模糊控制技術(shù)在中頻感應(yīng)熔煉爐溫度控制系統(tǒng)中的研究應(yīng)用PPt

1.選題背景及研究意義1.1選題背景我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源需求的瓶頸效應(yīng)越發(fā)明顯冶煉行業(yè)在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的能源消耗中占相當(dāng)?shù)谋戎?，但是耗能高、效率低、性能差，操作水平基本上停留在手工和簡單儀表操作的水平，其重要原因是控制理論與計(jì)算術(shù)緊密結(jié)合的應(yīng)用較少。模糊控制理論在自動(dòng)化控制方面已取得了輝煌成就：如1974年Mandeni首先研制成功了世界上第一臺(tái)模糊控制器、日本仙臺(tái)的地鐵控制系統(tǒng)采用模糊控制取得了良好的效果等。模糊控制技術(shù)應(yīng)用從已實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)來說，它具有易于掌握、輸出量連續(xù)、可靠性高、能發(fā)揮熟練專家操作的良好自動(dòng)化效果等優(yōu)點(diǎn)。我國國內(nèi)熔煉爐溫度的控制起步較晚，水平不高，主要表現(xiàn)在算法簡單、粗糙，造成溫度控制效果不佳，易產(chǎn)生輸出控制量的振蕩，系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而且自動(dòng)化程度不高。1.2選題研究意義中頻感應(yīng)熔煉爐作為一種新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是目前較為理想的環(huán)保、節(jié)能型冶煉鋼、鐵、鋁、銅等熔爐設(shè)備，其中的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，將直接影響該產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，以及用戶的滿意程度，從而影響了產(chǎn)品的市場競爭能力。開展熔煉行業(yè)的計(jì)算機(jī)模糊控制系統(tǒng)研究是很有必要的。因此為中頻感應(yīng)熔煉爐開發(fā)出一種價(jià)廉物美的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較大實(shí)際意義的課題。2.國內(nèi)外研究領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢2.1國內(nèi)外研究領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)目前，不論是國外還是國內(nèi)的熔煉爐溫度的控制都主要采用PID控制。PID控制效果與控制參數(shù)的選擇有很大關(guān)系，而PID參數(shù)的整理是一項(xiàng)十分繁瑣的工作。雖然PID參數(shù)的整理和優(yōu)化的方法很多，但是傳統(tǒng)的非智能整理方法，不能獲得到理想的控制效果。目前智能型整定方法如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID雖然能較好地實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的優(yōu)化，但需要在線整理，計(jì)算量大，使得控制器的負(fù)擔(dān)很重。熔煉爐溫度的控制受到被控對(duì)象、環(huán)境等諸多因素的影響，很難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的控制方式，控制器參數(shù)選擇將是很困難的事。2.2國內(nèi)外研究領(lǐng)域發(fā)展趨勢

如今模糊控制已在諸多領(lǐng)域得到了很多成功的應(yīng)用?；谀：刂浦饕悄７氯说目刂平?jīng)驗(yàn)而不是依賴于控制對(duì)象的模型，因此模糊控制能近似地反映人的控制行為，無需建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，有很強(qiáng)的實(shí)用性。是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制發(fā)展的一種新型趨勢。3.擬采用的研究對(duì)象、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)路線

