21加热炉钢坯温度智能控制

1、北华大学毕业设计（论文）摘要热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。加热炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统，利用模糊控制规则自适应地在线对PID参数进行

2、修改，借此提高其控制效果。本系统以8031单片机为主体，构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成两级控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发信号，从而加热钢坯。本文提出的基于模糊的自整定PID控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，所获控制精度高，对高质量热处理件的加工具有指导意义。关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范

3、词。不用此信息时，删除此框。关键词：加热炉；自整定；模糊控制；单片机The design of Intelligent control system of reheating furnace billet temperature AbstractHeat treatment is a main means of improving metal material and metalwork. In recent yeas, with the development of industry, there are more and more supernal request for metalwor

4、k, so heat treatment is hammering at high quality and efficient, low-power and zero-social effects of pollution. Resistance furnace is a used broadest heating equipment in heat treatment, and measurement and control of temperature in heating is becoming pivotal technic. These urge people study metho

5、ds of controlling heating process.Reheating furnace has pure lag and larger inertia. There are many factors which affect controlling process, such as opening and closing furnace door, heated metal material, surrounding temperature and wire power. In tradition, heating furnace controlling system is m

6、ost based on some model, which can't achieve heating process request. So this paper try in draught fuzzy controlling arithmetic into traditional heating furnace controlling system to form brainpower fuzzy control system. It makes using of fuzzy control rule to self-tuning PID parameters on line,

7、 and improving its control effect.This system take 8031 monolithic integrated circuits as the principal part and is an intelligent controller that can work intricater data processing and intricate control function. It not only is a member working with computer but also is a self-governed control, an

8、d has more flexible and security. Monolithic integrated circuit basis input each kind of order, carries on the intelligent algorithm to obtain the control value, the output pulse trigger pip, thus heats up the reheating furnace.Fuzzy self-tuning PID control this paper bring forwards has veriest inte

9、lligent and flexible, which has auto-measurement, gathering and dealing with real time data and show control result, etc. It has high control precision and directive meaning for processing quality heating metalwork.Key Words：reheating furnace;self-tuning;fuzzy control;single chip- 2 -目录摘要1Abstract2引

10、言11 绪论21.1 钢坯加热工艺过程21.2 国内外研究现状综述31.3 研究背景及意义61.4 本文的研究构思和设想72 加热炉钢坯温度智能控制系统82.1 加热炉的控制特点82.2 加热炉模糊控制器的设计92.2.1 模糊PID控制器的原理及控制器算法改进92.2.2 模糊PID控制技术112.3 加热炉控制系统仿真研究132.3.1 PID控制132.3.2 模糊控制152.3.3 模糊PID控制162.3.4 仿真结果分析172.4 本章小结183 系统硬件部分设计193.1 主控板设计193.1.1 确定主控板的功能193.1.2 处理器及A/D、D/A转换芯片的选择203.1.3

11、 存储器扩展电路243.1.4 输出接口电路设计253.1.5 键盘、显示电路设计263.2 温度传感器DS18B20274 软件部分设计294.1 程序主框架设计294.1.1 主程序设计294.1.2 定时中断程序设计314.1.3 采样子程序设计344.1.4 模糊控制器控制程序的设计364.1.5 键盘显示程序设计44结论49参 考 文 献50附录A硬件接线图52致谢53北华大学毕业设计（论文）引言随着世界人口的不断增加以及国民经济的迅速发展，能源危机日益加深。在1973年发生第一次石油危机以后，开发新能源和节能的研究便成为世界各国关注的主要课题。自70年代中期以来，各工业先进国对各种

12、燃烧设备的节能控制进行了广泛深入的研究，大大降低了能耗。冶金工业是耗能大户，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的25%。因此，提高加热炉热效率、降低能耗，对整个钢铁工业节能具有重要意义，在国内外都得到了广泛的重视。随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量的要求也越来越高，从而也对加热过程提出了更高的要求。加热炉是钢铁工业轧钢生产线关键设备之一，也是主要的耗能设备。加热炉燃烧过程具有非线性、强耦合、不确定性、分布参数特性，是一个高度复杂的工业过程。钢坯加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗和轧机寿命，加热炉燃烧过程控制技术成为钢铁企业研究的重要课题之一，在国

