工业电阻炉温模糊控制系统的设计

1、工业电阻炉温度模糊控制系统的设计摘要本文根据实际生产过程的温度特性，针对时滞和不确定的复杂非线性系统 的控制问题，提出了一种模糊控制系统方案，该模糊控制器用于电阻炉的温度 控制，可在模型未知的情况下，根据被控温度的偏差大小，选取适当的控制算 法进行自动调节，使炉温达到给定值，方案结构简单，无需被控对象的精确数 学模型，且能适应环境的变化，具有控制精度高、动态性能好的特点。电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、 升温单向性等特点。在实际应用和研究中，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

2、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（IF-THEN ）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。国内现有的一些模糊设计方法大多存在不同缺点， 而且真正把理论研究应用到实际系统的实例较少。所以，深入研究在电阻炉系 统控制中具体应用模糊控制设计理论是十分必要的。关键词：电阻炉；模糊控制器；温度控制；控制仿真A Design of Temperature Fuzzy Control System ofIndustry Resistor FurnanceAbstractIn this paper, accordi ng to the temper

3、ature characteristic of the real product ion process, and in view of skew ing and un certa in complicated non-li near con trol questi on systematically, this paper puts forward a kind of fuzzy con trol system scheme, whose scheme structure is simple and which does not n eed the target's accurate

4、 mathematical model, and can adapt to the change of the environment , controlling the characteristic with high precisi on and with good dyn amic performa nee. This fuzzy con troller is used in resista nee furn ace temperature con trol. Satisfactory result has bee n obta in ed.Electric heating furnac

5、e is heated by resistance wire, so it has non-linear, great lagg ing, big in ertia, time vary ing and uni directi onal rising. In practical study and applicati on, the temperature con trol of electric heati ng furn ace has met the followi ng difficulty: First, it is very difficult to set up accurate

6、 mathematics model; Second, we can't well solve the problems of non-linear, great lagging etc. The classical control theory based on accurate mathematics model and moder n cyber netics have met great difficulty in solving these problems, but the fuzzy control theory based on regular Ianguage mod

7、el of IF-THEN is an effective way of solving the above-mentioned problems. Some domestic existing fuzzy design methods mostly have different shortcomings, and practical systems applied by theoretical research are less really. So further in vestigat ing how the fuzzy desig n theory system is applied

8、in con trol system of electric heati ng furn ace is very n ecessary.Keywords Resistance furnace fuzzy controller； temperature control目 录摘要.AbstractII第1章绪论1.1.1课题背景1.1.2工业电阻炉的介绍 1.1.3模糊控制的研究与进展 .4.1.4模糊控制在工业电阻炉上应用的可行性 6第2章模糊控制理论7.2.1 引言7.2.2模糊控制系统组成及工作原理8模糊控制系统的组成9模糊控制系统工作原理 92.3模糊控制器的结构与设计9第3章电阻炉温度模

9、糊控制系统的设计1 33.1电阻炉温度模糊控制系统 1.33.2温度控制系统硬件设计概述1.4温度传感器的选择 1.4温度信号转换电路1.53.2.3 A/D转换与开关量输出接口 1.6可控硅触发电路163.3模糊控制器的设计及实现1.6模糊控制器的设计步骤1.73.4模糊控制与PID控制方法的比较24两者之间的联系24第4章模糊控制器的硬件设计264.1 89C51型单片机模糊控制器的系统功能机硬件组成 26单片机模糊控制器的系统功能 2 6单片机类型的选择274.2 89C51型单片机模糊控制器的硬件系统组成 2 74.2.1 89C51型单片机模糊控制器前向通道得设计 294.2.2 8

10、9C51型单片机模糊控制器后向通道得设计 304.2 89C51型单片机模糊控制器主程序结构 3 14.3 89C51型单片机模糊控制器的算法程序 3 2第5章电阻炉温度控制仿真345.1仿真工具MATLAB345.2模糊控制器的设计345.3 MATLAB环境下仿真 35结论40致谢41参考文献42附录A43附录B50第1章绪论1.1课题背景电阻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，目前国内的电阻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工艺技术要求。电阻炉由电阻

11、丝加热，温度控制具有非线 性、大滞后、大惯性、多变量、时变性、升温单向性等特点。在实际应用和研 究中，电阻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 (IF-THEN)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。自1965年Zadeh提出模糊集合论以来，模糊控制作为模糊理论应用的一个重 要分支，己经发展成为具有一定系统化理论及大量应用背景的新兴学科，并且 成功地应用于工业过程控制、家用电器、机器人操作、机车控制、航空航天等 诸多领

