畢業(yè)設(shè)計（論文）-自整定參數(shù)的溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計.pdf

- I - 自整定參數(shù)的溫度自整定參數(shù)的溫度自整定參數(shù)的溫度自整定參數(shù)的溫度控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計的設(shè)計的設(shè)計的設(shè)計 摘要摘要摘要摘要 熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中 應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時均溫過程的測量與控制就成為關(guān)鍵性的技 術(shù)，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過程的方法。 電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度 以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模 型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。 自動控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著及其廣泛的應(yīng)用，溫度控 制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，通過 單片機對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。 本系統(tǒng)采用單片機為主控制器，控制算法采用比較成熟的數(shù)字 PID 控制算 法，對被控參數(shù)進行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大塊。硬件設(shè)計包 括：主要控制電路、溫度檢測、模數(shù)轉(zhuǎn)換和功率放大電路等。軟件設(shè)計包括： 主程序設(shè)計、中斷服務(wù)子程序設(shè)計、PID 算法設(shè)計等。系統(tǒng)的控制精度可以滿 足生產(chǎn)的要求。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：電阻爐；模糊控制器；溫度控制；控制仿真；89C51 自整定 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - II - A A A AD D D Designesignesignesign ofofofof TemperatureTemperatureTemperatureTemperature FuzzyFuzzyFuzzyFuzzy ControlControlControlControl SystemSystemSystemSystem ofofofof I I I Industryndustryndustryndustry ResistorResistorResistorResistor FurnanceFurnanceFurnanceFurnance AbstractAbstractAbstractAbstract The heat treatment is the important means of the metal material and other products. The resistance furnace is the heat treatment production widely used in the heating treatment production, so the measurement and control of the equal warm course become the critical technology. This urges people more positive to study the method of control hot-working technology. The resistance furnace is one kind of big being used to nature system which possesses pure stagnantly. The switch draft of a stove, heating material and environmental temperature as well as network voltage etc all influence control procedures. The traditional heating furnace control system is built on the fixed model foundation mostly, and is hard to pledge the requirements of the heating technology. Auto the control system have in each realm particularly is the industry the realm and it extensive of application, temperature control is control system in the most familiar of control one of the types.Along with list slice machine technique of fly soon development, pass list slice machine to is controled object to carry on control day by day become aftertime auto control realm of an importance development direction. This system uses the single-chip computer as the main controller, whose control algorithm uses common numeral PID control algorithm, and adjusts the controlling parameters. The system is mainly divided into the two parts of hardware design and software design. The hardware design part includes: main control circuit, temperature supervision, analog-digital conversion and the power amplification circuit etc. The software design part includes: main routine design, interrupt servicing subroutine design and PID algorithm designs etc. The controlling accuracy of the system can satisfy the requirement of production. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsResistance furnace；fuzzy controller；temperature control；89C51; self regulating decides 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - III - 目錄目錄目錄目錄 摘要.I AbstractII 第 1 章 緒論1 1.1 本課題背景.1 1.2 電阻爐的介紹.1 1.3 模糊控制的發(fā)展.2 1.4 模糊控制的應(yīng)用.4 1.5 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展.4 1.6 本課題研究的內(nèi)容.5 第 2 章 模糊控制理論6 2.1 引言.6 2.2 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理.6 2.2.1 模糊控制系統(tǒng)的組成6 2.2.2 模糊控制系統(tǒng)工作原理7 2.3 模糊控制器的設(shè)計.7 2.4 PID 控制原理.8 2.5 模糊整定 PID 控制器原理.9 2.6 模糊控制與 PID 控制方法的比較.10 2.7 本章小結(jié).11 第 3 章 電阻爐硬件設(shè)計12 3.1 引言.12 3.2 電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng).12 3.3 溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計簡介.13 3.3.1 溫度傳感器的選擇14 3.3.2 溫度信號轉(zhuǎn)換電路15 3.3.3A/D 轉(zhuǎn)換與開關(guān)量輸出接口. 15 3.3.4 可控硅觸發(fā)電路15 3.4 89C51 型單片機模糊控制器的系統(tǒng)功能機硬件組成 15 3.4.1 單片機模糊控制器的系統(tǒng)功能15 3.4.2 單片機類型的選擇16 3.5 89C51 型單片機模糊控制器的硬件系統(tǒng)組成 17 3.5.1 89C51 型單片機模糊控制器前向通道得設(shè)計. 19 3.5.2 89C51 型單片機模糊控制器后向通道得設(shè)計. 19 3.6 89C51 型單片機模糊控制器主程序結(jié)構(gòu) 20 3.7 89C51 型單片機模糊控制器的算法程序 21 3.8 本章小結(jié).23 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - IV - 第 4 章 MATLAB 溫度控制仿真.24 4.1 MATLAB 概況24 4.2 模糊控制器的設(shè)計.24 4.3 MATLAB 環(huán)境下仿真.26 4.4 本章小結(jié).29 結(jié)論30 致謝31 參考文獻32 附錄A. 33 附錄B. 37 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 5 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 緒論緒論緒論緒論 1.11.11.11.1 本本本本課題背景課題背景課題背景課題背景 隨著微電子技術(shù)和微型計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)以其 邏輯簡單、控制靈活、使用方便及性能價格比高的優(yōu)點得到了迅猛發(fā)展和廣泛 應(yīng)用。它不但在航天航空、鐵路交通、冶金、電力電訊、石油化工等領(lǐng)域獲得 了廣泛應(yīng)用，而且其技術(shù)在日常生活小諸如電梯、微波爐、電冰箱、電視機、 智能照相機、自動洗衣機、智能空調(diào)等高科技產(chǎn)品中也具有廣闊的使用前景。 尤其是許多智能儀表和測控系統(tǒng)中引入單片機控制技術(shù)后，使傳統(tǒng)儀器儀表設(shè) 備發(fā)生了根本變化，為工業(yè)生產(chǎn)的自動化智能化奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 自1965年Zadeh提出模糊集合論以來，模糊控制作為模糊理論應(yīng)用的一個重 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)過程控制、家用電器、機器人操作、機車控制、航空航天等 諸多領(lǐng)域。模糊控制理論日趨成熟，并且由于其基于人的邏輯推理、不依賴控 制對象的精確數(shù)學(xué)模型這一特點，體現(xiàn)了它巨大的優(yōu)勢和潛力1。 基于單片機技術(shù)的控制器自 80 年代以來取得了巨大的成功，尤其是微型計 算機的蓬勃發(fā)展，使得單片機控制器具有強勁的優(yōu)勢。因此，尋求適合單片機 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)計出有效而且實用的控制器，在工業(yè)控制領(lǐng)域，應(yīng)用現(xiàn) 代控制理論設(shè)計出來的控制器的效果往往還不如根據(jù)經(jīng)典 PID 理論設(shè)計的過程 控制器的控制效果。到目前為止，在工業(yè)控制過程中，占統(tǒng)治地位的仍然是經(jīng) 典的 PID 控制調(diào)節(jié)器，其比例達到了 90%以上。但是 PID 控制技術(shù)在處理一些 非線性、時滯性大又不便建立數(shù)學(xué)模型的控制對象時，如上述的電阻爐，存在 著兩個固有的缺陷：第一、參數(shù)調(diào)節(jié)困難，尤其對于參數(shù)變化大的控制對象； 第二、不適宜具有大時滯的控制對象。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，研究先進的模糊控制策略， 以及在單片機上的實現(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)以及其它的過程控制，具有很高的理論價值和應(yīng)用價2,3。 