（控制理论与控制工程专业论文）润滑油温模糊控制系统及其实现.pdf

太原理工大学硕士学位论文 润滑油温模糊控制系统及其实现 摘要 本文主要讨论的是稀油润滑系统的油温控制问题。根据实际要求， 该系统在工作中，必须将稀油的工作温度维持在一定范围内，要求油 箱温度的控制精确为5 以内。由于稀油的最高温度为6 0 c ，而且油 路系统各部分对温度的影响j 情况复杂，所以温度控制成了这个项目瓶 颈问题。 首先，在对稀油系统温控方案和温控装置作了整体设计的基础上， 提出用p l c 作为数据采集系统的核心处理器，温度控制方法采用多级 模糊控制器串联的方式，一级级减小温度跳动量，以保证最后的精度 要求。 在硬件设计上，设计了一个基于p l c 的数据采集系统，用来对稀 油系统中指定各个点的温度实现采集，并可将数据通过r s 4 8 5 网络传 给工控机。该采集系统包括下列模块：电源模块，c p u ，模拟量输入 模块，模拟量输出模块，开关量输入模块，开关量输出模块等。文中 对系统的各个模块进行了详细介绍。 本文简要叙述了模糊控制理论的发展概况和发展趋势，分析了模 糊控制技术与传统控制技术的特点、区别及各自的优势和存在的问题， 给出了模糊控制器的设计方法和性能改进措施。在控制方法上，本文 作了三个方面的尝试，分别详细地论述了常规模糊控制器、参数自整 定模糊p i d 控制器、带有自调整因子的模糊控制器的设计过程。 本文以m a t l a b 为仿真平台，针对稀油温度进行系统设计和仿真， 研究并提出了改进模糊控制器的方法。仿真结果表明，模糊p i d 控制 器的鲁棒性强，响应速度更快。所以本系统最终决定采用模糊p i d 控 制。 仿真结果表明，将模糊控制方法用于本油温控制系统可以达到预 期的效果，它将人们处理问题的经验方法和传统p i d 控制方法相结合， 能够满足工业生产需要，具有较强的可行性和实用性。 最后，根据系统工作现场的复杂环境，提出了具有较强抗干扰能 力的硬件实施方案和软件设计。 关键词：模糊控制，p l c ，p i d ，计算机仿真，w i n c c i i 太原理工大学硕士学位论文 l u b r i c a t i n g0 i lt e 口e r a t u r e c o n t r o ls y s t e ma n di t sr e a l i z a t i o n b a s e do nf u z z yc o n t r o lm e t h o d a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h eo i lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e m f o ro i ll u b r a c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n t i ti sn e c e s s a r yt o k e e pt h eo i lt e m p e r a t u r ei nac e r t a i ns c o p e ，p a r t i c u l a r l y , t h et e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o ni sd e s i r e dt ob ea c c u r a t e l yc o n t r o l l e dt ob ew i t h i n + 5 cw h e n w o r k i n g a st h em a x i m u mo i lt e m p e r a t u r ei s6 0 。c ，a n di ti sc o m p l e xt o e s t i m a t et h ei n f l u e n c eo fe a c hh y d r a u l i cp a r to nt h eo i lt e m p e r a t u r e ，s ot h e o i lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gh a sb e c o m eab o t t l e n e c k p r o b l e mi nt h i s p r o j e c t f i r s t l y , b a s e do nt h ei n t e g r a ld e s i g nf o rt h el u b r i c a n to i ls y s t e m s t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gm e t h o d sa n di t se q u i p m e n t s , t h i sp a p e rc h o o s e s p l ca st h ec o r ef o rs i g n a lc o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m a st oe n s u r e t h ef i n a la c c u r a c y , m u l t if u z z yc o n t r o l l e r sa r ep l a c e di ns e r i e s ，8 0t h e t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni sr e d u c e dg r a d u a l l y a st ot