12、域。模糊控制理论日趋成熟，并且由于其基于人的逻辑推理、不依赖控 制对象的精确数学模型这一特点，体现了它巨大的优势和潜力。基于单片机技术的控制器自80年代以来取得了巨大的成功，尤其是微型计 算机的蓬勃发展，使得单片机控制器具有强劲的优势。因此，寻求适合单片机 控制器的控制技术一直是控制人员关心的课题。在现有设备及技术条件下，应 用现代控制理论很难设计出有效而且实用的控制器，在工业控制领域，应用现 代控制理论设计出来的控制器的效果往往还不如根据经典PID理论设计的过程控制器的控制效果。到目前为止，在工业控制过程中，占统治地位的仍然是经 典的PID控制调节器，其比例达到了 90%以上。但是PID控制

13、技术在处理一些 非线性、时滞性大又不便建立数学模型的控制对象时，如上述的电阻炉，存在 着两个固有的缺陷：第一、参数调节困难，尤其对于参数变化大的控制对象； 第二、不适宜具有大时滞的控制对象。尽管1957年Smith提出Smith预估器控制策略，但必须以精确的数学模型为前提。因此，研究先进的模糊控制策略， 以及在单片机上的实现，从而使模糊控制技术更好地应用在电加热炉温度控制 系统以及其它的过程控制，具有很高的理论价值和应用价 O1.2工业电阻炉的介绍工业电阻炉是工业上很常见的工业设备。下面对它进行一些简单的介绍：(1) 电加热原理：当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成

14、损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：Q= 0.2412 Rt(1-1)按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时：Q= (0.24 W00 X36000)/1000=864 千卡(1-2)在电热技术上按I千瓦小时二860千卡计算。电阻炉在结构上是使电能转换为热 能的设备，它能有效地 用来加热指定的工件，并保持高的效率。(2) 分类：电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。 间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通 过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料 被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，

15、使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部 分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热 式。(3) 用途：工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。 如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。机械另件及半成品的热处理以改善其 机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。亦有用于烧 结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。(4) 主要的技术特性：电阻炉消耗电能转换来的热能。一部分由电炉构筑材料及传热的各种因素 而散失到空间去了，另一部分则用于对炉内工件的加热，前面的一部分形成了 电

16、炉损失功率，后一部分形成了电炉有效功率。当电炉开始升温时，炉内砌砖体大量地吸收热量，以提高本身温度，在停炉冷下来时又把这一部分热量散失 到空间去；这一部分形成炉体蓄热损失。一台先进的电炉应具有低的空炉损失 及高的有效功率。较少蓄热相失。空炉损失的大小是衡量电炉效率好坏的重要 指标，空炉损失小的电炉，可以得到高的技术生产率及低的单位电能消耗比。 一般工业电阻炉的效率。小型电炉较低一些。大型电炉较高一些，从10-100千瓦的箱式电炉效率约为 65%-85%，空炉损失约占总功率的 35%-15%。电炉 从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有明显影响的，升温时间短则 炉子投入正常使用的时间就较长

17、每天的生产率就较高，每公斤工件的电耗量就 降低，所以要尽量采用热惯性小的炉衬材料并降低炉体蓄热量来加快电炉的升 温速度：炉体的蓄热量对周期作业炉影响很大，尤其是每天一班或二班生产的 电炉。对连续作业炉其影响就不明显。加热能力是一台电炉的主要技术指标， 加热能力是指电炉的有效功率，从理论计算上在一个小时内能把指定的材料加 热到额定温度的最大重量数，以公斤/小时计算。(5) 电阻加热炉基本结构及型式 ：电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的，由于各种加热工艺及冶炼工 艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产品。电阻炉炉体结构，分周期式及连续式二个型式来分别介绍。周期式作业炉分为箱式电炉，台车式电炉、井

18、式电炉等：箱式电炉，外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工 作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或 支架。中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大，所以一般均直接在 底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底 盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。中小型电 炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也 设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密的与 门框接触，减少漏气。大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元 件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面

19、上布置，为了得到良好的热场，最好在 炉顶上也布置电加热元件，因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以 上下两个方面加热比左右两个方面更为有效。大型及中型电炉可以在炉门上及 后墙上适当的布置一些电加热元件，以减少炉内的温差，为了保证炉门口的热 损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲 密封性。井式电炉一般均为圆筒形炉膛，内径一般最小为600毫米，大小了，安装维修时不方便；炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手动机构开 闭，大型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在1-1.5的电

