（机械电子工程专业论文）基于模糊pid的叶腊石烤箱温度控制系统研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作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。 学位论文作者：勰强日期挑年岁月多9 同 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅知借阅：本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：鸯儒施 日期：易少年岁月芗p 同 摘要 摘要 在人造金刚石生产加工领域，叶腊石块是不可或缺的一种材料。叶腊石块、 导电堵头和碳棒共同构成了人造金刚石合成块。叶腊石块是包裹碳棒的主要材 料，主要起到传压、密封和保温的作用。碳棒合成金刚石是一个高温高压的过 程，叶腊石块中水分的含量直接影响到生产过程安全。叶腊石块是由叶腊石经 粉碎、过筛、混合、搅拌、封存，然后在专用的液压机上入模压制成型而成， 叶腊石块水分的烘干主要通过烘烤环节完成。 目前国内外对叶腊石块烘烤设备的自动化控制研究很少，现有的烘烤设备 比较落后，大多采用开关式控制或者常规p i d 控制，温度的控制精度、稳定性 和抗干扰性能都不佳。现有烘烤设备的自动化程度不高，工人的劳动强度大， 生产效率低。现有的烘烤设备也缺少系统工作异常的检测与报警功能。 本文首次将模糊自适应p i d 控制技术和卡尔曼滤波算法相结合，并应用到 叶腊石烤箱温度控制系统中。本文针对现有叶腊石烤箱温控系统中存在的问题， 在控制方法、硬件设计和软件设计上找到了相应的解决途径，并通过m a t l a b 仿真和现场实验进行了分析和验证。改进后的叶腊石烤箱温度控制系统解决了 原有系统中存在的问题，提高了叶腊石块的烘烤质量和生产效率，降低了工人 劳动强度，对人造金刚石生产加工领域具有很大的现实意义。 控制方法方面，通过对被控对象特点和常用温度控制方法进行分析，建立 了被控对象的数学模型，并将适合于叶腊石烤箱温控系统特点的模糊自适应p i d 控制技术应用在控制系统中，建立了模糊控制规则，完成了模糊自适应p i d 控 制器设计，并将卡尔曼滤波和模糊自适应p i d 控制相结合，提高了系统的抗干 扰能力。通过m a t l a b 对系统进行仿真分析可知，模糊自适应p i d 控制具有较 好的控制效果，稳定性、适应性和抗扰动性能都明显优于常规p i d 控制，加入 卡尔曼滤波算法后，系统的抗干扰能力明显增强。 硬件设计方面，在完成热电偶温度采集、加热控制输出、键盘显示等基本 功能的基础上，增加了加热丝和排湿风扇工作异常检测和报警电路，通过检测 工作电流实现异常检测，在硬件设计上保证了叶腊石烤箱温度控制系统的可靠 性和实用性。 摘要 软件设计方面，完成了温度采集、键盘显示、模糊自适应p i d 控制、卡尔 曼滤波等程序设计，此外还完成了叶腊石烤箱烘烤工艺的全自动控制，留有 r s 4 8 5 通讯程序接口，方便将多台叶腊石烤箱与上位机组成集散控制系统。 关键词：叶腊石烤箱模糊自适应p i d 卡尔曼滤波温度控制 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fs ) r n t h e t i cd i a m o n dp r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n g ，p y r o p h y l l i t eb l o c k i st h e e s s e r l t i a lm a t e r i a l p y r o p h y l l i t eb l o c k , c o n d u c t i v ep l u ga n dt h ec a r b o nr o dt o g e t h e r c o n s t i n l t et h es y n t h e t i cd i a m o n ds y n t h e s i sb l o c k p y r o p h y l l i t e b l o c ki st h em a l n m a t e r i a l 唧p e dc a r b o nr o d ，p r i m a r i l ya st h em a s sp r e s s u r e ，s e a l i n ga n d 也e 锄a i i i l s u l a t i o ne 脓c t c a r b o nt u r n i n g t o s y n t h e t i c d i a m o n di sap r o c e s s o fn l g h t e m p e r a t l l r ea n dp r e s s u r e ，p y