（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于模糊pid的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的研究.pdf

湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t h e a tt r e a t m e n ti san o r m a lw o r k i n gp r o c e d u r ei nm a n u f a c t u r e w h i c hi sam a i n m e a n so f i m p r o v i n g m e t a lm a t e r i a la n dm e t a l w o r k w i t ht h e d e v e l o p m e n to f i n d u s t r y , t h e r ea r em o r ea n dm o r es u p e r n a lr e q u e s tf o rm e t a l w o r k ，s oh e a tt r e a t m e n ti s h a m m e r i n ga th i g he f f i c i e n ta n de n e r g yc o n s e r v a t i o n 砷ew e b s t r i pr e s i s t a n c ef i m a c e i s 觚u s e db r o a d e s th e a t i n ge q u i p m e n ti nh e a tt r e a t m e n t i ti st h el a s tw o r k i n g p r o c e d u r e i nm a n u f a c t u r e t h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fm e t a l w o r kc a nb ei n f l u e n c e db vt h i s p r o c e d u r ed i r e c t l y , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo ft e m p e r a t u r ei nh e a t i n gi sb e c o m i n g p i v o t a lt e c h n i c t h e s eu r g ep e o p l es t u d ym e t h o d so fc o n t r o l l i n gh e a t i n gp r o c e s s t h ew e b s t r i pr e s i s t a n c ef i m a c eh a sm a n yc h a r a c t e 硒s u c ha s n o n l i n e a r , t i m e - v a r y i n g ，l a r g et i m ed e l a y i n g h e a t su pt h em a t e r i a lt op a s si na n do u t ，t h ea m b i e n t t e r n p e r a t u r e e l e c t r i c a ln e t w o r kv o l t a g ea n ds o0 na l la f f e c t st h ec o n t r o l l e dp r o c e s s i n t h i st h e s i s t h eh e a t i n gp r o c e s so ft h ew e b s t r i pr e s i s t a n c ef u r n a c ei ss t u d i e dd e e p l y , t h e m a i nh c t o 硌o fa f f e c t i n gc o n t r o la c c u r a c yp r o d u c t i o nq u a l i t ya r ea n a l y z e dt o o t h e r ea r c s e v e r a lt e m p e r a t u r es e c t i o n si naw e b - s t r i pr e s i s t a n c ef i l m a c e e a c hs e c t i o ni sd i f i e r e n t f r o mt h eo t h c ro nt e c h n i c t h e ya r cc o u p l e da n di n f l u e n c e de a c ho t h e r i ti sv c r y d i 伍c u l tt os e tu pa na c c u r a t em a t h m o d e lo faw e b s t r i pr e s i s t a n c ef u r n a c e t h e t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e r nm o s t l ye s t a b l i s h e so nt h ec e r t a i nm o d e ls y s t e m ，s a t i s f i e st h e t e c h n o l o g t c a lr e q u i r e m e n tw i t hd i f f i c u l t y 。 