1.21.21.21.2 電阻爐的介紹電阻爐的介紹電阻爐的介紹電阻爐的介紹 電爐是利用電熱效應(yīng)供熱的工業(yè)用爐如武漢海頓電爐有限公司生產(chǎn)的電 爐。電爐設(shè)備通常是成套的，包括電爐爐體，電力設(shè)備，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，爐用 機械設(shè)備等。同燃料爐比較，電爐的優(yōu)點有：爐溫均勻，爐內(nèi)氣氛容易控制， 甚至可抽成真空；物料加熱快，加熱溫度高，溫度容易控制；生產(chǎn)過程較易實 現(xiàn)機械化和自動化；無污染，勞動衛(wèi)生條件好；熱效率高；產(chǎn)品質(zhì)量好等。冶 金工業(yè)方面海頓電爐主要用于鋼鐵、鐵合金、有色金屬等的加熱和熱處理。19 世紀末出現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的電爐，20 世紀 50 年代以來，由于對高級冶金產(chǎn)品需 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 6 - 求的增長和電費隨電力工業(yè)的發(fā)展而下降，電爐在冶金爐設(shè)備中的比額逐年上 升。電爐可分為電阻爐、 感應(yīng)爐（神光電爐）、 電弧爐、等離子爐、電子束 爐等。國內(nèi)大型電爐生產(chǎn)廠家如著名的武漢海頓電爐有限公司專業(yè)生產(chǎn)大中小 型工業(yè)電爐。 電阻爐 以電流通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱為熱源的電爐如海頓電爐生產(chǎn)的電 阻爐。按電熱產(chǎn)生方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電 阻爐中，電流直接通過物料，因電熱功率集中在物料本身，所以物料加熱很 快，適用于要求快速加熱的工藝，例如鍛造坯料的加熱。這種電阻爐可以把物 料加熱到很高的溫度，例如碳素材料石墨化電爐，能把物料加熱到超 2500。 直接加熱電阻爐可做成真空電阻加熱爐或通保護氣體電阻加熱爐，在粉末冶金 中，常用于燒結(jié)鎢、鉭、鈮等制品。采用這種爐子加熱時應(yīng)注意：為使物料 加熱均勻，要求物料各部位的導(dǎo)電截面和電導(dǎo)率一致；由于物料自身電阻相 當(dāng)小，為達到所需的電熱功率，工作電流相當(dāng)大，因此送電電極和物料接觸要 好，以免起電弧燒損物料，而且送電母線的電阻要小，以減少電路損失；在 供交流電時，要合理配置短網(wǎng)，以免感抗過大而使功率因數(shù)過低。 大部分電阻爐是間接加熱電阻爐，其中裝有專門用來實現(xiàn)電-熱轉(zhuǎn)變的電阻 體，稱為電熱體，由它把熱能傳給爐中物料。這種電爐爐殼用鋼板制成，爐膛 砌襯耐火材料，內(nèi)放物料。最常用的電熱體是鐵鉻鋁電熱體、鎳鉻電熱體、碳 化硅棒和二硅化鉬棒。根據(jù)需要，爐內(nèi)氣氛可以是普通氣氛、保護氣氛或真 空。 工業(yè)電爐 主要指各工礦企業(yè)用于鋼鐵、鐵合金、有色金屬、非金屬等的加 熱和熱處理的電爐。如著名的武漢海頓電爐有限公司專業(yè)生產(chǎn)大中小型工業(yè)電 爐。 1.31.31.31.3 模糊控制的模糊控制的模糊控制的模糊控制的發(fā)展發(fā)展發(fā)展發(fā)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 要由人類的生產(chǎn)發(fā)展需求和人類當(dāng)時的技術(shù)和知識水平所決定的。從古代亞歷 山大運用反饋控制來調(diào)節(jié)水流的水鐘到現(xiàn)代太空和大規(guī)模復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的綜合 自動化，控制科學(xué)在技術(shù)進步中都起著十分重要的作用。直到二十一世紀的今 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，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)展過程。 1965年美國加州大學(xué)的L.A.Zadeh教授在其發(fā)表的著名論文“Fuzzy Sets”中， 首次提出用“隸屬函數(shù)”的概念來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年英國學(xué)者E.H.Mamdani首次把模糊集合理論成功地 應(yīng)用在鍋爐和蒸汽機的控制之中，在自動控制領(lǐng)域中首開模糊控制在實際工程 上應(yīng)用之先河。在此后的短短30多年里，模糊控制獲得了長足的發(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 美國著名的貝爾實驗室問世，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)帶來了巨大的商業(yè)利潤，同時也推動了歐 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 7 - 美和其它國家，進一步促進了模糊技術(shù)的發(fā)展。 模糊控制的發(fā)展大體分為三個階段：基本模糊控制1；復(fù)合模糊控制2；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，足以說明其具有很 大的理論和實際意義。理論研究和實際應(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、魯棒性好、控制算法簡單等優(yōu)點。 早期研制的模糊控制器，應(yīng)用在一些較簡單的控制系統(tǒng)中，以模糊邏輯語 言為出發(fā)點，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)計過程簡單，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)幾十年的研究與實踐，基本模糊控制逐漸 暴露出自身的局限性，對于那些較為復(fù)雜的非線性、時變性較大的多變量系 統(tǒng)，不能進行有效的控制。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，揚長避短，形成復(fù)合控制，這也是模糊控制的又一進 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， 隨著各個學(xué)科知識的交叉發(fā)展，邊緣學(xué)科呈現(xiàn)強勁的發(fā)展勢頭。