策的模糊量按一定的算法轉(zhuǎn)化為精確量送至執(zhí)行 機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。其

40、中最為關(guān)鍵的一步是將操作者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成若干條規(guī)則，經(jīng) 過(guò)相應(yīng)的模糊數(shù)學(xué)處理，存放到計(jì)算機(jī)中，形成模糊控制規(guī)則，并仿照人腦的 模糊推理過(guò)程，確定推理法則5。2.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模糊控制器的設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的工程應(yīng)用問(wèn)題，一般包括以下幾點(diǎn)基本要 求:1、模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇；2、模糊規(guī)則的選??；3、確定模糊控制器模糊化和解模糊化的方法；4、模糊控制器的參數(shù)確定；5、模糊控制算法程序的編寫(xiě)。模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇根據(jù)被控對(duì)象的特性，一般將模糊控制器按結(jié)構(gòu)分為單輸入單輸出(SISO)和多輸入多輸出(MIMO)兩種。由于對(duì)于一些復(fù)雜的MIMO系統(tǒng)難以直接提取控制規(guī)則，所以常用的方法是將其化為MISO

41、結(jié)構(gòu)，然后利用SISO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)，即多變量控制系統(tǒng)的模糊解禍。故此處僅討論 SISO系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)。單變量模糊控制系統(tǒng)中，通常把單變量模糊控制器(SVFC)的輸入量個(gè)數(shù)稱(chēng)為模糊控制器的維數(shù)，基此，一般可將單變量模糊控制器分為一維模糊控制 器、二維模糊控制器、多維模糊控制器。綜合而言，二維模糊控制器在控制過(guò) 程中不僅對(duì)被控量的誤差進(jìn)行反饋，同時(shí)還要對(duì)被控量的誤差變化率進(jìn)行反 饋，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不至于產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，是較為理想，也是最為常 用的模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)則設(shè)計(jì)針對(duì)具體的被控對(duì)象的不同，控制器的設(shè)計(jì)也大不相同，但總體設(shè)計(jì)思想遵循Zadeh的五言

42、體原則，X,T(X)，U,G,MX:語(yǔ)言變量名稱(chēng)T(X):語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值集合U:論域G:語(yǔ)法規(guī)則，決定X應(yīng)取的語(yǔ)言值M:語(yǔ)義規(guī)則，定量產(chǎn)生隸屬度函數(shù)描述語(yǔ)言值 根據(jù)Zadeh和五言體建立模糊規(guī)則的步驟如下：1、模糊語(yǔ)言變量的確定。根據(jù)語(yǔ)法規(guī)則，選擇輸入輸出模糊語(yǔ)言變量的詞集:對(duì)于描述誤差和誤差變化量等語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值一般是"NB, NM, NS, 0, PS,PM, PB" 7個(gè)元素的詞集。2、確定語(yǔ)言值的隸屬度函數(shù)。把精確量離散化，并將其由基本論域變換 到模糊論域，根據(jù)語(yǔ)義規(guī)則定義各模糊變量的模糊子集，即形成隸屬度函數(shù)或模糊變量賦值表。這里要注意隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)形狀對(duì)控制

43、性能的影響：另外，還要注意使模糊子集分布合理，覆蓋整個(gè)論域。隸屬度函數(shù)可以是連續(xù)的隸屬度 函數(shù)曲線(xiàn)，也可以由離散的量化等級(jí)形式表示。幾種常見(jiàn)的隸屬度函數(shù)類(lèi)型：也可以由離散的量化等級(jí)形式表示。幾種常見(jiàn)的隸屬度函數(shù)：(1)三角形函數(shù)。其形狀和分布由三個(gè)參數(shù)表示。(2-1)此函數(shù)線(xiàn)性、簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程場(chǎng)合。（2）高斯型。其隸屬度函數(shù)連續(xù)且點(diǎn)點(diǎn)可求導(dǎo)，是描述模糊子集的一種比 較合理的形式，用兩個(gè)參數(shù)描述i（x） =exp -（x -c）2：2（2-2）此函數(shù)連續(xù)且點(diǎn)點(diǎn)可求導(dǎo)，適合自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制。3、據(jù)手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則表。這里采用的是經(jīng)驗(yàn)歸納法，遵循的設(shè)計(jì)原則是：誤差較大時(shí)，

