管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真設計

1、管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真設計摘要：隨著科學技術的飛速發(fā)展，消費者對民用生產和工業(yè)生產對產品的性能有了更新的要求，其中，對產品的溫度控制的要求也越來越高，所以研究設計管式加熱爐的溫度控制器具有很大的現(xiàn)實意義和使用價值。本文是基于 PID 控制算法的管式加熱爐智能溫度控制器為研究對象，首先闡述本文的研究背景和溫度自動控制器的需求，然后對分析了傳統(tǒng)控制方法的弊端，對模糊控制方法進行了介紹。隨后利用模糊PID計算方法計算對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)情況，并從硬件和軟件兩個方面進行系統(tǒng)運行調試，得出較好的結果。關鍵詞：溫度控制器；SSR 固態(tài)繼電器；STM32 單片機ABSTRACT：With the rapid

2、 development of science and technology, consumer and industrial production to civilian production requirements for product update performance, which, on product temperature control requirements have become more sophisticated, so designing resistance furnace temperature controller is of great practic

3、al significance and usefulness. This article is a resistance furnace temperature controller based on PID control algorithm for the study, first of all explains the background of this study and temperature control needs, then design the overall system-wide programme, including in particular the hardw

4、are system design, system design and software design of the control circuit of temperature. Then take advantage of fuzzy PID calculation system of implementation, and run from the two systems in terms of hardware and software debugging, produce better results and conclusion full text.KEY WORDS：Tempe

5、rature controller; SSR-solid state relays; STM32 microcontroller0目 錄1 引言12.管式加熱爐溫度系統(tǒng)12.1管式加熱爐的一般結構22.2管式加熱爐傳熱方式43 管式加熱爐溫度系統(tǒng)的模糊控制63.1 常規(guī)控制方法的局限性63.2 智能控制思想63.3 管式加熱爐溫度系統(tǒng)的智能模糊控制73.3.1 模糊控制概述73.3.2 模糊控制原理83.3.3 模糊控制器結構82.2.4 建立模糊規(guī)則表114.控制系統(tǒng)仿真134.1 PID原理134.2 PID 參數的選擇144.3 Smith 模糊 PID 控制算法164.4 模糊 PID

6、 控制器的設計及仿真結果16結論20參考文獻221 引言隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，科學技術的應用，大大改善了人類的生產、生活方式。但是近年來氣候的變化無常，嚴重的干擾了人類正常的生產、生活，人們對自己生活的質量和經濟發(fā)展的要求逐步提高，對所用的設備功能和效用的要求也逐步提高。溫度自動控制器家電產品中的應用分為民用，工業(yè)用途兩種。民用如空調，微波爐，熱水器，采暖爐，冰箱等等方面；溫度自動控制器在工業(yè)生產用途表現(xiàn)在工廠的大型的機械，如鍋爐等大型的機械設備，這種設備對溫度的控制要求非常高。此外，還在大棚種植、養(yǎng)殖，溫室環(huán)境等對溫度有一定要求的地方應用廣泛。溫度自動控制器中，管式加熱爐溫度控制器作為管式

7、加熱爐應用的必備工具，從民用的日常生活，到鋼鐵冶金等大型工業(yè)生產都有涉及，可以說是具有廣闊的應用前景。由于機械設備經常反復使用，對溫度控制器的損耗大，并且其溫度控制器都是機械式的，容易損壞，對其進行修理只能更換配件，將費用加到企業(yè)消費者身上。這就使機械不具備經久耐用的特點。針對制冷制熱產品的使用范圍廣，需求量大的特點，設計出耗費成本低，溫度控制效果好的溫度控制器產品，必然會得到消費者的喜愛，為企業(yè)迎來利益增長。同時，溫度控制器的應用不僅僅局限于家電產品，在企業(yè)需要制冷制熱的機械設備中，也同樣適用。由此可見，溫度控制器在民用工業(yè)用途上，應用范圍廣，需求量大。2.管式加熱爐溫度系統(tǒng)管式加熱爐是石油

8、煉制、石油化工和化學、化纖工業(yè)中所使用的具有提供熱源的火力加熱設備，加熱爐爐內裝有無縫鋼管連接而成的管士作，被加熱物質（僅限加熱氣體或液體）在管內流動，被加熱到工藝要求的溫度。管式加熱爐逐漸成為工業(yè)生產中的重要設備，同其他工業(yè)爐相比有如下特點：（1）待加熱介質在管內流動，故適用于加熱液體或氣體，通常是易燃、易爆的烴類物質，同鍋爐加熱水產蒸汽相比，危險性大、操作條件苛刻。（2）液體燃料或燃燒氣體。（3）直接受火式加熱方式。（4）長周期連續(xù)運行。管式加熱爐性能優(yōu)越，符合現(xiàn)代工業(yè)生產大型化、自動化、連續(xù)化的要求，它的發(fā)展對石化等行業(yè)的發(fā)展、進步起到了很大的推動作用，在一些生產過程中對產品質量、產品收