首先是神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)理論的系統(tǒng)化和完備化，促進了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，包括模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā) 展。緊接著是進化計算(特別是遺傳算法)的興起，人們將這些理論與控制問題結(jié) 合起來，逐漸發(fā)展成為基于仿生學(xué)的模糊控制，簡稱仿生模糊控制，標志著自 動控制己經(jīng)進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不無關(guān)系， 模糊控制的突出特點在于： (1)模糊控制器是建立在對專家、操作人員的經(jīng)驗和現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)的模仿總 結(jié)基礎(chǔ)之上，這種控制器的設(shè)計不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而只需 要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)。 (2)控制系統(tǒng)的魯棒性強，對于非線性時變滯后系統(tǒng)，因為其對參數(shù)變化不 敏感，所以其動態(tài)特性和靜態(tài)特性均優(yōu)于常規(guī)控制手段。 (3)以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于構(gòu)造形成專家的“知識”。 (4)控制推理采用“不精確推理(approximate reasoning) ”。由于推理過程模仿 人的思維過程，加入了人類的經(jīng)驗，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)實中得以成功應(yīng)用，其根源在于模糊邏輯本身 提供了由專家構(gòu)造語言信息并將其轉(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難以建立精確數(shù)學(xué) 模型的對象實施的一種控制。它是模糊數(shù)學(xué)同控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物 4 。 對于復(fù)雜系統(tǒng)(具有非線性、大時滯、多變量等特點)，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代 控制理論在忽略一些認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(有時也不能得到)， 但是次要因素的忽略可能使本來明確的概念模糊起來。但系統(tǒng)受模糊性因素的 影響不斷積累時，將使得以建立的精確數(shù)學(xué)模型無法描述系統(tǒng)的動態(tài)特性；相 反，當(dāng)“人”作為系統(tǒng)中的一元，參與系統(tǒng)動態(tài)過程時，系統(tǒng)的特性將會得到很 大的改善。模糊控制與常規(guī)控制方法相比，有以下優(yōu)點： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 8 - (1)模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗基礎(chǔ)上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建 立數(shù)學(xué)模型，是解決不確定系統(tǒng)的一種有效途徑。 (2)模糊控制具有較強的魯棒性，被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不 明顯，可以用于非線性、時變、時滯的系統(tǒng)。 (3)由離散計算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實時性。 (4)控制的機理符合人們對過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)。 1.41.41.41.4 模糊控制模糊控制模糊控制模糊控制的的的的應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，電阻爐隨著負荷變化或干擾因素的影響，其對象特性 或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電阻爐溫控具有升溫單向性、大時滯和時變的特點，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)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，實時改變其控 制策略，使控制系統(tǒng)指標保持在最佳范圍內(nèi)。但由于操作者經(jīng)驗不易精確描 述，控制過程中各種信號量以及評價指標不易定量表示，而模糊理論正是解決 這一問題的有效途徑。 人們運用模糊數(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(如評價指標、初始PID 參數(shù)等)作為知識存入 計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況運用模糊推理，實 現(xiàn)自動對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、非線性、參數(shù)時 變，類似于電阻爐這樣特點的控制對象可以獲得很好的控制性能。大量的理論 研究和實踐也充分證明了用模糊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、動態(tài)響應(yīng)好、上升時間快和超調(diào)小的特點。因此在 溫度控制器設(shè)計中采用模糊控制。 1.51.51.51.5 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展 近年來，在我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)對 象控制中一種重要的參數(shù)，特別廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。 對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，控制方案也 有所不同。 