i nt h ee a r l yo f1 9 9 0 s a n t o m a t i o ni n s t r u m e n t sc o n t r o l l e dt h ew e b - s t r i pr e s i s t a n c e f u r n a c eg e n e r a l y , w h o s ec o n t r o l l e ri sa n a l o g yp i da d j u s t e r , t h eq u a l i t yc a n tr e a c h t a r g e t i nt h el a t e r1 9 9 0 s , c o n t r o lb a s e dc o m p u t e ri sa p p l i e di nt h ew e b s t r i pr e s i s t a n c e f i l m a c e ，i t sd i g i t a lc o n t r o l l e ri st h ep 1 dt o o ，t h i sm e t h o di ss i m p l ea n de a s i l yr e a l i z e d ，a t p r e s e n t i na l lo ft h ec o n t r o lm e t h o di nu s e t h i sm e t h o dp r e s e n t so v e r8 0p r e c e n t i t s p e r f o r m a n c ei sd e c i d e db yt h ep a r a m e t e r i th a st h ea d v a n t a g et oe l i m i n a t et h ee r r o r b u t b e c a u s eo ft h ec o n f l i c tb e t w e e nq u i c k n e s sa n dt h es m a l it e r n p e r a t u r eo v e rs e t t i n gp o i n t i tp r o b a b l yc a n n o ts a t i s f yt h ec o n t r o ld e m a n d t h ef u z z yc o n t r o ls u p e r i o r i t yl i e s i nd o e s n tn e e dt oe s t a b l i s ht h ep r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e l a n d ，i th a sc a l lg e tq u i c k n e s sw i t hav e r ys m a l lt e m p e r a t u r eo v e r s e t t i n gp o i n t b u tb e c a u s ei ti sar e f e r e n c et h e o r yb a s e so nt h em e m b e r s h i pf u n c t i o no f t h ei n p u ta n do u t p u tv a r i a b l e s ，t h ea l g o r i t h mi sc o m p l e xa n di th a se r r o rw h e ni tc o m e s s t e a d y t h r o u g ha n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp i da n df u z z y c o n t r o l ，t h i sp a p e rc o m e st ot h em e t h o do fc o m b i n i n gt h e mt o g e t h e r , i tm e a n sa tt h e r i s i n gt i m et h ef u z z ym e t h o di sa p p l i e d a n da tt h es t e a d yt i m et h ep i di sa p p l i e d 1 1 l i s m e t h o dc a ng e tt h ea d v a n t a g e so ft h e ma n da v o i dt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e m t h i ss y s t e mb a s e do nf u z z y p 1 dc o n t r o la r i t h m e t i c , i tc o n t a i n si o j n t e r f a c e b e t w e e nc o m p u t e ra n dh u m a n ，s y s t e ms o f t w a r e k e y w o r d s ：t h ew e b s t r i pr e s i s t a n c ef u m a c e ，f u z z yc o n t r o l ，f u z z y p i dc o n t r o l 訊a 亡工案火港 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取 得的研究成果。除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng) 發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：翻刃l(wèi) j 1日期：1 年6 月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)湖北工業(yè)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：s i 】移、 日期：叩年月v 日 指導(dǎo)教師簽名：勿彰兵芝 日期：妒7 年莎月爭日 湖北5 - 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 ，課題來源 第1 章引言 本課題根據(jù)浙江仙居某針織廠提出的要求研制。該廠的網(wǎng)帶式電阻爐是9 0 年 代初的產(chǎn)品，具有非線性、大滯后、時變等特性，采用自動化模擬儀表控制，技 術(shù)和工藝相對落后，故障率較高，其控制品質(zhì)不能滿足現(xiàn)代市場對針條的性能要 求，因此，該廠決定對其進(jìn)行技術(shù)改造。 1 2 研究意義 電阻爐是針條生產(chǎn)工序中重要的設(shè)備，也是該工序中能耗最大的設(shè)備，改進(jìn) 電阻爐的目的是在完成金屬加熱的同時，盡可能提高爐溫穩(wěn)定性，使得產(chǎn)品質(zhì)量 最佳，同時減小能耗。