h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，ad a t aa c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e m i s d e s i g n e d ，w h i c h i su s e dt oc o l l e c tt h e t e m p e r a t u r es i g n a l so f t h el u b r i c a n to i ls y s t e mi nd i f f e r e n tp l a c e s t h ed a t a 1 1 1 a c q u i s i t i o ns y s t e mi n c l u d e sm a n ym o d u l e ss u c ha sp o w e rs u p p l ym o d u l e ， c p u ，a n a l o gi u t p u tm o d u l e ，a n a l o go u t p u tm o d u l e ，d i g i t a li u t p u tm o d u l e ， d i g i t a lo u t p u tm o d u l ee t c t h ed e s i g nm e t h o df o ra l lo ft h e s em o d u l e si s p r o b e d i nd e t a i l t h i st e x th a sn a r r a t e dt h ed e v e l o p m e n to v e r v i e wo ft h ef u z z yc o n t r o l t h e o r ya n dd e v e l o p m e n tt r e n db r i e f l y ，h a v ea n a l y s e dc h a r a c t e r i s t i c ， d i f f e r e n c ea n do n e so w na d v a n t a g e sa n de x i s t i n gp r o b l e m so ff u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt r a d r i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , p r o v i d i n gt h e d e s i g nm e t h o da n di m p r o v em e a s u r eo fp e r f o r m a n c e f o rt h ef u z z y c o n t r o l l e r a st ot h ec o n t r o l l i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rm a d ea na t t e m p tt o c o m p a r et h r e ek i n d so ff u z z yc o n t r o l l i n gm e t h o dt ob ea p p l i e di nt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gg e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e r , a u t o t u n i n gp a r a m e t e rf u z z yp i d c o n t r o l l e ra n ds e l f - a d j u s t i n gp a r a m e t e r f u z z yc o n t r o l l e r b yu s i n gm a t l a b ，t h et e x tp r o p o s e sc a r r yo ns y s t e m a t i cd e s i g na n d e m u l a t i o nt ot h eo i lt e m p e r a t u r e a n dt i l e yh a v es t u d ya n dp u tf o r w a r dt h e m e t h o dt oi m p r o v ef u z z yc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e f u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sb e t t e rr o b u s tp e r f o r m a n c e ，f a s t e rr e s p o n s e _ s p e e d ， s of u z z yp i dc o n t r o l l e ri sc h o o s e df i n a l l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti s p o s s i b l e t oa c h i e v et h e a n t i c i p a t i v e c o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c eb ya p p l y i n g t h ef u z z yc o n t r o l l i n g m e t h o di nt h i ss y