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度 的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它 主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身 誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進 的溫度控制方式，如：PID 控制，模糊算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高 了控制精度，不但使控制變得簡便，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。單片微型計算機的功能不斷的增強，為先進的控制算法 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 9 - 提供了載體，許多高性能的新型機種應(yīng)運而生。單片機以其功能強、體積小、 可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化領(lǐng)域和其他測控領(lǐng)域中廣 泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片 機更是起到了不可替代的核心作用。像用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的 坩鍋電阻爐等類似工業(yè)用加熱爐中都可以廣泛應(yīng)用。 隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，一些設(shè)備對溫度的控制要求越來越高，不僅 對控制算法的精確性提出了挑戰(zhàn)，也對控制算法的載體單片機提出了挑 戰(zhàn)。運用模糊理論、單片機以及模糊 PID 參數(shù)整定，并以 89C51 為處理器會更 好的提高對溫度的要求。 1.61.61.61.6 本課題研究的內(nèi)容本課題研究的內(nèi)容本課題研究的內(nèi)容本課題研究的內(nèi)容 電阻爐由電阻絲加熱，溫度控制具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、 升溫單向性等特點。在實際應(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性、大滯后等問題。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題時遇到了極 大的困難，而以語言規(guī)則模型（IF-THEN）為基礎(chǔ)的模糊控制理論卻是解決上 述問題的有效途徑和方法。國內(nèi)現(xiàn)有的一些模糊設(shè)計方法大多存在不同缺點， 而且真正把理論研究應(yīng)用到實際系統(tǒng)的實例較少。 本文根據(jù)實際生產(chǎn)過程的溫度特性，針對時滯和不確定的復(fù)雜非線性系統(tǒng) 的控制問題，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?法進行自動調(diào)節(jié)，使爐溫達到給定值，方案結(jié)構(gòu)簡單，無需被控對象的精確數(shù) 學(xué)模型，且能適應(yīng)環(huán)境的變化，具有控制精度高、動態(tài)性能好的特點。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 10 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 模糊控制理論模糊控制理論模糊控制理論模糊控制理論 2.12.12.12.1 引言引言引言引言 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)，它具有非線性、強耦合、時變、時滯等特性。采用常規(guī)的 PID 控制 器，一般很難實現(xiàn)對其快速有效地精確控制。而作為非線性控制的一個分支-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)界對模糊現(xiàn)象的研究由來已久，從 20 世紀 20 年代開始，就一直有學(xué) 者在對此問題進行研究，直到 1965 年，美國柏克萊加里福尼亞大學(xué)電氣工程系 教授 L.A.Zadeh，把經(jīng)典集合與 J.Lukasiewicz 的多值邏輯融為一體創(chuàng)立模糊集 合理論，從而真正開辟了解決模糊問題的科學(xué)途徑。L.A.Zadeh 在他的和等著作中，首先 提出了模糊數(shù)學(xué)和模糊控制的概念。其核心是對復(fù)雜的系統(tǒng)或過程建立一種語 言分析的數(shù)學(xué)模式，使人的自然語言直接轉(zhuǎn)化為計算機能接受的算法語言。模 糊集合理論為處理客觀上存在的一類模糊性問題提供了強有力的工具，所以作 為模糊數(shù)學(xué)的一個重要應(yīng)用分支的模糊控制理論由此應(yīng)運而生。 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 個方面： 1、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制理論的研究； 2、模糊推理策略的研究； 3、模糊辯識模型的研究； 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現(xiàn)5。 而在工程上，模糊控制的工程應(yīng)用也在不斷發(fā)展。 2.22.22.22.2 模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理及工作原理及工作原理及工作原理 模糊控制系統(tǒng)是一種以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的 規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)；采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)機 構(gòu)數(shù)字自動控制系統(tǒng)，其核心是具有智能性的模糊控制器。由此可見模糊控制 技術(shù)是一種由模糊數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、人工智能、知識工程等多門學(xué)科領(lǐng)域相 互滲透、理論性很強的科學(xué)技術(shù)。 