【正文】 特點。目前國內(nèi)成熟的電阻爐溫度測控系統(tǒng) 主 要以 PID 控制器為主，由 于 其參數(shù)整定不理想， 因 此很難保證電阻爐控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等。智能控制是一類無需人的干預(yù)就能獨立驅(qū)動智能機械而實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制，隨著科學(xué)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，國外的溫度測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，實現(xiàn)對溫度的智能控制。應(yīng) 用廣 泛的溫度智能控制的方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 等，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、 自協(xié)調(diào) 等能力，保證了控制系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。比較而言，國外溫度控制系統(tǒng)的性能要明顯優(yōu)于國內(nèi)，其根本原因就是控制算法的不同。 傳 統(tǒng)的 PID 控制及改進(jìn)型 PID 控制原理簡單、 工 作穩(wěn)定、可靠性高、魯棒性強，曾 經(jīng) 在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中得 到 了普遍的采用，其缺點是必須預(yù)先建立控制對象的精確數(shù)學(xué) 模型 ，因而其對于一些 大 滯后、多輸入、時變性電阻爐系統(tǒng)，控制效果難以滿意。自智能控制理論發(fā)展以來，智能控制技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于 工 業(yè)控制。 1974 年， Mamdani首次 將 模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn) 了蒸汽機的控制，其標(biāo) 志 著人們用模糊邏輯進(jìn)行 工 業(yè)控制的開始，也宣告了模糊控制的問世。 1976 年， P． J． King 和 Mamdani 等人合作， 用模糊控制對反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制，他們采 用 模糊模型的預(yù)估方案，從而成功解決了不穩(wěn)定問題。這也是控制史上首次利用模糊控制 來 進(jìn)行溫度控制。在 20 世紀(jì) 90年代，美國、英國相續(xù)發(fā)表《智能控制專輯》，日本、德國 等 國也連續(xù)發(fā)表多篇智能控制方面的論文，涉及到軍事、工業(yè)、家用電器等眾多領(lǐng)域，包括智能溫度控制在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。如今Simens 和 Inform 公司聯(lián)合研制了性能優(yōu)良的模糊控制開發(fā)軟件工具及第三代模糊微處陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 2 理器，可利用軟件或硬件的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的模糊控制。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在 Zadeh創(chuàng)立模糊集合論的同年，我國傅京孫教授首先提出了把人工智能中的直覺推理方法用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，奠定了國內(nèi)智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。模糊控制應(yīng)用 于 核反應(yīng)堆、城市交通等控制中。隨后更多的學(xué)者開始關(guān)注智能控制技術(shù)，近年來我國也越來越重視智能控制理論和應(yīng)用的研究，從 1993到 1995連續(xù)三年國內(nèi)都召開了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會議。由于溫度控制設(shè)計到冶金、化工、機械等眾多領(lǐng)域，因而溫度智能控制技術(shù)也是國內(nèi)學(xué)者研究的重要內(nèi)容，越來越多與智能溫度控制有關(guān)的論文在科技刊物上發(fā)表。 1987年 4月，汪培莊，張洪敏和張志明等研制成功了我國第一臺模糊推理機。 王樹清、劉興池采用日本生產(chǎn)的 SR70智能模糊控制器對電阻加熱爐進(jìn)行控制，穩(wěn)態(tài)精度達(dá) 到 177。 ℃左右，穩(wěn)定快、魯棒性強，控制效果十分理想。 高梅娟在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng) 用 了 雙 模預(yù)測模糊進(jìn)行溫度控制，具有超調(diào)量小，抗干擾能力強和穩(wěn)態(tài)誤差小的特點，優(yōu)于 PID控制和常規(guī)模糊控制 。 紀(jì)友芳等人在所設(shè)計的智能溫度控制儀表中采 用 了模糊 PID控制，控制結(jié)果表明：其具有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、控制精度高等優(yōu)點。 呂小紅等人在基 于 單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中采 用 純模糊控制方法進(jìn)行溫度控制，控制結(jié)果 表明其系統(tǒng)具有超調(diào)小、控制精度高、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點 。 總體上說，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng) 用越來越廣 泛。目前，國外已研制出商品化、智能化、精度高、小型化的智能溫度控制系統(tǒng)，開發(fā)出成熟的智能控制算法和控制軟件。相比較而 言，國內(nèi)智能控制技術(shù)的應(yīng)用 要落后于國外，目前國內(nèi)成熟的溫度控制系統(tǒng)以常規(guī) PID和各種改進(jìn) PID控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制算法和控制軟件的開發(fā)方面投入人力、 物力也較少 。 1． 3 本文的研究內(nèi)容 （ 1） 對 工業(yè)生產(chǎn)中常用的電加熱設(shè)備電阻爐對象的特性和特點 進(jìn)行了分析 。 （ 2）對 模糊控制、 PID控制的基本原理及各參數(shù)對控制效果的影響 進(jìn)行了研究分析 。 （ 3） 針對工業(yè)生產(chǎn)中的電阻爐對象設(shè)計模糊 PID控制器，設(shè)計模糊 PID控制算法 。 （ 4） 在 MATLAB軟件中的 Fuzzy和 Smulink工具箱中進(jìn)行了系統(tǒng)仿真研究。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計與仿真研究 3 2 自動控制技術(shù)的發(fā)展及電阻爐的數(shù)學(xué)模型 自動控制技術(shù)的發(fā)展 自動控制技術(shù)及應(yīng)用 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。近幾十年來，隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、機器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范 圍現(xiàn)已 擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領(lǐng)域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。 自動控制理論的發(fā)展一般把它分為以下三個階段 : (1)20世紀(jì) 40年代至 60年代，稱為經(jīng)典控制理論階段。經(jīng)典控制理論主要 是研究單變量控制系統(tǒng)，它應(yīng)用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等方法在頻率域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)分析，其控制原理是負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)，以自動調(diào)節(jié)器為反饋控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。 (2)60至 70年代，稱為現(xiàn)代控制理論階段。現(xiàn)代控制理論主要以多變量控制為研究對象，在時間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程進(jìn)行系統(tǒng)分析，其建模方法不再局限于對象的物理特性，而是向一般化的參數(shù)估計與系統(tǒng)辯識理論擴展。 經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論當(dāng)前統(tǒng)稱為傳統(tǒng)控制理論。它們的共同特點是基于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，即被控對象和干擾都要用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程和函數(shù)表示，控制任務(wù)和目標(biāo)一般 都要比較直接明確，控制對象的不確定性和外界變化只允許在一個很小的范圍內(nèi)。但是，實際上，許多工業(yè)對象和控制目標(biāo)常常具有非線性、時變性和各種不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。 (3)60年代末發(fā)展起來的智能控制是傳統(tǒng)控制的高級階段，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度綜合的產(chǎn)物。它應(yīng)用人工智能的理論和技術(shù)及運籌學(xué)的優(yōu)化方法等與控制理論相結(jié)合，能克服被控對象和環(huán)境所具有的高度復(fù)雜性和不確定性，仿效人的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)有效的控制。智能控制系統(tǒng)是以知識為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，因此以知識的表示、獲取和利用為中心的知識工程是智能控制的重要基礎(chǔ)。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 4 過程控制的發(fā)展 過程控制通常是指石油、化工、冶金、機械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門的生產(chǎn)過程的自動化。過程控制系統(tǒng)是指自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位成分、粘度、濕度、以及 PH值等這樣一些過程變量時的系統(tǒng)。過程控制是自動化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術(shù)正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。 在本世紀(jì) 40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗 用人工去控制生產(chǎn)過程，生產(chǎn)效率很低。 40年代后，生產(chǎn)過程自動化發(fā)展很快。尤其是近些年來，過程控制技術(shù)的發(fā)展更為迅速。 70年代中期，集散控制系統(tǒng)問世了。集散控制系統(tǒng) （ DCS） 是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置。這種系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的，就是將計算機分布到車間或裝置。這不僅使系統(tǒng)的危險分散，消除了全局性的故障點，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時能方便靈活地實現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法。 傳統(tǒng)控制方法 傳統(tǒng)控制的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)被控對象的狀態(tài)變量是否被負(fù)反饋到控制器，可以分成開環(huán)控制系統(tǒng) 和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類，兩類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖分別如圖 21和 22所示 。 圖 21 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是用人 (操作者 )作為控制器與被控對象的中間環(huán)節(jié)，僅對被控對象的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，然后通過處理輸出數(shù)據(jù)，操作者根據(jù)輸出結(jié)果對系統(tǒng) 進(jìn)行操作 。