9、率、能耗和操作周期甚至起著重要的支配作用。2.1管式加熱爐的一般結構管式加熱爐包括5部分，分別是：對流室、輻射室、通風系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及余熱回收系統(tǒng)，如圖2.1所示，結構中包括：鋼結構、爐管、爐墻（內襯）、燃燒器、孔類配件等。圖2.1管式加熱爐的一般結構（1）輻射室輻射室通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱，是加熱爐熱交換的毛要場所。輻射室直接受火焰沖刷，溫度較高、所用材料的強度、耐熱性定要好，其熱負荷一般占加熱爐熱負荷的70%80%，是加熱爐最重要的部位。乙烯裂解爐、烴類蒸汽轉化爐的裂解和反應過程全部在輻射室完成。輻射室有兩個作用：一是用作燃燒室；二是將燃燒器噴出的火焰、高溫煙氣通過爐管傳給介質。（

10、2）對流室對流室是由輻射室出來的煙氣進行對流傳熱的部分，對流室熱負荷約占加熱爐負荷的20%30%。對流室的取熱量比值越大，加熱爐熱效率越高，該比值的選擇應根據管內流體同煙氣的溫度差和煙氣通過對流管排的壓力損失等方面考慮決定。對流室位置一般在輻射室之上，內部緊密分布著多排爐管，煙氣通過較快的速度沖刷爐管，從而實現(xiàn)對流傳熱。加熱爐爐管中的介質一般由低溫部分流到高溫部分，即先到對流室，后到輻射室。水蒸氣介質的流向是對于煙氣上行的爐子為從上到下，煙氣下行的爐子為從下到上。對流段的主要作用是：在對流室內的高溫煙氣以對流的方式將熱量傳給爐管內的介質。在對流室內也有很小一部分煙氣及爐墻的輻射傳熱。（3）余熱

11、回收系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)用以進一步回收離開對流室煙氣中的余熱。回收方法有2種：一是通過余熱供燃燒用的空氣來回收，使回收的熱量再次返回爐中，稱為“空氣預熱方式”。另一種是采用同加熱爐完全無關的其它介質回收熱量，稱為“余熱鍋爐”方式，一般采用強制循環(huán)方式，盡量放到對流室頂部。目前，加熱爐的余熱回收系統(tǒng)多采用空氣余熱回收方式，通常只有高溫管式爐（如烴蒸氣轉化爐、乙烯裂解爐）和純輻射爐才使用余熱鍋爐。這些爐子的排煙溫度較高，安裝余熱回收后，加熱爐的熱效率可達到88%90%。（4）燃燒器燃燒器的作用是完成燃料的燃燒過程，為熱交換提供熱量。燃燒器由燃料噴嘴、配風器、燃燒通道3部分組成。燃燒器根據燃用燃料不同分

12、為燃油燃燒器、燃氣燃燒器和油氣聯(lián)合燃燒器。燃燒器性能的好壞，直接影響爐子質量及爐子的熱效率。為保證燃燒質量和整爐熱效率，必須有可靠的燃料供應系統(tǒng)和良好的空氣預熱系統(tǒng)。（5）通風系統(tǒng)通風系統(tǒng)是把燃料燃燒所用空氣導入燃燒器，同時將廢煙氣引出加熱爐。通風方式有自然通風和強制通風，自然通風依靠煙囪本身的抽力，強制通風則使用鼓風機和引風機。當加熱爐爐內煙氣側阻力不大時，通風方式為自然通風，對于加熱爐煙囪的高度，要求可以保證克服加熱爐爐內煙氣側阻力。但是，近年來隨著環(huán)保要求的提高，生產企業(yè)己開始安裝獨立于爐群的超高型集合煙囪，用來將多個加熱爐的煙氣集中在一起進行排放。隨著管式加熱爐性能的多元化、結構的復雜

13、化，爐內煙氣側阻力降增大，以及高效大功率燃燒器的應用、提高加熱爐熱效率和節(jié)能降耗工作的需要，強制通風方式越來越受到重視和使用。2.2管式加熱爐傳熱方式管式加熱爐的工藝過程就是燃料燃燒釋放出熱量和油介質或者其他介質吸收熱量，使其升溫，產生相變或同時產生裂化和反應等的過程，是供熱和吸熱的過程。燃料在爐膛內燃燒后，10001500的高溫煙氣主要以輻射的方式將大部分熱量傳給輻射管的外表面，再通過爐管的金屬壁以全傳導的方式傳遞給爐管的內表面，又以對流方式傳遞給在爐管中流動的介質，使之加熱到工藝上要求的溫度。以較少的傳熱面積，消耗較少的燃料，來完成既定的加熱任務，是加熱爐的基本工藝要求。加熱爐不能由于局部