對于結(jié)構(gòu)一定的爐子，操作參數(shù)是影響爐子指標(biāo)的積極活 躍因素【1 】o 電阻爐優(yōu)化控制就是要實(shí)時準(zhǔn)確地優(yōu)化各操作參數(shù)以構(gòu)成合理的爐內(nèi)溫 度，使之獲得最優(yōu)的生產(chǎn)指標(biāo)。采用合適的控制方法，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制，可 以保證工藝和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)性，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益【2 j 。本課題是結(jié)合生產(chǎn) 實(shí)際和科研工作，研究電阻爐溫度控制方案。 原網(wǎng)帶式電阻爐溫度控制系統(tǒng)是由常規(guī)模擬儀表控制，所采用的裝置都是上 個世紀(jì)9 0 年代初的產(chǎn)品，控制算法是使用c 語言編寫的最小二乘法，因而存在不 少的缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要有以下幾個方面： 1 采用常規(guī)儀表控制，其控制精度不高。 2 采用常規(guī)儀表控制，往往達(dá)不到要求的溫度控制曲線，因而控制效果差。 3 運(yùn)行的效率比較低，對能源的浪費(fèi)比較大。 4 采用常規(guī)儀表，故障率比較高，維護(hù)困難。 5 抗干擾能力差，有擾動時往往調(diào)節(jié)不及時。 6 操作界面過于復(fù)雜，不便于工人操作。 因此，系統(tǒng)的改進(jìn)對節(jié)約能源、消除電網(wǎng)公害、提高控制精度、提高產(chǎn)品質(zhì) 量及生產(chǎn)效率、便于操作等都有非常重要和現(xiàn)實(shí)的意義。本課題結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和 科研工作，設(shè)計(jì)了網(wǎng)帶式電阻爐溫度控制方案。 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 國內(nèi)外研究概況 1 3 1 國外研究情況 自印年代計(jì)算機(jī)進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，國外許多國家( 如美、蘇、日、西德) 就開始 了網(wǎng)帶式電阻爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制的研究及應(yīng)用。7 0 年代中后期，國際上對網(wǎng)帶式 電阻爐數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)優(yōu)化控制策略的研究日益活躍，控制系統(tǒng)在網(wǎng)帶式電阻爐 上的應(yīng)用不斷完善。8 0 年代末期，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，已普遍實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)帶式電阻 爐計(jì)算機(jī)雙級控制，且將各種先進(jìn)的智能控制方法應(yīng)用于溫度控制，在爐溫控制 中取得了良好的控制效果。在大型分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大多采用具有各種 智能控制算法和通信功能的溫度控制單回路調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)1 3 1 。 1 3 2 國內(nèi)研究情況 我國從8 0 年代初開始進(jìn)入網(wǎng)帶式電阻爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制應(yīng)用階段。十多年來， 我國的科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的卓有成效的研究工作，取得了許多重要的研究成 果。將數(shù)學(xué)模型與爐溫控制相結(jié)合，引入人工智能的方法，在電阻爐上實(shí)現(xiàn)了計(jì) 算機(jī)優(yōu)化控制。與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的電阻爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制理論水平已 趕上國際先進(jìn)水平，但起步晚，并且發(fā)展十分不平衡1 4 j 。 電阻爐的自動控制，它是微機(jī)軟、硬件自動控制、電阻爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊 密結(jié)合的產(chǎn)物，無論是基地式儀表階段，還是單元組合式儀表階段，都是利用各 種儀表對溫度進(jìn)行檢測、調(diào)節(jié)、控制。對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制 規(guī)律，控制精度不高。爐子的自動監(jiān)控系統(tǒng)在電阻爐的生產(chǎn)運(yùn)行中具有關(guān)鍵作用。 采用微機(jī)自動控制系統(tǒng)不但能真實(shí)反映爐內(nèi)熱工參數(shù)的變化，還有利于實(shí)現(xiàn)整套 系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，可從根本上克服其調(diào)節(jié)精度差、可靠性不商的缺點(diǎn)，使孚導(dǎo)此類 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)，而且可以采用先進(jìn)的控制算法以進(jìn)一 步提高控制性能和控制精度，取得商產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗和少污染的效果1 5 。 國內(nèi)微機(jī)控制的控制算法主要有： ( 1 ) 應(yīng)用f u z z y p i d 復(fù)合控制方法，實(shí)現(xiàn)了p i d 控制參數(shù)( 磁，k ，) 的在線優(yōu) 化，提高了系統(tǒng)控制品質(zhì) 6 1 l r l l 踟。 ( 2 ) 網(wǎng)帶式電阻爐溫度的狀態(tài)反饋控制方法，通過設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器 ( s f c ) ，改善了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)【9 】。 ( 3 ) 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能爐溫控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù) 與模糊控制技術(shù)結(jié)合，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模糊控制器的隸屬函數(shù)和權(quán)值，實(shí) 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 現(xiàn)模糊規(guī)則的自動更新，該控制系統(tǒng)對無法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型近似的系統(tǒng) 取得了滿意的控制效果1 1 0 l 。 ( 4 ) 神經(jīng)元自適應(yīng)p i d 控制器應(yīng)用于網(wǎng)帶式電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，有效地 克服了電阻爐非線性、時變、大時滯等因素對系統(tǒng)控制性能的影響i “l(fā) 。 1 4 系統(tǒng)工藝要求 1 每個溫區(qū)的溫度穩(wěn)態(tài)誤差優(yōu)于2 0 c ； 2 系統(tǒng)具有較高的可靠性。包括參數(shù)顯示、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)打印、事故報警等 3 能對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視； 4 能過實(shí)時存儲和記錄系統(tǒng)運(yùn)行時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和溫度曲線； 5 操作簡單、直觀、方便、可靠。 1 5 本文所做工作 1 針對網(wǎng)帶式電阻爐這個特定的對象，通過分析傳統(tǒng)p i d 算法和模糊控制兩 種控制策略的各自優(yōu)點(diǎn)，選擇模糊- - p i d 為控制策略。 2 傳統(tǒng)p i d 控制電阻爐溫度的實(shí)驗(yàn)。 3 模糊一p m 控制電阻爐溫度的實(shí)驗(yàn)： 4 應(yīng)用組態(tài)王設(shè)計(jì)了完善的f o 接口，人機(jī)界面以及控制系統(tǒng)。 3 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 被控對象 第2 章被控對象及控制策略 網(wǎng)帶式電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，通過布置在爐內(nèi)的電 阻絲將電能轉(zhuǎn)換成熱能并借助輻射及對流的傳熱方式加熱工件。電阻爐通?？梢?用以下模型進(jìn)行定性描述： r 譬+ x 。k v 2 口一t o )( 2 1 ) a t 式中x 一電阻爐內(nèi)溫升( 爐內(nèi)溫度與室溫之差) k 一放大倍數(shù) to 一純滯后系數(shù) t 一加熱時間 t 一時間常數(shù) v 一控制電壓 但在實(shí)際熱處理過程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入數(shù)量以及加熱溫度 等因素的不同，直接影響著k 、t 、t o 等參數(shù)的變化，因此，電阻爐本身具有很大 的不確定性【1 2 】【廿1 。 熱處理是提高金屬材料及其制品性能的一種工藝，根據(jù)不同的目的，將材料 及其制件加熱到合適的溫度，隨后冷卻、洗滌，改變其內(nèi)部組織，以獲取所要求 的性能。通過熱處理可以提高制件的使用性能及壽命，在其加熱工藝中，不僅要 準(zhǔn)確控制加熱溫度，而且要控制在加熱溫度下的加熱時間，這樣才能使產(chǎn)品獲得 最佳性能。 在針條生產(chǎn)過程中，其中一道工序是對針進(jìn)行熱處理，熱處理過程中加熱爐 內(nèi)的溫度直接影響著針條的性能和質(zhì)量，如針條的強(qiáng)度、韌性等。而且不同的用 戶對針條的性能要求也各不相同。因此，對網(wǎng)帶式電阻爐溫度的控制，是針條熱 處理的核心，是針條生產(chǎn)過程當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，也是決定針條性能的關(guān)鍵所在。 針條熱處理過程中的加熱爐通常采用網(wǎng)帶式電阻爐，或稱作淬火爐。電阻式 加熱爐從外表看是一個長方形的鐵箱體，加熱爐長1 0 米多，高1 米多，寬近2 米。 網(wǎng)帶由直流電機(jī)拖動，工件加熱時間一般為6 0 一1 5 0 分鐘不等。 淬火爐爐內(nèi)分為七個溫區(qū)，每個溫區(qū)有單獨(dú)的加熱電阻絲，待加熱的工件通 4 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 過網(wǎng)帶送到指定的溫區(qū)進(jìn)行加熱，爐溫在5 0 0 。c 8 7 5 。c 之| 日j ，電阻爐溫度控制目前 是采用可控硅移相觸發(fā)方式。每個溫區(qū)都有一支分度號為k 的鎳鉻一鎳硅熱電偶， 其溫度測量范圍為0 0 c 一1 3 7 0 。c ，熱電偶是常用的溫度傳感器，它把每個溫區(qū)的溫度 轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過模塊后送給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中，通過已經(jīng)編好的算法進(jìn)行 運(yùn)算，把運(yùn)算的結(jié)果送給控制裝置，調(diào)節(jié)電阻爐的輸出功率，從而達(dá)到溫度控制 的目的。