r o p h y l l i t eb l o c km o i s t u r ec o n t e n td i r e c t l y a f f e c t st h e s a f e t yo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s p y r o p h y l l i t eb l o c k i st h r o u g ht h eg r i n d i n g ，s l t t l n m i x i n s t i r r i n g ，s e a l e d ，a n dt h e n ad e d i c a t e dh y d r a u l i cm a c h i n ei sm a d ei n t o t h e m o l d e dt y p e ，p y r o p h y l l i t e b l o c km o i s t u r eb a k i n gl i n k sp r i m a r i l yt h r o u g h t h e c o m p l e t i o no fd r y i n g a th o m ea i l da b r o a d ，t h er e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i cc o n t r o l o fp y r o p h y l l i t eb l o c k b a k i n ge q u i p m e n ti sv e r yf e w , t h ee x i s t i n gb a k i n ge q u i p m e n t i sr e l a t i v e l yb a c k w 枷， t h e vm o s t l yu s eas w i t c h m o d ec o n t r o lo rp i d c o n t r o lm e t h o d ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l a c c u “屺y s t a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e a r ep o o rt h ee x i s t i n gb a k i n g e q u i p m e n t ，sd e g r e eo fa u t o m a t i o n i sn o th i g h ，t h el a b o ro fw o r k e r s 1 sl “t e n s l v e ， p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sv e r yl o w t h ee x i s t i n g b a k i n ge q u i p m e n ti s a l s ol a c ko t s v s t e mw o r k i n ga b n o r m a ld e t e c t i o na n da l a r m f u n c t i o n t h i si st h ef i r s tt i m ef u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o lt e c h n i q u ea n dk a l m a n t l l t e r a l g o r i t h ma r ec o m b i n e da n da p p l i e dt ot h ep y r o p h y l l i t e o v e nt e m p e r a t u r ec o n t r o l s v s t e m i nt h i sp a p e r , t os o l v e t h ee x i s t i n gp r o b l e m so fp y r o p h y l l i t eo v e nt e m p e r a m r e c o n t r o ls y s t e r n ，t h ea p p r o p r i a t es o l u t i o n h a sb e e nf o u n do nt h ec o n t r o lm e t h o d s , h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ，a n dt h e yw e r ea n a l y z e da n dv e n t l e d 心o u g h m a t l a bs i m u l a t i o na l l df i e