2.2.12.2.12.2.12.2.1 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控式： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 11 - A / D模 糊 控 制 器 執(zhí) 行 機 構(gòu)傳 感 器 D / A 被 控 對 象 給 定 值 - - 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)人手動調(diào)節(jié)方式經(jīng)驗建立一種數(shù) 學(xué)描述實現(xiàn)控制。模糊控制系統(tǒng)組成具有常規(guī)計算機控制系統(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)行機構(gòu)、被控對象和測量裝置等 五個部分組成，其核心是模糊控制器。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 模糊控制系統(tǒng)工作原理模糊控制系統(tǒng)工作原理模糊控制系統(tǒng)工作原理模糊控制系統(tǒng)工作原理 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： 知 識 庫 推 理 機模 糊 化 接 口解 模 糊 接 口 圖 2-2 模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖 首先，我們得到一個測量變送來的精確量 e，按照一定的隸屬度關(guān)系將其進 行模糊化得到模糊矢量 E，然后，根據(jù)實際手動控制經(jīng)驗建立的模糊規(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 機構(gòu)進行動作。其中最為關(guān)鍵的一步是將操作者的經(jīng)驗總結(jié)成若干條規(guī)則，經(jīng) 過相應(yīng)的模糊數(shù)學(xué)處理，存放到計算機中，形成模糊控制規(guī)則，并仿照人腦的 模糊推理過程，確定推理法則6。 2.32.32.32.3 模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的設(shè)計 本論文研究的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，精度要求較高，又是實時系統(tǒng)若用模 糊控制理論來研究，并進行設(shè)計，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 2-3 所示的二維模糊控制器。如對控制系統(tǒng)要求更高，則 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 12 - 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。 R e - + 模 糊 化 模 糊 推 理 反 模 糊 化 對 象 e e Y UU E E c 圖 2-3 模糊控制系統(tǒng) 由圖 2-3 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，如查表法，公式法等。本文將采用查表法。其做法是：首先 通過事先的離線計算，獲得一個模糊控制表，然后將其控制表存放到計算機的 內(nèi)存中。于是在爐溫控制中，計算機只需要直接根據(jù)采樣和論域變換得來的以 論域元素形式表現(xiàn)的)( i xe和)( i ye，由控制表的第 i 行與第 j 列找到對應(yīng)的同 樣以論域元素形式表現(xiàn)的控制量)( k zu，把其乘以比例因子，即可用于控制被控 過程，以達到預(yù)期的控制目的?？紤]到后面使用的控制表有反向作用，故其控 制表方式的模糊控制系統(tǒng)如圖 2-4 所示： R e - + 模 糊 控 制 對 象 e e Y U E E c 1 K 2 K 量 化 量 化 3 K 圖 2-4 控制表方式的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 其中， 1 k， 2 k為偏差e和偏差變化率 c e論域變換時的量化因子， 3 k為控制量 )( k zu的比例因子。由圖2-4可見，設(shè)計關(guān)鍵是求取控制表。下面就針對該溫度 控系統(tǒng)進行設(shè)計研究。 2.42.42.42.4 PIDPIDPIDPID 控制原理控制原理控制原理控制原理 PID 控制是偏差比例(P)、偏差積分(I)、偏差微分(D)控制的簡稱。在模擬控 制系統(tǒng)中，常規(guī)模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如(圖 2-5)所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控 制(虛框內(nèi)部分)和被控對象組成4 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 13 - 比 例 積 分 微 分 被 控 對 象 y(t) P ID控 制 器 r(t)u(t) e(t) 圖 2-5 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值：)(tr與實際輸出值)(ty 構(gòu)成偏差： )()()(tytrte=(2-1) 將偏差比例、積分和微分控制，通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進 行控制，故稱 PID 控制器。其控制規(guī)律為 )( )( 1 )()( 0 += t D Idt tdeT dtte T teKptu(2-2) 其傳遞函數(shù)形式為 ) 1 1 ( )( )( )(ST ST K SE SU SGD I p+=(2-3) 式中pK比例系數(shù) IT積分時間常數(shù) DT微分時間常數(shù) pK為比例放大系數(shù)；IT為積分時間常數(shù)；DT為微分時間常數(shù)。簡單來 說，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 1、比例環(huán)節(jié)（P） ：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號 error(t)，偏差一旦產(chǎn)生， 控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。 2、積分環(huán)節(jié)（I） ：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取 決于積分時間常數(shù) I T， I T越大，積分作用越弱，反之則越強。 