14、過熱導致油品或其它介質的分解，尤其是用于反應的加熱爐除要達到規(guī)定的反應深度外，還要盡量減少爐管內結焦狀況的發(fā)生，使加熱爐長周期安全運行。（1）輻射傳熱在加熱爐內，熱輻射是重要的傳熱方式。在管式加熱爐內爐管吸收的熱量約有80%90%是以輻射的方式進行的。輻射是物質以電磁波或光子的形式傳遞能量的過程。是物質的固有屬性，所傳遞的能量叫輻射能。當輻射能落在另一個物體上被吸收時，可轉化為該物體的內增能量，產生熱效應、化學效應或光電效應等。輻射室中的傳熱方式主要包括熾熱氣體和火焰的對流放熱和輻射放熱。如果燃料燃燒產生的熱量全部被生成物吸收，那么生成物的溫度為最高溫度，即虛擬火焰最高溫度。由于爐膛墻壁和管排

15、不斷接受到輻射熱量，而且在流動方向上有溫度梯度，所以溫度根本達不到。羅伯伊萬斯方法的基本出發(fā)點提出了如下的假設：在管式加熱爐的輻射室中，可以用來表示煙氣的平均溫度，其中，是根據熱平衡原理得到的離開輻射室時的煙氣溫度。虛擬最高火焰溫度顯然高一于煙氣平均溫度，而在輻射室出口，煙氣的實際溫度為，根據不同的加熱爐，要么高于，要么等于。此外，接受了對流傳熱的爐膛墻壁也會有散熱損失，管排的平均溫度為，爐墻的不變溫度為，上述過程如圖2.2所示。圖2.2輻射室的傳熱過程圖中，各溫度之間的關系為： 。（2）對流傳熱在加熱爐的輻射室以對流傳熱為主，同時高溫煙氣和爐墻也以輻射形式進行傳熱。對流室的傳熱在整個管式加熱

16、爐中雖然不占主要地位，但對降低排煙溫度，減少熱損失，提高全爐熱效率具有重要的作用。一般輻射對流型加熱爐要比全輻射型加熱爐的熱效率高10%15%。從發(fā)展趨勢上看，輻射室和對流室的熱負荷分配比變化較大。過去分配比是：輻射室：對流室：煙氣損失=50：20：30，而現(xiàn)在是40：50：10。對流傳熱的主要作用是確定對流室的傳熱面積和對流管表面熱強度。3 管式加熱爐溫度系統(tǒng)的模糊控制3.1 常規(guī)控制方法的局限性在整個軋鋼生產流程中，鋼坯的加熱和軋制是兩個有各自生產目標的相互獨立的工序，對其優(yōu)化控制的過程也是分別進行的，即分別達到各自的最優(yōu)化，但是從對整個熱軋生產系統(tǒng)的綜合優(yōu)化控制角度來看，這樣分別達到局部

17、最優(yōu)化的控制方案并不能夠實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化，即控制效果的局部最優(yōu)化不能保證全局的最優(yōu)化。就軋制工序而言，為保證軋制的正常進行，就要求鋼坯的加熱溫度留有較大的裕度，實際上這個設定值有很大的可下降空間，因而鋼坯出爐溫度設定值得過高就使得燃料能耗增加很多，與加熱爐節(jié)能降耗的生產目標相矛盾；就加熱工序而言，為了盡量較少燃料消耗，爐溫的設定值會盡量降低以實現(xiàn)節(jié)能降耗的優(yōu)化目標，但是這樣有可能造成鋼坯的加熱質量變差影響軋制的正常生產，影響軋機的使用壽命甚至會引起重大生產事故，從整個軋鋼生產流程看反而增加了能耗，降低了生產效益。這是因為兩個系統(tǒng)各自有其控制目標，將加熱工序和扎制工序分開來控制造成加熱爐控制

18、系統(tǒng)不能及時的根據軋制信息的反饋調整控制策略。所以就控制目標而言利用常規(guī)的控制方法將兩個系統(tǒng)作為獨立的開環(huán)系統(tǒng)不能得到很好的控制效果。為了達到良好的控制效果，將整個軋鋼過程作為一個大的閉環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，將粗軋機一側的軋制信息反饋到加熱爐一側，并根據反饋信息對加熱爐的爐溫設定值進行動態(tài)補償，優(yōu)化鋼坯的加熱過程。對這個控制過程，常規(guī)控制方法也存在局限性。常規(guī)控制方法是以被控對象能夠建立精確的數學模型為基礎的，而對于整個軋鋼生產過程很難建立精確的數學模型，而且就軋制信息反饋動態(tài)補償爐溫設定值的這個過程而言目前也不能建立出數學模型，所以常規(guī)方法不再適用。因此，不需要建立被控對象精確數學模型的智能控

