【正文】 分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，選擇控制系統(tǒng)參數(shù)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)與新算法。 對(duì)于那些很難以用解析方法計(jì)算或描述的，具有復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的對(duì)象，采用仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行仿真、分析，具有其他方法不可比擬的優(yōu)越性。箱式電阻爐對(duì)象是具有控溫單向性、大慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)的熱工對(duì)象。其控溫單向性，是箱式電阻爐在升溫、保溫階段，可以依靠加熱體加熱來(lái)進(jìn)行控制。降溫階段，則只能依靠環(huán)境自然冷卻，無(wú)法進(jìn)行控制。大慣性是由于電阻爐的熱容量大，同時(shí)還向外界傳遞熱量。時(shí)變性是因?yàn)橄涫诫娮锠t是一種特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的被控對(duì)象。這種對(duì)象，當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，而且也很難確定控制參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論及方法難以達(dá)到好的控制效果。所以，找出一種新的控制方法以滿足電阻爐的高精度要求是必要的。 本文基于這種方法，建立箱式電阻爐串級(jí)控制系統(tǒng)。第一章為總論部分，針對(duì)當(dāng)前電爐控制中普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出改進(jìn)控制方法的提案。第二章為電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第三章使用數(shù)學(xué)方法對(duì)電阻爐對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。第四章應(yīng)用多種控制方法，在SIMULINK環(huán)境下對(duì)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，從中選出了適合電阻爐對(duì)象的控制方法，即FUZZYPID串級(jí)控制系統(tǒng)。第五章將FUZZYPID控制系統(tǒng)應(yīng)用到電阻爐對(duì)象上，并取得了一定的效果。通過(guò)建模、仿真分析及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可總結(jié)如下結(jié)論: 1)對(duì)于電阻爐對(duì)象的建模，可以有多種方法:如時(shí)域法、頻域法、解析法等也可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)電阻爐對(duì)象建模。其中，采用時(shí)域法建立模型簡(jiǎn)便易行且能基本滿足分析要求，所以被廣泛使用。頻域法、解析法建模比較復(fù)雜。神經(jīng)絡(luò)方法建模更加適合那些對(duì)被控對(duì)象模型完全不了解的條件下使用。 2)對(duì)于電阻爐對(duì)象，采用高階,盼勝模型比一階純滯后模型更能反應(yīng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。這是因?yàn)?，大慣性對(duì)象雖然也會(huì)有一定的滯后，但相對(duì)于對(duì)象的慣性時(shí)間而言，卻是影響很小的，所以可以忽略。 3)對(duì)于大慣性對(duì)象，采用傳統(tǒng)PID控制器，其控制效果通常無(wú)法滿足對(duì)象的控制要求。尤其是對(duì)象處于頻繁擾動(dòng)的條件下，控制系統(tǒng)可能長(zhǎng)期處于波動(dòng)狀態(tài)，而造成系統(tǒng)振蕩。 4)采用單回路模糊控制系統(tǒng)時(shí)，雖然也可保證一定的控制精度，但對(duì)于擾動(dòng)頻繁且強(qiáng)度比較大的控制對(duì)象，其控制能力并不能很好的滿足生產(chǎn)要求。 5)由于單回路控制系統(tǒng)不能很好的解決大慣性對(duì)象的多擾動(dòng)問(wèn)題，所以可以選擇對(duì)擾動(dòng)抑制能力強(qiáng)的串級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本文描述的 FUZZYPID控制系統(tǒng)與PIDFUZZY控制系統(tǒng)都能夠?qū)Υ髴T性對(duì)象的頻繁擾動(dòng)進(jìn)行比較好的抑制，但從它們各自的仿真控制輸出曲線可看出，大容量電阻爐這類(lèi)機(jī)理復(fù)雜的大慣性對(duì)象，F(xiàn)UZZYPID控制系統(tǒng)的控制效果更好一些。這充分反映，F(xiàn)UZZYPID系統(tǒng)中的 PID副控制器控制頻率高，可以在擾動(dòng)還沒(méi)有影響到試樣之前，就將它的影響消除掉。不過(guò)由于控制頻率較高，也使得對(duì)執(zhí)行器及測(cè)溫元件的反映速度有很高的要求。