44、控制量變化應(yīng)盡力使誤差迅速減少：誤差較小時(shí)，主要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至震蕩。4、 模糊推理。對(duì)于二維模糊控制器一般有如下條件形式：If Xis Ai and Y is Bi then Z is CiIf X is A2and Y isB2 thenZ isC2其輸入量一般為孤立精確點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行模糊推理，它不同于模糊集 似然推理方法，較常用的有以下三種推理方法：（i）馬丹尼極小運(yùn)算法：%(z) = w八先艸八巴2（z）1（2-3）式中w巴）叫（y）（2-4）魁叫佻）嚼（%）（2-5）（2）拉森乘積運(yùn)算法:%(z)=WCi(z) *LW2 乜（2-6）式中W-!和w

45、2計(jì)算同上（3） Tsukamoto 運(yùn)算法：WizH W2z2ZoW十 w2（2-7）式中zi 二吃(Wi)（2-8）(2-9)z2二吒他)式中w,和w2計(jì)算同上5、解模糊。以上模糊推理的結(jié)果一般都是模糊值，需要先轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可接 受的精確量再作用于被控對(duì)象，此過(guò)程即為模糊，或模糊判決，即根據(jù)模糊推 理的結(jié)果，求得最能反映控制量的真實(shí)分布。目前解模糊過(guò)程尚無(wú)系統(tǒng)統(tǒng)一的 方法，僅列出較常用的幾種方法：(1)最大隸屬度法。直接選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為輸出控制量。 模糊數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：y(u*)-Y(u) u U(2-10)其中輸出論域?yàn)長(zhǎng), 丫取輸出模糊子集邏輯。此方法計(jì)算簡(jiǎn)明，突出

46、主要信息，但顯得比較粗糙，適用于性能要求一般 的模糊控制系統(tǒng)。(2)中位數(shù)法。也稱(chēng)重心法，質(zhì)心法，面積中心法，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：u* = =Y(u)udu. JY(u)du(2-11)uu若論域?yàn)橛邢揠x散點(diǎn)，可采用以下公式求?。篫 C(zJ = £ C(Zj)(2-12)Z1 三2Zj :Z* 1設(shè)U=z1,z2，該方法包含了模糊子集較多信息，但計(jì)算方法比較復(fù)雜特別 不適用于隸屬度函數(shù)在連續(xù)論域的情況。加權(quán)平均法。計(jì)算公式如下(2-13)“Cj(Wj) WjWjWj)Wj和j(Wj)分別表示各對(duì)稱(chēng)隸屬度函數(shù)的質(zhì)心和隸屬度值。更一般的表示有(2-14)3。*7 kj Wjz =kj其中k

47、j為任取的加權(quán)系數(shù)此外，還有求和中心法，最大面積中心法，首、尾最大值法等等，本文于 篇幅，不一一進(jìn)行詳細(xì)介紹，相關(guān)文獻(xiàn)中均有論述。第3章 電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)電阻爐模糊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，本系統(tǒng)以電阻爐為被控對(duì)對(duì)象，由鎳鉻/鎳硅熱電耦測(cè)量被控對(duì)象的溫度，通過(guò)濾波、放大，送至A/D轉(zhuǎn)換器。這樣通過(guò)采樣和 A/D轉(zhuǎn)換，就將所檢測(cè)的爐溫對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 量送入計(jì)算機(jī)模糊控制器，計(jì)算出該電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的溫度值與給定溫度進(jìn)行比 較，得到偏差，計(jì)算機(jī)由偏差信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的控制量控制可控硅的導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)電阻絲兩端的電壓，進(jìn)而控制對(duì)象的溫度，使得對(duì)象的

48、實(shí)際溫度最終達(dá)到給 定的溫度。電阻爐電熱林一可控硅 D/A通訊RAM圖3-1電阻爐溫度控制系統(tǒng)原理圖在實(shí)際的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要從上述的原理圖簡(jiǎn)化出其模型圖，以便于系 統(tǒng)進(jìn)行分析。結(jié)合控制系統(tǒng)原理，簡(jiǎn)單描述電阻爐控制系統(tǒng)的模型，得本系統(tǒng) 的簡(jiǎn)化模型圖如圖3-2所示：模糊控制器D/Au 可控硅觸發(fā)溫度變送器*A/D *圖3-2控制方框圖將計(jì)算機(jī)模糊控制器略為控制器，將可控硅觸發(fā)電路和電阻爐歸并為對(duì)象，略去信號(hào)變換部分（A/ D轉(zhuǎn)換器），進(jìn)一步簡(jiǎn)略，可以得到系統(tǒng)框圖如圖3- 3,圖中輸入信號(hào)r為設(shè)定溫度，輸出信號(hào)y為實(shí)際溫度，e為誤差，u為控制信 號(hào)。從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可分為控制器和

