（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊神经网络感应加热电源温度控制的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着生产力水平的发展，对感应加热电源加热工件温度的精度 要求越来越高，而感应加热电源的过程控制方法对加热工件温度的 精度起决定性的作用，因此对感应加热系统的过程控制方法的研究 就显得越来越重要。本文以模糊控制理论和樟经网络理论为依据， 研究了基于模糊神经网络的p i 控制方法，并建立了感应加热电源的 模型。经过对感应加热电源建模实验验证，本文的控制方法有效地 提高了感应加热电源加热工件表面温度的精度。 首先，本文选取1 5 0 k w l 3 0 k h z 并联感应加热电源作为研究对 象，并提取其数学模型。用常规p i 控制器对感应加热电源进行控制， 得到加热工件表面温度变化的曲线，并对其进行了理论上的分析。 其次，在对常规p i 控制方法分析的基础上，针对常规p i 控制方 法的缺陷提出了基于模糊神经网络p i 控制器。该控制器主要采用了 神经网络的b p 学习算法，利用神经网络结构，把模糊控制与神经网 络结合起来，将模糊逻辑中的隶属度函数与模糊规则转换到神经网 络中，形成分布式的知识体系，利用神经网络自学习功能进行训练， 不断修正神经网络连接权值，以便于调整隶属函数分布，求得模糊 规则的目的，进而根据负载温度的变化来改变感应鸯珏热电源控制系 统的p i 参数，最终得到期望的温度曲线。 最后，在研究成果的基础上采用v i s u a lc + + 6 0 开发环境设计 并实现了基于摸糊神经网络p i 控制的感应加热电源训练及仿真可 视化系统。通过该系统可以对模糊神经网络p i 控制器进行离线训 练，同时观察常规p i 控制器和基于模糊神经网络p i 控制器对加热 工件表面温度的不同控翩效果，通过比较仿真结果明显看出新的控 制方法远优于常规p i 控制方法。 关键词：感应加热电源；模糊神经网络；加热温度；常规p i d 控制； b p 算法。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ha d v a n c i n gl e v e l so ft e c h n o l o g y ，g r e a t e rp r e c i s i o ni n c o n t r o l l i n g t h et e m p e r a t u r eo fw o r k p i e c eh e a t e db yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ri sr e q u i r e d t h ec o n t r o lm e t h o df o ri n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r si sc r u c i a lt od e t e r m i n et h e t e m p e r a t u r ep r e c i s i o nf o rt h eh e a t e dw o r k p i e c e ，t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho f c o n t r o lm e t h o d si so fg r e a tv a l u e i nt h i st h e s i s ，u s i n gf u z z yc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r kt h e o r y ，ap r o p o r t i o na n di n t e g r a l ( p i ) c o n t r o lm e t h o db a s e do i la f u z z y n e u r a ln e t w o r ki ss t u d i e d ，a n dam o d e lo fa ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ri s b u i l t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lm e t h o dp r o p o s e di nt h i s p a p e rg i v e sp r o m i s i n gr e s u l t si ni m p r o v i n gt h et e m p e r a t u r ep r e c i s i o nf o rt h e w o r k f l i e c eh e a t e db yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r f i r s t l y a 1 5 0 k w ，3 0 k h z p a r a l e l i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ra n di t s m a t h e m a t i c a lm o d e la r ei n v e s t i g a t e d w h e nag e n e r a lp ic o n t r o lm e t l l o di s u s e di na ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r ，t h ev a r y i n gt e m p e r a t u r eo ft h eh e a t e d w o r k p i e c e ss u r f a c ei sp l o t t e d ；t h ed i s a d v a n t a g eo ft h eg e n e r a lp im e t h o dc a n b ef o u n d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg i v e nt e m p e r a t u r ec u r v e s e c o n d