20、炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在2以上时。工件大部用吊挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，控制区的设置一般以直径的1-1. 5倍为一个。在温度控制要求不高时。有时一个控制区长度达到直径的2倍。可控气氛箱形多用炉一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型 钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边设有水冷壁的空气冷却室。 中间有通过工件的轨道及上下升降的料架，由顶上的气缸来操作（可电气动或液动）下降时工件进入冷却槽，进行快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛 中缓冷。炉膛在前室后边，中间有一个炉门隔开，进料出料时。炉门由上部气 缸打开。炉膛由抗渗碳砌成。电加热器有两种形式，

21、一种是由高电阻合金板材 制成；为了消除表面积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；另一种 为辐射管式的，水平或垂直的插入炉中，管中用大切面圆形电阻线组成金属发 热器。炉内具有强力的风扇，炉子前面为一个推料装置，用以向炉内进出料， 电炉附有气体发生器或直接向炉内滴注有机液及碳势控制设备。连续式电炉有推杆式及传送带式：推杆式由三个部分组成，炉体是用型钢、钢板焊成，由于这一类电炉较 长，重量及装料量亦较大，炉体一般均在工地安装，设计上可米用无钢性底盘 的结构，在特定的地基上进行安装，总装完成后，不能吊装、移动，炉内的砌 体上设有轨道以放置料盘及工件，低温的电炉，炉顶一般是做成与下炉体可以分开的，

22、在炉顶上有专用的导风板及风扇，推料机可以是机械的，或液压的。对单排轨炉每动作一次向炉内推入一盘料，出料部分在中小型的炉中可用人工 拉出的，也可以是用机械方式出料的，各种动作由电气控制装置自动操作。传送带式电炉，炉体与推杆式的相似，不同的只是炉内用一条环形的耐热 钢制的传送带来传送工件，传送速度由一台无级变速电机及减速机或机械变速 机来调节。一般电炉的砌砖体组成，简单的介绍如下：炉中表层炉膛砖在 1200C的电炉中，一般用比重 0.8或0.6高铝质或轻质粘土砖。在1000C以下 的一般用比重0.6的轻质粘土砖。在推杆式及传送式电炉中，及大型电炉中， 一般宜采用较重的砖，以保证砖体具有较长的使用寿

23、命，而较厚的保温层一般 是用来保证电炉具有较小的热损失。在700。1000的电炉中，一般用113毫米厚的保温耐火层及113-180毫米厚的保温层。在400-650C的电炉中，用65 113毫米厚的保温耐火层及 65-113毫米厚的保温层。1200的电炉中可用113 毫米厚的耐火层及65-113毫米厚的高温隔热层及135-180毫米厚的保温层。 一般小功率的电炉可用较薄的砖层，功率大的电炉可用较厚的砖层。1.3模糊控制的研究与进展在科学技术发展史上，控制科学同其它技术科学一样，它的产生与发展主 要由人类的生产发展需求和人类当时的技术和知识水平所决定的。从古代亚历 山大运用反馈控制来调节水流的水钟

24、到现代太空和大规模复杂工业系统的综合 自动化，控制科学在技术进步中都起着十分重要的作用。直到二十一世纪的今 天，人们仍在不停的探索。从1788年 J.Watt的飞球调节器控制系统为起点，控制 理论经历了古典控制理论、现代控制理论、及智能控制理论的发展过程。1965年美国加州大学的LAZadeh教授在其发表的著名论文 “Fuzzgets ”， 首次提出用 隶属函数”的概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论，从此奠 定了模糊数学的基础。1974年英国学者首次把模糊集合理论成功地 应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际工程 上应用之先河。在此后的短短 30多年里，模糊控制获

25、得了长足的发展，在理论 和应用上都取得了令人惊叹的丰硕成果。1985年世界上第一块模糊逻辑芯片在美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用化的又一里程碑。90年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动了欧 美和其它国家，进一步促进了模糊技术的发展。模糊控制的发展大体分为三个阶段：基本模糊控制；复合模糊控制；仿生模糊控制。模糊控制在短短的三十多年中发展如此迅速，足以说明其具有很 大的理论和实际意义。理论研究和实际应用都表明模糊控制具有良好的控制性 能，具有响应速度快、抗干扰性强、鲁棒性好、控制算法简单等优点。早期研制的模糊控制器，应用在一些较简单的控制系统中，以模糊