l de x p e r i m e n t s i m p r o v e dp y r o p h y l l i t e o v e nt e m p e r a t u r e c o n t r o ls v s t e ms o l v e dt h eo r i g i n a lp r o b l e m s ，i m p r o v e dt h ep y r o p h y l l i t e b l o c kb a k i n g q u a i i t ya r i dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , r e d u c e dt h el a b o ri n t e n s i t y , a n dh a d 伊e a tp m c t l c a l i i i a b s t r a c t s i g n i f i c a n c ei nt h ef i e l do fs y n t h e t i cd i a m o n dp r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n g i nt h ec o n t r o lm e t h o d s ，t h r o u g ha n a l y s i so ft h ec o n t r o l l e do b j e c tc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o l t t m o nm e t h o d so ft e m p e r a t u r ec o n t r o l ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o l l e d o b j e c th a sb e e ne s t a b l i s h e d ，f u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e d i ns y s t e mw h i c h w a ss u i t a b l ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp y r o p h y l l i t eo v e nt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m ，t h ef u z z yc o n t r o lr u l e sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，t h ed e s i g no ff u z z y s e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o l l e rh a sb e e nc o m p l e t e d k a l m a nf i l t e r i n ga n df u z z y s e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o lh a v eb e e nc o m b i n e dt oi m p r o v et h es y s t e m sa n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t y t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o na n da n a l y s i sw ec a ns e et h a tf u z z y s e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o lh a sb e t t e rc o n t r o l e f f e c t s t a b i l i t y , a d a p t a b i l i t y , a n d a n t i d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c ea r es i g n i f i c a n t l ys u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l ， t h es y s t e m sa n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya r em a r k e d l ye n h a n c e dw h e nj o i n e dt h