s t e m i tc o m b i n e st h ep i dc o n t r o l l i n gm e t h o da n d 太原理工大学硕士学位论文 p e o p l e se x p e r i e n c et o g e t h e r ；i t c a nm e e tt h ed e m a n d so fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n s oi ti sf e a s i b l ea n dp r a c t i c a l f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec o m p l i c a t e de n v i r o n m e n to ft h es y s t e m w o r k i n gs i t e ，h a v ep r o p o s e dh a v i n gh a r d w a r ei m p l e m e n t i n gs c h e m eo f s t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n ds o f t w a r ed e s i g n k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，p l c ，p i d ，e m u l a t i o n ，w i n c c v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：矗金鲤j 日期：丝2 ：尘：f2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 导师签名： 耻隗立毕扛 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 我国钢铁企业的稀油润滑温度控制系统中，其控制对象是电加热器【”】【q ，是 属于工业生产中一类很常见的设备，主要进行的是温度控制。 八十年代，采用仪表和人工控制的方式，即：通过测温元件检测到稀油的温 度后，送至p l c ，然后人工控制冷却水阀或者电加热器 4 - 7 1 来使温度恒定。由于检 测元件的响应延迟以及人工操作影响，温度误差通常较大，操作人员存在劳动强 度较大，存在误操作隐患，时有事故危机发生。 九十年代，通常采用p i d 算法 9 - 1 2 】。经常出现一些问题： ( 1 ) 由于其一般带有大时滞、非线性难以建立精确的数学模型等特点，在实 际生产中采用传统的p i d 控制策略常常难以得到期望的控制效果。 ( 2 ) 效率低下，降低设备使用寿命。 ( 3 ) 浪费大量的电能。 分析其主要原因是在控制算法方面，通常采用的p i d 算法。传统的p i d 控制 存在如下不足：p 1 d 参数较难整定，而且在外界条件变化的情况下p i d 参数需重 新整定；由当前温度到设定温度的过渡时间长；当系统出现扰动后需要较长的稳 定时间；操作复杂，需要有对控制系统比较了解和一定专业技术能力的工程技术 人员到现场调试控制，工作人员不容易掌握p ，i ，d 参数的合理设置方法，如果 相关的参数设置不当，有可能引起系统的振荡，从而造成过渡时间的进一步延长 和控制精度的进一步降低。所以在应用过程中p i d 算法也有着较大的局限。由此 模糊控制控制算法来弥补p i d 控制器在油温控制中的不足。国内外目前对油温控 制器算法的普遍要求是：对被控过程依赖性小，鲁棒性强，现场整定简单，同时 不需要占用太多计算资源，能够保证生产的连续稳定运行。 湖北省大冶市新冶特钢公司某分厂是个老企业，建于七十年代，由于当时的 技术水平所限，温度控制系统采用手动控制的方式，通过一些接触器和继电器来 控制电加热器，刚开始投产几年，还能满足生产的要求。但是随着钢铁产量的不 断提高，使得原有的设备负荷加重，结果造成接触器和继电器由于频繁吸合与断 开，使得辅助触头经常粘合，造成短路事故。同时，由于采用手动方式，温度控 制凭经验，造成操作人员劳动强度大，经常存在误操作隐患。八十年代初，该厂 通过技术改造，采用p l c 控制，附带有温度检测仪，电加热器，冷却水阀。控制 方式虽然有了一定的好转，但是仍然存在劳动生产率低下，操作凭经验等，使温 度仍有误差。九十年代，该厂采用u 2 板控制系统，控制方法是传统的p i d 闭环 控制。由于u 2 板是模拟p i d 控制电路板，夏季由于设备温升快，使得一些元器 件工作不稳定，这对于一些具有大时滞的元器件尤为突出。造成精确的数学模型 难以建立，从而被控对象电加热器的控制效果令人不太满意。体现在生产上的现 象是：温度波动范围大，时有偏移，造成机械设备该热时不热，控制不精确，耗 能大，设备易老化的毛病。必须对其进行技术改进，改变控制策略。 1 2 国内外温度控制系统的发展概况 目前，对于电加热器这类温度控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机 控制技术，既能提高设备的自动化程度，又能改善控制器的控制精度。但是，目 前还有许多电加热器的控制器完全由模拟p i d 控制电路组成，所以，对这些温度 控制系统进行技术改造具有重要的意义。 由于模拟p i d 控制器的控制精度较低，采用模拟p i d 控制器的控制系统己经 不能满足生产高质量的要求。因此对温度控制器必须进行技术改造，以提高控制 精度、改善设备的综合性能。 