【正文】 . 9 9 90 . 9 9 9 20 . 9 9 9 40 . 9 9 9 60 . 9 9 9 811 . 0 0 0 2S y s t e m : s y sT im e ( s e c ) : 1 6 . 1A m p lit u d e : 1S y s t e m : s y sT im e ( s e c ) : 0 . 8 3 8A m p lit u d e : 1S t e p R e s p o n s eT im e ( s e c )Amplitude 圖 33 最佳 PID控制器的電加熱爐響應(yīng)曲線 利用 MATLAB 對(duì)模糊自適應(yīng) PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真 建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真 框圖 在 MATLAB的 Simulink環(huán)境下 自適應(yīng)模糊自適應(yīng) PID控制器結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng) PID控制系統(tǒng)的仿真框圖，如 圖 37所示。 （ 1）在設(shè)計(jì)好仿真框圖后直接 運(yùn)行，可得 模糊自適應(yīng) PID 控制曲線圖和常規(guī)PID控制曲線圖，如圖 39所示和圖 310所示。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10000 . 511 . 522 . 533 . 5 圖 313 加入干擾后的 模糊自適應(yīng) PID控制曲線圖 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 27 0 50 100 150 200 250 30000 . 511 . 522 . 5 圖 314 加入干擾后的 常規(guī) PID控制曲線圖 仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊自適應(yīng) PID控制器在控制過程中，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)精度提高，穩(wěn)態(tài)性能變好，這是單純的 PID控制器難以 實(shí)現(xiàn)的。 （ 4）溫度超限報(bào)警模塊：當(dāng)溫度高于上限或者低于下限時(shí)，該模塊啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交流。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C2051是一種帶 2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 29 高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施； .輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診斷功能等。 （ 2）溫度采集模塊：該模塊用來采集控制對(duì)象的溫度，并輸入到單片機(jī)中。 綜上所述，由仿真結(jié)果可知，模糊自適應(yīng) PID控制與常規(guī)的 PID控制相比較，具有較高的控制精度，超調(diào)量小， 調(diào)節(jié)時(shí)間短，抗擾性好，控制效果好等優(yōu)點(diǎn) [8]。 而在常規(guī) PID控制系統(tǒng)中， PID參數(shù)的設(shè)置情況直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)結(jié)果，最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是使用鄰界比例法來確定 PID的參數(shù)。 PID 控制器的設(shè)計(jì) 加入 PID控制器后的閉環(huán)傳函： ()() 1 . ( )cltWsWs K W s??? 22( 1 )( ) ( 1 )p t I D II p t D I p t p tK K K T T s T sT T K K K T s T K K K s K K K??? ? ? ? 考慮到加熱爐模型為第 Ⅰ 類型的過程模型，即對(duì)象傳遞函數(shù)可近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)乘一個(gè)滯后環(huán)節(jié)的場(chǎng)合 。 表 21 pk? 的模糊控制規(guī)則表 E EC NB NM NS ZE PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZE ZE NM PB PB PM PS PS ZE NS NS PM PM PM ZE ZE NS NS ZE PM PM PS NS NS NM NM PS PS PS ZE NS NS NM NM PM PS ZE NS NM NM NM NB PB ZE ZE NM NM NM NB NB 表 22 ik? 的模糊控制規(guī)則表 E EC NB NM NS ZE PS PM PB NB NB NB NM NM NS ZE ZE NM NB NB NM NS NS ZE ZE NS NB NM NS NS ZE PS PS ZE NM NM NS ZE PS PM PB PS NM NS ZE PS PS PM PB PM ZE ZE PS PS PM PB PB PB ZE ZE PM PM PM PB PB 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 17 表 23 dk? 