49、對(duì)象兩部分。r坯控制器u對(duì)象y f圖3-3系統(tǒng)框圖3.2溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述在冶金、化工、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度控制是較普遍且較關(guān)鍵的控 制系統(tǒng)，它具有非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、時(shí)滯等特性。采用常規(guī)的PID控制器，一般很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其快速有效地精確控制。而作為非線(xiàn)性控制的一個(gè)分支-模糊控制，在溫度控制系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。3 9為實(shí)現(xiàn)所要求的功能，系統(tǒng)通過(guò)軟硬件配合，初步方案如圖3-4所示。首先完成電阻爐爐內(nèi)溫度采集，輸入計(jì)算機(jī)后通過(guò)軟件完成數(shù)據(jù)處理，再輸出控 制量。圖3-4測(cè)控系統(tǒng)總體方案框圖其中采集數(shù)據(jù)要完成的任務(wù)：將非電量信號(hào) -溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在對(duì)電信 號(hào)作適當(dāng)?shù)木€(xiàn)性放大，數(shù)字化后

50、送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)是測(cè)控系統(tǒng)的核心部分：首先計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件來(lái)控制硬件完成數(shù)據(jù) 采集工作，再依據(jù)控制決策來(lái)輸出控制的電信號(hào)。處理數(shù)據(jù)部分要完成的任務(wù)： 由測(cè)得的工況數(shù)據(jù)，計(jì)算其輸出。其前提是要在計(jì)算機(jī)中存入已經(jīng)建立的對(duì)應(yīng) 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換形式。在第2章中已給出電阻爐模糊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在系統(tǒng)中除控制系統(tǒng)的核心部分一模糊控制器外，還由溫度傳感器，溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；A/D、D/A轉(zhuǎn)換與開(kāi)關(guān)量輸出接口；可控硅觸發(fā)電路等部分構(gòu)成。下面就這幾部分的設(shè)計(jì) 做簡(jiǎn)要說(shuō)明。溫度傳感器的選擇本系統(tǒng)中采用的為K型鎳鉻-鎳硅熱電偶。采集溫度信號(hào)只需要一路采集爐溫，由于熱電偶測(cè)溫范圍廣（-100攝氏度1300攝氏度）131

51、5，而且測(cè)量精 度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱惰性小，輸出為電信號(hào)便于事先遠(yuǎn)距離傳送和集TO中檢測(cè)、自動(dòng)控制，因此在測(cè)量溫度信號(hào)時(shí)選擇它。TOTOB X/AT圖3-5熱電偶測(cè)溫原理圖其電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：當(dāng) uv 2.4902 時(shí)，T = ?0.77633+ 249.95196 u-347332 ¥2,(3-1)當(dāng) u > 2.490時(shí),T = 74.59714 +191.19498 u+)8.02607 ¥2。(3-2)根據(jù)上面兩式，就可以通過(guò)測(cè)得的電壓值換算成對(duì)應(yīng)的溫度值，而且在其 軟件編程中，可以減少數(shù)據(jù)庫(kù)的部分，不通過(guò)查表，而是直接計(jì)算得到。熱電偶是一種應(yīng)用廣泛，發(fā)展

52、比較完善的熱點(diǎn)傳感器16。熱電偶測(cè)溫的基本工作原理是 熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)”。熱電效應(yīng)的本質(zhì)是熱電偶本身吸收了外部的熱 能，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電能的一種物理現(xiàn)象。熱電偶是將不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。因?yàn)閮煞N不同金屬的自由電子密度不 同，當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)在兩種金屬的交界處，就會(huì)因電子密度不同而產(chǎn)生電子 擴(kuò)散，擴(kuò)散結(jié)果在兩金屬接觸面兩側(cè)形成靜電場(chǎng)即接觸電勢(shì)差。這種接觸電勢(shì) 差僅與兩金屬的材料和接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，溫度愈高，金屬中自由電子就越活 躍，致使接觸處所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，接觸面電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)增高。這種現(xiàn)象 稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的33 o熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)

53、不僅與工作端的溫度有關(guān)，而且也與自由端的溫度有 關(guān)。平常使用時(shí)，熱電偶兩端輸出的熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度值只是相對(duì)于自由端溫 度。為了直接得到一個(gè)與被測(cè)對(duì)象溫度(工作端溫度)對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)，熱電偶 使用時(shí)時(shí)常采取冷端補(bǔ)償?shù)霓k法，熱電偶的冷端處理有兩類(lèi)方法：將冷端延 伸；使冷端溫度為0攝氏度。具體方法如下17:1、延伸導(dǎo)線(xiàn)法：延伸導(dǎo)線(xiàn)使冷端遠(yuǎn)離熱端并與測(cè)量電路相接。2、 0度恒溫法：將熱電偶冷端置于 0度的恒溫器內(nèi)，使工作和分度狀態(tài)達(dá) 到一致。3、冷端恒溫加計(jì)算修正法。4、電橋補(bǔ)償法。溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路在電阻爐控制過(guò)程中，由于大電流的切入以及不規(guī)整的脈沖負(fù)載電流等其 它原因，使控制現(xiàn)場(chǎng)存在著較強(qiáng)的電磁干擾，