13、内外都得到了广泛的重视。为了有效解决目前加热炉燃烧过程普遍存在的能耗高、钢坯温度波动严重、温度控制精度差等问题，论文提出了加热炉温度智能控制技术，利用单片机实现的加热炉温度智能控制，仿真结果表明，模糊PID控制能有效抑制工业现场中的不确定性干扰因素，使系统能在最佳状态下稳定运行。 1 绪论1.1 钢坯加热工艺过程1加热炉加热钢坯的目的钢坯在轧制或锻造前的加热是钢坯热加工过程中的一个重要环节，加热炉加热钢坯的目的是： (1)提高金属的塑性。金属在冷的状态下可塑性很低，为了改善金属的热加工条件，必须提高金属的塑性。一般来说，金属的热加工温度越高，可塑性越好。例如:高碳钢在常温下的变形抗力约为600

14、0kg/cm2这样在轧制时就需要很大的轧制压力，消耗很大的能量。如果将它加热到1200，其变形抗力降低到大约“300 kg/cm2，比常温下的变形抗力降低20倍。所以钢的温度越低，加工所消耗的能量越大，轧机的磨损也越快，而且变形抗力过大时还容易发生断棍事故。(2)使钢坯内外温度均匀。由于金属内外的温度差，使其内部产生应力，应力会造成轧材时的废品或缺陷。通过均热使断面上温差缩小，避免出现危险的温度应力。(3)改变金属的结晶组织。钢坯在连铸过程中会带来一些组织缺陷，通过在高温下长时间的保温，可以消除或减轻这类缺陷的危害。钢坯加热的质量直接影响到轧材的质量、产量、能源消耗以及轧机的寿命。正确的加热工

15、艺可以提高金属的塑性，降低热加工时的变形抗力，按生产节奏为轧机提供加热质量优良的钢坯，保证轧机生产顺利进行。反之，如加热工艺不当，或加热炉的工作配合不好，就会直接影响轧机的生产。例如，加热温度过高，会发生钢的过热、过烧，轧制时就要造成废品。钢的表面发生严重的氧化或脱碳，也会影响钢的质量，甚至报废。目前有的轧机不能充分发挥作用，往往是因为加热工艺这一环节薄弱。2加热炉加热钢坯时易产生的加热缺陷钢坯在加热过程中，加热炉中的温度和气氛必须调整得当，否则就会出现各种加热缺陷，如氧化、脱碳、过热、过烧等。3金属的加热温度和加热速度(1)金属的加热温度金属的加热温度指金属加热完毕出炉时的表面温度。金属轧制

16、、锻压前的加热是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力，加热温度主要根据热加工工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等性质来确定。不同的热加工方法，其加热温度也不一样。(2)金属的加热速度金属的加热速度是指单位时间内，金属的表面温度升高的度数，单位为“/min或/h。从生产率的角度，希望加热速度越快越好，而且加热的时间短，金属的氧化烧损也减少，但是提高加热速度受到炉子供热条件和金属内外允许温度差问题的限制。1.2 国内外研究现状综述1加热炉控制现状加热炉是轧钢生产企业主要的耗能设备，如何保证被加热后的钢坯能够进行有效轧制的前提下，降低加热炉的能耗，一直是冶金工业控制技术研究课题的一个主要方向。在加热炉控

17、制方面，早期的工作主要是在常规燃烧控制上，随着现代轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量要求越来越高，从而对加热炉的控制也提出了更高的要求，这就促使人们去研究高品质的加热炉优化控制系统1。到七十年代末，一些工业发达国家的加热炉的计算机控制已进入实用阶段，但就其控制策略来看，主要为局限于以传统燃烧控制技术为基础的DDC控制。文献23 采用施密斯预估补偿的加热炉温度PID控制系统，通过对空燃比、烟道残氧量、燃料流量与空气流量等参数的控制，以期使加热炉内实现燃料的最佳燃烧，并开发了大量的相关算法，但是，随着这些控制的应用，人们很快发现，仅仅考虑炉内燃料的合理燃烧是不够的，因为