l y ，af u z z y n e u r a ln e t w o r kp ic o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e do nt h e b a s i so ft h ea n a l y s i so fg e n e r a lp im e t h o d s t h e nab a c kp r o p a g a t i o n ( b p ) a l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，a n db ye m p l o y i n gt h es t r u c t u r eo fn e u r a ln e t w o r k ， f u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r ka r ec o m b i n e di ns u c haw a yt h a tt h ef u z z y m e m b e r s h i pf u n c t i o na n df u z z yr u l e sf r o mt h et r a d i t i o n a le x p e r ts y s t e ma r e c o n v e r t e di n t ot h en e u r a ln e t w o r k a sar e s u l t ，ad i s t r i b u t e dk n o w l e d g es y s t e m i sc o n s t r u c t e d d u et oi t ss e l f - l e a r n i n ga b i l i t y ，t h i ss y s t e mc a nu p d a t et h e c o n n e c t i o nw e i g h t si nn e u r a ln e t w o r k sc o n t i n u o u s l y ，a n dc o n s e q u e n t l ym a k e t h ef u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o na n df u z z yr u l e sm o r ea c c u r a t e a c c o r d i n gt o t h i sd i s t r i b u t e dk n o w l e d g es y s t e m ，t h ep ip a r a m e t e r sf o ra ni n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rc a nb ea d j u s t e dp r o p e r l yw h e nt h ew o r k p i e c e st e m p e r a t u r ev a r i e s ，a n d f i n a l l yt h ee x p e c t e dt e m p e r a t u r ec u r v ec a nb ea c q u i r e d a b s t r a c t i nt h ee n d ，av i s u a l i z e ds o f t w a r ep a c k a g ei s d e v e l o p e du n d e r t h e e n v i r o n m e n to f v i s u a lc + + 6 0 t h i ss y s t e mc a np e r f o r mt r a i n i n ga n d s i m u l a t i o no ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rb a s e do nt h ef u z z y n e u r a ln e t w o r k p ic o n t r o lm e t h o d af u z z y n e u r a ln e t w o r kp ic o n t r o l l e rc a nb et r a i n e do f f - l i n e b yt h i ss y s t e m ，a n dt h ep e r f o r m a n c e so ft h ef u z z y n e u r a ln e t w o r kp ic o n t r o l l e r a n dg e n e r a lp ic o n t r o l l e rc a nb eo b s e r v e d f i n a l l y ，t h ea d v a n t a g e so ff l e w c o n t r o lm e t h o dc a nb es h o w nb ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nw i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l t s k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r ；f u z z y n e u r a ln e t w o r k ；h e a t e d t e m p e r a t u r e ；g e n e r a lp i dc o n t r o l ；b pa l g o r i t h m m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导= ，进行的研究，r 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 呻啾签字嗍中年胁抓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 翩繇阀坛久 签字日期d b 毕年ft 垌少纛 张 呻万 第章绪论 1 1 感应加热的基本知识 第一耄绪论 1 1 1 感应加热的特点和用途 自从工业上开始应用感应加热电源以来，无论是感应加热的理论还是 感应加热的装置都得到了很大的发展。