1 2 1 国内温度控制系统的发展概况 对于电加热器i ”d 刀这类温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分 广泛，但从国内生产的温度控制器来看，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、 美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体 技术水平还处于2 0 世纪8 0 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常 规的p i d 控制器为主，只能适应一股温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变 温度系统。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制器，国内技术还不十分 2 太原理工大学硕士学位论文 成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表也较少。 目前，我国在温度等控制器与国外的差距主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能 力不强，制约技术发展。 ( 2 ) 商品化产品以p i d 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较 大。目前，国内企业对复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控 制器。 ( 3 ) 温度控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例 如：在仪表控制参数的自整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于国外技术 保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件：控制参数大 多靠人工经验及现场调试来确定。这些差距是我们必须努力克服的。 随着我国经济的发展，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资 源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作 等方式，组建了批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的 发展。 1 2 2 国外温度控制系统的发展情况 自7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技 术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发 展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以 日本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异 的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点： ( 1 ) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 ( 2 ) 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 ( 3 ) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 ( 4 ) 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人 工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 ( 5 ) 温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控 制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能根据历 史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优 化。 ( 6 ) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前， 国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 1 3 本论文研究的主要内容 1 3 1 主要目标 本课题将就湖北新冶特钢七机架定径机的稀油温度控制系统，有针对性地对 现在的系统存在问题进行研究。由于复杂的生产工艺过程很难获取过程的精确数 学模型，而采用模糊控制又有可不需要掌握过程的精确数学模型，过程的动态响 应品质优于常规p i d 控制”8 1 1 2 2 1 ，并对过程参数的变化具有较强的适应性等特点， 课题将利用现有系统的硬件资源，研究开发基于模糊控制技术的控制器取代原系 统的控制器，解决企业生产的现实问题。 1 3 2 主要研究内容 常规的模糊控制器【1 9 】【2 3 2 5 1 的动态响应品质优于p i d 控制，但其稳态性能不能 令人满意。主要原因是常规的模糊控制器具有模糊比例微分控制，没有模糊积分 控制环节。本课题将研究把p i d 控制策略引入模糊控制器，构成模糊p i d 复合控 制器，如图1 ，以改善模糊控制其稳态性能。 图中：r 、y 分别为系统的设定值和系统的输出值( 精确量) ； f 为系统误差( 精确量) ； 足。、k 。、筑分别为误差、误差的变化率的量化因子和控制量的比例因 子： e 。