26、逻辑语 言为出发点，采用L.A. Zadeh教授提出的模糊关系合成推理规则，得出控制决 策，属于基本模糊控制。由于其设计过程简单，成本低廉，控制效果也较为明 显，至今广泛应用于控制领域。历经几十年的研究与实践，基本模糊控制逐渐 暴露出自身的局限性，对于那些较为复杂的非线性、时变性较大的多变量系 统，不能进行有效的控制。于是，研究人员借助传统控制方法，将传统控制方 法和模糊控制相结合，扬长避短，形成复合控制，这也是模糊控制的又一进 步。基于复合模糊控制的许多模型有效地解决了多年的控制难题。近几年来， 随着各个学科知识的交叉发展，边缘学科呈现强劲的发展势头。首先是神经网 络理论的系统化和完备化，促

27、进了神经网络控制，包括模糊神经网络控制的发 展。紧接着是进化计算(特别是遗传算法)的兴起，人们将这些理论与控制冋题结 合起来，逐渐发展成为基于仿生学的模糊控制，简称仿生模糊控制，标志着自 动控制己经进入智能化的崭新阶段。模糊控制之所以能获得这样迅速的发展，与其自身具备的特点不无关系， 模糊控制的突出特点在于：(1) 模糊控制器是建立在对专家、操作人员的经验和现场操作数据的模仿总 结基础之上，这种控制器的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，而只需 要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。(2) 控制系统的鲁棒性强，对于非线性时变滞后系统，因为其对参数变化不 敏感，所以其动态特性和静态特性均优于

28、常规控制手段。(3) 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的知识”。控制推理采用 不精确推理(approximate reasoning) ”。由于推理过程模仿 人的思维过程，加入了人类的经验，因而能够处理复杂甚病态”系统。模糊控制理论之所以能广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身 提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。从 广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式对难以建立精确数学 模型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物。对于复杂系统(具有非线性、大时滞、多变量等特点)，经典控制理论和现代 控制理论在忽略一些

29、认为是次要因素的前提下，建立系统的传递函数模型或状 态空间模型。这样处理的结果固然可以得到精确的数学模型(有时也不能得到),但是次要因素的忽略可能使本来明确的概念模糊起来。但系统受模糊性因素的 影响不断积累时，将使得以建立的精确数学模型无法描述系统的动态特性；相 反，当 人”作为系统中的一元，参与系统动态过程时，系统的特性将会得到很 大的改善模糊控制与常规控制方法相比，有以下优点：(1) 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建 立数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。(2) 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不 明显，可以用于非线性、时变、

30、时滞的系统。(3) 由离散计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控 制应用打下了基础。1.4模糊控制在工业电阻炉上应用的可行性在工业生产过程中，电阻炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性 或结构发生改变。电阻炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温 靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方 法难以得到更好的控制效果。另外对于 PID控制若条件稍有变化，则控制参数也 需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控 制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验

31、不易精确描 述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决 这一冋题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并 把这些模糊控制规则及有关信息（如评价指标、初始PID参数等）作为知识存入 计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实 现自动对PID参数的最佳调整。从以上的分析可知模糊控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时 变，类似于电阻炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论 研究和实践也充分证明了用模糊控制电阻炉温度是一种非常好的解决方法。它 发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小

32、的特点。因此在 温度控制器设计中采用模糊控制。第2章模糊控制理论2.1引言在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中，温度控制是较普遍且较关键的控 制系统，它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性。采用常规的PID控制器，一般很难实现对其快速有效地精确控制。而作为非线性控制的一个分支-模糊控制，在温度控制系统中得到了较好的应用。学术界对模糊现象的研究由来已久，从20世纪20年代开始，就一直有学者在对此问题进行研究，直到1965年，美国柏克莱加里福尼亚大学电气工程系 教授，把经典集合与J丄ukasiewicz的多值逻辑融为一体创立模糊集 合理论，从而真正开辟了解决模糊问题的科学途径。在他的<<

33、FuzzySets>>,«Fuzzy Algorith>> 和 <<A Rati on ale for Fuzzy Con trol>> 等著作中，首先 提出了模糊数学和模糊控制的概念。其核心是对复杂的系统或过程建立一种语 言分析的数学模式，使人的自然语言直接转化为计算机能接受的算法语言。模 糊集合理论为处理客观上存在的一类模糊性问题提供了强有力的工具，所以作 为模糊数学的一个重要应用分支的模糊控制理论由此应运而生。模糊理论发展至今只有将近 40年，其友展极为巡速，研究大致有以下几 个方面：1、自适应、自学习模糊控制理论的研究；2、模糊

