【正文】 控制對象溫度，使對象的實際溫度向 著給定溫度變化并最終達(dá)到給定溫度。 Zi 與調(diào)零信號 Zo 的代數(shù)和同反饋信號 Zf 進(jìn)行比較，其差值 ε 送入放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號 y。電阻爐的溫度測量傳統(tǒng)大都采用熱電偶。 根據(jù)國際電工委員會 (IEC)推薦的八種類型標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，以及本設(shè)計要求，測控對象 (電阻爐 )的溫度變化范圍，選用 K 型熱電偶 (鎳鉻 — 鎳硅熱電偶 )作為檢測元件，其測溫范圍一般在 200~1200℃，具有高溫下抗氧化，抗腐蝕，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并且所用的元器件少，性能優(yōu)良，精度高，具有先進(jìn)水平。 PID 控制 PID 控制有模擬和數(shù)字兩種類型，數(shù)字 PID 控制 是在模擬 PID 控制 發(fā)展而來的，它適合于在單機(jī)片機(jī)上實現(xiàn)。 我們今天所熟知的 PID 控制產(chǎn)生并發(fā)展于 1915～ 1940 年期間。 隨著工 業(yè)的發(fā)展，對象的復(fù)雜程度不斷加深，尤其對于大滯后、時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時或隨機(jī)干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙 ， 加之，人們對控制品質(zhì)的要求日益提高，基本 PID 控制 方法 的缺陷逐漸暴露出來。如果只用比例控制，系統(tǒng)穩(wěn)定時要使控制器仍維持一定控制量輸出，必然存在靜差 ； 加大 Kp 可以使靜差減小， Kp 過大會使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)變壞，引起被控量振蕩導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 第三部分 是微分控制部分，輸出為 ? ? ? ?3 pD de tu t K T dt?，輸出與偏差信號 e (t)的變化速度成正比，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，便馬上產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化 .這是一種“超前”控制作用，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間作用明顯。 PID 的控制算法 控制算法是 控制 器的一個重要組成部分，整個 控制 器的功能主要由控制算法來實現(xiàn)。因此，把式 （ 37） 和 （ 38） 相減，得到： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121 ?????????? kEkEkEKkEKkEkEKKP DIP （ 310） 式 （ 310） 表示第 k 次輸出的增量 ??kP? ，等于第 k 次與第 k1 次調(diào)節(jié)器的輸出和差值，即在第 （ 1k ） 次的基礎(chǔ)上增加（或減少） 的量，所以式 （ 310） 叫做增量 式 PID控制算式。此法的優(yōu)點(diǎn)在于，整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型。 所謂控制度就是以模擬 控制 為基準(zhǔn)，將 DDC 的控制效果與模擬內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 控制 的控制效果相比較。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 被控的對象的階躍響應(yīng)曲線 （ 3） 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ、被控對象時間常數(shù) TΤ ，以及它們的比值 TΤ /τ。這種控制方式的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。 模糊控制理論是由美國加利福 尼亞大學(xué)著名教授 于 1965 年首先提出。 1985 年，召開了第一屆國際模糊系統(tǒng)學(xué)會的學(xué)術(shù)交流會，各國相繼成立了模糊控制系統(tǒng)工程研究所， 90 年代起，世界上一些大公司開始了模糊產(chǎn)品的開發(fā)，模糊理論與應(yīng)用研究及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強(qiáng)勁的風(fēng)浪席卷世界各地 【 13】 。 A / D被 控 對 象模 糊 控 制 器D / A傳 感 器執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) X Y圖 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 1） 模糊控制器，是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分。 （ 4） 被控對象。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 模糊語言與模糊推理 人們在日常生活中所使用的自然語言與計算機(jī)所能接受的形式語言 (如 C， Fortran)有很大的差別。 （ 2） 自然語言具有模糊性和靈活性。在模糊控制器運(yùn)算的過程中，常常需要將測得的精確值轉(zhuǎn)化為模糊值，這個過程叫“模糊化”。 ”表示合成運(yùn)算。微機(jī)通過采樣獲得系統(tǒng)被控量的精確值，然后將其與給 定值比較，得到系統(tǒng)的誤差?？刂埔?guī)則的條數(shù)可能有很多條，那么需要求出總的控制規(guī)則 R，作為模糊推理的依據(jù)。 ifthen 規(guī)則語句用以闡明包含模糊邏輯的條件語句。另一面，“ high”由一個模糊集合表示，因此所謂的結(jié)果是一個分配 ，它分配整個模糊集合 B 到輸出變量 y。因此，我們可以把 ifthen 規(guī)則定義為乘積空間中的二元模糊關(guān)系。為了對被控對象施加精確的控制，必須將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量 U，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 即逆模糊化。由 于 前 面 得到的誤差 e 及誤差變化率 ec 都是精確值， 所以 ，必須將其模糊化變成模糊量 E、 EC。 首先根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗和技術(shù)知識總結(jié)成為 IF(條件 )THEN(結(jié)果 )形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息 (如 ： 初始的 PID 參數(shù) )存入計算機(jī)中。雖然它的理論問題一直有爭議，但在應(yīng)用實踐中證明是有效的，并且用這種推理方法得到的結(jié)論與人的思維一致或相近。因而這些修飾可以看作一個算子，叫做語氣算子。為了讓計算機(jī)能夠處理自然語言、表達(dá)和模擬人的智慧，人們將模糊集的概 念應(yīng)用到自然語言，提供了處理模糊概念的方法，以下列出了關(guān)于這方面的工作。 （ 5） 傳感器。 （ 2） 輸入 /輸出接口。 模糊控制的原理 模糊自動控制是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制。 1985 年，模糊推理集成塊開始開發(fā)。采用該理論進(jìn)行控制時，需要提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 模糊控制 模糊控制的發(fā)展 控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。 （ 4） 根據(jù)選定的控制度，查表 求得 T 、 pK 、 iT 和 dT 的值。這時，數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。 （ 3） 增量 式 PID 控制算法，由于利用了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的記憶作用，易于實現(xiàn)手動自動控 制的無擾動切換，切換時易于實現(xiàn)平滑過渡。 由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此必須對式 （ 34） 進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示： ? ? ? ? ? ?????? ???njnjn jETtjEdtte000 （ 35） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?T kEkEt kEkEdt tde 11 ???? ??? （ 36） 將式 （ 35） 和 式 （ 36） 代入式 （ 34） ，則可得到離散的 PID 表達(dá)式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??????? ????? ??KJDipkEkETTjETTkEKkP 0 1 （ 37） 式中： △ t=T ─ 采樣周期，必須使 T 足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； E(k) ─第 k 次采樣時的偏差值； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） E(k1) ─ 第 k1 次采樣時的偏差值； k ─ 采樣序號， k=0， 1， 2， ? ； P(k)─ 第 k 次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。某時刻改變 r(t)或 y(t)，作為控制器輸人信號的偏差值 e(t)是階躍信號，作為控制器輸出信號的 u(t)是對 e(t)的響應(yīng)信號。 積分時間 Ti 小，積分速度快，積分作用強(qiáng)。 PID 的控制原理 PID 控制是 20 世紀(jì) 30 年代提出并實現(xiàn)的控制機(jī)理。而在我國 ， 現(xiàn)在 PID 控制 方法 的應(yīng)用就更加普遍。它提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分作用可以預(yù)測未來。 ℃，為測量溫度的 %。熱電偶能用來測量點(diǎn)的溫度和壁面溫度，也能用來進(jìn)行動態(tài)溫度測量。 可控硅 可控硅（ SCR）國際通用名稱為 Thyyistoy，中文簡稱晶閘管。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 測 量 部 分 C反 饋 部 分 F放 大 器 K調(diào) 整 、 零 點(diǎn) 遷 移Z 0Z fZ iε 圖 構(gòu)成原理圖 變送器的輸入輸出特性 如 圖 ， x是檢測信號， y是標(biāo)準(zhǔn)信號。 綜上所述，實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，將線性控制與非線性相結(jié)合，使溫度能滿足用戶的需要是溫控系統(tǒng)的最 終目的。 