18、加热炉生产的直接目标是获得工艺规定的钢坯加热温度以保证良好的轧制性能，并在此前提下力求使加热过程的能量消耗最小。但是，由于目前测试技术的限制、在生产过程中对钢坯内部温度的检测比较困难，为了获得钢坯内部的温度，文献45尝试通过数学模型的方法实现钢坯温度的软测量，即通过数学模型的方法预报钢坯内部的温度。迄今为止研究工作者应用集中参数、分布参数、回归分析及状态估计等方法对钢坯热状态进行了数学描述。但大多数方法太复杂或考虑生产实际情况不够，而很难为工程实际所应用。文献6采用的PLC控制理论算法包括系统辨识、比例积分微分参数整定及优化设计。通过PLC对红外线快速加热炉温度的控制，实现对试样的快速加热和冷

19、却及温度升降的循环控制，但据文献7道该模型在应用中存在着一些不足，主要是模型的边界条件被经验的描述为钢坯表面热流密度的函数，由此导致精度低、自适应性差。加热炉作为钢铁厂主要的耗能设备之一，每年的燃料消耗非常巨大，在七十年代席卷全球的能源危机的影响下，工程技术人员迅速把目光集中在如何使燃料充分燃烧，发挥最大的作用上。于是最佳燃烧控制便迅速发展和完善起来。在加热炉燃烧控制中，主要有炉内温度控制及加热炉双交叉限幅燃烧控制，此外还有为减少炉外冷空气侵入及火焰外喷的炉膛压力调节；保障流量调节回路稳定的燃气及空气总管压力调节以及为保证稳定的空燃比而进行的温度、压力及燃气的热值修正，这都是保证最佳燃烧所不可

20、缺少的。2加热炉控制技术的工程应用现状国际上从70年代就已开始加热炉计算机控制的研究.我国在这方面起步较晚，从80年代初才开始这方面的研究工作。但近十多年来由于计算机技术以及智能控制技术的迅速发展，加热炉计算机控制的应用日趋广泛，控制水平有明显提高，并且取得了一些应用成果。表1-1和表1-2分别介绍了国内、外加热炉计算机控制应用的现状。表1-1 加热炉计算机控制在国内应用的现状厂名所用机型应用现状大连钢厂初轧分厂M6809油风自动化配比、残氧闭环控制、炉温炉压PID控制攀钢初轧厂Intel机型烧钢PID过程控制、钢锭烧好预报、事故处理、炉温显示、打印等功能莱钢轧钢厂T1565机DDC、SPC级

21、控制采用自寻优技术并按照数字模型烧钢，均热期采用脉动供热技术，并计划投入SCC控制马钢初轧厂TMC-80单板机采用分区控制策略，过程控制与监视、残氧闭环控制、按加热曲线烧钢太钢初轧厂T1565机煤气、空气流量以及炉压的PID控制、自寻优及专家控制算法、温度检测及越限报警首钢初轧厂TK-80炉温、炉压、空气流量、煤气流量控制表1-2 加热炉计算机控制在国外应用的现状7，8国家及厂名所用机型应用现状日本Kashima钢厂钢坯目标出炉温度计算，开发了加热炉燃烧控制专家系统，用专家系统选择优化模型的目标函数和约束条件，确定设定温度瑞典DOMNNARVET厂实现了计算机在线最优控制，包括最佳加热曲线的确

22、定和最优炉温控制新西兰Hooogoven公司PDP11-40计算机采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、空燃比控制美国Dofasco公司1级：PLC控制器Honeywell TDC30002级DEC VAX8350步进辐射式加热炉全自动燃烧控制系统具有过程温度控制、坯料跟踪及生产管理功能从表1-1和表1-2可以看出近年来国内钢铁企业的加热炉控制技术虽然有了较大发展但和国外钢铁企业相比还有不小差距，其中之一为国内钢铁企业的加热炉控制主要局限于常规PID控制和以经典控制理论为基础结合应用的多种控制方法，这些方法主要适用于动态性能良好且对控制要求不太高的线性系统当中，不能满足系统在不同误差和

23、误差变化率情况下对参数的自整定要求，很难建立系统精确的数学模型，无法达到智能温度控制的理想效果。随着计算机软、硬件技术与智能控制技术的发展，一些先进的科技手段已经成功地应用于加热炉的炉温控制中。计算机自动控制系统在国外的各钢铁企业得到了非常广泛的应用。而且作为钢铁工业强国的美国、日本等国家已有了将专家系统和模糊控制应用于钢厂加热炉燃烧控制的报道。国内在这一方面的研究比较欠缺。加热炉温度控制器在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中都得到了广泛应用。但是，目前国内的加热炉温度控制器大多还停留在国际60年代水平，仍在使用常规PID控制或继电接触器控制，自动化程度低，动态控制精度差，满足不了日益发展的