34、推理策略的研究；3、模糊辩识模型的研究；4、模糊控制系统稳定性的研究；5、模糊控制器的硬件实现。而在工程上，模糊控制的工程应用也在不断发展。最早是英国伦敦大学教 授在1974年首先利用模糊语句组成的模糊控制器对锅炉和气轮机 的运行进行控制并取得了成功。之后，有一大批学者致力于模糊控制工程应用 的研究。自20世纪80年代后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，并且其应 用技术逐渐趋向成熟，应用面也逐渐扩展，主要反映在：1、从以大型机械设备和连续生产过程为主要对象扩展到大众化机电产 品；2、向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统等纵深方向拓 展；3、在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等

35、专用芯片，开发模糊 控制用的通用系统。现在，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等领域中都得到了实际的应用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、 非线性系统以及无适当传感器可检测系统中的良好应用效果。总之，模糊控制具有一系列传统控制所无法与之比拟的优点：1、无需预先知道被控对象的精确数学模型。所以可以对那些数学模型难 以求取或无法求取的对象进行有效控制。2、 由于控制规则是以人的经验总结出来的条件语句表示的.所以对于对 模糊控制理论不熟悉的人来说也很容易学懂和掌握模糊控制的方法。3、由于控制知识是以人的语言形式表示的，故有利于人机对话和系统知 识的处理，从而使系统处理

36、更具灵活性和机动性。所以模糊控制技术目前正在各个领域得到广泛应用，当然其仍有很多问题 有待解决，这些也就是我们所将面临的主要工作：1、模糊控制在多变量、非线性复杂系统应用的模糊建模、模糊规则的获 取和建立、模糊推理算法的深入研究；2、如何根据研究系统的性能综合指标，来设计和优化模糊控制器的结构 与参数；3、根据不同研究对象，研究模糊控制器中模糊推理合成算子的选取，以 及非线性程度对模糊控制器控制效果的影响；4、模糊控制系统基本理论的研究；5、自学习模糊控制策略和智能优化系统结构的研究及实现；6、传统控制与模糊控制构成的模糊集成控制系统；7、神经网络理论与模糊控制理论相结合，取长补短，形成模糊神

37、经网络 (Fuzzy-Neural Network )，组成一种更接近于人脑的智能信息处理系统；8把已取得的理论研究成果尽快地应用到工程实际过程中，使其尽快转 化为生产力；9、简单、实用且具有高性能模糊推理功能的模糊集成芯片、模糊控制用 的通用控制器和模糊控制用的通用系统的研究、开发以及推广应用；基于以上所述情况，本文工作以 PCT V实验系统中的已有的西门子 57-300 可编程序控制器的硬件设施及其编程软件为基础，实现对电加热器的模糊控 制，力求在模糊控制的工程应用研究方面进行一些实际工作，即将人类具有的 比较单纯的宏知识移植到受控对象上来，实现比现有的自动化机械具有更好的 功能，以PLC

38、编程为实现手段，进行有较强针对性的工程应用尝试。2.2模糊控制系统组成及工作原理模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的 规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环机构 数字自动控制系统，其核心是具有智能性的模糊控制器。由此可见模糊控制技 术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互 渗透、理论性很强的科学技术。2.2.1模糊控制系统的组成模糊控式：给定值模糊控制器 D/A传感器被控对象执行机构图2-1模糊控制系统组成图2-1即为模糊控制系统的一般组成，根据人手动调节方式经验建立一种数 学描述实现控制。模糊控制系统组成具有

39、常规计算机控制系统的结构形式，如 图，通常包括模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等 五个部分组成，其核心是模糊控制器。模糊控制系统的工作主要体现在其核心部件模糊控制器的工作上，其工作 主要分为三步：模糊化，模糊决策，清晰化。如图 2-2所示：图2-2模糊控制器结构原理图模糊控制系统工作原理首先，我们得到一个测量变送来的精确量e,按照一定的隶属度关系将其进行模糊化得到模糊矢量E,然后，根据实际手动控制经验建立的模糊规则及输入模糊矢量和输出模糊矢量的隶属度函数所决定的模糊关系R进行模糊推理,做出模糊决策，最后，将此决策的模糊量按一定的算法转化为精确量送至执行 机构进行动作。其