为给定误差值( 根据系统的实际情况确定) 。 4 太原理工大学硕士学位论文 图1 模糊p i d 复合控制器 f i g1f u z z y - p i dc o n t r o l l e r 利用m a t l a b f 4 9 1 等计算机仿真软件对模糊p i d 复合控制器进行设计方真，在 仿真研究的基础上，完成软件的设计开发，并投入实际系统运行。具体如下： ( 1 ) 简单介绍稀油站润滑系统的电气结构，重点描述了稀油站的电加热器油 温控制的系统结构及其仪表。 ( 2 ) 针对稀油温度系统的电加热器为控制对象，设计一个二维的温度模糊控 制器，用来实现油箱的温度应能在常温至6 0 之间随意调节、精度为5 的要 求。由于本系统存在参数时变、非线性、模型复杂等特点，用传统的p i d 控制难 以处理。而模糊控制无需建立被控对象的精确数学模型，对被控对象的非线性、 时变性和滞后具有更强的适应性能，所以将模糊控制用于本系统。 ( 3 ) 实际结果验证实际控制效果，并将其与传统p i d 控制效果进行比较分析， 验证模糊控制策略在此应用下的优越性。 ( 4 ) 对研究工作进行总结和展望，提出进一步研究的方向。 第二章控制系统的总体结构简介 2 1 稀油润滑系统生产工艺要求 目前，工业上为便机械润滑，需要稀油来润滑。稀油温度控制系统中商精度 温度控制大多是通过控制电加热器来来实现温度控制的。配套设备有冷却水阀、 液压泵、电加热器。本文主要讨论的是新冶特钢某分厂稀油站系统的油温控制问 题。稀油的工作温度维持在一定范围内，特别是要求油箱温度的控制精确为5 以内。由于稀油的最高温度为6 0 ，而且油路系统各部分对温度的影响情况复杂， 所以温度控制成了这个项目的瓶颈问题。 稀油站系统( 2 2 i 及其元件通常工作在常温状态，但是为了满足某些特定条件 和特定场合的需要，也往往要求它们适应一定的高温工作环境的要求。稀油系统 的主要技术要求如下： ( 1 ) 稀油的温度应能在常温至5 59 c 之间随意调节。 ( 2 ) 稀油系统带温控装置，出口温度波动要求控制在到5 c 以内。 ( 3 ) 稀油系统要求在油箱提供的油温在 6 0 c 的条件下，能够长时间稳定工作， 每次连续稳定工作应不低于8 小时。 从上面的技术要求中可以看出，本系统的难点在于工作温度较高，通常都是 在2 0 c 以上，而且要求控制到5 c 的精度是相当高的。 2 2 稀油温度控制系统整体设计方案 稀油系统温控技术要求可以看出，本系统的难点在于工作温度较高，系统的 工作温度通常都是在2 5 以上，因而它的散热情况复杂，而且要求温度控制精度 在5 范围内是相当高的。这是系统设计过程中在硬件和软件方面都需要综合考 虑的因素，在硬件设计时采用控制器串联控制，冷却和加热相结合，粗调和细调 相结合，以保证从原理上分析是可行的。在软件设计时，也要在不断比较各种方 6 太原理工大学硕士学位论文 案的基础上，综合运用多种控制策略和方法，总结专家经验和调试经验，以求最 佳的控制策略。 目前稀油系统高精度温度控制大多是用伺服阀来控制冷却水流量来实现的。 由于稀油系统、冷却器及油箱温度场是具有大滞后特性的复杂系统，因此可借用 已有的大时滞过程的控制方法如s m i t h 预估控制器，广义预测控制等。本文提出 了基于p l c 与模糊控制原理的温度控制器，解决了稀油系统油温的高精度控制问 题，以求油温控制精度达到5 。稀油系统的主要技术参数如下： 稀油系统的最大流量：3 5 0 l m i n 。 稀油系统的供油工作压力：、 3 5 m p a 。 这是在硬件选型中都必须考虑的因素，尤其是各种元件都要适合在高压的条 件下使用。 2 2 1 稀油温控系统方案 结合现场原有设备的具体情况，本文准备采用p l c 作为核心处理器、用铂 热电阻p t l 0 0 来对稀油系统中指定各个点的温度实现采集，p l c 然后根据采集的 温度信号，利用模糊控制算法算出控制量后，将控制量通过交流固体继电器输出， 进而去控制冷却装置和加热装置，以达到给定的温度要求。系统的构成如图2 1 ， 图2 - l 温度模糊控刳系统简图 f 毽2 - 1t h es k e t c ho f t e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o l l e rs y s t e m 7 图2 2 温度控制系统简图 f i g2 - 2t h es k e t c ho f t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rs y s t e m 为了保证实际过程中稀油温度稳定，油箱设加热器、冷却器、搅拌器等组成 的油箱恒温控制系统。控制系统通过调节加热器功率、冷却水流量来实现对稀油 温度的控制。 这种温度调节技术的主要特点是冷却器在回油路路上，加热器装在油箱中， 在油箱中安有温度传感器，它与温度控制器相连，同时温度控制器又与电动调节 阀和加热装置相连，通过温度控制器控制电动调节阀的开度从而调节冷却水的流 量，同时温度控制器还可以调节加热器的功率，两个方面联合起来调节吸油管路 油温。为了冷却充分，提高控制精度，将两个冷却器串联起来。在油箱内有两个 功率不同的加热捧组和一个搅拌器，以保证换热均匀。由于控制对象为整个油箱， 故需较大的功率的加热器和冷却器，但是由于它热交换充分而均匀，精度更高。 也就是说要对两个冷却器和两个加热器进行控制，其中冷却器2 有两个比例阀， 一个粗调一个细调，因而一共有5 个控制量，由于本系统的控制精度为5 ，这 是相当高的要求。 