24、工艺技术要求。加热炉温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、多变量、时变形、升温单向性等特点。在实际应用和研究中，加热炉温度控制遇到了以下困难：第一，很难建立精确的数学模型；第二，不能很好地解决非线性、大滞后等问题。以精确数学模型为基础的经典控制理论和现代控制论在解决这些问题时遇到了极大的困难，而以语言规则模型(IFTHEN)为基础的模糊控制理论却是解决上述问题的有效途径和方法。基于以上原因，为了改进国内在这方面技术上的欠缺，本文提出基于单片机的加热炉钢坯温度的模糊PID控制。模糊PID控制的温度智能控制系统利用单片机实现了智能控制器的设计，仿真结果表明此系统运行可靠，控制精度高，能够满足低超调快

25、速升温，精确保温，温度分布均匀性好的生产工艺要求。1.3 研究背景及意义1研究背景随着现代轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量要求越来越高，从而对加热炉的控制也提出了更高的要求，这就促使人们去研究高品质的加热炉优化控制系统。到七十年代末，一些工业发达国家的加热炉的计算机控制已进入实用阶段，但就其控制策略来看，主要为局限于以传统燃烧控制技术为基础的DDC控制。人们通过对空燃比、烟道残氧量、燃料流量与空气流量等参数的控制，以期使加热炉内实现燃料的最佳燃烧，并开发了大量的相关算法，但是，随着这些控制的应用，人们很快发现，仅仅考虑炉内燃料的合理燃烧是不够的，因为加热炉生产的直

26、接目标是获得工艺规定的钢坯加热温度以保证良好的轧制性能，并在此前提下力求使加热过程的能量消耗最小。2 研究意义加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备。它在轧钢生产中占有十分重要的地位，它的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量，并且在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料地消耗，减少氧化烧损。连续加热炉的操作水平直接影响产品地质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于加热炉自动控制地研究一直受到重视，发展地比较快，也取得了较为丰硕的成果。我国作为钢铁生产大国，钢铁企业的能源消耗在国民生产中占有较大的比重，如何在保证生产质量的情况下减少能源消耗，对缓解我国能源紧张的局面，

27、实现可持续发展的目标具有重要意义。国内的加热炉控制技术在理论上已达到先进国家的水平，但在工程应用上和发达国家相比还存在较大的差距。国内很多钢铁企业虽然配有先进的计算机系统，但只是作一些简单的PID控制，计算机的潜能没有充分发挥出来。导致这一情况出现的原因较多，其中之一为大多数方法太复杂或考虑生产实际情祝不够，而很难为工程所应用，如何开发出适合生产实际的钢坯温度智能控制系统，对于充分利用现有设备具有重大意义9。1.4 本文的研究构思和设想通过对国内外相关资料的研究和分析，可得到以下几个结论：(1)目前，在加热炉温度控制系统中最常采用的是PID控制，这种控制方法的优点明显，但存在着难以克服的缺陷。

28、模糊控制可以很好的解决一些问题，但它在控制规则的形成过程中带有一定的主观性，并且对于大时滞的炉温控制系统，缺少简单易行的预测方法。(2)在炉温控制系统中，模糊控制技术与PID控制相结合的理论非常少，工程实践更为鲜见。(3)国内在运用单片机技术来实现模糊炉温控制的设计实例较为鲜见。基于上述结论，本课题从以下三个方面进行研究：(1)针对模糊控制稳态精度差的缺点，研究简单实用又能大幅度改善稳态误差的模糊控制方法，设计了模糊PID控制器。(2)研究自适应神经模糊推理系统在加热炉温度控制系统中的应用。将不依赖精确数学模型的模糊控制系统与有价值的经验数据相结合，使模糊控制系统能够更能发挥其强大优势。(3)

