【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是很小的，所以這里可以忽略，而僅看作比例環(huán)節(jié)?？煽毓杓盁犭娕嫉姆磻?yīng)速度相對(duì)于具有大慣性的被控對(duì)象也是很迅速的，因此它們的慣性時(shí)間與延遲時(shí)間也可忽略，但它們卻不是簡(jiǎn)單的比例環(huán)節(jié)，可控硅的控制電壓與輸出電壓通常呈現(xiàn)出嚴(yán)重的非線(xiàn)形函數(shù)關(guān)系。而熱電偶，它的電壓與溫度的關(guān)系根據(jù)其類(lèi)型的不同而不同。常用的熱電偶有三種，T型熱電偶 (鉑佬一鉑熱電偶)、K型熱電偶 (鎳鉻一鎳硅電偶)、B型作階躍變化，測(cè)繪出對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。當(dāng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)呈S形狀時(shí)，即可用純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或高階慣性環(huán)節(jié)來(lái)確定其動(dòng)態(tài)模型，然后根據(jù)畫(huà)出的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)計(jì)算出模型動(dòng)態(tài)參數(shù)。熱工對(duì)象模型，通常可定為有自平衡能力的純滯后一階慣性對(duì)象模型或高階慣性對(duì)象模型。因此，只要得出被控對(duì)象擾動(dòng)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，并通過(guò)一定算法，即可求出熱工對(duì)象模型中的各個(gè)參數(shù)，而確定數(shù)學(xué)模型。串級(jí)控制系統(tǒng)的模型分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 串級(jí)控制是復(fù)雜控制中的一種方法，在其結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱(chēng)為副環(huán)或副回路。它在控制過(guò)程中起著 “粗調(diào)”的作用。另一個(gè)閉環(huán)在外面，被稱(chēng)為主環(huán)或主回路，用來(lái)完成 “細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿(mǎn)足工藝要求川。無(wú)論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象、測(cè)量變送元件。 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)中的對(duì)象進(jìn)行建模，采用的實(shí)驗(yàn)方法與單回路基本相似，即分兩個(gè)溫度段進(jìn)行， 600℃的溫度范圍，將電阻爐從550℃狀態(tài)下的3165mV控制電壓下，階躍到 3300MV，待穩(wěn)定后測(cè)取加熱體溫度B,，然后應(yīng)用兩點(diǎn)法對(duì)飛升曲線(xiàn)進(jìn)行處理計(jì)算。實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)建立電阻爐動(dòng)態(tài)模型的影響 綜上所述，可知電阻爐對(duì)象模型是隨著溫度的變化而變動(dòng)的。從總的趨勢(shì)來(lái)看，隨著溫度的升高，對(duì)象模型的慣性時(shí)間常數(shù)或滯后時(shí)間常數(shù)變大，但增益變小，即放大系數(shù)減小。這是因?yàn)?，隨著電阻爐溫度升高，其向環(huán)境傳遞的熱量會(huì)更大，即使在兩個(gè)溫度段內(nèi)，給定相同的單位時(shí)間熱量擾動(dòng)，也會(huì)由于高溫區(qū)向外界環(huán)境傳遞的熱量多，而造成它升溫的速度要慢于低溫段的升溫速度。同樣，即使給定相同的單位時(shí)間熱量擾動(dòng)，但高溫段散熱多，電阻爐所獲得的熱量相對(duì)減少，所以增益也會(huì)減小。當(dāng)然，增益還會(huì)受到控制電壓與輸出電壓關(guān)系的影響。 通過(guò)上面的分析，可以對(duì)電阻爐的特性有一定了解。但要想獲得電阻爐對(duì)象的詳細(xì)特性，還需要對(duì)模型進(jìn)行仿真、分析，而這是非常復(fù)雜、煩瑣的。因此，在以后各章中，我們只通過(guò)對(duì)600℃的溫區(qū)模型進(jìn)行分析、仿真，而800℃溫區(qū)的特性分析，與其是相似的，就不重復(fù)敘述了。 電阻爐動(dòng)態(tài)模型建立以后是否可用，仍需要校驗(yàn)，即看校驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際對(duì)象的誤差是否滿(mǎn)足一定的指標(biāo)函數(shù)1285。本文是將模型置于MATLAB軟件的Simulink環(huán)境下，然后給定階躍輸入，觀(guān)察其仿真輸出曲線(xiàn)與實(shí)際擾動(dòng)電壓飛升曲線(xiàn)的擬合情況，當(dāng)然實(shí)際比較的，是仿真輸出曲線(xiàn)的標(biāo)么形式與實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)的標(biāo)么形式，進(jìn)而判斷模型的有效性。這里，我們僅對(duì) 60039。C溫區(qū)的試樣響應(yīng)溫度模型及加熱體響應(yīng)溫度模型進(jìn)行校驗(yàn)。 首先，對(duì)600℃溫區(qū)以擾動(dòng)電壓為輸入量、試樣溫度為輸出量的模型進(jìn)行校驗(yàn)，由節(jié)的計(jì)算，我們得到它的兩種結(jié)構(gòu)模型，一階慣性加純滯后模型及高階慣性模型，對(duì)這兩個(gè)模型分別輸入階躍信號(hào)，然后觀(guān)察輸出的響應(yīng)曲線(xiàn)，并與實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)的標(biāo)么圖進(jìn)行比較，選擇誤差較小的，作為電阻爐的模型。