的模糊控制規(guī)則表 E EC NB NM NS ZE PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS ZE NS ZE NS NM NM NS NS ZE ZE ZE NS NS NS NS NS ZE PS ZE ZE ZE ZE ZE ZE ZE PM PB NS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 在 MATLAB 命令窗口運(yùn)行 Fuzzy 函數(shù)進(jìn)入模糊邏輯編輯器，并建立一個(gè)新的FIS文件，選擇控制器類型 Mamdani 型，根據(jù)上面的分析分別輸入 E、C、 pk? 、ik? 、 dk? 的隸屬函數(shù)和量化區(qū)間，可得隸屬函數(shù)圖形。 在模糊邏輯工具箱的隸屬度函數(shù)編輯器中，選擇輸入量 E，C的隸屬函數(shù) 為高斯型，如圖 26 和圖 27 所示；而輸出 pk? 、 ik? 、 dk? 的隸屬函數(shù)為三角形，如圖2圖 29和圖 210所示。另外為防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)， ik 值要小，通常取 ik =0 ； (2) 當(dāng)偏差和變化率為中等大小的時(shí)候，為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度， pk 應(yīng)取小一些。 pk 取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、 動(dòng)態(tài)特性變壞。 FuzzyPID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則對(duì) PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)誤差 E和誤差變化CE作為輸入，可以滿足不 同時(shí)刻的 E和C對(duì)參數(shù)要求。 為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量 u轉(zhuǎn)換為精確量，這一步驟稱為解模糊（也稱清晰化）。 (5) 檢測(cè)裝置。模糊控制器通過輸入 輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后送給被控對(duì)象。 顯然，這種人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行的控制是一種模糊控制，人們?yōu)榱四M這種控制過程，設(shè)計(jì)了一種以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)， 模糊控制系統(tǒng)的工作過程同人機(jī)控制系統(tǒng)一樣，都是一種模糊控制，只不過模糊控制系統(tǒng)中的決策者是模糊控制器。為此，對(duì)式 ()作 如果令 )1()()( ???? kukuku ，則： )2()1()()( 210 ?????? keakeakeaku () 式中 0a 、 1a 、 2a 同式 ()中一樣。 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： (1) 比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差； (2) 積分環(huán)節(jié)主要用于 消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度； (3) 微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并且能在偏差信號(hào)值變減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 (3) 保護(hù)功能 使系統(tǒng)在供風(fēng)設(shè)備一旦發(fā)生故障停風(fēng)時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉燃料調(diào)節(jié)閥，保護(hù)系統(tǒng)的安全，具有自保護(hù)功能。 (2) 串行串級(jí)控制 串 行串級(jí)控制中，空氣和燃?xì)獯?，溫度回路的輸出值作為燃?xì)饣芈返脑O(shè)定值，燃?xì)饣芈返妮敵鲋翟僮鳛榭諝饣芈返脑O(shè)定值。 為了保證加熱爐系統(tǒng)的正常工作，加熱爐配有專門的汽化冷卻系統(tǒng)，包括汽包軟水箱、除氧器，主要是對(duì)步進(jìn)梁等設(shè)備進(jìn)行冷卻保護(hù) 。下面以本文研究背景為例簡(jiǎn)要說明加熱爐的工藝流程。由于 20世紀(jì) 70年代以后，燃燒控制技術(shù)的發(fā)展和研究已經(jīng)成熟，進(jìn)十幾年，研究重點(diǎn)都是以追求加熱爐某種性能指標(biāo)的優(yōu)化控制為目標(biāo)。楊永耀等人利用爐內(nèi) 熱量傳遞的物理機(jī)制，推導(dǎo)了一類時(shí)間、空間離散化的狀態(tài)空間模型。由于受 70年代以后軋機(jī)大型化的影響 ，現(xiàn)在步進(jìn)梁式加熱爐得到了廣泛的應(yīng)用，而且其本身也確實(shí)具備很多優(yōu)點(diǎn)。一種將 PID控制與模糊控制的簡(jiǎn)便性、靈活性、以及魯棒性融為一體，構(gòu)造了一個(gè)模糊自適應(yīng) PID溫度控制器。溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過程帶來很大難題。 AT89C51 SCM。只有在安全的環(huán)境下，生產(chǎn)才能順利進(jìn)行。