每一個溫區(qū)的控制是單獨(dú)進(jìn)行的，彼此獨(dú)立。 爐壁外殼是鐵的，內(nèi)部是耐火材料砌成的，具有耐溫和保溫的作用，以防止 鐵壁被燒穿和熱量的散失。 工件經(jīng)過淬火爐之后，進(jìn)入清洗機(jī)，清洗油污、雜質(zhì)等之后又進(jìn)入回火爐再 次進(jìn)行加熱，加熱溫度一般為2 3 0 。c ?；鼗馉t跟淬火爐一樣，實(shí)際上也是一個電阻 式加熱爐，只不過加熱的溫度不同而已?；鼗馉t有九個溫區(qū)，同樣采用可控硅移 相觸發(fā)控制方式，加熱時間約為一個半小時，至此，針條的熱處理工藝己經(jīng)完成。 2 2p l d 控制理論 2 2 1p i d 控制的基本概念 p i d 控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。在生產(chǎn)過程自動化控制的發(fā) 展歷程中，p i d 控制是歷史最悠久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式，在目前的控制方 案中仍占8 0 以上，其數(shù)學(xué)模型可用下列公式表示【1 4 1 ： 略【+ 知e ( t ) d t + l 警】 ( 2 - 2 ) u ( t 卜一控制器的輸出 e ( t 卜控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號 k 。一控制器的比例系數(shù) t i 一控制器的積分時間 t d 一控制器的微分時間 在p 1 d 控制器中，它的數(shù)學(xué)模型由比例、積分、微分三部分組成，這三部分 分別是： ( 1 ) 比例部分 系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就產(chǎn)生控制作用，使被p i d 控制的對象朝著 減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)l ( p 的大小，比例系數(shù)酶 越大，則過渡過程越短，控制結(jié)果的靜態(tài)偏差也越小，但對于具有自平衡( 即系 統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值) 能力的被控對象存在靜差。加大k 可減小誤差，但 5 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 k 過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。 ( 2 ) 積分部分 積分部分表達(dá)式為： 譬石e ( t ) d t 1 i 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不 斷增加。只有在偏差“t ) 為零時，它的積分才會為一個常數(shù)，控制作用才是一個不 會增大的常數(shù)?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。 積分時間t i 對積分部分的作用影響很大。當(dāng)t i 較大時，積分作用較弱，這時， 系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除偏差所需的時間較長。當(dāng)t i 較小時，則 積分作用較強(qiáng)。這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需的時間較 短。 ( 3 ) 微分部分 微分部分表達(dá)式為： r p r d 警 微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時間t d 決定。t d 越大，則它抑制e ( t ) 變化的作用 越強(qiáng)，t d 越小，它反抗e ( t ) 變化的作用越弱。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。 在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對輸入和輸出狀 態(tài)進(jìn)行實(shí)時采樣，故它是離散式時間控制系統(tǒng)。在離散控制系統(tǒng)中，p i d 控制器采 用差分方程表示，有： 【， ) 一k ，【e ) + 砉套e ( ，) r + t d 旦生1 二；堡生】 ( 2 - 3 ) 式中：u ( k ) 一k 采樣周期的輸出 e ( k ) - - k 采樣周期的偏差 t 一采樣周期 令a e ( k ) - - - - e ( k ) - e ( k 一1 1 則有： “胎) 音扣) + a e ( k ) 爭( 2 - 4 ) 在上式中，令 k | i k d t k d = l 弓y d 則有： c ， ) = k ，p ) + k i t 窆p ( ，) + 了k da e(k)(2-5) 為了避免在求取控制量u ( t ) 時對偏差求和運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用增量式 u ( k ) = u ( k ) 一u ( k 1 ) 由于： 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 【，( k - 1 ) 唧 - 1 ) + k t 酗) + 等c ( k - 1 ) 并且 e ( k ) = e ( k ) 一e ( k 1 ) e ( k - 1 ) = e ( k 一1 ) - e ( k 一2 ) 所以有： a n ( k ) 。k ，【p ) 一p 一1 ) 】+ k i t e ( k ) + 等p ( 七) 一復(fù)( 女一1 ) + p 一2 ) 】( 2 - 6 ) 上式也可寫為： 正f ( t ) 一k ，忙( 女) 一p 一1 ) + i te ) + 等p ) 一知( 七一1 ) + p ( 七一2 ) 1 ( 2 - 7 ) p i d 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 原理簡單，使用方便，易于程序?qū)崿F(xiàn)。 ( 2 ) 適應(yīng)強(qiáng)。 ( 3 ) 魯棒性強(qiáng)。即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感。 由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，在過程控制中，人們首先想到的總是p i d 控制。根據(jù)被 控對象的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整p i d 參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果，因此仍廣 泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工、機(jī)械等工業(yè)過程控制中。 2 2 2p i d 控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 在過去的5 0 年，調(diào)節(jié)p i d 控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用 開環(huán)階躍響應(yīng)信息，如c o o n c o r t h e n 響應(yīng)曲線法【1 5 】：還有使用n y q u i s t 曲線法，如 z i e g l e r - n i c h o l s 連續(xù)響應(yīng)法【1 6 l 【切，然而這些調(diào)節(jié)方法只識別了系統(tǒng)動態(tài)信息的一小 部分，不能理想的調(diào)節(jié)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法 將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自 動調(diào)整p i d 參數(shù)。 智能p i d 參數(shù)整定方法又分為基于模型的自整定方法【18 】和基于規(guī)則的自整定 方法。 在基于模型的自整定方法中，可以通過暫態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、參數(shù)估計(jì)及頻率響應(yīng) 實(shí)驗(yàn)來獲取過程模型。 在基于規(guī)則的自整定方法中，不僅要獲得過程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，而且整定要遵循?于類似有經(jīng)驗(yàn)的操作者手動整定的規(guī)則。基于規(guī)則的自整定過程與基于模型的方 法一樣，使用暫態(tài)響應(yīng)、設(shè)定值改變或負(fù)載干擾等信息，觀測被控過程的特性， 若被控量偏離設(shè)定值，則基于規(guī)則整定控制器參數(shù)。為獲得一個基于規(guī)則的自整 7 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 定過程，需要對響應(yīng)特性進(jìn)行量化。通常使用的量是描述控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的超調(diào) 量和衰減比，以及用來描述控制回路響應(yīng)速度的時間常數(shù)和振蕩頻率。獲得決定 不同控制器參數(shù)應(yīng)該減少或增加的相應(yīng)的規(guī)則比較容易，但確定相應(yīng)的量較難。 因此，基于規(guī)則的整定方法更適于連續(xù)自適應(yīng)控制。與基于模型的整定方法相比， 基于規(guī)則的整定方法在處理負(fù)載干擾和處理設(shè)定值變化時采用相同的處理方式， 而前者則比較適于設(shè)定值變化。隨著現(xiàn)代控制理論研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為 控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑，逐步弱化或取消了對受控對象數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu) 不變的限制。近年來，出現(xiàn)了許多新型p i d 控制器，對于復(fù)雜控制對象，其控制 效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)p i d 控制i ”】。 電阻爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬p i d 、數(shù)字p i d 到最優(yōu)控制，在 發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善，在現(xiàn)有的加熱爐溫度控制 方案中，p i d 控制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。 2 3 模糊控制理論 模糊控制是一種新的控制方法，它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、理論基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)方法都和傳 統(tǒng)的控制方法有很大的區(qū)別【1 9 1 。 把模糊數(shù)學(xué)理論用于自動控制領(lǐng)域而產(chǎn)生的控制方法稱為模糊控制【捌，模糊 控制的誕生是和社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及需要分不開的。傳統(tǒng)控制方法在執(zhí)行控制 時，往往需要取得對象的數(shù)學(xué)模型，而在實(shí)際應(yīng)用中，很多被控對象的數(shù)學(xué)模型 是難以取得或無法取得的，特別是那些時變、非線性、大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)，往往 根本無法取得精確的數(shù)學(xué)模型。所以，對于這樣的對象要進(jìn)行有效的控制是比較 困難的，需要尋求新的控制方法解決這些問題。