29、针对加热炉非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单一性等实际控制中的难点，应用前面研究的理论成果，结合单片机技术，开发调节灵活、易于操作的单片机模糊控制器。2 加热炉钢坯温度智能控制系统2.1 加热炉的控制特点加热炉的生产任务是将坯料加热到满足轧制温度要求的范围，使坯料内外温度均匀，改变钢的结晶组织，其目的是提高钢的朔性。加热炉分为三段：预热段、加热段、均热段。每段均设有几十个烧嘴，由烧嘴喷出的高温火焰，以辐射和对流方式向钢坯传热，所形成的炉气向炉尾流动。加热炉的高质量控制对加热炉的生产起着举足轻重的作用。在坯料加热过程中，加热炉的温度和炉内气氛必须调整得当，不当的操作，会出现各种缺陷，诸如氧化

30、、麻点、过烧、脱碳以及加热温度不均匀等。加热炉的加热制度与整个轧制节奏配合不好，同样会造成能源的大量消耗及严重的氧化烧损等缺陷。要很好地解决这些问题，仅靠工艺自身的改造是满足不了要求的。在自动控制上，人们也作了大量的工作。但由于加热炉是一个具有大惯性、大滞后、非线性的时变系统，炉内的热加工状态非常复杂，有热辐射、热传导、热对流，加上工艺参数的频繁波动，给建立加热炉的数学模型造成了很大的困难，其实经过较多化简的数学模型也没有太大的实用价值。因此，传统的控制手段是很难满足要求的。目前，加热炉控制遇到的难题主要有以下几个方面：1.炉膛温度的自动控制由于加热炉内热工过程的复杂性，常规的PID控制，或炉

31、温、燃料流量、空气流量并行串级控制等，控制精度低、超调量大，控制参数难以整定，很难达到控制要求。2.空气/燃料最佳配比的控制空气/燃料的最佳配比，是加热炉燃烧控制的重要内容。大风量操作会产生过多的废气，过多的空气不仅会带走大量的热能，而且会导致炉内气氛中含有过多的氧进而造成钢坯的严重烧损;过燃料操作会造成燃料不完全，降低热效率，而且会产生大量黑烟，污染环境。这些都严重影响了加热炉加热质量和燃耗，甚至影响正常得生产。所以用常规的控制系统，很难较好地实现最佳空/燃比的控制，必须提高加热炉的控制水平，建立炉温的自动控制系统。以加热炉为控制对象，根据文献1011可知，其动态性能可用一阶时滞传递函数近似

32、描述，即 (式2.1)其中T=20，K=100，=10s。设定值时恒温1200，采用自噪声干扰信号。我们采用基本模糊控制，常规PID控制对加热炉进行仿真试验。系统组成：图2.1 加热炉智能控制系统组成2.2 加热炉模糊控制器的设计2.2.1 模糊PID控制器的原理及控制器算法改进目前，常规的PID调节器已广泛应用于工业过程温度控制，它通过调节PID控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，以适应各种不同的对象，但由于常规PID不具有在线整定以上系数的功能，不能满足系统在不同误差E和误差变化率EC情况下对参数的自整定要求，很难建立系统精确的数字模型，无法达到智能温度调节控制的理想效果。本

33、文采用的控制器是在常规PID调节基础上，采用模糊推理思想，对算法控制器进行算法改进，根据不同的E和EC实现PID（比例积分微分)参数自整定的温度调节器12。模糊控制是以人的思维判断方法形成模糊控制规则，在模糊规则的基础上，以模糊量作为实际控制的依据是一个表达某种控制思想的基本公式，模糊PID控制器的原理框图如图2.2所示。图2.2模糊PID控制器原理框图模糊PID控制系统为双输入三输出的系统，根据PID基本原理，为了计算机处理和实现的方便，输入偏差EI，输入偏差率EC和输出的隶属函数均采用线性函数。比例系数Kp作用在于提高系统调节精度；积分系数Ki作用于消除系统的稳态误差；微分系数Kd作用于改

34、善系统的动态特性。写成条件语句形成:If and then ，其中，。是分别定义在偏差，偏差变化率和控制量的论域上的模糊集。可考虑用插值算法和有关输出变换、增量式PID算法计算控制系统的输出控制增录，根据模糊控制规则建立模糊控制数表。本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求。为此，选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则，简单方便，易于处理。一维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括13： （式2.2）其中，E、C、U为经过量化和模糊化的模糊变量，相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量；为