而對(duì)于PIDFUZZY系統(tǒng)，則更適合于擾動(dòng)比較少，長(zhǎng)期處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的對(duì)象。 6)在本系統(tǒng)中，模糊控制器的構(gòu)造沒(méi)有采用傳統(tǒng)的模糊控制表方法，也沒(méi)有自己編程來(lái)編寫(xiě)模糊控制器，而是將MATLAB中建立的模糊控制器通過(guò)DDE方法，直接鏈接到實(shí)際的控制程序中，這使得編寫(xiě)控制系統(tǒng)的工作量大大減少，而且對(duì)于模糊控制器的調(diào)試也方便了很多。這種通過(guò)將仿真中的控制器直接應(yīng)用到實(shí)際控制程序中的使用方法，使仿真控制與實(shí)際控制直接聯(lián)系起來(lái)，把仿真結(jié)果直接用來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)模型提供理論指導(dǎo)。 7)在進(jìn)行MATLAB中模糊控制器與控溫程序DDE鏈接的研究中，提出了建立公共工作空間的方法，從而解決了VB無(wú)法識(shí)別MATLAB中數(shù)值量的問(wèn)題，為解決同類(lèi)問(wèn)題提供了參考。 8)本系統(tǒng)在實(shí)際控制中的控制結(jié)果與仿真中的控制結(jié)果還存在一定偏差，這主要是在模型辯識(shí)中，將慣性時(shí)間常數(shù)T當(dāng)作常量處理所造成的。而且建模過(guò)程中，還存在很多不穩(wěn)定的條件，并忽略了一些次要因素的影響。因此，在系統(tǒng)的模型辯識(shí)上，還可以做一些改進(jìn)工作，使其更加完善。 9)本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式具有一定的特點(diǎn)，這是因?yàn)镸atlab不僅在開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)方面擁有優(yōu)勢(shì)，而且特別適合于數(shù)值計(jì)算，并具有強(qiáng)大的繪圖功能。因此，實(shí)現(xiàn)MATLAB與其它應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及圖形交互是非常有意義的，因此，上述控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式，不僅對(duì)于控制軟件開(kāi)發(fā)者具有應(yīng)用價(jià)值，而且對(duì)于其它領(lǐng)域的程序開(kāi)發(fā)者也有一定的借鑒作用。 在本設(shè)計(jì)的過(guò)程中，開(kāi)始階段我的工作主要是對(duì)于自動(dòng)控制原理及模糊理論的學(xué)習(xí)理解和消化，為此我翻閱了 《自動(dòng)控制原理》、《過(guò)程控制》、《模糊數(shù)學(xué)》、《計(jì)算機(jī)模糊控制技術(shù)與儀表裝置》、《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》等課本，對(duì)這些方面的知識(shí)有了一定的理解。接下來(lái)是了解數(shù)學(xué)模型的意義及辯識(shí)方法，通過(guò)閱讀 《系統(tǒng)辯識(shí)》、《熱工控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)》等，使得我對(duì)數(shù)學(xué)模型的物理意義及熱工對(duì)象模型的一般特征有了基本印象。 在對(duì)箱式電阻爐對(duì)象建模的過(guò)程中，我曾嘗試過(guò)多種建模方法:包括頻域法建模、解析法建模、還使用過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模:頻域法和解析法由于實(shí)驗(yàn)條件有限，使得建模過(guò)程即出現(xiàn)很多問(wèn)題，因而沒(méi)有進(jìn)行下去。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，只是對(duì)相應(yīng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，其中的各個(gè)權(quán)值沒(méi)有實(shí)際的意義，因此很不好把握，最后得到的結(jié)果也沒(méi)有能夠滿足要求。可以說(shuō)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一,是非常有前景的學(xué)科，它可以逼近任意的非線形對(duì)象但還需要進(jìn)一步發(fā)展。而我也沒(méi)有深入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究中，因此在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模上也沒(méi)有得到好的效果，很是遺憾。 對(duì)復(fù)雜熱工對(duì)象建模的最好方法是數(shù)值建模方法，目前，可應(yīng)用于熱工對(duì)象的數(shù)值模擬軟件有很多種，如CFX, FLUNT, ANSYS等等。但是數(shù)值建模方法是非常復(fù)雜，且需要花費(fèi)大量時(shí)間研究的，所以我也由于時(shí)間等各方面的因素沒(méi)有深入進(jìn)去，而使用了比較簡(jiǎn)單的時(shí)域建模方法，建立的模型是精度不高的數(shù)學(xué)模型，我想這個(gè)環(huán)節(jié)也許是本論文的薄弱之處，也希望以后能有機(jī)會(huì)改進(jìn)。 