感应加热电源的应用领域亦随之扩 大，其应用范匿也越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特 点2 】： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率离，可以节能； ( 3 ) 加热速度快，被加热物体的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质耋稳定； ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好： ( 6 ) 容易实现自动控制，省力： ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘： ( 8 ) 作业占地面积少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) 工件容易加热均匀，产品质量好。 在应用领域方面，感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等 过程，已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸锻和船舶、飞机汽车制造 业等不可少的一部分。此外，感应加热已经或不断地进入到人们的家庭生 活中，例如电磁炉、热水器等都可以采用感应加热方式来实现。 1 1 2 感应加热原理l | 3 】 1 1 2 1 电磁感应与感应加热 m i c h a e lf a r a d y ( 法拉第) 于1 8 3 1 年建立的电磁感应定律说明：在一个 电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电 路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。 第一章绪论 感应加热的原理图如图1 l 所示 图1 1感应加热原理图 感应线朋 加热工件 如上图，当感应线圈上通以交变的电流i 时，线圈内部会产生相同频率的 交变磁通庐，交变磁通痧又会在金属工件中产生感应电势e 。根据 m a x w e l l 电磁方程式，感应电动势的大小为： e：一nd，痧(1-1) 破 式中n 是线圈匝数，假如是按正弦规律变化的，则有： = 由。s i n o t ( 1 。2 ) 那么可得到感应电动势为： p = 一n o ，缈c o s o t ( 1 3 ) 因此感应电动势的有效值为： e - 2 n j n f o ：4 4 4 n f 碜。( t - 4 ) 、，二 由此可见，感应加热是靠感应线鬣把电能传递绘要加热的金属，然后 第一章结论 电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能罱 是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与。般电气 设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气 设备中涡流是有害的，两感应加热却是利用涡流进行加热的。 这样，感应电势在工件中产生感应电流( 涡流) i ，使工件加热。其 焦耳热为： q = o 2 4 12 r t ( 】_ 5 ) 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ： l ：电流有效值( a ) ： r ：工件的等效电阻( o ) ： t ：工件通电的时间( s ) 。 由式( 1 4 ) 可以看出，感应电势藕发热功率与频率高低莉磁场强弱商 关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应 线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工 件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流 的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有 关。 1 1 2 2 透入深度与集肤效应 透入深度的规定是由电磁场的集肤效应两来的。电流密度在工件中的 分布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这 样规定的，当导体电流密度由表面向里丽衰减到数值等于表面电流密度的 o 3 6 8 倍时，该处到表礞的距离6 称为电流透入深度。因此可以认为交流 电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度6 内。 透入深度6 可用下式来表示： l 占= 5 0 3 0 ，f 之 ( 1 6 ) v ， 式中，p ： 导体材料的电阻率( q ) ； ，： 导体材料的相对磁导率( 无量纲) 第蕈绪论 厂：电流频率( h z ) 。 分析一下式( 1 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导率，确定以后，透 入深度6 仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频 率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的 应用，如淬火、热处理等。 1 2 感应加热技术的发展与现状 1 2 1 感应加热技术的发展过程 法拉第18 3 1 年发现的电磁感应现象，就是感应加热技术的基础。在近 一百年的时间里，电磁感应原理被广泛应用于电动机、发电机、变压器和 射频通讯装置中，而在这些设备中电路和磁路的热效应均被看作是有害的 副效应。直到十九世纪末，f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 以及t h o m s o n 等人对涡流 理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究后，才逐步建立了 感应加热的理论基础。同时人们也开始意识到电磁感应中涡流效应的应用 价值。 随着人们对感应加热现象认识的不断加深，2 0 世纪初法国、意大利和 瑞典等国开始研究使用感应加热技术。