同時(shí)按照生產(chǎn)率模型調(diào)節(jié)空氣流量，并在實(shí)際中獲得了較好的控制效果。 研究了直通式火焰爐在產(chǎn)量變化時(shí)的金屬加熱控制模型，該模型以加熱費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，研究了產(chǎn)量變化時(shí)熱負(fù)荷的變化規(guī)律，建立了以每個(gè)區(qū)段的產(chǎn)量來控制各區(qū)段工作溫度的模型 。每組燒嘴由一只空氣燒嘴和一只煤氣燒嘴組成，一只空氣燒嘴通過一只三通閥與空氣管道和煙氣管道連接，一只煤氣燒嘴由兩只快速切斷閥實(shí)現(xiàn)煤氣與煙氣的切換，燒嘴的分布為加熱一段 24 組，加熱二段 28 組，均熱段 20 組，采用的燃料為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。因此，鋼坯加熱爐溫度控制技術(shù)是非常復(fù)雜的。前者只能實(shí)現(xiàn) “ 干擾抑制 ” 或 “ 設(shè)定值跟蹤 ” 特性中的一種最佳，后者能夠做到設(shè)定值跟蹤最佳和干擾抑制最佳，從而使系統(tǒng)獲得最理想的特性。 對(duì)于溫度控制，主要有兩類算法，即包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的智能控制形式的算法和包括自整定 PID控制和 Smith預(yù)估計(jì)在內(nèi)的經(jīng)典控制形式的算法。 將上面的式 PID表達(dá)式： ?? ????? kj DIP kekeTTjeTTkeKku 0 )]1()([)()({)( () 如果采樣周期了足夠小，該算式可以很好的逼近模擬 PID算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。由于其控制輸出對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故 ()式通常被稱為 PID控制的增量式算式 [9]。 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)如圖 23所示 輸 入 接口模 糊 控制 器輸 出 接口執(zhí) 行 機(jī)構(gòu)被 控 對(duì)象檢 測(cè) 裝 置S ( t )+Y ( t ) 圖 23 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個(gè)部分： 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 10 (1) 模糊控制器。包括各種交、直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。 綜上所述，模糊控制過程可概括為以下四個(gè)步驟： (1) 根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量； (2) 將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? (3) 根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計(jì)算輸出控制量（模糊量）； (4) 由上述得到的控制量（模糊量），并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 PID參數(shù)模糊自整定控制原理如圖所示。若 ik 過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，從而影響系 統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。該控制器是以誤差 E和誤差變化率CE作為輸入， PID控制器的三個(gè)參數(shù) P、 I、 D的修正 pk? 、ik? 、 dk? 作為輸出。例如，衛(wèi)星的姿態(tài)與作用關(guān)系、飛機(jī)或艦船航向與舵偏角的關(guān)系、工業(yè)鍋爐中的壓力與加熱的關(guān)系等，都可以用模糊規(guī)則來描述。在MATLAB 的 M 文件編輯器里建立一個(gè)名為 ，其內(nèi)容見附錄；這樣就完成了模糊工具箱與 SIMULINK的鏈接，為整個(gè)系統(tǒng)的建立打下基礎(chǔ)。其中，模糊控制器及其封裝仿真模型如圖 34所示。對(duì)比模糊自適應(yīng) PID控制曲線圖和常規(guī) PID控制曲線圖，易得模糊自適應(yīng) PID控制較常規(guī)的 PID控制，具有 較高的控制精度，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制效果好等。它的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是在同樣精度要求下，系統(tǒng)的過度時(shí)間短，這在實(shí)際的過程控制中將有重大的意義 [11]。 （ 5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊分為兩個(gè)部分；加熱裝置與散熱裝置。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場(chǎng)故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 系統(tǒng)總電路圖 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖如圖 42所示 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012