40、中最为关键的一步是将操作者的经验总结成若干条规则，经 过相应的模糊数学处理，存放到计算机中，形成模糊控制规则，并仿照人脑的 模糊推理过程，确定推理法则5。2.3模糊控制器的结构与设计模糊控制器的设计是一个典型的工程应用问题，一般包括以下几点基本要 求:1、模糊控制器的结构选择；2、模糊规则的选取；3、确定模糊控制器模糊化和解模糊化的方法；4、模糊控制器的参数确定；5、模糊控制算法程序的编写。模糊控制器的结构选择根据被控对象的特性，一般将模糊控制器按结构分为单输入单输出(SISO)和多输入多输出(MIMO)两种。由于对于一些复杂的MIMO系统难以直接提取控制规则，所以常用的方法是将其化为MISO

41、结构，然后利用SISO系统的设计方法进行模糊控制器的设计，即多变量控制系统的模糊解祸。故此处仅讨论 SISO系统模糊控制器的设计。单变量模糊控制系统中，通常把单变量模糊控制器(SVFC)的输入量个数称为模糊控制器的维数，基此，一般可将单变量模糊控制器分为一维模糊控制 器、二维模糊控制器、多维模糊控制器。综合而言，二维模糊控制器在控制过 程中不仅对被控量的误差进行反馈，同时还要对被控量的误差变化率进行反 馈，从而保证系统的稳定性，不至于产生振荡现象，是较为理想，也是最为常 用的模糊控制器。模糊控制器的控制规则设计针对具体的被控对象的不同，控制器的设计也大不相同，但总体设计思想遵循Zadeh的五言

42、体原则，X,T(X)，U,G,MX:语言变量名称T(X):语言变量的语言值集合U:论域G:语法规则，决定X应取的语言值M:语义规则，定量产生隶属度函数描述语言值 根据Zadeh和五言体建立模糊规则的步骤如下：1、模糊语言变量的确定。根据语法规则，选择输入输出模糊语言变量的词集:对于描述误差和误差变化量等语言变量的语言值一般是"NB, NM, NS, 0, PS,PM, PB" 7个元素的词集。2、确定语言值的隶属度函数。把精确量离散化，并将其由基本论域变换 到模糊论域，根据语义规则定义各模糊变量的模糊子集，即形成隶属度函数或模糊变量赋值表。这里要注意隶属度函数曲线形状对控制

43、性能的影响：另外，还要注意使模糊子集分布合理，覆盖整个论域。隶属度函数可以是连续的隶属度 函数曲线，也可以由离散的量化等级形式表示。几种常见的隶属度函数类型：也可以由离散的量化等级形式表示。几种常见的隶属度函数：(1)三角形函数。其形状和分布由三个参数表示。(2-1)此函数线性、简单，广泛应用于实际工程场合。（2）高斯型。其隶属度函数连续且点点可求导，是描述模糊子集的一种比 较合理的形式，用两个参数描述i（x） =exp -（x -c）2：2（2-2）此函数连续且点点可求导，适合自适应、自学习模糊控制。3、据手动控制经验建立模糊控制规则表。这里采用的是经验归纳法，遵循的设计原则是：误差较大时，

44、控制量变化应尽力使误差迅速减少：误差较小时，主要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至震荡。4、 模糊推理。对于二维模糊控制器一般有如下条件形式：If Xis Ai and Y is Bi then Z is CiIf X is A2and Y isB2 thenZ isC2其输入量一般为孤立精确点，以此为基础进行模糊推理，它不同于模糊集 似然推理方法，较常用的有以下三种推理方法：（i）马丹尼极小运算法：%(z) = w八先艸八巴2（z）1（2-3）式中w巴）叫（y）（2-4）魁叫佻）嚼（%）（2-5）（2）拉森乘积运算法:%(z)=WCi(z) *LW2 乜（2-6）式中W-!和w

45、2计算同上（3） Tsukamoto 运算法：WizH W2z2ZoW十 w2（2-7）式中zi 二吃(Wi)（2-8）(2-9)z2二吒他)式中w,和w2计算同上5、解模糊。以上模糊推理的结果一般都是模糊值，需要先转化为执行机构可接 受的精确量再作用于被控对象，此过程即为模糊，或模糊判决，即根据模糊推 理的结果，求得最能反映控制量的真实分布。目前解模糊过程尚无系统统一的 方法，仅列出较常用的几种方法：(1)最大隶属度法。直接选取模糊子集中隶属度最大的元素作为输出控制量。 模糊数学表达式如下：y(u*)-Y(u) u U(2-10)其中输出论域为L, 丫取输出模糊子集逻辑。此方法计算简明，突出