1 9 1 6 年，美国的j r w y a t t 发明了 “潜沟式”有心感应炉，也即现在广泛使用的有心炉的原形。1 9 2 1 年美 国人e f n o r t h r u p 又发明了无心感应炉，并尝试将已经问世的中频发电机 组用于向感应加热负载供电。随着感应加热技术理论的逐步系统化，实践 应用也有很大的进展，此时正在广播通讯领域迅速推，“的电子三撒管也被 引进到感应加热技术中。二次世界大战之后，由于能源紧张，以感应炉取 代低效率的燃料炉取得了明显的节能效果；随蔫工业化进程的加快，人们 的环保意识的不断提高，因此世界各国都在大力发展感应加热技术以取代 污染严重、劳动条件差、自动化程度低的燃料炉，这一系列因素促进了感 应加热技术的迅速发展，感应加热设备的应用数量地不断增长，应用范围 的不断扩大。 五十年代末出现的晶闸管弓j 起了感应加热技术以至整个电力电予学的 一场革命。晶闸管在电力电子学中的应用具有划时代的意义，它标志着以 固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。因此晶闸管出现后，欧 第章绪论 - ：电流频率( h z ) 。 分析一下式( 1 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导章“，确定以后，透 入深度6 仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频 率越高，工作的透热厚度就越薄这种特性在金属热处理中得到了r 泛的 应用，如淬火、热处理等。 1 2 感应加热技术的发展与现状 1 2 1 感应加热技术的发展过程 法拉第1 8 3 1 年发现的电磁感应现象，就是感应加热技术的基础。存近 百年的时间里，电磁感应原理被广泛应用于电动机、发电机、变眭器和 射频通讯装置中，而在这些设备中电路和磁路的热效应均被看作是有害的 副效应。直到十九世纪末，f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 以及t h o m s o n 等人对涡流 理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究后，才逐步建立r 感应加热的理论基础。同时人们也开始意识到电磁感应中涡流效麻的应j _ j 价值。 随着人们对感应加热现象认识的不断加深，2 0 世纪初法圜、意犬利和 瑞典等国开始研究使用感应加热技术。1 9 1 6 年。美国的j r w y a t t 发明了 “潜沟式”有心感应炉，也即现在广泛使用的有心炉的原形，】9 2 1 年羹 国人e f n o r t h r u p 又发明了无心感应炉，并尝试将已经问世的中频发电机 组用于向感应加热负载供电。随着感应加热技术理论的逐步系统化，实践 应用也有很大的进展，此时正在广播遁汛领域迅速推，“的电子三撒管也被 引进到感应加热技术中。二次世界大战之后，由于能源紧张，咀感应炉取 代低效率的燃料炉取得了明显的节能效栗；随蒴工业化进程的加快，人们 的环保意识的不断提高，鼠此世界各鬣都在大力发展感随自u 热技术以取代 污染严重、劳动条件差、自动化程度低的燃料- 这一系列因素促进了感 应加热技术的迅速发展，感应加热设备的应用数量地不断增长，应用范网 的不断扩大。 五十年代末出现的晶闸管引起了感应加热技术以至整个电力 趋子学的 一场革命。晶闸管在电力电子学中的应用具有划时代的意义，它标志着以 固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。因此晶闸管出现后，欧 固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。因此晶阐管出现后，欧 第蕈绪论 厂：电流频率( h z ) 。 分析一下式( 1 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导率，确定以后，透 入深度6 仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频 率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的 应用，如淬火、热处理等。 1 2 感应加热技术的发展与现状 1 2 1 感应加热技术的发展过程 法拉第18 3 1 年发现的电磁感应现象，就是感应加热技术的基础。在近 一百年的时间里，电磁感应原理被广泛应用于电动机、发电机、变压器和 射频通讯装置中，而在这些设备中电路和磁路的热效应均被看作是有害的 副效应。直到十九世纪末，f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 以及t h o m s o n 等人对涡流 理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究后，才逐步建立了 感应加热的理论基础。同时人们也开始意识到电磁感应中涡流效应的应用 价值。 随着人们对感应加热现象认识的不断加深，2 0 世纪初法国、意大利和 瑞典等国开始研究使用感应加热技术。1 9 1 6 年，美国的j r w y a t t 发明了 “潜沟式”有心感应炉，也即现在广泛使用的有心炉的原形。1 9 2 1 年美 国人e f n o r t h r u p 又发明了无心感应炉，并尝试将已经问世的中频发电机 组用于向感应加热负载供电。随着感应加热技术理论的逐步系统化，实践 应用也有很大的进展，此时正在广播通讯领域迅速推，“的电子三撒管也被 引进到感应加热技术中。二次世界大战之后，由于能源紧张，以感应炉取 代低效率的燃料炉取得了明显的节能效果；随蔫工业化进程的加快，人们 的环保意识的不断提高，因此世界各国都在大力发展感应加热技术以取代 污染严重、劳动条件差、自动化程度低的燃料炉，这一系列因素促进了感 应加热技术的迅速发展，感应加热设备的应用数量地不断增长，应用范围 的不断扩大。 五十年代末出现的晶闸管弓j 起了感应加热技术以至整个电力电予学的 一场革命。晶闸管在电力电子学中的应用具有划时代的意义，它标志着以 固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。因此晶闸管出现后，欧 第章绪论 洲各国先后开始研制晶闸管中频装置，1 9 6 6 年瑞士、西德都研制成功r 晶 闸管中频装置。