4 箱式電阻爐控溫系統(tǒng)的仿真分析系統(tǒng)仿真技術(shù)近幾十年來(lái)得到很快發(fā)展，尤其是近幾年，數(shù)字計(jì)算機(jī)的軟硬件飛速發(fā)展，運(yùn)算速度己不再成為問(wèn)題，全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，仿真技術(shù)成為分析、研究各種系統(tǒng)，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，被廣泛應(yīng)用在許多工程領(lǐng)域和非工程領(lǐng)域。本章的目的是通過(guò)對(duì)箱式電阻爐動(dòng)態(tài)模型控溫系統(tǒng)的仿真分析，比較多種控制方法的性能，從而找出一種能適合箱式電阻爐這類(lèi)具有大慣性、非線(xiàn)形、時(shí)變性等特點(diǎn)的對(duì)象的控制方法，并在實(shí)際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用。 atIa b 軟件的介紹lyla tlah 是 由MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，其含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室(MATRIX LABORATORY). Matlab仿真軟件自1984年推出以來(lái)，己廣泛的應(yīng)用于各個(gè)科研領(lǐng)域，現(xiàn)已成為國(guó)際上公認(rèn)的最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算及仿真分析軟件。 Simul ink工具箱簡(jiǎn)介 Simulink是基于Matlab平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境，它能夠應(yīng)用圖形化模塊對(duì)模擬、:離散或混合系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。近幾年來(lái)，Matlab和Simulink以及許多相關(guān)的工具箱在工程仿真、數(shù)字計(jì)算領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。因此廣泛應(yīng)用在科研院所、高等院校及工業(yè)企業(yè)中。本文使用Matlab中的Simulink工具對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真、分析。 Simulink環(huán)境中有Simulink庫(kù)、控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)、模糊邏輯工具箱((Fuzzy Logic Toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊集(Neural Network Blockset ).Simulink附加庫(kù) (Simulink Extras)等16個(gè)仿真模塊子庫(kù)。每個(gè)子庫(kù)中又包含許多不同的模塊，這些模塊均可以直接調(diào)用[36]。 在建模方面，Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶(hù)界面 (GUI)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖表建模。通過(guò)圖形界面，可以像堆積木一樣畫(huà)圖形模塊。這是以前需要用編程語(yǔ)言明確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的。Simulink包括一個(gè)復(fù)雜的由接受器、信號(hào)源、線(xiàn)性和非線(xiàn)性組件以及連接件組成的 Matlab軟件中的模糊邏輯工具箱是專(zhuān)門(mén)用來(lái)創(chuàng)建模糊推理系統(tǒng)的工具箱。該工具箱集成度高，內(nèi)容豐富，基本包括了模糊集合理論的各個(gè)方面，功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)捷快速，方便易用，而且仿真過(guò)程結(jié)果可視化，在仿真的過(guò)程中修改優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比較容易，大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程[3741] 在模糊邏輯工具箱中有5個(gè)基本圖形用戶(hù)界面用于建立、編程和觀(guān)察模糊推理系統(tǒng) (FIS)，它們分別是FIS編輯器 (FIS Editor)、隸屬函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀(guān)察器和曲面觀(guān)察器。這些工具之間是動(dòng)態(tài)鏈接的，使用他們中的任何一個(gè)對(duì)FIS進(jìn)行修改將影響其它的窗口，并可使用任意一個(gè)或全部的界面來(lái)打開(kāi)任意給定的系統(tǒng)或?qū)ぷ鲄^(qū)間進(jìn)行讀和寫(xiě)。 FIS編輯器為系統(tǒng)處理高層屬性:確定輸入、輸出變量的個(gè)數(shù)，定義變量的名稱(chēng)，以及確定模糊推理方法。隸屬函數(shù)編輯器用于定義每個(gè)隸屬函數(shù)的形狀。規(guī)則編輯器用于定義系統(tǒng)行為的一系列規(guī)則。規(guī)則觀(guān)察器和曲面觀(guān)察器是用于察看 FIS的工具。規(guī)則觀(guān)察器是一個(gè)基于Matlab的用于顯示模糊推理方框圖的工具。曲面觀(guān)察器用于顯示一個(gè)輸出與輸入之間的依賴(lài)情況。但規(guī)則觀(guān)察器和曲面觀(guān)察器都無(wú)法修改FIS數(shù)據(jù)，可與工作空間或磁盤(pán)交換圖形。 