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員雖然不懂被控對象的數(shù)學(xué)模型， 但卻能十分有效地對系統(tǒng)執(zhí)行控制。憑借在實(shí)際中取得的經(jīng)驗(yàn)采取相應(yīng)的決策就 可以很好的完成控制工作。人的經(jīng)驗(yàn)是一系列含有語言變量值的條件語句和規(guī)則， 而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語言變量和條件語句。因此， 模糊集合理論用于描述人的經(jīng)驗(yàn)就有著獨(dú)特的優(yōu)勢?？梢园讶说慕?jīng)驗(yàn)用模糊條件 語句表示，然后用模糊集合理論對語言變量進(jìn)行量化，再用模糊推理對系統(tǒng)的實(shí) 時輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策。 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 1 模糊集合和模糊邏輯 在經(jīng)典集合論中，一個事物要么屬于某集合，要么不屬于該集合，兩者必居 其一，沒有其他情況。這就表明，經(jīng)典集合表達(dá)的概念的內(nèi)涵和外延都必須是明 確的。 我們知道，一個概念所包含的那些區(qū)別于其他概念的全體本質(zhì)屬性成為概念 的內(nèi)涵，而符合某概念的對象的全體就是概念的外延。 在人們的思維中，有許多沒有明確的外延的概念，即模糊概念。表現(xiàn)在語言 上有許多模糊概念的詞，冷和熱或很冷，冷，暖和，熱和很熱，大，中，小和長， 短等等，都很難精確的劃分出一條截然分明的界線，即都沒有明確的外延，再以 爐溫為論域，那么“高溫”、“中溫”、“低溫”都沒有明確的外延，所以諸如此類 的概念都是模糊概念。 2 3 1 1 模糊集合 我們把具有模糊概念的集合稱為模糊( f u z z y ) 集合【1 4 】【2 1 j 【2 2 】【2 3 】【矧。 對于經(jīng)典集合，每個集合a 都有一個特征函數(shù)c a ( x ) ，它的定義如下： f 1x e a c a ( 矽= o0 其它 例如，對于熱( h o t ) 和冷( c o l d ) 兩個集合，我們可按溫度t 定義它們的特征函 數(shù)： r1t 2 5 c 鼢似= o0 t 0 的元素集稱為a 的臺，又稱為模糊集合a 的支集。實(shí)際 上若某元素的隸屬函數(shù)為零，即它不屬于這個集合，用臺來表示一個模糊集合， 可使表達(dá)式簡單明了。以下采用臺的方式給出模糊集合，例如：模糊集合“幾個” 可表示為a = o 3 3 + 0 7 ，4 + 1 5 + 1 6 + o 7 7 + 0 3 8 若對于模糊集合一有一個有限的臺 u 1 ，1 1 2 ，t i n ) ，則可表示為如下一般形式 a - 1 , 1 ，+ 絲”+ 絲昱絲 ( 2 9 ) “1u 2i l n 尚u i 7 2 當(dāng)u 是有限連續(xù)域時，z a d e h 給出了如下記法： 彳。j 型 ( 2 1 0 ) 。 “ “i u l 同樣二生二并不是表示“分?jǐn)?shù)”，而是表示論域中的元素u 與其隸屬度。( u ) 之間 的對應(yīng)關(guān)系?！啊币膊皇潜硎尽胺e分”，而是表示模糊集合在論域u 上的元素u 與 隸屬度p a ( u ) 之間的對應(yīng)關(guān)系的一個總括。 例如：以年齡作論域，取瀘 0 , 2 0 0 ，z a d e h 總結(jié)了“年老”q 與“年輕”y 兩 個模糊集合的隸屬函數(shù)為 r0 0 = u = 5 0 2 t 【1 ( u - 5 0 ) 5 ) 叩5 0 u ：2 0 0 化一i i ) 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 m ) ：j ，o 皓膽2 5 ( 2 - 1 2 ) 攤t 【1 + ( ( u - 2 5 ) 5 ) 叩 2 5 y ，y z ，則x z x x v x = x x 八x = x x 八3 = - 0 x 八1 = x x v 0 = x x v l = 1 但對于模糊定律，不存在補(bǔ)余律。 ( 3 ) 模糊函數(shù) 模糊函數(shù)可像布爾函數(shù)一樣用公式表示。但模糊函數(shù)一般不能用真值表示， 也不能使用布爾邏輯的卡諾圖方法。一般需使用解析法對所有模糊變量按大小次 序排列的所有可能情況來對模糊函數(shù)加以討論。 使用表格形式可方便觀察模糊函數(shù)和它的模糊變量的關(guān)系，下面以一個例子 來說明這種表格形式。設(shè)一個模糊函數(shù)： f 一( xa x ) y ( xa ya y ) 該函數(shù)可表達(dá)為表2 1 所示的形式。表中每一行表示對給定輸入條件的函數(shù)響 應(yīng)。模糊表比布爾表需要更多的行數(shù)。對于一個變量需2 行；兩個變量需8 行 表2 1 模糊關(guān)系表 1 8 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 1 8 模糊語言 ( 1 ) 自然語言與形式語言 語言是人們進(jìn)行思維和信息交通的重要工具。語言可分為兩種：自然語言和 形式語言。自然語言是指人們在日常生活和工作中所使用的語言。它實(shí)際上是以 字或詞為符號的一種符號系統(tǒng)。人們通過它來描述主客觀事物、概念、行為、情 感以及相互之間的關(guān)系等。通常計(jì)算機(jī)語言使用一系列符號去代表計(jì)算機(jī)的動作 和被處理單元的狀態(tài)，它只是在形式上起記號的作用，所以又稱為形式語言。 ( 2 ) 集合描述的語言系統(tǒng) 論域u 、集合t 與模糊關(guān)系n 之間的關(guān)系如圖2 3 所示： 圖2 3u 、t 、n 關(guān)系圖 n 是集合t 對論域u 的模糊關(guān)系，設(shè)：t x u 一扣，1 j 為n ( a u ) 的隸屬函數(shù)，它具 有兩個變量，其中，a e t , u e u 。n “u ) 表示屬于f 的單詞a 與屬于u 的對象u 之 間關(guān)系的程度。 