2 2 2 温控系统常用的控制方法 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如航空、航天、船舶、汽车、 材料、电力电子及家电等，常用的控制系统根据应用场合和要求的性能指标有所 不同，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，所以很难实现高精度控制。目前p i d 控制、模糊控制、以 8 太原理工大学硕士学位论文 及神经网络、遗传算法在温度控制系统中已得到了越来越广泛的应用。 1 p i d 控制 p i d 控制即比例积分一微分控制。自1 9 世纪9 0 年代开始以来，广泛应用在 工业生产中，长期以来，由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程控制领 域内可以实现满意的控制效果。温控系统将温度传感器实时采集的温度值与设定 值比较，差值作为p i d 控制器的输入。p i d 算法根据选定的比例、积分、微分系 数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使 控制过程连续是很普通的调节方法。其缺点是现场p i d 参数整定麻烦，被控对象 模型参数难以确定，外界干扰会使控制偏离最佳状态。 国内外很多研究者提出了多种p i d 控制器参数自整定的方法。按发展阶段分， 可分为常规p i d 控制器参数自整定方法和智能自整定方法；按被控对象数目来分， 可以分为单变量p i d 参数自整定方法及多变量p i d 参数自整定方法；按控制量组 合形式划分，可分为线性p i d 参数自整定方法和非线性p i d 参数自整定方法；按 计算方式可划分为一次算法和反复迭代算法。 2 神经网络控制 人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数 理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方 法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异， 其中误差反向传播算法( 即b p 算法) 应用最为广泛。 对于一般的温度控制系统，其负载的变化以及外界干扰因素均较为复杂，而 p i d 控制只能对电参数的影响做精确的计算，对于外界环境的变化只能做近似的 估算，影响控制精度。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和 联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力 强，算法简单，且易于用硬件和软件实现。训练方法实际是网络的自学习过程， 即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之间 相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归纳等目的。在温控系统中，将温 度的影响因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网 络的输入，将其输出作为p i d 控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反 复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网 9 络权值，达到自整定p i d 控制器参数的目的。 3 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的 经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常 变化的对象。温度控制系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数 变化的问题。模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直观 判断，非常容易应用。模糊温控的实现； ( 1 ) 将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规 则，例如，i f 温度太高o r 温度正在上升，t h e n 减少控制输入，或强制冷却。 将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。 ( 2 ) 根据控制查询表，形成模糊算法。 ( 3 ) 对采样的温度误差模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊 规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，经过反模糊化处理后，变成精确量 去驱动执行机构，达到调节温度并使之稳定的目的。同传统的p i d 控制相比，模 糊控制响应快，超调量小，对参数变化不敏感。 4 参数模糊化的p i d 控制 模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点 是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对 象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局 限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性， 没有明确的控制结构。p i d 控制器结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制 要求。