3.1.1中頻感應(yīng)熔煉爐溫度控制的原工作原理圖如下圖所示:中頻電源柜總線接口固態(tài)繼電器A/D中頻感應(yīng)熔煉爐熱電偶溫度變送器溫度控制系統(tǒng)的原工作原理圖工作原理：由集成的熱電偶變送器對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測，并完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化、變送功能。再由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器電源的導(dǎo)通與斷開，從而達(dá)到控制溫度的目的。3.1.2該設(shè)備模糊溫度控制的初步設(shè)想的工作原理圖如下圖所示:中頻電源柜總線接口固態(tài)繼電器A/D中頻感應(yīng)熔煉爐熱電偶溫度變送器模糊控制器顯示屏模糊溫度控制系統(tǒng)的工作原理圖工作原理：由集成的熱電偶變送器對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測，并完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化變送功能。單片機(jī)執(zhí)行模糊控制功能、由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器電源的導(dǎo)通與斷開，從而達(dá)到控制溫度的目的。3.1.3模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制器采用的是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，它是整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心部分。它是基于模糊知識(shí)的表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。模糊控制系統(tǒng)的組成如圖下圖所示。D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象傳感器A/D輸出給定值模糊化：這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。知識(shí)庫：由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成，用來保存數(shù)據(jù)和控制規(guī)則。模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。清晰化：清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換為實(shí)際用于控制的數(shù)字量。模糊控制器3.1.4模糊控制器設(shè)計(jì)的內(nèi)容確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)，包括語言值及其隸屬度函數(shù)。選擇模糊控制器的輸入和輸出變量的論域。設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則，確立模糊化和非模糊化(又稱清晰化)的方法。確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子)。編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。3.1.5溫度自動(dòng)控制的原理所謂溫度自動(dòng)控制，就是為了使作為控制對(duì)象的溫度、壓力、和被加熱物的成分等物理量，在過程的負(fù)荷條件變化以及外部干擾情況下，仍能保持預(yù)先的設(shè)定值，而自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，使其處于最佳狀態(tài)。例如對(duì)爐溫加熱系統(tǒng)，則有如下模糊規(guī)則：“若爐溫很低，且爐溫上升不快，則快速加熱”“若爐溫很高，且爐溫快速上升，則暫停加熱”等等。3.2、關(guān)鍵技術(shù)（1）模糊控制的基本原理和分析方法；（2）測定爐溫參數(shù)的技術(shù)性分析；（3）matlab平臺(tái)模糊系統(tǒng)技術(shù)的建模仿真；（4）模糊系統(tǒng)建模系統(tǒng)的控制技術(shù)4.可能遇到的困難和問題以及將要解決問題的方法由于對(duì)熔煉爐溫度的控制過程具有非線性、時(shí)滯、時(shí)變和難以用建立數(shù)學(xué)建模的控制方法以及裝置實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。該問題的難點(diǎn)和需要解決的問題主要是：（1）控制對(duì)象比較復(fù)雜而且難以建立數(shù)學(xué)模型。（2）在控制溫度上具有非線性、時(shí)間上具有滯后性和時(shí)變性。（3）受現(xiàn)有條件限制，例如人、環(huán)境、測量工具和方法等因素的影響，所得到數(shù)據(jù)跟實(shí)際存在較大的差別。希望在原有設(shè)備及技術(shù)條件下進(jìn)行低成本的技術(shù)改造。3.3、技術(shù)路線基于以上研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)的分析制定出模糊控制技術(shù)在中頻熔煉爐中溫度的控制的研究路線方法如下圖所示的分析技術(shù)路線原理方框圖。

檢定爐溫系統(tǒng)建模分析建模實(shí)驗(yàn)建模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)爐溫特性分析檢定爐溫控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件

軟件

檢定爐溫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)方案、參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果分析優(yōu)選合理的模糊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案針對(duì)以上述問題主要對(duì)如下進(jìn)行研究和討論：1）由于控制對(duì)象具有建模困難，存在時(shí)間上滯后及非線性特性等復(fù)雜特征，通過對(duì)模糊控制進(jìn)行了研究和數(shù)值仿真來進(jìn)行解決。這就需要熟練掌握模糊控制理論的基本原理和mathworks.matlab開發(fā)平臺(tái)這個(gè)開發(fā)工具。2）可通過改進(jìn)控制技術(shù)(特別是控制算法)，盡可能采用先進(jìn)的測量工具來消除測量誤差，多進(jìn)行參數(shù)的比較和分析來提高控制水平。3）在硬件上不需要大的投入，主要軟件上進(jìn)行模擬仿真，從而實(shí)現(xiàn)低成本下的自動(dòng)化控制。5.預(yù)期目標(biāo)(1)對(duì)于目前在冶煉工業(yè)溫度難于控制的現(xiàn)象，希望能提出一種有效的控制方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)際控制。(2)完成溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)：在掌握了模糊控制的基本理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)熔煉爐溫度的動(dòng)態(tài)性分析，考慮其可行性和有效性的情況下，設(shè)計(jì)出溫度模糊控制器。(3)通過對(duì)熔煉爐溫度模型的辨識(shí)，提出了一種有效的建模方法。（4）完成對(duì)熔煉爐溫度系統(tǒng)的有效控制：通過仿真和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的比較，表明模糊控制的可行性和有效性。實(shí)現(xiàn)對(duì)熔煉爐溫度控制系統(tǒng)的有效平穩(wěn)控制，達(dá)到對(duì)檢定爐溫度控制誤差±10℃。（5）通過對(duì)熔煉爐溫度系統(tǒng)的有效控制，能夠減少人力資源，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，基本上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。6.可行性分析