在后序過(guò)程，我的精力主要放在仿真模糊控制器的建立及過(guò)程控制系統(tǒng)模糊控制器的編寫(xiě)上。尤其是對(duì)后一部分的工作，傳統(tǒng)方法是建立模糊控制規(guī)則，選擇隸屬函數(shù)表，確定模糊狀態(tài)表，推導(dǎo)模糊關(guān)系矩陣，通過(guò)編程計(jì)算最終得到模糊控制表或者是在線計(jì)算模糊關(guān)系矩陣求出結(jié)果。更為重要的任務(wù)是在將模糊理論與實(shí)際控制相連接，而且還有試驗(yàn)階段的反復(fù)調(diào)試、改進(jìn)等。面對(duì)這樣復(fù)雜、煩瑣的過(guò)程，我考慮了是否可以在過(guò)程控制系統(tǒng)中直接調(diào)用 MATLAB中已經(jīng)完成的仿真模糊控制器。通過(guò)閱讀了大量書(shū)籍、資料，我決定采用 DDE方法來(lái)實(shí)現(xiàn)我的想法，在此過(guò)程中也遇到了很多技術(shù)上的問(wèn)題，但都通過(guò)各方面的努力得到解決，最終形成了前文中的方案。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我四年大學(xué)歷程中的最后一門(mén)課，也是對(duì)四年大學(xué)的一個(gè)總結(jié)。我不僅從中進(jìn)一步了解了熱處理以及溫度控制原理，并且清楚地了解到了電阻爐的發(fā)展趨勢(shì)，還對(duì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、原理的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的探索，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)及過(guò)程有了更深入的體會(huì)，也鞏固了自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，鍛煉了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了一定的設(shè)計(jì)思想，所有的收獲都將令我終生受益。但是，由于自己的知識(shí)水平有限，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，設(shè)計(jì)思想不完善，設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，存在問(wèn)題，希望大家批評(píng)指正，我會(huì)繼續(xù)努力，以便進(jìn)一步提高和完善。致謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，任務(wù)重，需要知識(shí)和資料多，由于自己的水平有限，如果沒(méi)有身邊老師和同學(xué)們的耐心指導(dǎo)和無(wú)私幫助，我很難完成這此設(shè)計(jì)。在這里，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師劉萬(wàn)福老師。從設(shè)計(jì)題目的下發(fā)、講解，設(shè)計(jì)資料的收集，外文的翻譯，方案論證報(bào)告的撰寫(xiě)，圖紙的繪制，到最后說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)，我遇到過(guò)很多的問(wèn)題，有專(zhuān)業(yè)上的，也有生活上的，只有向劉老師提出，他都會(huì)耐心地給我講解，幫我查找相關(guān)文獻(xiàn)，有時(shí)還手把手教我一些東西，并糾正了我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)中的很多錯(cuò)誤，劉老師的專(zhuān)業(yè)水平讓我佩服。劉老師不僅指導(dǎo)了我的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，他還用自己在生活中的經(jīng)歷和感受告訴我們?cè)S多為人處事的道理，這些將會(huì)積極影響我以后的工作和生活。其次，我要感謝我身邊的同學(xué)們，是他們從頭到尾陪著我走過(guò)這四年的大學(xué)生活，是他們幫著我走完畢業(yè)設(shè)計(jì)這最后的一段路。愿我們的友誼地久天長(zhǎng)。我還要感謝大學(xué)里所有教過(guò)我的老師，是他們教會(huì)了我專(zhuān)業(yè)知識(shí)，幫助我不斷提高。感謝母校對(duì)我的培養(yǎng)。在以后的人生中，我會(huì)更加努力，用自己的成就來(lái)報(bào)答母校，報(bào)答老師。參考文獻(xiàn)[1] 金以慧. 過(guò)程控制[M]，北京:清華大學(xué)出版社，1993.[2] 郭茂生，工業(yè)電爐[M]，北京:冶金工業(yè)出版社，1997.[3] 江堯忠，工業(yè)電爐[M]，北京:清華大學(xué)出版社，2000.[4] 劉金現(xiàn)，先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M]，北京:電子工業(yè)出版社，2003.[5] 張巍，在線自整定模糊PID控制器的設(shè)計(jì)[J]，自動(dòng)化儀表，2000, (9): 2731.