這種系統(tǒng)簡單可靠，適用于變化慢、不能建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的控制對象。開環(huán)控制系統(tǒng)實際上是一個典型的人機系統(tǒng)。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計與仿真研究 5 圖 22 閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)則是一個負(fù)反饋系統(tǒng)，從被控對象檢測出狀態(tài)變量，用此檢測值與目標(biāo)期望值進(jìn)行比較，控制器根據(jù)兩者的偏差按某種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運算，用其輸出結(jié)果作為控制量 。當(dāng)各種外部環(huán)境發(fā)生變化對過程產(chǎn)生擾動時，控制器也做出相應(yīng)變化，以達(dá)到自動控制跟隨目標(biāo)值的目的。用計算機作為比較器和控制器就是計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)?；径乙彩亲畛Ｓ玫恼{(diào)節(jié)規(guī)律是 PID調(diào)節(jié) 。這種控制算法的特點是可包容非線性因素。這種控制算法實際上在一定程度上也是模仿人的手動控制作用。 智能控制 智能控制是為了適應(yīng)自動控制的發(fā)展，將人工智能的理論與技術(shù)運用到自動控制中，以解決面臨的復(fù)雜問題而形成的一門新興學(xué)科，它是人工智能和自動控制的重要部分和研究領(lǐng)域。人工智能的發(fā)展促進(jìn)了自動控制向智能控制的發(fā)展。但是在相當(dāng)長的時間內(nèi)，很少有人提到控制理論與人工智能的關(guān)系。不過，這也不足為奇，因為傳統(tǒng)控制理論 (包括古典的和近代的 )主要是涉及對伺服機構(gòu)有關(guān)的系統(tǒng)或裝置進(jìn)行操作和數(shù)學(xué)運算，而人工智能所關(guān)心的則是與符號運算、邏輯推理及計算智能有關(guān)的問題。 簡單來講，智能控制就是能驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標(biāo)的過程。智能控 制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著控制對象、環(huán)境復(fù)雜性和不確定程度的不同而不同。智能控制所研究的主要內(nèi)容為下面幾個類型 ： 分級遞階智能控制 ， 基于模糊推理的智能控制一模糊控制系統(tǒng) ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) ， 自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) ， 專家系統(tǒng) 等。 智能控制系統(tǒng)是以模擬智能為核心的控制，它研究的重點不在是被控對象，而是控制器的本身。一個好的智能控制器本身應(yīng)該具有多模式、變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)等特點，可以根據(jù)對被控動態(tài)過程特征識別、學(xué)習(xí)、自組織的控制模式，自適應(yīng)地改變控制器結(jié)構(gòu)和自調(diào)整參數(shù)，以獲得最佳的控制效果，這也正是控制專家們孜孜追求的目標(biāo)。 電阻爐 的數(shù)學(xué)模型 從實際應(yīng) 用 中可以知道電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為 唯 一變量，可以寫出它的常微分方程。當(dāng)電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時，則某一時刻加陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 6 熱元件發(fā)出的熱量 應(yīng)該等于該時刻爐膛中積累的熱量 和通過爐體 散 失掉的熱 量之和， 即 （ 21） ， 可 用 下 面 兩 個 式 子 表 示 ： （ 22） （ 23） 在公式 (2— 2)、 (2— 3)中 ， C 為電阻爐的熱容量； 為爐內(nèi)溫度； t 為燒結(jié)時間；為環(huán)境溫度； R 為電阻爐的熱阻 (絕緣材料及爐內(nèi)、外流動氣體產(chǎn)生的 )。 當(dāng)爐內(nèi)溫度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度 時， 可忽略，于是有： （ 24） 公式 (2— 4)兩邊取拉普拉斯變換得： （ 25） 所以： （ 26） 由于測 量元件的時間滯后，加上電阻爐本身所 固 有的熱慣性，使得控制信號與溫度測 量 值之間存在著一個時滯環(huán) 節(jié) τ 。圖 2— 3 可表示簡化的系統(tǒng)框圖，圖中輸入信號 r為設(shè)定溫度，輸出信號 y 為實際溫度， e 為誤差信號， u 為控制信號。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設(shè)計與仿真研究 7 圖 23 系統(tǒng)框圖 控 制器的輸出為 u， U(s)可以設(shè)定正比于 ，即 , 。 所以 （ 27） 式中： K=k R，稱為對象的靜態(tài)增益； T=C R，稱為對象的時間常數(shù)。那么，被控對象電阻爐的理想模型即為： （ 28） 對 于 模型參數(shù)的求取，可以采 飛 升曲線法，飛升曲線的測量方法是：當(dāng)系統(tǒng)在穩(wěn)定控制信號作用下有一個穩(wěn)定的輸出時，突然在輸入端加一幅度適宜的階躍控制信號，這時輸出對應(yīng)也有一個變化部分，此即為輸出的飛升曲線。 實測的飛升曲線起始部分有彎曲，不容易找到確切的位置來定滯后時間，這時可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點 (即拐點 )處作一切線，如圖 24所示，該切線與時間軸的交點即為純滯后時間 τ ，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點時間應(yīng)為 T，加上純滯后時間則實測為 τ +T，這樣就求出一階對象的參數(shù) T、 τ 。再由輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值就可以得到 一階對象 的放人倍數(shù) K。根據(jù)電阻爐爐溫的測 量 數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可求得一階對象的三個參數(shù) K、 T、τ 。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 8 圖 24 電阻爐溫度飛升曲線 在本文中