温度的模糊控制

PAGEPAGE13目录TOC\o"1-3"\u第一章摘要 11.1设计任务 11.2关键词 1第二章温度模糊控制系统 12.1温度控制系统 12.2模糊控制 22.2.1模糊控制的用途 22.2.2模糊控制的概述 22.2.3模糊控制的基本原理 32.2.4模糊控制的基本组成 4第三章单回路控制系统 53.1系统总体设计方案 53.1.1工艺流程图 53.1.2方框图工作流程介绍 63.2硬件设计和器件选择 63.2.1电气接线图 63.2.2器件选择 6第四章控制算法选择及参数整定 74.1控制算法选择 74.2参数整定 84.2.1凑试法 84.2.2临界比例法 84.2.3经验法 94.3MATLAB仿真 9第五章系统软件设计 115.1控制器介绍 115.2控制器面板说明 125.3调节器参数设置： 13第六章心得体会 13第七章参考文献 13第一章摘要1.1设计任务本课程设计的任务是设计一个温度模糊控制系统；确定设计方案，选择检测变送器、控制器、执行器，确定控制器算法，并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动手能力。1.设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框图；2.能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控制方案；3.根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选择、执行器选择；4.合理设计模糊控制器。5.系统仿真运行1.2关键词关键词：温度控制，模糊控制，单回路控制系统第二章温度模糊控制系统2.1温度控制系统温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。2.2模糊控制2.2.1模糊控制的用途自从电子计算机诞生以来,人们就希望计算机能具有智能并取代人进行智能活动。因此在这方面进行了大量和不懈的努力与探索,其结果仍然是十分不尽人意。人类的智能研究最为重要的是精确和模糊的特征。在数值计算上,人们的思维是表征为精确性的;但在对事物的学习、推理等的思维就表征为模糊性。事实上,人们在日常生活中以模糊性处理事物的时间居多,而以精确性的居少。近年来,模糊控制在我国渐渐引起了广泛的重视,并且在工业控制、家用电器和其他领域已取得了令人触目的成效。模糊控制系统具有易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高等特点。家用电冰箱是目前应用比较广泛的家用电器，发展也日趋完善化。随着人们生活水平的日益提高，电冰箱逐步向大容量、多功能、无氟、智能化的方向发展。家用电冰箱一般都有冷藏室和冷冻室，冷藏室的温度为00C～100C左右，冷冻室的温度为2.2.2模糊控制的概述模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段。它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来,它产生了许多探索性甚至是突破性的研究和应用成果。同时,这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。1965年,美国的控制论专家L.A.Zadeh教授创立了模糊集合论,从而为描述、研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型,设计控制器的新型方法—模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论,把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法,这种方法不仅能实现控制,而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。我们都知道在现实生活中的一些概念是有着明确意义的,比如“黄瓜”,“女人”,“一斤”等概念,对于这些明确的概念,在数学中常常用经典集合来表示。但是现实生活中不是每个概念都是很明确的,比如我们说“多”这个概念,它是从一点一滴积累起来的,如果不用数量上的规定和限制,谁也说不清楚它的概念,它表示的是一个渐变的过程。我们把这样的一类概念称之为模糊概念。模糊集合理论就是处理这些模糊概念的。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论在近年来得到了迅速的发展,其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统,当无法获得精确的数学模糊的时候,利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如,在炼钢、化工、经济系统、人文系统以及医学心理系统中,要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息,以及仅仅用语言规定的性能指标。同时,要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等,所有这些都是一种不精确性,应用一般的控制理论是很难实现控制的。但是,这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上,他们凭借实践累计的经验,采取适当的对策完成控制任务,于是,人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句,然后运用模糊集合理论将其定量化,使控制器得以接受人的经验,模仿人的操作策略,这样就产生了以模糊集合理论为基础的一次深刻的变革,它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。随着计算机及其相关技术的发展,模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制,专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机(单片机)上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法,家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法或者难以解决的问题取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。但是我们也应该看到模糊控制的理论和应用虽然已取得了很大的发展,但是就目前的状况来看,尚缺乏重大的突破。因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的涉入研究和探讨。2.2.3模糊控制的基本原理模糊控制是以模糊集合论、模糊逻辑、模糊语言变量以及模糊推理为基础的一种非线性的计算机数字控制技术。在此前，我们知道控制理论经历了两个重要的发展阶段，其一是经典控制理论，这一理论主要用于解决线性定常系统的控制问题，对于非线性时变系统它却很少有作为；随着计算机的广泛应用，另一个具有里程碑意义的控制理论就是现代控制理论，用这一理论来解决线性或非线性定常或时变的控制问题可以取得较理想的效果[1]。模糊一词的英文名称是“fuzzy”，它具有界线不清的含义，模糊控制是以人的经验为依据的，而人的经验正反映了人的思维、推理和归纳过程。在模糊控制过程中，要对模糊量进行处理，它处理的不是精确的数值，而是“大”、“中”、“小”等这样一些边界不明显的模糊量。这是模糊控制与其它控制方法的一个基本不同点[2]。模糊控制的基本原理图:A\DA\D模糊量化处理模糊推理反模糊化处理D\A执行机构被控对象传感器图2.1模糊控制的基本原理一般说来，模糊逻辑适合表示具有连续物理现象的过程，其过程涉及的现象不易离散化，而过程本身以难于构造数学模型，或者计算太复杂以至计算不能足够快以满足实时工作的要求。此时，由于一条模糊规则往往可以代替许多普通规则，因此采用模糊逻辑可以设计出更紧凑和更便宜的结构。同时，它还适合于在具有高噪音水平环境下工作并允许采用廉价的传感器和低精度的微处理机等。2.2.4模糊控制的基本组成AA\D模糊控制器D\A广义对象传感器图2.2模糊控制系统的基本组成模糊控制器它是整个系统的核心，主要完成输入量的模糊化、模糊关系运算、模糊决策以及决策结果的反模糊处理（精确化）等重要过程。