ek a l m a n f i l t e ra l g o r i t h m o nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，o nt h eb a s i so ft h ec o m p l e t i o no ft h eb a s i cf u n c t i o n ss u c ha s t h et h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n ，h e a t i n gc o n t r o l o u t p u t ，k e y b o a r da n d d i s p l a ya n ds oo n ，t h eh e a t i n gw i r ea n dt h em o i s t u r ef a nw o r k i n ga n o m a l yd e t e c t i o n a n da l a r mc i r c u i th a sb e e ni n c r e a s e d ，i ti sa c h i e v e db yd e t e c t i n gt h eo p e r a t i n gc u r r e n t t h ep y r o p h y l l i t eo v e nt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mr e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t ya r e e n s u r e db yt l l eh a r d w a r ed e s i g n o nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ep r o g r a m ss u c ha st h et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n ，k e y b o a r d a n dd i s p l a y , f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l ，k a l m a nf i l t e r i n ga n ds oo nh a v eb e e n c o m p l e t e d i na d d i t i o n ，t h ep y r o p h y l l i t eo v e nb a k i n gp r o c e s sa u t o m a t i cc o n t r o lh a s a l s ob e e nc o m p l e t e d r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eh a sb e e nl e f tt oc o n n e c tt op c e a s i l y ；m a n yp y r o p h y l l i t eo v e n sa n dp c c a nc o m p o s eo fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：p y r o p h y l l i t eo v e nf u z z ys e l f - a d a p t i v ep i d k a l m a nf i l t e r t e m p e r a t u r ec o n t r o l i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii i 目录v 1 绪论1 1 1 研究目的和意义l 1 2 叶腊石烤箱温度控制系统的现状3 1 3 现有叶腊石烤箱温度控制系统中存在的问题及解决途径3 1 4 论文研究的主要内容4 2 被控对象及控制策略研究6 2 1 被控对象分析6 2 1 1 被控对象的特点。6 2 1 2 被控对象的数学模犁7 2 1 3 叶腊石烤箱烘烤工艺分析一7 2 2 控制方法分析9 2 2 1 常规p i d 控制9 2 2 2 模糊控制1 0 2 。2 3p i d 控制和模糊控制的优缺点比较1 l 2 3 模糊自适应p i d 控制在叶腊石烤箱温度控制系统中的应用1 2 2 3 1 模糊自适应p i d 控制系统的结构1 2 2 3 2 模糊自适应p i d 控制的设计原则1 3 2 3 3 输入、输出信号的模糊量化1 3 2 3 4 控制规则的建立1 4 2 3 5 模糊推理与解模糊1 5 v 目录 2 3 6 模糊自适应p i d 控制的实现过程1 6 2 4 基于卡尔曼滤波的模糊自适应p i d 控制17 2 4 1 系统引入卡尔曼滤波的必要性分析1 7 2 4 2 卡尔曼滤波算法17 2 4 3 卡尔曼滤波器的滤波性能验证1 8 2 4 4 基于卡尔曼滤波的模糊自适应p i d 控制系统结构2 0 2 5 控制系统仿真分析2 0 2 6 本章小结。