19、制方法的出現(xiàn)為解決這個問題提供了新的思路。3.2 智能控制思想管式加熱爐是一個復雜的被控對象，通常加熱爐都是采取分段加熱的供熱方式，在生產過程中各段之間容易發(fā)生耦合，在描述鋼坯在爐內的熱交換機理時除了有關熱傳導、對流和輻射的關系式外，還包括像爐溫的滯后效應、壓力變化等許多不確定因素的影響，所以對鋼坯的加熱過程是一個典型的強耦合、非線性、純滯后特性的過程，要想用常規(guī)的數學方法對這種復雜的對象建模非常困難。實際使用的通過各種假設建立的數學模型不能準確描述被控對象的特點，常規(guī)PID的控制效果也不是很理想。在實際生產中，有經驗的操作工人能夠很輕松的把加熱爐控制在一個很穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這是因為他們可以通

20、過現(xiàn)場各種儀表的檢測數據依據自己的經驗準確判斷出加熱爐的工作狀態(tài)，并及時對其做出相應的調整。受這一現(xiàn)象的啟發(fā)，可以在實際工程應用中采用基于仿人智能控制的控制策略對加熱爐進行控制,將人類專家和熟練操作工人的經驗存儲在控制器中應用于整個控制系統(tǒng)，同樣可以取得很好的控制效果。針對在傳統(tǒng)控制中，加熱爐的控制和軋機的控制被割裂開來單獨考慮的情況，提出如下控制思想：將兩個信息流只能向前傳播的開環(huán)系統(tǒng)改造成信息流可以反向傳播的閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用智能控制算法對爐溫設定值進行修正，使加熱爐能夠根據軋制節(jié)奏以及軋機反饋的信息動態(tài)的實時優(yōu)化鋼坯的加熱過程，改善鋼坯加熱質量，以達到在此過程中達到降低能耗、提高產品質量

21、和生產效率的同時滿足生產指標和經濟指標的要求，提高企業(yè)利潤的目標。在這個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將軋機電流反饋作為驗證鋼坯加熱質量好壞的檢驗標準，并以實測電流和額定電流的偏差作為對爐溫設定值進行補償的依據，以優(yōu)化鋼坯的加熱過程，從而降低加熱爐和軋機的整體能耗。3.3 管式加熱爐溫度系統(tǒng)的智能模糊控制3.3.1 模糊控制概述模糊控制方法：一種基于模糊語言的表示、模糊數學以及模糊邏輯規(guī)則推理，一種有反饋通道的，閉環(huán)數字系統(tǒng)，它依賴與計算機技術。隨著智能控制技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)的新科學方法，例如模糊控制、遺傳算法和神經網絡以及混純理論等，這些智能控制方法是一種有效的控制形式，可以發(fā)揮出更優(yōu)越的作用。運用模糊

22、的控制方法，它能較好的將人工經驗運用在控制系統(tǒng)的自動控制中。如果一個熟練的操作人員，在不了解被控對象的精確數學模型情況下，憑借以往的操作經驗，運用相對應的方法能較好的控制較復條的系統(tǒng)。將操作的實踐經驗進行描述，將其以語言的形式表達，可以得到不精確、定性的的規(guī)則。3.3.2 模糊控制原理模糊控制方法首先將現(xiàn)場操作人員的對策或專家經驗編寫成與控制相對應的規(guī)則，后系統(tǒng)將傳感器檢測到的信號進行模糊化，再將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則輸入，最后將所推理得到的控制輸出量加到對應的執(zhí)行控制器上。3.3.3 模糊控制器結構運用計算機程序來控制模糊控制器。一般情況下選擇的誤差信號為 e 和誤差的變化率為 ec，將

23、選擇的信號作為控制器的輸入量。誤差 e 和誤差變化率 ec 的模糊量能運用相對應的模糊語言來表示，在其模糊化后會生成相對應的模糊量，及由誤差 e 和誤差的變化率 ec 在模糊語言集合中得到一個模糊矢量 E 和 EC，根據模糊控制的規(guī)則R 和模糊矢量 E、EC，根據推理的規(guī)則進行模糊決策以得出模糊控制量 U，最后根據得出的模糊控制量 U 進行反模糊，得到精確的控制量 U。圖 3.1 模糊控制器結構圖圖3.1為模糊控制器的結構，在實際的工作中，一般選擇查表法、軟件模糊推理法等模糊控制器。本設計為節(jié)省控制器的時間，減少 CPU 的運算量，采用查表法。設計步驟如下:(1)在控制系統(tǒng)中，輸入量是由輸入目