在仿真過(guò)程中，應(yīng)該注意仿真條件與實(shí)際條件符合。這對(duì)于仿真分析是很重要的。本文所研究的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，輸入變量偏差，荃本論域[+300, +300]。輸入變量偏差變化率，基本論域[+5, +5』的范圍內(nèi)。所以仿真分析也主要是在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行。輸變量的基本論域即可控硅的控制電壓為[0IIIV, 10000 mV],所以控制器的輸出應(yīng)該限制在這個(gè)范圍內(nèi)。 (s) = LI(s) x K1 x K2 x L2(s)，其中熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并被采集板接受、放大，由A/D換算成數(shù)字量，最后通過(guò)電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將電壓的數(shù)字量值從新變?yōu)闇囟茸x數(shù)值，送入計(jì)算機(jī)中。所以，虛方框中輸入量為溫度，輸出量也為溫度，但本身具有一定的慣性或滯后。所以在計(jì)算發(fā)生，所以在仿真中也要將擾動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)。那么，最后只剩下控制器的建立了，在本節(jié)中，分別采用PID控制方法及模糊控制方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以觀(guān)測(cè)兩種控制方法的特性。圖 單回路爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 第三章中得出的電阻爐對(duì)象模型為連續(xù)模型，而實(shí)際采集到的飛升曲線(xiàn)卻是在采樣間隔為T(mén)=15s條件下取得的離散數(shù)據(jù)。連續(xù)模型與離散模型是有一定區(qū)別的，連續(xù)模型的輸出量是連續(xù)平滑的，而離散模型的輸出最呈階梯狀，即在一段采樣。 對(duì)于FUZZYPID串級(jí)系統(tǒng)中模糊控制器的穩(wěn)定性問(wèn)題，也采用敘述的方法進(jìn)行分析。，則結(jié)構(gòu)上就相當(dāng)于單回路系統(tǒng)。從而，按照單回路系統(tǒng)中的模糊控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。如圖 ，Ko=2, K,=, K=10，將其化為相應(yīng)的傳遞函數(shù)，并與系統(tǒng)中的主、副對(duì)象合并，此時(shí)得到的傳遞函數(shù)分母達(dá)到五階，分子為兩階，對(duì)所得傳遞函數(shù)進(jìn)行降階，得到等效傳遞函數(shù) W (S) 最后分析(704s + 1)(510s + 1)模糊控制器與該等效傳遞函數(shù)構(gòu)成的單回路系統(tǒng)，確定模糊控制器的穩(wěn)定性。 模糊控制器，是按照人的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)通過(guò)模糊算法模仿人的操作策略，實(shí)現(xiàn)以機(jī)器代替人的生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制設(shè)備。其實(shí)質(zhì)上反映的是輸入語(yǔ)言變量和輸出語(yǔ)言變量以及語(yǔ)言規(guī)則的模糊定量關(guān)系和算法結(jié)構(gòu)。然而在實(shí)際控制中我們檢測(cè)得到的測(cè)量值和控制量都是精確量，這就要求我們將精確量進(jìn)行模糊化，通過(guò)控制規(guī)則后得到的控制量是模糊子集，還需將其反模糊化。所以設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器主要需完成以下三個(gè)任務(wù):1)精確量的模糊化，是將實(shí)測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為在該語(yǔ)言變量相應(yīng)論域內(nèi)不同語(yǔ)言值的模糊子集。2)建立模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，即根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來(lái)決定模糊控制的輸出子集。3)反模糊化，是將輸出模糊子集轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰、確定的輸出控制量。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的具體情況來(lái)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。模糊控制器根據(jù)被控對(duì)象輸入變量和輸出變量的多少分為單輸入— 單輸出結(jié)構(gòu)和多輸入— 多輸出結(jié)構(gòu)。單輸入— 單輸出結(jié)構(gòu)又分為一維模糊控制器、二維模糊控制器和多維模糊控制器。 一維控制器是一種最簡(jiǎn)單的模糊控制器，控制器的輸入、輸出語(yǔ)言變量只有一個(gè)。由于此類(lèi)控制器的規(guī)則只考慮系統(tǒng)的誤差，只要誤差相近，不管誤差的趨勢(shì)如何，其控制輸出的結(jié)果是相近的。 二維模糊控制器有兩個(gè)輸入變量，一個(gè)輸出變量，同一維模糊控制器一樣，適用于被控對(duì)象是單輸入一單輸出的系統(tǒng)。由于規(guī)則既考慮了系統(tǒng)的誤差又考慮了誤差變化率，所以性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一維模糊控制器。多維控制器的輸入變量有多個(gè)，由于輸入維數(shù)的增加導(dǎo)致了控制規(guī)則和控制算一般是個(gè)固定值，對(duì)于不同的對(duì)象，Constant隨對(duì)象參數(shù)的變化而變化。