输入/输出接口电路该接口电路主要包括前向通道中的A\D转换电路以及后向通道中的D\A转换电路等两个信号转换电路。广义对象广义对象包括执行机构和被控对象，常见的执行机构包括电磁阀、伺服电动机等。被控对象可以是线性的、非线性的、时不变的、时变的。传感器传感器是检测装置，负责把被控对象的输出信号（往往是非电量）转换为对应的电信号。在模糊控制系统中，应选择精确度高稳定性好的传感器。第三章单回路控制系统3.1系统总体设计方案3.1.1工艺流程图给定值TC给定值TC温检TT温检TT加热器加热器控制控制器图3.1工艺流程图3.1.2方框图工作流程介绍PIDPID控制器电阻丝加热器加热罐水温水温检测传感器一给定值输出值图3.2温度单回路系统结构框图+系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行比较，e是否为0，如果为0直接输出，如果不为0，控制器进行PID计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令，从而达到温度稳定。3.2硬件设计和器件选择3.2.1电气接线图图3.3调节器与温度模块接线图3.2.2器件选择1控制器用于调节PID算法的控制器选择AI8182温度传感器测量水温的传感器采用热电阻Cu50。热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC电流信号，便于采集。3加热器采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。输入4mA电流时，加热器电阻丝的两端电压为0V，输入为20mA电流时，加热器电阻丝的两端电压为220V。第四章控制算法选择及参数整定4.1控制算法选择根据温度单回路控制系统的原理，实现PID控制算法。由于采用AI-818人工智能温控器/调节器，所以采用增量式PID算法。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δuk。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制，其公式如下：如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。4.2参数整定控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。4.2.1凑试法按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。置调节器积分时间Ti=∞，微分时间Td=0，在比例系数按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数。求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上述比例系数Kp设置为5/6Kp）。将Ti由大到小进行整定。若需引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td=（1/3～1/4）设置，并由小到大加入。4.2.2临界比例法在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。Ku临界比例度法步骤：1、将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti=∞），微分时间置零（Td=0），比例系数Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。2、将比例系数Kp逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。3、根据Ku和Tu值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即Kp、Ti和Td的值。按“先P再I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。临界比例度法整定注意事项：有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。有的过程控制系统，当调节器比例系数Kp调到最大刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度Ku作为临界比例度进行调节器参数整定。4.2.3经验法用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制参数，这就是经验法。临界比例法就是一种经验法。这种方法首先将控制器选为纯比例控制器，并形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界状态，这时记下比例系数Ku、临界振荡周期为Tu，根据Z－N提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数，如表所示。控制器类型KpTiTdP0.5KuPI0.45Ku0.85TuPID0.6Ku0.5Tu0.12Tu这种临界比例法使针对模拟PID控制器，对于数字PID控制器，只要采样周期取的较小，原则上也同样使用。在电动机的控制中，可以先采用临界比例法，然后在采用临界比例法求得结果的基础上，用凑试法进一步完善。表中的控制参数，实际上是按衰减度为1/4时得到的。通常认为1/4的衰减度能兼顾到稳定性和快速性。如果要求更大的衰减，则必须用凑试法对参数作进一步的调整。4.3MATLAB仿真在PID未整定前得：整定后：使用MATLAB软件将上图画图，根据PID算法和参数整定后得到的PID数值输入PID控制器，进行仿真，得到下图所示的结果第五章系统软件设计5.1控制器介绍AI-818人工智能温控器/调节器除支持标准电流（电压）信号输入外，还支持各种热电偶、热电阻、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，可外接Cu50铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1级测量精度，温漂小于30PPm/℃。除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。模块化输出支持SSR电压、线性电流（电压）、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发输出及位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等。除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。具备MPT、AI人工智能调节APID等多种调节方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用位式控制（ON-OFF）功能;双组独立参数PID可支持加热/冷却双输出功能。先进的AIBUS通讯协议：支持RS485或RS232C通讯接口，配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制系统，亦可组成AI系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并可自由定义4个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输出。具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。可选用的面板尺寸：A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。5.2控制器面板说明PV:测量值显示窗；SV：给定值显示窗OUT：调节输出指示灯；AL1：报警1指示灯；AL2：报警2指示灯；AUX:AUX辅助接口工作指示灯；A/M键：数据移位：显示转换(兼参数设置进入)；图5.1调节器面板：数据减少键（兼程序运行/暂停操作）；图5.1调节器面板：数据增加键（兼程序停止操作）。5.3调节器参数设置：Sn输入规格：Sn=34，0-5V电压输入；Ctrl控制方式：Ctrl=2，启动自整定，Ctrl=3，整定结束；d