24、標值和實時所檢測得到的實際值的偏差 e 以及該偏差的變化率 ec 組成。(2)將控制系統(tǒng)的輸入量 e 和 ec 進行模糊化處理，將輸入量量帶入到確定的模糊子集中。(3)根據實際的操作實踐經驗和專家知識決定控制的策略，并建立當前的模糊規(guī)則表。(4)根據模糊控制的規(guī)則，查找與控制系統(tǒng)相對應的模糊控制量。(5)采用如下幾種解模糊的方法對控制量進行解模糊：加權平均的方法、取中位數的方法以及最大隸屬度的方法。1、模糊量化(a)對檢測到的輸入量進行相應的處理，轉變?yōu)槟：刂破魉蟮妮斎肓?。計算誤差 e=r-y，其中 r 表示控制系統(tǒng)的參考輸入量，y 表示控制系統(tǒng)的實際輸出量，e 表示誤差，ec 代表誤差

25、的變化速率。對于計算得到的誤差 e 以及誤差變化 ec 就是系統(tǒng)輸入語言的變量。(b)對輸入量進行相應尺度的變換，轉變到模糊量的論域范圍中。(C)對控制系統(tǒng)處理后的輸入量進行模糊化。例如輸入量中的誤差，將誤差的論域 e 分為七個等級：正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(Z0)、負小(NS)、負中(NM)、負大(NB)。選擇的隸屬函數為三角形函數、棒型函數、鐘形函數、高斯函數等。本文選取的是高斯函數。2、知識庫知識庫分為兩部分：數據庫和規(guī)則庫。（1）數據庫所有模糊子集的隸屬度矢量值都存放在控制系統(tǒng)的數據庫中。（2）規(guī)則庫模糊規(guī)則有相應的關系詞：如 if-then、else、also、e

26、nd、or 等， If A and B then C，A 是論域 U 上的一個模糊子集，B 是論域 V 上的一個模糊子集。(3)模糊推理在模糊推理過程中，每一條控制規(guī)則對應一條模糊語句，全部的規(guī)則構成一組多重復合的模糊蘊含關系，根據模糊推理規(guī)定，第 i 條規(guī)則對應于推理關系 Ri，全部 n 條規(guī)則對應于總的模糊推理關系 R：模糊控制器的所用的性能由 R 決定。(4)反模糊化進行了模糊推理后，所得到的結果還是模糊量，然而在實際的控制中運用的結果是精確量。所以，在進行推理過程后，必須將模糊輸出量進行精確化的處理。解模糊的方法如下所示：(a)重心法重心法以模糊集合的隸屬函數曲線和所對應的橫坐標軸圍成

27、面積的重心為代表點，即(b)最大隸屬度法最大隸屬度的方法：在模糊集合中選取隸屬度最大的元素作為精確的控制量。如果同時出現(xiàn)最大隸屬度值的情況時，取這些元素的平均值作為最后的結果。(C)系數加權平均法系數加權平均法：將模糊集合中各元素進行加權平均，將最后計算得出的加權平均值作為最后的精確值， 即(d)隸屬度限幅元素平均法根據設置的隸屬度值 a，切割模糊集合的隸屬函數曲線，將等于該隸屬度的全部元素進行取平均值，將得出的平均值作為精確量進行輸出。如果 a 取最大隸屬度 1 時，代表“完全隸屬”的關系；如果 a 取 0.5 時，代表“大概隸屬”的關系。(e)中位數法中位數法：把隸屬函數曲線和橫坐標圍成的

28、面積等分為兩部分，將兩部分的分界點所對應的元素作為精確量進行輸出。該種方法能夠全面考慮模糊集合所有信息的作用。五種解模糊的方法各有特點，適用于不同的情況，具體分析如下：（1）重心法的優(yōu)點：不但可以根據公式，理論上也相對合理，這種方法利用模糊集合的全部信息。缺點：計算復雜，主要被用于理論推導要求不高的場合。(2)最大隸屬度法的優(yōu)點：簡單可行，算法實時性較好，使用也方便。缺點：因為利用最大隸屬的信息所以計算相對復雜，它忽略了較小隸屬度元素的影響，信息量利用較少，這種方法一般被應用于簡單的控制系統(tǒng)中。(3)系數加權平均法的優(yōu)點：能選擇和調整權系數的大小，改善系統(tǒng)的響應性能。缺點：權系數的選擇是基于工