2 4 3 系统硬件设计2 5 3 1 系统硬件控制模块结构2 5 3 2 微控制器a t m e g a l 2 8 2 6 3 3 模数转换器a d 7 7 1 0 2 8 3 4 温度检测电路设计2 9 3 4 1 热电偶检测电路2 9 3 4 2 热电偶冷端补偿电路3 0 3 5 电加热模块电路设计3 0 3 6 排湿风扇控制输出电路设计3 2 3 7 加热丝和排湿风扇工作异常检测电路设计3 2 3 8 报警输出电路设计3 5 3 9 串口通信电路设计3 5 3 1 0 键盘和显示电路设计3 6 3 1 1 电源电路设计3 7 3 1 2 硬件抗干扰设计3 8 3 1 3 本章小结3 9 4 系统软件设计4 0 4 1 控制系统主程序设计4 0 4 2 热电偶温度采集子程序设计41 v i 目录 4 2 i 热电偶测温原理及温度计算方法4 1 4 2 2t 分度热电偶分度表的曲线拟合4 2 4 2 3a d 转换子程序4 3 4 2 4d s l 8 8 2 0 温度采集子程序4 4 4 3 模糊自适应p i d 算法子程序4 5 4 4 卡尔曼滤波算法子程序。4 6 4 5 串口通讯子程序4 7 4 6 按键和显示子程序4 8 4 7 软件抗干扰设计。4 8 4 8 本章小结。4 9 5 结论与展望5 0 5 i 结论5 0 5 2 展望。5 1 参考文献5 2 致谢5 5 附录a 系统主控制器电路原理图5 6 附录b 主控制器显示操作面板电路原理图5 7 附录c 电流检测与报警模块电路原理图5 8 个人简历、在学期问发表的学术论文与研究成果5 9 v i i 1 绪论 1 绪论 1 1 研究目的和意义 1 9 6 3 年，我国生产出第一颗人造金刚石，比发达国家晚了约1 0 年，但是， 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内的人造金刚石行业迅速发展，产量迅速增加，目 前我国人造金刚石的产量居世界第一，约占世界产量的7 0 以上。目前全国已 经有人造金刚石生产企业6 0 0 多家，人造金刚石年产量已经突破4 0 亿克拉，人 造金刚石的产地主要集中在河南、北京、湖南、广西等地。 在人造金刚石生产加工领域，叶腊石块是不可或缺的一种材料，叶腊石块、 导电堵头和碳棒共同构成了人造金刚石合成块，合成块在六面顶液压机六个锤 头的高温高压作用下，按照一定的加工工艺步骤，将碳棒合成会刚石n 1 。 叶腊石块是由叶腊石经粉碎、过筛、混合、搅拌、封存，在专用的液压机 上入模，压制成型后，经过烘烤将叶腊石块中的水分烘干，最后降温而成。叶 腊石是黏土矿物的一种，属于结晶结构为2 ：1 的层状含水硅酸盐矿物。叶腊石 块的实物照片如图1 1 所示。 图1 1 叶腊石块实物图片 叶腊石块是包裹碳棒的主要材料，主要起到传压、密封和保温的作用，在 六面顶液压机将碳棒合成金刚石的过程中，压力高达i o - - 1 5 m p a ，温度高达上 千摄氏度，叶腊石块中水分的含量直接影响生产安全，如果水分含量过高，六 面顶金刚石压机在对叶腊石块施加高压时，叶腊石块中的水分极容易在高压下 产生爆炸，从而引发生产事故，不但会造成巨大的财产损失，而且会对人的生 1 绪论 命安全构成威胁。 叶腊石块水分的烘干主要通过烘烤环节完成，其核心是烤箱的温度控制， 要求温度按照一定的工艺曲线变化，配合排湿动作完成水分的散发，因此对叶 腊石烤箱温度控制系统的研究就具有很大的现实意义。 目前国内外对叶腊石块烘烤设备的自动化控制研究很少，现有的叶腊石块 的烘烤设备也比较落后，大多采用普通的开关式控制方式或者常规p i d 控制方 式，温度的控制精度、稳定性和抗干扰性能都不佳，烤箱内的温度分布很不均 匀，导致叶腊石块的烘烤质量不稳定。目前叶腊石烤箱的排湿动作大多由人工 操作完成，而且长达近3 0 个小时的烘烤工艺也全部由人工完成，所以操作人员 需要按照烘烤工艺定时修改温度设定值，定时启动和关闭排湿动作，这不但增 加了工人的劳动强度，而且在晚上烘烤时，工人由于困乏往往不能严格遵照烘 烤工艺进行操作，造成叶腊石块的生产质量不能保证。再者，叶腊石烤箱中分 布着多层加热丝，在烘烤过程中，工人无法判断其中的加热丝有没有工作异常， 但是加热丝的工作异常会造成附近的温度场发生巨大变化，导致附近的叶腊石 块烘烤质量下降。同时，排湿风扇的工作异常也会造成烤箱内部的湿气不能及 时排出，对叶腊石块的生产质量也会造成重大影响。 本文针对现有叶腊石烤箱温度控制系统中普遍存在的问题，在系统总体设 计方面，将叶腊石烤箱分为上下两层，分别进行温度检测和控制，改善烤箱上 下层温度严重不均匀的缺陷。