54、如果直接用熱電偶傳出的電壓信 號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，則極易受到電磁場(chǎng)的干擾，而使用電流信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳 輸，貝U不易受到干擾，因此本系統(tǒng)的熱電偶轉(zhuǎn)換信號(hào)采用YGL隔離變送器。改變送器通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)接受熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)，并可同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行冷端補(bǔ)償。在該信號(hào)進(jìn)入A/D之前，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)提供給 A/D轉(zhuǎn)換電路。YGL 隔離變送器的輸入輸出之間，信號(hào)與電源之間完全隔離，且以鐵殼屏蔽。因此 現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾作用極強(qiáng)，該變送器應(yīng)在傳感器附近安裝，以求縮短補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的 長(zhǎng)度，盡量加長(zhǎng)用雙絞線(xiàn)的傳輸長(zhǎng)度，這樣，不僅可以進(jìn)一步增加抗干擾的效 果，同時(shí)也方便現(xiàn)場(chǎng)的安裝、維護(hù)，提高了測(cè)溫的精度。3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換與

55、開(kāi)關(guān)量輸出接口A/D轉(zhuǎn)換口選取MOC3041光耦隔離型A/D板，其分辨率為12Bit，精度 0.03%。該板使用總線(xiàn)隔離的形式使其抗干擾能力大大增加。MOC3041板由三種不同的觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)和為不觸發(fā)。本 系統(tǒng)將將采用軟件觸發(fā)，在軟件觸發(fā)過(guò)程中，先選通模擬輸入通道，然后發(fā)送 A/D轉(zhuǎn)換命令，即可觸發(fā) A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測(cè)到 A/D完成位“ 1時(shí)，即可讀取 A/D轉(zhuǎn)換的12Bit數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的控制信號(hào)輸出為模擬量電壓信號(hào)，輸出電壓范圍為0V5V， D/A分辨率為8Bit，用于對(duì)電阻爐進(jìn)行溫度控制?？煽毓栌|發(fā)電路可控硅觸發(fā)電路米用HK-02型SCR觸發(fā)器。該觸發(fā)器米用西門(mén)子公司生產(chǎn)

56、的專(zhuān)用集成電路，其觸發(fā)脈沖款不小于5ms，用于各種性質(zhì)的負(fù)載，移相范圍寬（0 180 ），觸發(fā)功率大，工作可靠性高。該觸發(fā)器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控 制方式，同時(shí)還具有補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和過(guò)載自動(dòng)封鎖等功能。3.3模糊控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)本論文研究的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，精度要求較高，又是實(shí)時(shí)系統(tǒng)若用模 糊控制理論來(lái)研究，并進(jìn)行設(shè)計(jì)，就要采用以偏差E和偏差變化EC為輸入的模糊控制器，即如圖3-6所示的二維模糊控制器。如對(duì)控制系統(tǒng)要求更高，則 可考慮除E和EC之外，再加上EC的變化率作為輸入的模糊控制器，即三維模 糊控制器，或采用其它的諸如變結(jié)構(gòu)模糊控制器或復(fù)合型模糊控制器等。圖3-6模糊控制系統(tǒng)由圖3-6可以看出，該模糊控制系統(tǒng)的核心是二維模糊控制器。它可以采 用多種方法設(shè)計(jì)，如查表法，公式法等。本文將采用查表法。其做法是：首先 通過(guò)事先的離線(xiàn)計(jì)算，獲得一個(gè)模糊控制表，然后將其控制表存放到計(jì)算機(jī)的 內(nèi)存中。于是在爐溫控制中，計(jì)算機(jī)只需要直接根據(jù)采樣和論域變換得來(lái)的以 論域元素形式表現(xiàn)的e(xi)和.e(yi)，由控制表的第i行與第j列找到對(duì)應(yīng)的同 樣以論域元素形式表現(xiàn)的控制量u(zQ，把其乘以比例因子，即可用于控制被控 過(guò)程，以達(dá)到預(yù)期的控制目的。考慮到后面使用的控制表