29、作人員的操作經驗與觀測的實驗數據，需要對其進行持續(xù)的調整。(4)隸屬度限幅元素平均法是在以上一些方法對比中處于中間的位置。(5)中位數法的優(yōu)點：比較全面的利用相關信息，也考慮了全部信息的作用。缺點：計算過程相對復雜，缺少重視隸屬度較大元素的主導地位。中位數法是相對全面的解模糊方法，但實際中應用不廣泛。所以，在實際的應用中根據系統(tǒng)的復雜性以及系統(tǒng)的控制精度等。本文運用系數加權平均法來對模糊量進行清晰化。反模糊化有兩部分組成：先對推理得到的模糊量經過反模糊化的變換，變成輸出量論域范圍的等級量，后再對論域范圍的等級量進行尺度的變換。變換中，模糊控制器的輸入量誤差、誤差變化率的實際范圍為模糊量的基本論

30、域。如果誤差的基本論域為-x1，+x1，誤差的變化率基本論域為-x2，+x2，輸出變量的基本論域為-yu，+yu。一般情況下選擇誤差的論域為 n6，選擇誤差變化率的論域為m=6，選擇控制量論域為l=7。所以誤差與誤差變化率的模糊子集的論域為-n，-n+1，0，n-1，n、-m，m+1，0，m-1，m；控制量的模糊子集的論域為-l，-l+1，0，l-1，l；則量化因子、比例因子為：ke=n/x，kce=m/x2，ku=l/yu。因為控制量的基本論域是連續(xù)的實數域，所以用下式進行計算，表示控制量的模糊集論域到基本論域的變換:上式中l(wèi)i 為控制量的模糊集判決得到的控制量，yui為基本論域中的一個準確

31、量。模糊控制器不僅與模糊控制規(guī)則有關，還與所選擇的量化因子以及比例因子有關。對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大的是量化因子 ke 和 kec 的大小。2.2.4 建立模糊規(guī)則表根據誤差和誤差的變化率，第ij 條模糊控制規(guī)則的表達形式為：如果，則采用乘積推理機的方法，推出規(guī)則前部分的隸屬函數為：采用系數加權平均法解模糊器的方法進行清晰化，得到模糊控制器為：式中，uij的值由模糊規(guī)則表確定。在模糊規(guī)則表里，各條規(guī)則的輸出uij的值可根據模糊推理或者經驗來確定。如e和e 各有五個隸屬函數，則模糊規(guī)則表的形式如表 3-1 所示：DeeNBNZPPBNBu11u12u13u14u15Nu21u22u23u24

32、u25Zu31u32u33u34u35Pu41u42u43u44u45PBu51u512u53u54u55表中 NB 表示負誤差很大，N 表示負誤差比較大，Z 表示誤差為 0，P 表示正誤差比較大，PB 表示正誤差很大。根據不同的情況，輸出對應的uij值。主要根據溫控系統(tǒng)硬件的設計，再結合基本的控制經驗，確定輸入輸出變量的基本論域、模糊子集、模糊論域、比例因子以及量化因子。本設計的各項模糊化參數如下表所示。表3-2 輸入輸出變化表系統(tǒng)的分辨率是由隸屬度函數的斜率決定的，如果斜率大時，則系統(tǒng)的分辨率越高，控制的效果好。根據誤差 e 以及誤差的變化率 ec 的輸入值以及所建立的模糊控制規(guī)則表，經過

33、模糊推理，求出控制系統(tǒng)的 kp、ki 和 kd 的模糊集。溫度控制系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性是由 Kp、Ki、Kd 三個參數決定的，所以對Kp、Ki、Kd 三個參數的自整定是模糊 PID 控制方法的核心部分。4.控制系統(tǒng)仿真Matlab為我們提供了友好方便的仿真實驗環(huán)境，Simulink工具箱更是提供了多種模塊，避免了代碼重復編寫的繁雜工作。Matlab具有的工具箱齊全、使用透明度高等優(yōu)勢使其已經成為最常用的過程控制系統(tǒng)仿真實驗平臺。本文利用Siimilink工具箱，分別對串級PID控制策略、模糊PID控制和本文提出的控制方案進行仿真，通過對仿真結果的對比分析，來確定加熱爐燃燒控制系統(tǒng)新策略的可行

34、性。4.1 PID原理PID控制器的出現(xiàn)到現(xiàn)在己經有六七十年的歷史了。將偏差的比例（P）、積分（D和微分（D）通過線性組合的方式構成控制量，對被控對象進行控制，這種控制方法是PID控制。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，因為它所采用的控制算法和結構都很簡單、工作可靠性能穩(wěn)定、調整方便，十分適用于工程應用背景。此外，PID控制對被控對象并不要求精確的數學模型，采用PID控制的效果一般比較令人滿意，所以，PID控制是一種應用比較廣泛的控制策略。由于管式加熱爐的加熱過程是一非線性的隨機過程，具有非線性，大時滯的特性，且容易受到隨機因素的干擾，因此，實際的管式加熱爐加熱過程很難得到精確的數學模型