在温度控制理论方面，首次将先进的模糊自适应 p i d 控制理论应用在叶腊石烤箱的温度控制系统中，提高温度的控制精度、稳定 性和适应性，再将模糊自适应p i d 控制与卡尔曼滤波算法相结合，提高系统的 抗干扰能力。在系统硬件设计方面，增加加热丝和排湿风扇工作异常检测与报 警功能。在烘烤工艺控制方面，由原来的人工操作改为全自动控制，减轻工人 劳动强度，提高生产效率。 通过对叶腊石烤箱温度控制系统的改进，不但会提高叶腊石块的生产质量、 稳定性和生产效率，而且会降低工人的劳动强度。随着叶腊石块生产质量的提 高，会大大降低人造金刚石生产过程中事故发生的机率，对人造金刚石生产加 工领域具有很大的现实意义。 2 1 绪论 1 2 叶腊石烤箱温度控制系统的现状 目前国内外对叶腊石烤箱温度控制系统的研究较少，目前市场上正在使用 的叶腊石烤箱温度控制比较简单，自动化程度不高，控制效果不佳。现有的叶 腊石烤箱温控系统主要具有以下特点： ( 1 ) 现有叶腊石烤箱的型号规格多种多样，没有统一的规格标准，温度控制 的方法和手段也相对简单，叶腊石块的生产也以作坊式的生产为主。 ( 2 ) 叶腊石烤箱的温度控制大多采用温控仪，控制方法采用开关式控制或者 传统p i d 控制，实际温度控制效果不佳，温度控制精度不高，稳定性差，抗干 扰能力差。 ( 3 ) 叶腊石烤箱的温度控制大多使用一个温控仪，采样点只有一个，实际运 行中烤箱内部的温度分布很不均匀，造成叶腊石块的烘烤质量不稳定。 ( 4 ) 叶腊石烤箱的自动化控制程度低，烘烤工艺的执行和排湿大多由人工操 作完成，工人的劳动强度大，生产效率不高，而且烘烤工艺的实施也不容易保 证。 ( 5 ) 叶腊石烤箱温度控制系统不具备工作异常检测与报警功能，对于会严重 影响叶腊石块烘烤质量的异常情况，操作人员无法预知和判断，例如加热丝和 排湿风扇的损坏会影响叶腊石块的烘烤质量等等。 1 3 现有叶腊石烤箱温度控制系统中存在的问题及解决途径 叶腊石块的烘烤环节在叶腊石块的生产加工过程中占据重要的作用，烘烤 环节的主要目的是将叶腊石块中的水分烘烤干净，但是烘烤过程中不能改变叶 腊石块的形状、结构和表面质量等等。 以下是现有叶腊石烤箱温度控制系统中普遍存在的问题，以及本文分析得 出的解决途径。 问题一：现有烤箱的温度控制精度低，波动大，响应速度慢，稳定性差， 适应性差，抗干扰能力弱。 解决途径：在叶腊石烤箱的温度控制系统中引入先进的智能控制理论，将 传统p i d 控制理论和模糊控制理论相结合，结合两种控制理论的优点，得到模 糊自适应p i d 控制算法，将其应用到叶腊石烤箱的温度控制系统中，可以提高 系统的温度控制精度、响应速度、稳定性和适应性，可以很好地解决被控对象 3 1 绪论 模型参数的时变性问题瞳1 。将卡尔曼滤波算法应用到叶腊石烤箱温度控制系统 中，和模糊自适应p i d 控制相结合，得到基于卡尔曼滤波的模糊自适应p i d 控 制算法，提高系统的抗干扰能力曙1 。 问题- - ：由于烤箱体积较大，叶腊石块在烤箱内分布比较密集，烤箱内温 度分布严重不均，烤箱上层和下层的温度差别太大，导致叶腊石块的烘烤质量 不一致，不利于质量的控制。 解决途径：将烤箱从控制的角度上分为上下两层，上层和下层分别进行温 度检测和控制。将烤箱等分成六小层，每层都加上加热丝，提高烤箱内部温度 的均匀性。 问题三：现有叶腊石烤箱温度控制系统中没有异常检测和报警功能，对于 加热丝和排湿风扇的工作异常( 主要是指加热丝和排湿风扇本身损坏，或者前级 控制输出通道损坏导致的加热丝和排湿风扇工作异常) 无法检测和报警，但是这 些异常会对叶腊石块的烘烤质量造成重大的影响。 解决途径：引入电流检测电路，将六根加热丝分成三组，分别进行加热丝 电流检测，对排湿风扇也进行电流检测，当检测到电流异常时，进行报警提示。 问题四：现有叶腊石烤箱温度控制系统的自动化控制程度不高，叶腊石烤 箱的排湿动作和长达3 0 个小时的烘烤工艺大多由人工操作完成，需要工人按照 烘烤工艺定时修改温度设定值，定时启动和关闭排湿动作，这不但增加了工人 的劳动强度，而且在晚上烘烤时，工人由于困乏往往不能严格遵照烘烤工艺进 行操作，造成叶腊石块的生产质量不能保证。 解决途径：将烘烤工艺曲线存储在微控制器的e e p r o m 中，由微控制器自 动完成烘烤工艺曲线的控制。烘烤工艺的设置可以通过单个控制器的显示界面 和按键完成，也可以利用上位机通过r s 4 8 5 通讯完成设置。烘烤工艺的设置和 执行也可以统一由上位机来完成，单个烤箱的控制器只完成动作的执行。 1 4 论文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 对叶腊石烤箱温度控制系统的特点进行分析研究，建立被控对象的数学 模型，对叶腊石烤箱的烘烤工艺进行分析研究。 ( 2 ) 将p i d 控制和模糊控制相结合，得到模糊自适应p i d 控制算法，并将其 4 1 绪论 应用到叶腊石烤箱的温度控制系统中，根据理论和实验分析，得到合理的p i d 三个控制参数的模糊控制规则。 ( 3 ) 研究卡尔曼滤波算法，将卡尔曼滤波算法和模糊自适应p i d 控制相结合， 得到基于卡尔曼滤波的模糊自适应p i d 控制算法，提高叶腊石烤箱温度控制系 统的抗干扰能力。 ( 4 ) 利用m a t l a b 对模糊自适应p i d 控制算法和基于卡尔曼滤波的模糊自 适应p i d 控制算法进行仿真和验证。 ( 5 ) 根据现有烤箱存在的问题，研究和开发温度控制系统的硬件平台，主要 包括微控制器模块、热电偶温度检测模块、冷端温度补偿模块、加热丝控制输 出模块、加热丝和排湿风扇工作异常检测模块、报警输出模块、排湿风扇控制 模块、串口通讯模块、键盘显示模块等。 ( 6 ) 完成叶腊石烤箱温度控制系统的软件设计，主要包括热电偶温度采集子 程序、d s l 8 8 2 0 冷端温度补偿子程序、卡尔曼滤波程序、模糊自适应算法程序、 p i d 控制程序、控制输出程序、加热丝损坏检测判断程序、显示按键程序和串口 通讯程序等。 5 2 被控对象及控制策略研究 2 被控对象及控制策略研究 2 1 被控对象分析 2 1 1 被控对象的特点 叶腊石烤箱的实物图片如图2 1 所示。 图2 1 叶腊石烤箱实物图片 叶腊石烤箱体积较大，为了保证烤箱内部湿气及时排出，烤箱在底部安装 有排湿风扇，排湿风扇的动作按照一定的烘烤工艺定时启动，烤箱顶部安装有 烟囱来保证湿气的顺利排放。叶腊石块在烤箱内分布比较密集，且叶腊石烤箱 在工作过程中伴有定时排湿动作和偶尔的开门动作的随机扰动，叶腊石烤箱的 温控系统是一个复杂的控制系统，主要有以下特点： ( 1 ) 叶腊石烤箱温控系统是一个大滞后大惯性的复杂系统，控制过程中存在 很多不确定性，烤箱工作过程中常伴有排湿动作和开门动作的随机扰动； ( 2 ) 烤箱内部叶腊石块分布比较密集，且在烤箱工作的不同阶段，叶腊石块 的水分含量不同，烤箱内部的湿蒸汽的含量也不同，烤箱的环境参数会逐渐改 变，即被控对象的数学模型会不断变化，另外，烘烤的叶腊石块的规格型号不 同，被控对象的模型参数也会发生改变； 6 一 2 被控对象及控制策略研究 ( 3 ) 烤箱工作过程中，系统难免会受到随机噪声、外部负载变化、环境变化 等干扰，测量噪声和控制噪声的存在会使系统的控制精度下降。 2 1 2 被控对象的数学模型 叶腊石烤箱温度控制系统采用电加热装置，可用二阶纯滞后环节来描述， 然而，对于二阶不振荡系统，可以通过参数辨识将其降为一阶模型h 1 。因此，叶 腊石烤箱的温度控制系统可以通过一阶惯性滞后环节来描述其数学模型，其传 递函数为式( 2 1 ) 所示。 g ( s ) = 嘉p 叫 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中k 为静态增益，t 为对象的时间常数，r 为纯滞后时间。 在实验过程中，可采用飞升曲线测量方法，测得叶腊石烤箱温度控制系统 的飞升曲线，即可得到被控对象的数学模型参数。获得飞升曲线时，需要断开 控制器，手动调节使系统稳定工作在实际工况值附近，然后给对象一个阶跃信 号，对象的输出也随之发生变化，最后稳定在一个值，通过上位机记录下数据 就可以得到飞升曲线，通过作图的方法可以得到参数k 、t 和f 。在叶腊石烤箱 温度控制实验中，得到一组数学模型参数足k = i 2 5 ，t = 2 0 0 ，f = 8 0 。 这里需要强调的是，由于叶腊石烤箱温控系统是一个复杂的时变系统，在 烤箱工作过程中，被控对象的三个模型参数会根据环境和控制过程的变化而改 变，在烤箱工作的不同阶段，叶腊石块的水分含量不同，烤箱内部的湿蒸汽的 含量也不同，烤箱的环境参数会逐渐改变，即被控对象的数学模型会不断变化。 此外，烤箱烘烤的叶腊石块的型号规格不同，且烘烤时叶腊石块在烤箱中的密 集程度也不同，也会造成被控对象数学模型参数的改变。 2 1 3 叶腊石烤箱烘烤工艺分析 对叶腊石块进行烘烤的最终目的是将叶腊石块中的水分烘干，由于叶腊石 块比较坚硬，已经被压的很实，因此水分不容易被充分烘干。为了将叶腊石块 中的水分充分烘烤干净，而且不能影响到叶腊石块的质量，我们需要对叶腊石 块在烘烤过程中不同阶段的特性进行分析和实验。 烘烤初始阶段：烘烤刚开始时，叶腊石块的水分含量很大，在这个阶段， 如果温度太高或者升温太快，现场实验时发现叶腊石块的表面会出现气泡，会 7 2 被控对象及控制策略研究 严重影响叶腊石块的质量。如果湿气不能及时排出，则容易在叶腊石块的表面 产生水珠，也会影响到叶腊石块的质量。因此在烘烤的初始阶段，需要在较低 温度下烘烤，要增大排湿动作的次数和时间，而且温度波动不能太大，升温降 温速度不能太快。 烘烤中间阶段：由于在烘烤的初始阶段叶腊石块表面厚度中的水分已经大 部分被排出，还剩下叶腊石块比较靠内部分的水分。