但l a i d 控制本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域， 因此，将模糊控制与p i d 控制结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态( 温度 偏差及偏差变化率) 确定p i d 控制器参数，用p i d 控制器确定控制作用。主要的 问题是如何合理地获得p i d 参数的模糊校正规则。其实质是一种以模糊规则调节 p i d 参数的自适应控制，即在一般p i d 控制系统基础上，加上一个模糊控制规则 环节。在模糊p i d 复合控制中，当温差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态 性能好；当温差较小时采用p i d 控制，使其静态性能好，满足控制精度要求。 因此模糊p i d 复合控制，比单一的模糊控制或p i d 控制有更好的控制性能。 1 0 太原理工大学硕士学位论文 而模糊自适应p i d 设计方法，根据人们要求的温度曲线，由计算机系统进行监控， 根据模糊推理判断，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其p i d 参数， 使输出与温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量最优的统一。 5 模糊控制与神经网络结合 温控系统中由于被控过程常常具有严重的非线性时变性以及种类繁多的干 扰，使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。近 些年来模糊逻辑控制取得了巨大成功，但模糊控制所基于的专家经验不易获得， 一成不变的控制规则也很难适应被控制系统的非线性、时变性等问题，严重影响 控制效果。因此应使模糊控制向着自适应方向发展，使模糊控制规则隶属函数模 糊量化在控制过程自动地调整和完善。自适应模糊控制提供了一种新的有效途径， 利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数，达到优化模糊控制 器作用，从而进一步改进实时控制效果， 动态响应快，能达到高精度的快速控制， 6 遗传算法 以便应用于温度过程控制中，其优点是 具有极强的鲁棒性和适应能力。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h s 简称g a ) 是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的 生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内 部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择 来操作称为染色体的二进制串1 或0 。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解 的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗 传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度数字化后送入单片机，单片机将 其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3 个p i d 参数，然后将控制量输出。 具体实现将3 个p i d 参数串接在一起构成一个完整的染色体。从而构成遗传空间 中的个体，通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体，经过多次搜索获得最 大适应度值的个体即所求。在硬件上采用单片机控制。具有调试方便、温控精度 商、抗干扰性强等优点。在软件上采用遗传算法对p i d 参数进行优化控制，稳定 性好，温控精度高。 7 模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合 将模式识别、预测最优控制与神经网络结合，由神经元网络模型预估器辨识 系统模型，并实时为控制器提供参考输入，由最优控制器对数据进行处理、决策， 选定最优的控制量，达到温度最佳控制的目的。神经网络中广泛应用的b p 网络， 由于其收敛慢和存在局部最小点，因此将遗传算法和b p 算法结合得到的遗传 b p ( g a b p ) 算法作为网络预估器的学习算法。该系统能使温度随外界干扰条件的 变化，实时的调节网络和控制规律，具有良好的温度跟踪性能和抗干扰能力。 此外还有模型参考自适应控制，模型参考自适应控制、p i d 控制、模糊控制 三者结合等温度控制策略。 2 2 3 本稀油温度控制系统所用的控制策略 针对稀油温度控制系统的被控对象存在非线性、时滞和干扰大的特点，拟采 用模糊控制器。利用热电阻检测实际输出温度，在此基础上，再利用双输入单输 出模糊控制器来实现控制。将模糊控制理论应用于油温控制系统，对提高油温控 制精度会取得很好的效果。同时将油箱分成三个区域，使油液从回油处的油液温 度分别经过三个区域的逐步控制后，在泵入口处的温度精度达到要求值。 从硬件上来讲：p l c 系统采集各个温度信号，经控制程序运算决策后，通 过s m 3 3 2 输出5 路0 - 1 0 v 的控制量。其中三路控制量输入至各个电磁比例流量阀， 从而可以控制冷却水的流量，以达到控制冷却器l 、冷却器2 的日的。另外两路 0 - 1 0 v 的控制电压作为晶闸管智能控制模块m z k s - j l 6 0 0 ，m z k s 儿3 0 0 的移 相触发控制电压信号，移相触发控制器可以产生改变相位的脉冲去调整可控硅的 导通角，从而改变可控交流模块的输出电压，达到调节加热器功率的目的。 