35、。要解決這個問題，我們可以把加熱爐的溫度控制系統(tǒng)看成一個近似的純滯后的線性系統(tǒng)。其模型可以近似的描述為： （4-1）其中T為系統(tǒng)時間常數，Y為加熱對象，t為加熱時間，為放大倍數，U為控制電壓，為純滯后時間。如果設定控制器輸出為u，而u正比于，即：，對式（1-1）做拉斯變換得： （4-2）于是可得加熱爐溫度控制系統(tǒng)的近似傳遞函數為： （4-3）4.2 PID 參數的選擇對于數字 PID 控制器，PID 參數的選擇，決定著控制器的準確與否，所以 PID 參數的整定是 PID 控制技術的重要內容，它需要根據被控對象的特性確定 PID 控制器的比例系數、積分系數和微分系數的大小。首先，按照模擬 PID

36、 控制參數整定的方法選擇數字 PID 控制器的參數，然后在做適當的調整，并考慮采樣周期對整定參數的影響。PID 參數的整定有很多種方法，應用較多的有擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法。采用擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法，求得的 PID 參數調試運行，觀察控制的效果，再將參數做適當調整，直到得到令人滿意的控制效果。在確定 PID 參數與控制誤差 e 和誤差變化率 ec 之間的模糊關系后，通過在線連續(xù)考查 e 和 ec 的數值，由模糊控制原理來修正 PID 參數，取得最佳的 e 和 ec 對控制參數，自整定模糊 PID 控制器通過模糊化、模糊推理機和去模糊化三大步，得到自整定后的 PID 參數KP

37、 、KI 和KD。模糊 PID 控制表達式可表示為： （4-4）式（4-4）中，KP=KP0+KP、KI=KI0+KI和KD=KD0+KD，KP0、KI0和KD0分別為P，I和D參數的的初始值，KP，KI和KD分別為根據系統(tǒng)實際運行中的偏差e和偏差變化率ec由模糊推理得出的PID參數的自調整量，分別由圖4.3中模糊控制器FC1、FC2、FC3輸出，其中，KP=f1（e，ec），K=f2（e，ec），KD=f3（e，ec）。圖4-1參數自調節(jié)模糊-PID控制框圖以下分析比例系數KP 、積分系數KI 以及微分系數 KD在系統(tǒng)穩(wěn)定性、超調量等控制性能上的作用效果。（1）比例系數KP的用于縮短系統(tǒng)的響

38、應時間，降低系統(tǒng)偏差。當增大KP數值時，系統(tǒng)響應時間特別短，偏差較小，然而會增加超調量，系統(tǒng)會處于不穩(wěn)定狀態(tài)中；當減小KP數值時，系統(tǒng)響應時間很明顯會延長，并且降低了超調量，反而會增大偏差。因此需適當調節(jié)，獲得最佳控制效果。（2）積分系數可以及時的利用積分作用來消除系統(tǒng)的偏差。當KI增大時，閉環(huán)系統(tǒng)超調量會相應地增加，但系統(tǒng)響應時間變短；當KI減小時，閉環(huán)系統(tǒng)超調量會減少，但系統(tǒng)響應時間會延長，系統(tǒng)靜差消除的越快。如果IK 過大，則會由于積分飽和使系統(tǒng)產生過大的超調量；若KI過小，則會使靜差那以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。（3）微分系數KD 是用于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，它可以抑制偏差不定向的變化，

39、提前預報偏差動向，對響應進行提前制動。KD的值增大，可以將超調量降下來，這樣就增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果數值過大，對系統(tǒng)響應抑制過強，從而微分時間過長，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；KD過小微分作用不明顯。模糊 PID 參數自整定基本原則如下：（1）如果系統(tǒng)誤差（ |e| ）是較大值時，為保證系統(tǒng)在最短時間內消除誤差并且不會出現(xiàn)積分過飽和現(xiàn)象，任憑ec取任一極性，比例系數KP 和積分系數KI 都應設置為較大的數值；如果誤差 e 和誤差變化率 ec 極性不一時，微分系數KD 的數值應設置的大一些，避免超調量的增加；如果誤差 e 和誤差變化率 ec 極性一致時，微分系數DK 應設置為適當數值，抑制誤差的增長。（2