3、微分環(huán)節(jié)（D） ：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，并能在偏差信號變 得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作 速度，減少調(diào)節(jié)時間。 2.52.52.52.5 模糊整定模糊整定模糊整定模糊整定 PIDPIDPIDPID 控制器原理控制器原理控制器原理控制器原理 由于操作者經(jīng)驗不易描述，控制過程中各種信號量以及評價指標不易定量 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 14 - 表示，模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運用模糊數(shù)學(xué)的基本理 論方法，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)則以及有關(guān) 信息（如評價指標、初始 PID 參數(shù)等）作為知識存入計算機知識庫中，然后計 算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況（即專家系統(tǒng)的輸入條件） ，運用模糊推理， 即可自動實現(xiàn)對 PID 參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊 PID 控制。模糊 PID 控制 器目前有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理基本一致。PID 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖如 圖 2-6 所示。 常 規(guī) PID 控 制 器 模 糊化模 糊 推 理 被 控 對 象 de dt r(t)- e e c p K i K d K y(t) 圖 2-6PID 參數(shù)模糊控制器系統(tǒng)框圖 由圖可見，模糊控制由常規(guī) PID 控制部分和模糊推理兩部分組成，模糊推 理部分實質(zhì)就是一個模糊控制器，只不過它的輸入是偏差 e 和偏差變化率 c e，輸出是pK i K d K。PID 參數(shù)模糊自整定是找出 PID 三個參 數(shù)和偏差 e 和偏差變化率 c e之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測 e 和 c e，根據(jù)模糊控制原理來對 3 個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同 e 和 c e時對 控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜性能。 2.62.62.62.6 模糊控制與模糊控制與模糊控制與模糊控制與 PIDPIDPIDPID 控制方法的比較控制方法的比較控制方法的比較控制方法的比較 A、模糊控制與PID控制方法的區(qū)別 1、參數(shù)性質(zhì)不同 PID控制器的參數(shù)一般在控制中是常數(shù)，而模糊控制器中的量化因子卻是變 量，這使模糊控制具有更廣泛的意義。 2、控制方式不同 由于模糊控制器的量化因子是變量，隸屬度函數(shù)一般也是非線性，輸入量 與輸出量之間的映射也是非線性的。 而PID控制系統(tǒng)根據(jù)給定值與實際值之間構(gòu)成的偏差，形成線性控制。 B、模糊控制與PID控制方法之間的聯(lián)系 以PID形式為例：若是PID控制形式： PDPd uK eK e=+ Then, also known as the concluding part, Description volume control is the topic. Fuzzy Control is the biggest feature of the expert control experience, knowledge representation language into control rules then use these rules to control the system. So fuzzy control is particularly applicable to experts on mathematical simulation model is unknown, the complex, nonlinear systems of control. Fuzzy control system and common negative feedback loop control system similar The only difference is control devices by the fuzzy controller is to be achieved. Fuzzy Controllers usually consists of the following components : (1) input and output of standardization; (2) the input fuzzy; (3) control rules language; (4) fuzzy logic ; (5) The export volume of the non-fuzzy. Input and output of standard refers to the standardization of controller. Import, export restrictions in the area, so that the controller design and implementation. Because the controller general of the import value is not ambiguous, and therefore the process is fuzzy to the input value into fuzzy volume. Language control rules and fuzzy logic controller is the core. According to the fuzzy language input and control rules, fuzzy logic decision output of a distribution function. Non-fuzzy process to the output distribution function converted to a standardized output. Finally controller will regulate the output conversion to the actual value of the output (that is, volume