，所以只要模糊控制器的K x K ，即保證了模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)采樣時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)對(duì)控制器的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。采樣時(shí)間增大，控制器的穩(wěn)定性會(huì)更好些，但對(duì)于電阻爐這類(lèi)熱工對(duì)象，往往由于生產(chǎn)安全需要使得采樣時(shí)間不能太大。所以，對(duì)于電阻爐采樣時(shí)間通常在1525秒的范圍內(nèi)，其采樣時(shí)間對(duì)模糊控制器的穩(wěn)定性影響不大。 在本系統(tǒng)中，采樣時(shí)間為15秒的條件下，模糊控制器的K, =1, Kd =, K =滿(mǎn)足K, x K ，并且有足夠的余量。因此上面所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)是具有穩(wěn)定性的。 從控制結(jié)構(gòu)上看，串級(jí)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)，具有很好的抑制效果，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力。本節(jié)中，即分別采用FUZZYPID與PIDFUZZY兩種串級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)電阻爐對(duì)象進(jìn)行仿真分析，以觀(guān)察其各自的控制效果。 這種系統(tǒng)，采用模糊控制器為主控制器，PID控制器為副控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐主、副模型的控制。在Sinmulink仿真平臺(tái)下，建立FUZZY PID串級(jí)控制結(jié)構(gòu)的仿真框圖。PIDFUZZY串級(jí)系統(tǒng)是采用PID控制器為主控制器、模糊控制器為副控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐主、副模型的控制。 其中pid2模塊為主控制器，是采樣時(shí)間為15s的離散PID控制器:fty2模塊采樣時(shí)間為30s的副控制器:out I擾動(dòng)的幅值為100，持續(xù)時(shí)間為100s。通過(guò)實(shí)仿真得到模糊控制器、PID控制器的輸出波形及整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。通過(guò)計(jì)算，得出PIDFUZZY串級(jí)控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)，最大超調(diào)百分?jǐn)?shù)。=%，峰值時(shí)間t。二3930s、上升時(shí)間t, = 2850 s、以穩(wěn)態(tài)值的5%為容許范圍的調(diào)整時(shí)間t= 2280 s。 0C、對(duì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)時(shí)IM為2320s。 對(duì)于PIDFUZZY串級(jí)系統(tǒng)，只要模糊控制器滿(mǎn)足副回路系統(tǒng)穩(wěn)定性，則基本可以保證模糊控制器在串級(jí)結(jié)構(gòu)中是穩(wěn)定的1571。因此，只取副回路作為單回路系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，即可確定模糊控制器在PIDFUZZY串級(jí)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。 FUZZYPID與PIDFUZZY串級(jí)控制系統(tǒng)分析 從上面兩節(jié)的分析中可以看出，對(duì)于以PID控制器為副調(diào)節(jié)器、以FUZZY控制器為主調(diào)節(jié)器的串級(jí)控制系統(tǒng)，它的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間都要小于P工DFUZZY系統(tǒng)，說(shuō)明FUZZY PID系統(tǒng)的響應(yīng)速度要好于PIDFUZZY系統(tǒng)。當(dāng)擾動(dòng)量為100MV,為最大輸出控制量的兩倍，持續(xù)時(shí)間為 100s時(shí)，F(xiàn)UZZY P工D串級(jí)控制系統(tǒng)可以很好的將擾動(dòng)抑制住。由副控制器的輸出波形，可看出其控制頻率是很高的，這就對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了較高的要求，即執(zhí)行動(dòng)作必須迅速，而且要求測(cè)溫裝置熱電偶的慣J性時(shí)間要滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。在本控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器為可控硅，屬于電器裝置，它的執(zhí)行速度是很快的，可以滿(mǎn)足副控對(duì)象的高頻率要求，而熱電偶的慣性時(shí)間一般相對(duì)于大慣性被控對(duì)象而言是可以忽略的，所以測(cè)溫裝置的熱電偶也可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。 對(duì)于PIDFUZZY串級(jí)控制系統(tǒng)，從圖316與圖320看到，當(dāng)擾動(dòng)量的大小和持續(xù)時(shí)間等同于 FUZZY PID系統(tǒng)時(shí)，它造成的最大偏差及調(diào)節(jié)時(shí)間都要大于FUZZY P工D系統(tǒng)。所以在抗擾動(dòng)方面，它的性能是不如FUZZY PID系統(tǒng)的。由副模糊控制器的輸出波形也可看出它的執(zhí)行頻率要小于FUZZY