40、）如果系統(tǒng)誤差（ |e| ）是中等數值時，若要降低超調量， KP 數值應設置較小些并且積分系數KI 的數值需要適當設置。如果誤差 e 和誤差變化率 ec 極性不一時，微分系數K D的數值應設置為較小量；如果誤差 e 和誤差變化率 ec 極性一致時，微分系數DK 的數值需設置大一些，抑制止誤差的增長。（3）如果系統(tǒng)誤差（ e ）是較小數值甚至趨于無窮小量時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，比例系數PK 的值應設置的大一些并且積分系數IK 的數值要設置的小一些。如果誤差e 和誤差變化率ec 極性不一時，微分系數DK 的值需要設置的較小一些；如果誤差e 和誤差變化率ec 極性一致時，微分系數DK 的數值

41、需要適當設置。4.3 Smith 模糊 PID 控制算法由于真空感應加熱爐結構極其復雜，爐內反應過程也是復雜多變的，其溫度控制系統(tǒng)存在大時滯是不可避免的，為其爐溫控制系統(tǒng)建立數學模型過程是比較繁瑣的。許多實例和經驗表明 Smith 預估補償控制策略對于存在時滯系統(tǒng)起到良好的補償作用，本論文將 Smith 預估補償策略與模糊 PID 控制算法組合，形成一種 Smith 預估模糊 PID 控制系統(tǒng)，其控制方法如圖 4-2 所示。圖 4-2 Smith 模糊 PID 自適應控制系統(tǒng)圖4.4 模糊 PID 控制器的設計及仿真結果在用 Simulink 搭建控制器之前，先要創(chuàng)建一個 FIS 文件。其方法

42、是在 Matlab 的命令窗口中鍵入 FUZZY 命令，進入圖形用戶界面（GUI）之后新建一個名為 FuzzyPID.fis文件，隨后編輯隸屬函數、模糊規(guī)則，建立 MIN-MAX 模糊推理系統(tǒng)。這里的解模糊化方法為重心法，將編輯好的 FIS 導出工作空間，在 Simulink 中需導入到模糊控制器中。（1）確定變量控制系統(tǒng)的輸入采用的是階躍信號，其輸入設定為 r ，同時其輸出設定為 y ，誤差設定為E（即E=r-y），誤差變化率設定為EC；建立三個模糊控制器，且都為兩輸入單輸出，兩個輸入分別為E、EC，單輸出分別為為dkp、dki、dkd，其中dkp如圖4-3所示。（2）模糊變量語言將系統(tǒng)偏差

43、E及偏差的變化率EC為模糊集上的論域為：E，EC=-6，-4，-2，0，2，4，6，輸出論域分別是dkp，dki=-6，-4，-2，0，2，4，6，dkd=-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06。模糊語言值設置為7個，即“負大 NB ”，“負中 NM ”“負小 NS ”，“零Z ”，“ 正 小 PS ”，“ 正 中 PM ” 和 “ 正 大 PB ”。 其 模 糊 子 集 為E=EC=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB。E、EC的參數設置如圖4-4所示。圖 4-3 模糊系統(tǒng)文件圖圖 4-4 隸屬度函數設置在已有的模糊規(guī)則基礎上，在 Rule Editor 中用

44、“ifthen”的形式來將模糊控制規(guī)則表示出來，三個模糊控制器的模糊控制規(guī)則共計 49 3條。傳統(tǒng)PID控制仿真原理圖如圖4-5所示。圖4-5 采用PID控制器仿真原理圖Simulink中搭建的帶Smith 模糊 PID模型如圖4-5，帶Smith PID如圖4-6.將系統(tǒng)的階躍輸入的幅值設置為1100，采樣時間設置為10ms。圖4-5 Simulink界面圖一圖4-6Simulink界面圖二仿真結果如下圖 4-7 Smith 模糊 PID 仿真結果圖 4-8 Smith PID 仿真結果根據上面所得的結果圖，可以做一總結：采用Smith預估補償后，明顯的改善了系統(tǒng)由于時滯造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。

45、在模糊PID與傳統(tǒng)PID控制相比之下，模糊PID具有較短的響應時間，超調量近似趨于零，控制精度相對較高等優(yōu)勢，Smith預估和模糊PID組合的控制策略可以有效的改善系統(tǒng)的時滯缺陷，系統(tǒng)采用這一控制方法后，抗干擾能力勢必增強并且魯棒性較好。結論本文通過了解人們在現(xiàn)代生產生活中對溫度控制器的大量需要，研究開發(fā)溫度自動控制器對民用工業(yè)用途的溫度控制將起到很大的便利作用。本文主要是設計開發(fā)管式加熱爐溫度自動控制器，在研究管式加熱爐溫度控制過程中，用到的微處理器和轉化芯片都是工業(yè)級的集成芯片，都具有低價位、低功耗、性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，而且模擬實驗也可以取得良好效果。管式加熱爐智能溫度控制器具有高精度、高穩(wěn)定性、小型化、智能化的特點，滿足工業(yè)生產對管式加熱爐溫度控制器各