control) to control the system. Given value and the volume control is the deviation between the input controller. Controller error control by the plants output, it has stabilized at a given value. Fuzzy controller to control the language of the rules, known as fuzzy control rules for the R mind, in the form below : Fuzzy controller to control the language of the rules, known as fuzzy control rules for the R mind, in the form as follows : Ri : If Designed for Ai1,Ai2 for X2, ., Xn ofAin, Bi Y i = 1, 2, ., m here i said the number of rules, Xi (i = 1, 2, ., n)as part of the variable conditions, Y is the concluding part of the variables. Ai, Bi behalf of a variety of fuzzy sets, also known as fuzzy variables. 4 Fuzzy control parameter tuning PID PID control parameter tuning based on object properties and hope that the decision to request control performance ratio coefficient Kp. Integral time constant Ti and differential time constant Td three parameters. The first to tuning PID parameters is famous Ziegler-Nichols Act. ZN law in two ways : First, the object under the control of open-loop step-response decision Another is to contain only proportional control loop characteristics of the decision. PID parameters can be obtained below 2: Type 1:Kp=0.6Ku ,Ti=0.5Tu ,Td= Ti/4 Among them, Ku, Tu were under the control of the ratio of the closed-loop system is in critical condition and the proportional gain oscillation cycle 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 - 39 - Type 2: Kp=1.2/(),Ti=2,Td=0.5 Among them, , respectively refers to the time delay and soaring speed. ZN Although the convenience, but sometimes to control the performance of the system can not meet the requirements, such as the control system of over-regulation, rise time, 5% of the response time and so on the request, ZN law setting the parameters can not be January 1 balance. Below, an example of a fuzzy logic PID tuning parameters. This method is based on control of the response characteristics of the system, an automatic adjustment of PID parameters, controlling the performance of the system to meet the requirements. Control system for evaluating the performance of the following four indicators : volume Yos overshoot, rise time Tr. 5% response time T5, static error ess. Using fuzzy logic can these four indicators evaluated. For example, the following control object. 911.8 ( ) 124 s G s se = + Its step response :Yos=70%、Tr=70.5、T5=81 Now like to design a PID controller, the closed-loop system to achieve the following requirements : Yos10%、Tr70.5、T581,ess=0 When using ZN, PID controller design, the performance of the closed-loop system are as follows : Yos=70%、Tr=70.5、T5=81、ess=0 Clearly the above properties and control requirements, the difference is not only the overshoot is too big, and the adjustment for a longer period of time T5.Toachieve the required performance, we are using fuzzy control for the following parameters automatic correction. ( )(1)( )jjj p ppKKK + =+ ( ) (1)( ) j jj i ii T TT