35、调整因子。由式(2.2)描述的控制规则可看出，控制作用取决于误差及误差变化率，且通过调整a的大小，可以改变对误差和误差变化的小同加权程度。值一旦确定，在整个控制过程中就不再改变。但在实际系统中，系统在小同的状态下，对控制规则中误差E与误差C的加权程度有不同的要求。如误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，此时对误差的加权应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。为了得到好的控制性能.就要求值在控制过程中可调整，即控制规则可在控制过程中在线修正。式(2.3)采用优化设计方法对进行在线修正。= (式2.3)2.2.2 模糊PID

36、控制技术1.概述模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller)简称为模糊控制器(Fuzzy Controller)，因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。模糊控制器的设计包括以下几项内容：(1)确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量)；(2)设计模糊控制器的控制规则；(3)确立模糊化和非模糊化(又称清晰化)的方法；(4)选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子)；(5)编制模糊控制算法的应用程序；(6)合理选择模糊控制算法的采样时间。2. 模糊控制器的结构设计模糊控制器

37、的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。究竟选择哪些变量作为模糊控制器的信息量，还必须深入研究在手动控制过程中，人如何获取、输出信息，因为模糊控制器的控制规则归根到底还是要模拟人脑的思维决策方式。在手动过程中，人所能获得的信息量基本上为三个：误差、误差的变化、误差变化的变化，即误差变化的速率。一般来说，人对误差最敏感，其次是误差的变化，再次是误差变化的速率。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在，因此，本课题也采用二维模糊控制器，即以误差、误差的变化率作为输入。

38、3. 模糊控制器规则的设计控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括三部分设计内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。(1)选择描述输入和输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇(如“正大”、“负小”等)的集合，称为这些变量的词集(亦可以称为变量的模糊状态)。选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定控制规则方便，但是控制规则相应变得复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。一般情况下都选择七个词汇，但也可以根据实际系统需要选择三个或五个语言变量。本课题的控制对

39、象是加热炉温度控制系统，改善模糊控制结果的目的之一是尽量减小稳态误差，因此，对一于控制器的输入(误差、误差的变化率)之一的误差采用(负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大)用英文字头缩写为NB, NM, NS, N0, Z0, PS, PM, PB即将零域分为正零和负零，以便减小稳态误差。另一个输入误差的变化率及控制器的输出 (负大，负中，负小，零，正小，正中，正大)用英文字头缩写为 NB, NM, NS, 0, PS, PM, PB(2)定义各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成

40、了一个相应的模糊变量的模糊子集。(3)建立模糊控制器的控制规则模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头脑中的一种技术知识集合。手动控制过程一般是通过对被控对象(过程)的一些观测，操作者再根据己有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。手动控制的作用同自动控制系统中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手动控制决策是基于操作系统经验和技术知识，而控制器的控制决策是基于某种控制算法的数运算。利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制策略上升

41、为数值运算，于是可以采用微型计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现所谓的模糊自动控制。建立模糊控制规则表的基本思想是，首先考虑误差为负的情况，当误差为负大时，若当误差的变化为负，这时误差有增大的趋势，为尽快消除己有的负大误差并抑制误差变大，所以控制量的变化取正大。当误差为负而误差的变化为正时，系统本身己有减少误差的趋势，所以为尽快消除误差且又不超调，应取较小的控制量。当误差为负大且误差变化为正小时，控制量的变化取为正中。若误差变化正大时，控制量不宜增加，否则造成超调会产生正误差，因此这时控制量变化为零等级。当误差为负中时，控制量的变化应该使误差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选取同误差

42、为负大时相同。当误差为负小时，系统接近稳态，若误差的变化为负时，说明系统有偏离误差的趋势，所以选取控制变化量变化为正中，以抑制误差往负方向发展;若误差的变化为正时，系统本身有趋势消除负小误差，那么根据这种趋势的强弱，可选取控制量变化为零、正小、正中。2.3 加热炉控制系统仿真研究2.3.1 PID控制目前，常规的PID调节器广泛应用于工业过程温度控制，它通过调节PID控制器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，以适应各种不同的对象。在PID控制算法中，存在着比例(P)，积分(I),微分(D)三种控制作用。这三种控制作用的特点如下：1)比例控制作用的特点系统误差一旦产生，控制器立即就有控制