如果模糊控制與 PID 控制 結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點(diǎn)，其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對象。 （ 1） PID 控制 PID 控制即比例、積分、微分控制。采用可控硅作為執(zhí)行元件的電阻爐溫度控制系統(tǒng) ，爐內(nèi)的溫度可以按照編定的程序進(jìn)行控制。 從實際應(yīng)用中，可以知道電阻爐是一種能自衡的對象， 其 電阻爐的數(shù)學(xué)模型是1 sK eTS ???? ，該模型是個純滯后、一階慣性環(huán)節(jié)， 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。 立式聯(lián)合電爐適用于軸類、桿件等長形工件的熱處理，工件從出加熱爐到入淬火油槽中冷卻，在大氣中停留的時間短，因而氧化少。工件由入爐到出爐的過程，亦即工件的全部加熱過程。 ② 臺車式 電阻 爐 室狀爐膛，爐底為 一 活動臺車，臺 車 兩側(cè)及 尾 部有密封裝置，電熱元件布置在爐膛兩側(cè)及爐 底 溝槽內(nèi)，大型臺車式電阻爐的端墻 及 爐門 上 也 布置有 電熱元件，臺車進(jìn)出爐和爐門升降均有 專 門機(jī)構(gòu)驅(qū) 動 。 ②硝鹽爐。爐溫高于 1000℃時，稱高溫電阻爐；爐溫為 650～ l000℃時，稱中溫電阻爐；爐溫低于 650℃時，稱低溫電阻爐。 （ 3） 能夠滿足工作空間溫度場均勻度和恒溫的精度要求，比如在 48 小時內(nèi)溫度不得漂移177。電阻爐廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理，也用于各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等，是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。 如何運(yùn)用 模糊 控制與 PID 控制 相結(jié)合的方法 對電阻爐溫度進(jìn)行實時控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重點(diǎn)。利用模糊控制、 PID 控制算法的優(yōu)越性，改善電阻爐溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。行業(yè)間的壟斷體制已開始打破。經(jīng)仿真研究，模糊控制與 PID 控制相結(jié)合的控制效果達(dá)到了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，是一種較為理想的智能性控制方案。 本論文主要針對電阻爐這一類復(fù)雜的被控對象，研究一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。 Fuzzy control。 隨著 21 世紀(jì)的來臨，隨著我國進(jìn)入 WTO 行列，這將給我國的工業(yè)電阻爐帶來更佳的發(fā)展機(jī)遇。 （ 5） 對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和討論。電氣控制系統(tǒng)包括電子電路 、微機(jī)控制、儀表顯示及電氣部件等。由保護(hù)氣氛來保證爐內(nèi)氣氛的清潔。 （ 6） 占地面積小，節(jié)省投資。 ①電極鹽浴爐。 按爐型分 電阻爐按結(jié)構(gòu)形式分為室式爐、臺車式爐、井式爐、連 續(xù)式 (包括推桿式、步進(jìn)式、振底式、輸送帶式 )爐等。常用井式電阻爐的爐膛直徑為 ～ ，爐膛深度可達(dá)30m。工件熱處理時，先將工件在預(yù)熱爐內(nèi)預(yù)熱 (有的工件可不需預(yù)熱 )，再吊裝入淬火加熱爐內(nèi)加熱，加熱后的工件隨淬火加熱爐一起移動到淬火油槽 (或淬火水槽、硝鹽爐 )上方，開動卷揚(yáng)機(jī)迅速將工件降到油槽中淬火。 發(fā)熱元件由于放射熱量而提高爐膛的溫度，因而就把被加熱金屬加熱至所需要的溫度。 這三個參數(shù)一般用實驗的方法或數(shù)學(xué)分析的方法去求得。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用，但由于繼電器動作頻繁，可能會因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。該方法響 應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計分析和標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)。但是，模 糊控制所基于的專家經(jīng)驗不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)被控制系統(tǒng)的非線性、時變性，嚴(yán)重影響控制效果。 溫度控制系統(tǒng)的被控對象是電阻爐，被控參數(shù)為爐內(nèi)溫度，用熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 由圖 可求得變送器輸出與輸入之間的關(guān)系為： 0()1 Ky Cx zKF??? （ 31） 當(dāng)滿足深度負(fù)反饋的條件，即 KF》 1 時，上式變?yōu)椋? 01 ()y Cx zF?? （ 32） 此式表明，在 KF》 1 的條件下，變送器輸出與輸入之間的關(guān)系取決于測量部分和反饋部分的特性，而與放大器的特性幾乎無關(guān)。熱電偶的工作原理基于熱電效應(yīng)。 傳感器采用 K 型熱電偶，它的精度分為三級： 級 在 0~1000℃之間，其誤差為177。 PID 控制算法是按誤差