46、主要信息，但显得比较粗糙，适用于性能要求一般 的模糊控制系统。(2)中位数法。也称重心法，质心法，面积中心法，数学表达式如下：u* = =Y(u)udu. JY(u)du(2-11)uu若论域为有限离散点，可采用以下公式求取：Z C(zJ = £ C(Zj)(2-12)Z1 三2Zj :Z* 1设U=z1,z2，该方法包含了模糊子集较多信息，但计算方法比较复杂特别 不适用于隶属度函数在连续论域的情况。加权平均法。计算公式如下(2-13)“Cj(Wj) WjWjWj)Wj和j(Wj)分别表示各对称隶属度函数的质心和隶属度值。更一般的表示有(2-14)3。*7 kj Wjz =kj其中k

47、j为任取的加权系数此外，还有求和中心法，最大面积中心法，首、尾最大值法等等，本文于 篇幅，不一一进行详细介绍，相关文献中均有论述。第3章 电阻炉温度模糊控制系统的设计3.1电阻炉温度模糊控制系统电阻炉模糊温度控制系统结构如图3-1所示，本系统以电阻炉为被控对对象，由镍铬/镍硅热电耦测量被控对象的温度，通过滤波、放大，送至A/D转换器。这样通过采样和 A/D转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字 量送入计算机模糊控制器，计算出该电压信号对应的温度值与给定温度进行比 较，得到偏差，计算机由偏差信号计算出相应的控制量控制可控硅的导通角，从而调节电阻丝两端的电压，进而控制对象的温度，使得对象的

48、实际温度最终达到给 定的温度。电阻炉电热林一可控硅 D/A通讯RAM图3-1电阻炉温度控制系统原理图在实际的控制系统设计中，要从上述的原理图简化出其模型图，以便于系 统进行分析。结合控制系统原理，简单描述电阻炉控制系统的模型，得本系统 的简化模型图如图3-2所示：模糊控制器D/Au 可控硅触发温度变送器*A/D *图3-2控制方框图将计算机模糊控制器略为控制器，将可控硅触发电路和电阻炉归并为对象，略去信号变换部分（A/ D转换器），进一步简略，可以得到系统框图如图3- 3,图中输入信号r为设定温度，输出信号y为实际温度，e为误差，u为控制信 号。从图中可以看出，整个系统的数学模型可分为控制器和

49、对象两部分。r坯控制器u对象y f图3-3系统框图3.2温度控制系统硬件设计概述在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中，温度控制是较普遍且较关键的控 制系统，它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性。采用常规的PID控制器，一般很难实现对其快速有效地精确控制。而作为非线性控制的一个分支-模糊控制，在温度控制系统中得到了较好的应用。3 9为实现所要求的功能，系统通过软硬件配合，初步方案如图3-4所示。首先完成电阻炉炉内温度采集，输入计算机后通过软件完成数据处理，再输出控 制量。图3-4测控系统总体方案框图其中采集数据要完成的任务：将非电量信号 -温度转换成电信号，在对电信 号作适当的线性放大，数字化后

50、送入计算机。计算机是测控系统的核心部分：首先计算机通过软件来控制硬件完成数据 采集工作，再依据控制决策来输出控制的电信号。处理数据部分要完成的任务： 由测得的工况数据，计算其输出。其前提是要在计算机中存入已经建立的对应 数据的转换形式。在第2章中已给出电阻炉模糊温度控制系统结构图，在系统中除控制系统的核心部分一模糊控制器外，还由温度传感器，温度信号转换电路；A/D、D/A转换与开关量输出接口；可控硅触发电路等部分构成。下面就这几部分的设计 做简要说明。温度传感器的选择本系统中采用的为K型镍铬-镍硅热电偶。采集温度信号只需要一路采集炉温，由于热电偶测温范围广（-100摄氏度1300摄氏度）131

51、5，而且测量精 度高，结构简单，热惰性小，输出为电信号便于事先远距离传送和集TO中检测、自动控制，因此在测量温度信号时选择它。TOTOB X/AT图3-5热电偶测温原理图其电压与温度的对应关系为：当 uv 2.4902 时，T = ?0.77633+ 249.95196 u-347332 ¥2,(3-1)当 u > 2.490时,T = 74.59714 +191.19498 u+)8.02607 ¥2。(3-2)根据上面两式，就可以通过测得的电压值换算成对应的温度值，而且在其 软件编程中，可以减少数据库的部分，不通过查表，而是直接计算得到。热电偶是一种应用广泛，发展