43、作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。缺点是对于具有自平衡(即系统阶跃响应终值为一有限值)能力的被控对象存在静差。加大Kp可减小误差，但Kp过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。2)积分控制作用的特点：能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。3)微分控制作用的特点： 通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。PID控制具有以下优点：1)原理

44、简单，使用方便；2)适应强；3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不敏感。由于具有这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是PID控制。根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。然而，PID控制算法有它的局限性和不足，由于PID算法只是在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的效果。当一个调整好参数的PID控制器被应用到模型参数时变系统时，系统性能会变差。另外，在对PID参数进行整定的过程中，PID参数的整定值是具有一定局限性的优化值，而不是全局性的最优值，因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。加热炉的温度控制属于典型的过程控制，因此

45、我们最先想到的控制方案就是采用传统的比例积分微分(PID)调节器进行控制。建立SIMULINK模块功能图如图2.3：图23 PID模块功能图仿真结果如图2.4所示：图2.42.3.2 模糊控制与传统PID控制方法相比，模糊控制具有许多优点。模糊控制是在模糊数学基础上产生的一种数理控制技术，可解决常规控制策略无法处理的不确定性问题。模糊控制因其具有较好的适应对象参数变化的能力，不需要建立对象精确的数学模型等优点，在实际中得到了广泛的应用。作为一门新兴科学，它还处于发展阶段，其在过程控制中虽已初见成效，但还没有一套系统的方法来设计模糊控制器。对此中控制方式影响最大的是模糊控制规则的确定及其可调整性

46、，因而模糊规则的获取是模糊控制理论中的问题之一。从某种意义上讲，模糊控制理论的发展也是围绕模糊控制规则的获取展开的。目前存在的主要问题是建立模糊控制规则困难，有众多的参数待定，且选择恰当与否至关重要。典型的模糊控制具有以下的优点：1)设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据；2)模糊控制也可用于模型确定的对象；3)系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制；4)模糊控制方法可与经典控制方法相结合，因而灵活多变、形式多样；5)由过程的定性认识出发，较易建立语言变量控制规则。但是模糊控制特别是一般模糊控制在应用上仍存在一定的局限性，特

47、别是在静态、动态性能要求较高的领域受到较大的限制：1)虽然模糊控制系统的动态品质对于对象参数的变化不敏感，但其稳态品质对于对象参数的变化却是比较敏感的，系统可能产生相应的稳态误差或自激振荡；2)基本模糊控制只利用误差和误差的变化率，且控制论域等级是固定的，因而它不但无法使整个系统的稳态误差降到最小极限，而且系统的动态品质受到限制；3)误差和误差变化率的动态范围需要反复整定：4)没有一套系统的方法来产生规则和进行自学习；5)对于较为复杂的系统，很难得到较为完善的控制规则；6)模糊控制是一种仿人的操作过程，一般不会出现不稳定，但其稳定性没有严格的理论依据。2.3.3 模糊PID控制由于常规PID不

48、具有在线整定以上系数的功能，不能满足系统在不同误差E和误差变化率EC情况下对参数的自整定要求，很难建立系统精确的数字模型，无法达到智能温度调节控制的理想效果。通过上面的分析不难看出，对于加热炉这样的受随机因素干扰的、具有大惯性、纯滞后的非线性分布参量的随机过程的控制对象，采用单纯的PID控制或模糊控制都不能取得良好的控制效果。大量的理论研究和工程实践也充分证明了这一点。因此，人们提出了将模糊控制和传统的PID控制结合起来的复合式控制方案模糊PID控制。这种方案即能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调量小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在一些工业过程控制中，这种

49、控制方案得到了良好的运用，在实际生产中取得了较好的效果。建立SIMULINK模块功能图如下：图2. 5 Fuzzy 模块功能图仿真结果如图2.6所示：图2.62.3.4 仿真结果分析由仿真图可得出：由PID控制器控制的系统： 最大超调量：调节时间：由模糊PID控制器控制的系统最大超调量为0调节时间：根据前面的仿真实验和仿真分析，可以总结出以下几点结论：(1)模糊PID控制对惯性时间常数变化的适应能力比常规PID控制强；(2)模糊PID控制对纯滞后时间的鲁棒性比常规PID控制好；(3)模糊PID控制的动态特性、控制精度比常规PID控制好；(4)模糊PID控制系统比常规PID控制系统的稳定性好。总