从控制策略上来说，先是对稀油在回油路上进行冷却( 冷却器1 ，冷却器2 ) 使 油温控制在+ 5 1 2 ；为了有效的控制油箱散热给油温带来的影响及在开机前对油进 行预加热，在油箱内设加热器1 、加热器2 ，可有效地将油温控制在规定范围。 如图2 3 所示：其中t 为实际温度和目标温度的差，也就是要冷却的温度， 先让冷却器1 冷却降低t 8 0 ，再让冷却器2 冷却降低t 3 0 。冷却器1 、 冷却器2 、加热器l 、加热器2 的控制采用串联控制方式，冷却和加热分开，使用 这种结构以在硬件上充分保证可行性。 图2 3 中的四个模糊控制器的温差和温差变化率量化的范围是逐渐减小的， 一级级提高控制精度。 1 2 太原理工大学硕士学位论文 固 模糊控制器1 ：用来控制冷却器1 ，输出 温度为t - - at x 8 0 ，控制精度为l o 上 模糊控制器2 ：用来控制冷却器2 ，输出 温度为t at x 3 0 ，控制精度为8 工 i 模糊控制器3 ：用来控制加热器1 ，输出 i 温度为( 1 k - 2 ) c ，控制精度为- 6 1 2 上 l 模糊控制器4 ：用来控制加热器2 ，输出 i 温度为t 抽，控制精度为5 上 输出温度t o 图2 - 3 多级模糊控制器串联 f i g2 - 3m u l t i l e v e lf u z z yc o n t r o l l e r si ns e r i e s 2 2 4 冷却装置的计算 ( 1 ) 发热量估算 考察该稀油站工况的能量损失情况 稀油泵的功率损失：取其总效率为0 9 ，损失功率( 即发热功率) h p = 2 n m x t 。( 1 一1 1 ) = 2 了【6 3 0 0 x 1 7 8 x ( 1 - o 9 ) = 1 1 7 5 k w ( 2 1 ) 稀油马达功率损失：取其效率为o 8 5 ，损失功率为 h p = 宅n m a x t f 。“( 1 1 1 ) = 2 6 3 0 0 1 7 8 0 1 5 = 1 1 6 2 k w ( 2 2 ) 热交换器功率损失： h h = p q 。= o 1 1 0 6 2 3 5 x 1 0 。3 6 0 = 0 4 3 k w ( 2 3 ) 流量计功率损失： h i - - - - - a p x q r n a x x 4 = o 0 0 6 9 1 0 6 2 5 5 1 0 。6 0 x 4 = 0 1 1 7 k w ( 2 - 4 ) 截止阀的功率损失： zh j = a p q m 。5 = 0 o l 1 0 6 x 2 5 5 1 0 。6 0 x 5 = 0 2 2 k w ( 2 5 ) 软管功率损失： 1 3 1 4 , = p 4 - - - 0 0 1 1 0 6 x 2 5 5 1 0 d 6 0 x 4 = 0 1 7 k w ( 2 - 6 ) 因此，管路压力损失： h r = 0 0 5 p = 5 8 7 k w ( 2 7 ) 系统发热量为： h z = h 。= 3 7 2 k w ( 2 8 ) 系统总效率； r i = ( 1 1 7 5 3 7 2 ) 1 1 7 5 = 6 8 ( 2 9 ) ( 2 ) 冷却器的设计 在现场工况下，计算冷却器冷却面积，以现场工况和小功率运行场合为例， 液压泵输出最大功率为1 6 9 k w ，系统发热功率为h ：= 1 6 9 x 0 3 5 = 5 9 1 5 k w ，这时 所有工况下发热功率最大的情况，设阀开度0 7 ，水流量= o 7 油流量，计算表格 如下。 表2 - 1 冷却面积计算 t a b2 - 1e a e u l a t ec o o l i n ga r e a 出油口温度设定 6 0 5 0 4 0 季节 冬 夏 冬 夏冬夏 冷却水入口温度 1 03 01 03 01 03 0 热油进出温差 7 1 6 7 1 6 7 1 67 1 67 1 67 1 6 热油进口温度 1 3 7 21 3 7 _ 26 7 26 7 24 7 24 7 2 冷却水进出口温差 4 2 3 4 2 34 2 34 2 34 2 34 2 3 冷却水出口温度 1 4 2 3 4 21 4 23 4 21 4 23 4 2 油水平均温差1 2 1 5 1 0 1 55 1 ，53 1 53 1 51 1 5 需最小冷却面积m 2 1 4 l1 6 9 3 35 45 41 4 9 5 上述计算表明： ( 1 ) 冷却器的冷却面积有1 5 m 2 ，已能满足各种工况。 ( 2 ) 在不同工况下，冷却器所需冷却面积相差很大。 ( 3 ) 上述计算值在冷却水阀开度为0 7 时，还有一定的富裕量和足够的调节空 间。 1 4 太原理工大学硕士学位论文 2 2 5 加热装置的计算 在确定高温油箱的加热功率时。考虑到极端的情况下，油液温度从3 0 。c 升至 6 0 时所需加热功率，油箱的储油量为1 0 0 0 l 设要求在1 个小时内油液温度从3 0 升至6 0 c 。因此油液的加热功率为： n g = c xpx v t t = 1 8 2 5 k j g k ) x 0 8 5 k g i x1 0 0 0 1 x 9 0 k 3 6 0 0 s = 3 8 7 8 k w f 2 - l o ) 油箱的散热量为：n h = k xa t x f ( 2 1 1 ) 其中：k 油箱散热系数 f 油箱有效散热面积 本油箱内部尺寸：长宽高= 1 5 0 0 m m x l l 5 0 m m x 6 5 0 m m 油箱的有效散热面积一般取与油液相接触的表面积和油面以上的表面积之 半；在1 0 0 0 l 的储量