例如：設(shè)論域?yàn)槌赡昴凶樱琣 為單詞“高個子”，u 為升高( 單位m ) ，則有 ( 高個子，1 5 0 ) = o 1 ；p ( 高個子，1 5 5 ) = 0 2 ；盧( 高個子，1 6 3 ) = 0 5 ； ( 高個子；1 7 1 ) = o 8 ；u ( 高個子，1 9 0 ) = i 。 單位之間可以通過連接詞“或”、“且”連接起來，或者在單詞前加否定詞“非”， 從邏輯上都對應(yīng)于集合運(yùn)算。 ( 3 ) 模糊語言變量 模糊語言變量的概念是z a d e h 首先提出的，所謂語言變量是以自然或人工語 言中的字或旬作為變量，而不是以數(shù)值作為變量，語言變量用以表征那些十分復(fù) 雜或定義很不完善而又無法用通常的精確術(shù)語進(jìn)行描述的現(xiàn)象。 語言變量概念的一個重要方面是，語言變量比起模糊變量來是一個級別更高 的變量；語言變量概念的另一個重要方面是，語言變量有句法規(guī)則和語義規(guī)則。 一個語言變量可定義為一個五元體 ( x ，t ( x ) ，u ，g ，m ) 其中：x 一語言變量名稱； 1 9 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 t ( x ) 一語占變量語占值名稱的集合； u 一論域； g 一語法規(guī)則； m 一語義規(guī)則。 例如，以控制系統(tǒng)的誤差為語言變量x ，論域取u = 【6 ，+ 6 1 ?！罢`差”語言變 量的原子單詞有“大、中、小、零”，對這些原子單詞施加語氣算子，就可以構(gòu)成 多個語言值名稱，如“很大”、“中等”、“較小”等，再考慮誤差有正、負(fù)的情況， t ( ) ( ) 可表示為： t ( ) 【) = t ( 誤差) = 正很大+ 正大+ 正較大+ 正中+ 正較小+ 正小+ 零+ 負(fù)小 + 負(fù)較小+ 負(fù)中+ 負(fù)較大+ 負(fù)大+ 負(fù)很大 圖2 4 是以誤差為論域的模糊語言五元體的示意圖，m 是指模糊子集的隸屬函數(shù)。 語言變量x 語法規(guī)則g 語言值t ( 瑪 語義規(guī)則m 負(fù)很大：1 ，0 8 ，o 4 ；負(fù)大：1 ，0 7 ，o 2 負(fù)中：o 7 ，1 ，o 2 ；負(fù)論域u 小：0 8 ，1 ，0 3 ；零：1 5 ，1 ，0 5 ；正?。? 3 ，1 ，0 8 ；正中：0 2 ， 1 ，0 7 ；正大：0 2 ，0 7 ，1 ；正很大：0 4 ，0 8 ，1 圖2 4 模糊語言五元體示意圖 2 3 1 9 模糊推理 ( 1 ) 模糊推理 在復(fù)雜的語言系統(tǒng)中，選擇一個合適的論域是很困難的，在同一論域u 上， 用集合描述語言的推論，同樣也會遇到困難。因此，在應(yīng)用模糊集合論對模糊命 題進(jìn)行模糊推理時，應(yīng)用模糊關(guān)系表示模糊條件語句，這樣將推理的判斷過程轉(zhuǎn) 化為對隸屬函數(shù)的合成及演算過程。 設(shè)a 和b 分別為x 和y 上的模糊集，它們的隸屬函數(shù)分別為“x ) 和p b ( x ) ， 、l廠1l一、ll丫j，_、 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 詞a 和詞b 分別用x 、y 上的子集a 、b 描繪，模糊推理語句“( a ) 一( b ) ”可表示 為從x 到y(tǒng) 的一個模糊關(guān)系，它是置y 的一個模糊子集，記為爿曰，它的隸屬 函數(shù)定義為：p 。仁，y ) a u 。b ) n 。( y ) v 1 一t 。b ) 】。( 2 2 2 ) 上述思想即為z a d e h 提出的近似理論中的假言推理方法，其推理規(guī)則為： 大自口提：a b 小前提：a 1 結(jié)論：b i = a 1 。( a b ) 其中運(yùn)算符“o ”仍表示模糊關(guān)系的合成。 ( 2 ) 模糊條件語句及其推理規(guī)則 1 模糊條件語句 模糊條件語句在模糊自動控制中占有特別重要的地位。這是因?yàn)槟：刂埔?guī) 則是由許多模糊條件語句所組成，實(shí)際上，模糊條件語句也是一種模糊推理，它 的一般句型為“若則否則”。 “若a 則b 否則c ”這樣的模糊條件語句，可以表示為k b ) v ( 口一c ) ，設(shè) a 在論域x 上并對應(yīng)x 上的一個模糊子集a ，b 、c 在論域y 上，并分別對應(yīng)模糊 子集b 、c 。 0 一b ) v 。一c ) 實(shí)際上也是zx y 的一個模糊子集r ，因此它也是一種模糊關(guān) 系，模糊關(guān)系r 中的各元素根據(jù)式( 2 3 2 ) 計(jì)算 l 。h k 。l ( x , y ) - b , b ) 一u 。( y ) 】v b 一盧。仁) 一p ( ) ) 】 ( 2 2 3 ) 如果隸屬度肛“。h - ，。) g ，y ) 、p a g ) 及如( ) ，) 分別用r ( x ，”、a i ( x ) 及b ( y ) 表示， 則式f 2 2 3 ) 變?yōu)椋?尺g ，y ) = d b ) 一b ( y ) 】v 【1 一彳g ) n c ( ) ，) 】( 2 2 4 ) 采用模糊向量的笛卡爾乘積的形式，式( 2 2 4 ) 表示為： r = 口) + 。x cj( 2 - 2 5 ) 式中“+ ”表示對模糊關(guān)系a x b 和a 。x c 求并運(yùn)算，而a x b 表示隸屬函數(shù)為 阻b ) b ( y ) 】的模糊關(guān)系。這樣一來，模糊條件語句可表示為 若a 貝o b 否貝o c 一( 一曰) + x c ) 。 2 模糊變量的推理合成規(guī)則 如果r 是x 到y(tǒng) 的模糊子集，且a 是x 的一個模糊子集，則由a 和r 所推 得的模糊子集為yz ao r 。 a - 低 _ i 1 + 了0 8 + 了0 6 + 了0 4 + 了0 2 b _ 高 = 0 2 4 + 0 。6 + o 。8 + 三 e 剛劂= 罕+ 半+ 塑3 + 孚哼 a 1 娟嗍= 1 1 + 坐2 + 孚+ 了0 1 6 + 了0 0 4 = l i ! ii ；i： i 6： i 6i ；i i=： 暖：勰蚴0 8 雌1 攀濰0 6 0 吣4 6 0 乞2 j 由此可得出y 的模糊集為： y ；0 3 _ _ 6 6 + 墜+ 些+ 塑+ 三計(jì)算結(jié)果表明“v 跟高差不多”，或“近似于高”。 12345 。 3 多重模糊條件語句 通常把多個