1.操作人員在長期的操作實(shí)踐中積累了寶貴的控制經(jīng)驗(yàn)，摸到被空對(duì)象的一些“脾氣”，在他們實(shí)際操作行為中，有意識(shí)地或無意識(shí)地用一些具有模糊性的操作規(guī)則來操作。

2.領(lǐng)域?qū)＜以诒豢剡^程的專業(yè)領(lǐng)域方面有著專業(yè)理論知識(shí)和該領(lǐng)域的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)被控過程的機(jī)理（物理的、化學(xué)的、生化的等等）有著深刻的是認(rèn)識(shí)，對(duì)過程的行為及對(duì)外部作用的反應(yīng)也給出了理論分析和解釋

3.有關(guān)的控制工程師具備控制理論知識(shí)而且對(duì)具體被控過程有相當(dāng)?shù)牧私夂徒?jīng)驗(yàn)，他們可能把控制理論在這個(gè)具體被控對(duì)象上的應(yīng)用進(jìn)行過多次的嘗試和總結(jié)，他們的經(jīng)驗(yàn)也是很寶貴的。歸納整理這些有關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)而形成規(guī)則庫可以采取以下的措施：（1）通過各種途徑搜集這些人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，他們的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)有時(shí)用經(jīng)過思考的語言形式來表達(dá)。（2）可以采用問答的方式，認(rèn)真地組織一系列的問題，請(qǐng)有關(guān)人員進(jìn)行回答，挖掘他們的經(jīng)驗(yàn)。（3）觀察操作人員的控制動(dòng)作，通過觀察進(jìn)行總結(jié)。提出這一課題還必須得到以下的幫助：1、本研究項(xiàng)目的指導(dǎo)老師長期從事工程管理、模糊數(shù)學(xué)分析、自動(dòng)控制技術(shù)等方面的研究，取得過多項(xiàng)重要研究成果，有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。

2、國內(nèi)外很多學(xué)者利用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行模糊推理、模糊控制、模糊線性規(guī)劃、模糊決策、模糊識(shí)別等，這些成功結(jié)果為本課題的研究提供了大量的可行性分析。7.本論文工作量與經(jīng)費(fèi)來源

完成本課題，首先必須熟悉模糊控制的基本技術(shù)原理。由于本課題是由mathworks.matlab作為開發(fā)平臺(tái)和visualc++進(jìn)行編程，所以必須能夠熟練運(yùn)用這種開發(fā)工具，具有較高的難度和創(chuàng)新性。本課題研究的經(jīng)費(fèi)來源主要是國家撥給研究生的研究經(jīng)費(fèi)和陜西海意機(jī)電制造有限公司的資助。8.本課題研究的進(jìn)度安排

本課題計(jì)劃從2007年9月開始到2009年3月結(jié)束，具體安排如下：2007.9——2007.11收集相關(guān)資料，了解本課題研究領(lǐng)域國內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢，并對(duì)本課題進(jìn)行初步的設(shè)想，確定本課題擬采取的研究方案及技術(shù)路線，在此基礎(chǔ)上完