因此，烘烤中间阶段的基 本思路是将温度按照一定的步距逐渐升高，在每个温度点上保温一段时间，按 照一定的频率进行排湿。在烘烤的中间阶段，可适当增加排湿次数，但单次排 湿动作的时间不易过长。 烘烤最后阶段：烘烤最后阶段时，叶腊石块中的水分已经基本烘烤完毕， 因为烤箱内部叶腊石块分布比较密集，内部温度场分布不均，考虑到某些叶腊 石块的烘烤效果不好，水分还没有烘烤完毕，在烘烤的最后阶段，采用在高温 下保温的策略，保温的前期，以较小的频率进行排湿动作，保温的后期，不执 行排湿动作，只靠烟囱的吸力将湿气排出。 叶腊石块的烘烤工艺的选择非常关键，烘烤工艺的好坏也会极大地影响叶 腊石块的生产质量。根据现场长期的实验结果，我们采用阶段升温保温，问隔 排湿的总体工艺，将4 0 3 0 0 的温度范围划分为n 个阶段，每个阶段有不同 的温度值，不同的保温时问，不同的排湿频率和排湿时间。叶腊石块的烘烤工 艺将持续近3 0 个小时。表2 1 为一套叶腊石块的烘烤工艺。不同规格的烤箱， 不同规格的叶腊石块，烘烤的工艺不尽相同。 表2 i 叶腊石块的烘烤r 艺 8 2 被控对象及控制策略研究 2 - 2 控制方法分析 目前工业中常见的温度控制方法是p i d 控制和模糊控制。下面本文对这两 种控制方法进行分析。 2 2 1 常规pid 控制 p i d 控制是生产过程中最普遍采用的一种控制方法，在机械、化工、冶金 等行业得到了非常广泛的应用。 p i d 控制就是将误差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控 对象进行控制的一种方法，其系统原理框图如图2 2 所示。 图2 2p i d 控制系统原理框图 通常，常规数字p i d 的控制算法为： k 甜( 后) = k p p ( 七) + k ，e ( i ) + k d e c ( k ) ( 2 2 ) i = 0 其中，以垆m 一旷1 ) ，巧寄丁，如= 竽。乃为积分时间常 数，为微分时间常数，t 为采样周期。 k 式( 2 2 ) 中，p ( 七) 、p ( f ) 、p c ( 七) 分别为被控对象在采样时刻尼的误差、误 i - o 差和与误差变化。砗、蟛、分别为p i d 的比例系数、积分系数和微分系数。 u ( k ) 为控制器输出值。 p i d 控制中比例环节的作用是：当给定值和当前值之间的误差一旦产生，控 制器将以最快的速度产生控制作用来减小误差。比例系数亿越大，系统的响应 速度越快，但k ，过大时容易产生超调，甚至可能导致系统的不稳定。k p 越小 9 2 被控对象及控制策略研究 系统响应速度越慢，调节时间越长晦1 。 p i d 控制中积分环节的作用是：消除系统的静态误差，积分系数k ，越大， 系统的静态误差消除的越快，但是过大的k ，会在系统响应过程的初期产生积分 饱和现象，从而引起较大的超调。k ，过小，将使系统的静态误差难以消除，影 响系统的调节精度哺1 。 p i d 控制中微分环节的作用是：改善系统的动态性能，微分环节反应误差的 变化趋势，抑制误差向任何方向变化，可以对误差的变化进行提前预报，减小 调节时间，提高系统的响应速度。但过大的k n 会增大微分环节的作用，对误差 的变化会很敏感，会降低系统的抗干扰性能瞄1 。 2 2 2 模糊控制 ( 1 ) 模糊控制的工作原理和基本思想 模糊控制是将以模糊集合理论、模糊语言以及模糊逻辑推理为基础的理论， 同传统的控制理论相结合，来模拟人的思维方式，对难以建立精确数学模型的 被控对象进行控制的一种方法。模糊控制的基本思想就是用计算机来模拟人对 系统的控制，将人的控制思想，也就是把专家的知识和操作者的经验进行总结， 并将这些经验表达成模糊控制规则，然后将这些控制规则转化成计算机可以执 行的算法，进而完成对被控对象的控制1 。 ( 2 ) 模糊控制系统的组成 一个模糊控制系统必须包含一些必要的部件，模糊控制的系统框图如图2 3 所示。 图2 3 模糊控制系统框图 模糊控制系统主要由模糊控制器、被控对象、执行机构、传感器和输入输 出通道等几部分组成。模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，是模糊控制系 统区别于其它控制系统的标志，模糊控制器中存放的是由模糊控制规则推导出 来的模糊控制算法，一般由微机编程或者硬件来实现，模糊控制器不依赖于被 控对象的精确数学模型，被控对象不同，以及对系统的静态和动态性能要求不 1 0 2 被控对象及控制策略研究 同，模糊控制器的控制规则也不尽相同。被控对象可以是一种设备或装置，除 了可以是线性的单变量的确定的简单系统外，也可以是具有非线性、多变量、 不确定性、滞后性、时变性、强耦合和易受干扰等特性的复杂系统。执行机构 主要是指各种电机、马达、调节阀和加热器等。传感器主要是指将温度、压力、 流量、速度、位移等被控量转化为电信号的装置。输入输出通道主要是指a d 、 d a 转换单元和电平转换电路呻