[6] 陶永華,尹怡欣,[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[7] 毛一心, 魯億方, [J]，工業(yè)加熱，2003, (4):4952.[8] , , , Design of PID Controllers Based On Constrained Optimisation，IEE PROCEEDINGS CONTROL THEORY ANDAPPLICATIONS, 32 (3): 466—475.[9] , , , On_Line Adative Tuning For PID Controllers, IEE PROCEEDINGS CONTROL THEORY AND APPLICATIONS, 60(1):.[10] 王順晃, 舒迪前. 智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[11] Efim , Bernhard PLampe, Computer Controlled Systems[M],SPRINGER, 2001.[12] 武波, 馬玉祥. 專(zhuān)家系統(tǒng)[[M]，北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.[13] 王戰(zhàn)敏,賀音波，聯(lián)合井式電阻爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)離散型HOPFIELD算法的建模與仿真[J],微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2003, Vol. (7): 1720.[14] 阮大偉、陳小燕，關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用[J]，東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2001, (1): 1518.[15] 李麗榮, 韓璞, 董澤, [3], 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2000, (3): 2833.[16]劉小寧. 智能控制中模糊控制的應(yīng)用與發(fā)展[J]，自動(dòng)化與儀表，2000, (1):3538.[17] 寧方青, ，自動(dòng)化儀 表，1999, (4): 2124.[18] 張清華，一種可調(diào)模糊強(qiáng)度的FUZZYPID控制器[[J]，自動(dòng)化與儀表，2000, (6): 1619.[19] 林小峰, ，自動(dòng)化與儀器儀表1999, (3): 2325.[20] 孫建平, 梅華, [[J]，華北電力大學(xué) 學(xué)報(bào)，2003, (2): 4952.[21] 李金厚, [[J]，自動(dòng)化 與儀表，2000, (5): 3438.[22] 李秀改, 岳紅,高東潔. 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程新型控制方法一混雜系統(tǒng)控制理論的研 究[J]，化T自動(dòng)化及儀表，2001, (5): 18.[23] 雷建軍, 朱華.，關(guān)于Fuzzypid的電阻爐溫度控制系統(tǒng)[[J]，微計(jì)算機(jī)信息， 2003, (9): 1112.[24] 徐南平. 鋼鐵冶金實(shí)驗(yàn)技術(shù)和研究方法「M]，北京:冶金工業(yè)出版社，1998.[25] [M]，長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2001.[26] [M]，北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000.[27] [M]，北京:航空工業(yè)出版社，2000.[28] [M]，北京:水利電力出版社，1986.[29] 張玉鐸, 王滿稼. 熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]，北京:水利電力出版社，1985.[30] 楊獻(xiàn)勇. 熱工過(guò)程自動(dòng)控制[M]，北京:清華大學(xué)出版社，2000.[31] Michael Margaliot, Gideon Langholz, New Approaches To Fuzzy Modeling And ControlDesign And Analysis[M], WORLD SCIENTIFIC, 2001.[32] Torralba, , Fuzzy Models of Language Structures, IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS, 42(1):421 432.[33] , , , Fuzzy Models Reference Adaptive Control, IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS, 42(I):436—449.附錄 A600℃溫區(qū)加熱體的階躍響應(yīng)曲線圖 600℃溫區(qū)試樣的階躍響應(yīng)曲線圖 800℃溫區(qū)加熱體的階躍響應(yīng)曲線圖 800℃溫區(qū)試樣的階躍響應(yīng)曲線圖 附錄BK,=, Ke=,條件下的臨界振蕩曲線 Ke=, K= K=2, K,d= K =4, Ke=, =