52、比较完善的热点传感器16。热电偶测温的基本工作原理是 热电动势效应”。热电效应的本质是热电偶本身吸收了外部的热 能，在内部转换为电能的一种物理现象。热电偶是将不同材料的导体或半导体 A和B焊接起来，构成一个闭合回路。因为两种不同金属的自由电子密度不 同，当两种金属接触时在两种金属的交界处，就会因电子密度不同而产生电子 扩散，扩散结果在两金属接触面两侧形成静电场即接触电势差。这种接触电势 差仅与两金属的材料和接触点的温度有关，温度愈高，金属中自由电子就越活 跃，致使接触处所产生的电场强度增加，接触面电动势也相应增高。这种现象 称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的33 o热电偶产生的电动势

53、不仅与工作端的温度有关，而且也与自由端的温度有 关。平常使用时，热电偶两端输出的热电势对应的温度值只是相对于自由端温 度。为了直接得到一个与被测对象温度(工作端温度)对应的热电势，热电偶 使用时时常采取冷端补偿的办法，热电偶的冷端处理有两类方法：将冷端延 伸；使冷端温度为0摄氏度。具体方法如下17:1、延伸导线法：延伸导线使冷端远离热端并与测量电路相接。2、 0度恒温法：将热电偶冷端置于 0度的恒温器内，使工作和分度状态达 到一致。3、冷端恒温加计算修正法。4、电桥补偿法。温度信号转换电路在电阻炉控制过程中，由于大电流的切入以及不规整的脉冲负载电流等其 它原因，使控制现场存在着较强的电磁干扰，

54、如果直接用热电偶传出的电压信 号进行长距离传输，则极易受到电磁场的干扰，而使用电流信号进行长距离传 输，贝U不易受到干扰，因此本系统的热电偶转换信号采用YGL隔离变送器。改变送器通过补偿导线接受热电偶产生的毫伏信号，并可同时自动进行冷端补偿。在该信号进入A/D之前，将其转换成电压信号提供给 A/D转换电路。YGL 隔离变送器的输入输出之间，信号与电源之间完全隔离，且以铁壳屏蔽。因此 现场的抗干扰作用极强，该变送器应在传感器附近安装，以求缩短补偿导线的 长度，尽量加长用双绞线的传输长度，这样，不仅可以进一步增加抗干扰的效 果，同时也方便现场的安装、维护，提高了测温的精度。3.2.3 A/D转换与

55、开关量输出接口A/D转换口选取MOC3041光耦隔离型A/D板，其分辨率为12Bit，精度 0.03%。该板使用总线隔离的形式使其抗干扰能力大大增加。MOC3041板由三种不同的触发方式：软件触发、定时触发和为不触发。本 系统将将采用软件触发，在软件触发过程中，先选通模拟输入通道，然后发送 A/D转换命令，即可触发 A/D转换，当检测到 A/D完成位“ 1时，即可读取 A/D转换的12Bit数据。本系统的控制信号输出为模拟量电压信号，输出电压范围为0V5V， D/A分辨率为8Bit，用于对电阻炉进行温度控制。可控硅触发电路可控硅触发电路米用HK-02型SCR触发器。该触发器米用西门子公司生产

56、的专用集成电路，其触发脉冲款不小于5ms，用于各种性质的负载，移相范围宽（0 180 ），触发功率大，工作可靠性高。该触发器有手动和自动两种控 制方式，同时还具有补偿电网电压的波动和过载自动封锁等功能。3.3模糊控制器的设计及实现本论文研究的电阻炉温度控制系统，精度要求较高，又是实时系统若用模 糊控制理论来研究，并进行设计，就要采用以偏差E和偏差变化EC为输入的模糊控制器，即如图3-6所示的二维模糊控制器。如对控制系统要求更高，则 可考虑除E和EC之外，再加上EC的变化率作为输入的模糊控制器，即三维模 糊控制器，或采用其它的诸如变结构模糊控制器或复合型模糊控制器等。图3-6模糊控制系统由图3-6可以看出，该模糊控制系统的核心是二维模糊控制器。它可以采 用多种方法设计，如查表法，公式法等。本文将采用查表法。其做法是：首先 通过事先的离线计算，获得一个模糊控制表，然后将其控制表存放到计算机的 内存中。于是在炉温控制中，计算机只需要直接根据采样和论域变换得来的以 论域元素形式表现的e(xi)和.e(yi)，由控制表的第i行与第j列找到对应的同 样以论域元素形式表现的控制量u(zQ，把其乘以比例因子，即可用于控制被控 过程，以达到预期的控制目的。考虑到后面使用的控制表