50、结整个设计调试过程，可以得出以下结论：(1)在整个过渡过程中，起始阶段的控制、调整尤其重要，因而，必须重点设计好Kp, Ki,Kd的模糊控制规则；(2)系统接近稳态时，调节系数Kp，Ki，Kd.必须具有一定的数值，以保证系统能够尽快进入稳态，同时，使系统在稳态时具有一定的抗干扰能力；(3)仿真调试过程中，系统仿真对调节过程和仿真结果有很大影响，所以，必须注意仿真参数的选择。2.4 本章小结本章基于模糊和PID控制原理给出了模糊自整定PID控制器的具体实现方法，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其基本设计思想是将模糊决策理论和PID控制结合起来，发挥两者的优点，满足不同时刻的e和ec对参

51、数自整定的要求。并用MATLAB仿真实现了PID控制和模糊自整定PID控制器的性能比较，给出了仿真曲线，说明了模糊自整定PID控制器响应特性优于PID控制，并具有较好的鲁棒性。仿真结果表明，基本模糊PID控制器的控制效果明显比常规PID较好，尤其是在抑制超调方面，模糊控制器几乎无超调。3 系统硬件部分设计3.1 主控板设计3.1.1 确定主控板的功能系统采用MCS-51系列的单片机8031，这是Intel公司80年代推出的单片8位计算机。从应用的角度来看，它有以下优点：1.集成度高 单片机8031的内部含有128B的RAM，4个8位并行口，一个全双工的串行口，两个16位定时计数器、片内时钟振荡

52、器、两种优先级的五个中断源的中断结构、64KB的程序存储器地址空间和64KB的数据存储器地址空间。并且由于集成度高，焊点少，可靠性也大大提高。2.速度快，处理能力强8031指令系统含有大量的算术运算、布尔运算和逻辑判断、转移指令，并且有丰富的位操作功能。在采用12MHz晶振时，它执行一条单字节的乘法指令仅需4微秒，这个速度足以满足工业过程控制系统的要求。3.扩充性好，寻址范围大另外，8031还具有特殊的多机通信功能，很适合于用作分级分布式控制系统中的直接控制级。主控板必须完成信号响应、采集、比较、控制、计算及信号输出，发出对显示电路和触发板的控制信号等功能。因此，主控板的设计对整个系统而相当关

53、键。由于单片机采用大规模集成电路器件，集成度高，因面具有结构紧凑、功能强、体积小、可靠性高、面向控制和价格低廉等一系列优点，特别适合于控制型应用领域，因此，我的设想是采用MCS-51单片面为核心，与74 LS373地址锁存器和程序存贮器共同组成单片机基本系统，用以完成数据采集、处理、运算控制、显示等功能，主控板硬件结构图如图3.1所示：图3.1主控板硬件结构图3.1.2 处理器及A/D、D/A转换芯片的选择1. 单片处理器选型中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号线联系起来加以讨论，并

54、涉及相关的硬件设备（如振荡电路和时钟电路）。   (1) 运算部件：它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。    MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算

55、指令时，B中存入除数及余数。MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。    运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布

56、尔处理器进行位操作的一个累加器。    MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。    (2) 控制部件：控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。当前市场中单片

57、机的种类和型号很多，有4、位、8位、16位以及32位的有I/O功能强的，输入输出点数多的:内含ROM和RAM各不相同，有扩展方便的，有不能扩展的;有带片内A/D的，有不带片内A/D的。因此要结合系统的I/0点数以及模拟量I/0通道数以及单片机本身的情况合适地选择单片机型号使其满足控制对象的控制要求又不浪费资源为好。单片机选择主要应考虑对象要求的控制精度，响应速度、开发环境等因素但在很大程度上，我们选用单片机的种类和型号，基本上取决于我们对某些种类型号的熟悉程度以及我们手头所具备的开发系统条件。单片机的开发以及调试都需要仿真器系统，因此对仿真器系统的熟悉程度往往决定了选用单片机的类型。我国内8位单片机仍旧以INTEL公司的MCS-51系列为主流机型，故8位单片机的开发系统以主要开发51系列的单片机开发系统为多。2. EPROM的选型 M2764、2764是8K*8字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维