到七十年代后期，晶闻管中频装置己逐渐取代了r - = 频发电 机组，成为中频感应加热领域的主导产品。 到了八十年代，随着一系列新型自关断器件如m o s f e t ， i g b t ， s i t ，m c t 等的出现，促使电力电子技术向更高频率的应用领域发展。在 超音频范围内( 2 0 一l o o k h z ) ，开发数百千瓦的感应加热电源已不困难。在 高频范围内( 1 0 0 k h z ) ，日本采用s i t 的系列化高频感应加热电源八十 年代末已经达到4 0 0 k w 4 0 0 k h z 的水平，而采用m o s f e t 的感应加热电溉 的容量也可达到1 2 0 k w 3 0 0 k h z 的水平。 1 2 2 感应加热技术现状1 4 j 感应加热技术从诞生至今，经过了近百年的发展，取得了令人注目的 成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感应加 热技术与现代化生产的许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用。 因此世界各圆十分关注感应加热技术的发展，并投入相当的经济支持和技 术力量。目前，传统感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共 存。 1 2 2 1 国外感应加热技术现状 目前，在低频感应加热领域普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频 感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件透热或数百吨的食用 水保温。预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、 可靠性方面还很难与简单可靠的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性 能均大于工频炉。 在中频( 1 5 0 h z 2 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装霞已经完全取代 了传统的中频发电机和电磁倍频器，国外的装置容量已经达到数十兆瓦。 在超音频( 2 0 k h z l o o k h z ) 范围内，i g b t 的应用占主导地位。1 9 9 4 年| = = | 本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 电流型感应加热电源，逆变器 工作于零电压开关状态，实现了微机控制。1 9 9 3 年锺班牙也报道了 3 0 6 0 0 k w 5 0 1 0 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源。欧美地区其他 些 国家的系列化超音频感应加热l 电源的最大容萤也达数百千瓦。 第一章绪论 在高频( 1 0 0 k h z 以。1 - _ ) 领域，国外已从传统的电子管电源过渡到晶 体管全固态电源。以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为 5 - 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 k h z ，而采用s l t 的固态高频感应加热电源的水平可达 4 0 0 k w 4 0 0 k h z 。欧美各国采用m o s f e t 的高频感应加热电源的容量也在 突飞猛进。例如，西班牙采用m o s f e t 电流型感应加热电源制造水平可达 6 0 0 k w ，4 0 0 k h z ；比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e j 、感应 加热电源水平可达l m w 5 6 0 0 k h z 。 1 2 2 2 国内感应加热技术现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中，6 0 年代末开始研制晶阐管中频电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸 管中频电源，到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为，。 阀的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形 成了5 0 0 8 0 0 h z 1 0 0 3 0 0 0 k w 的系列化产品。但国产中频电源大多采用并 联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的 同时，尽快研制出结构简单易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中 频领域有待解决的问题。 1 3 过程控制发展及现状i 5 i 感应加热的控制属于过程控制t ：类较为典型的控制对象。作为实现 生产过程自动化的过程控制系统，在近几十年发展很快。 本世纪四十年代前焉，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要 是凭经验用人工去控制生产过程生产过程中的参数靠人工观察，生产：过 程中的操作也靠人工去执行。 四十年代以后，生产过程自动化发展很快。尤其是近年来，过程控制 技术发展更为迅速。纵观过程控制发展的历史，大致经历了下述几个阶段： 五十年代盼后，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化，检测和控 制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元仪表( 多数为气动仪表) ；过程控制 系统结构大多数是单输入单输出系统，被控参数主要是湿度、压力、流量 和液位四种参数：控制目的是保持返些参数的稳定，消除或减少对生产过 第一章绪论 程的主要扰动；控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论， 主要解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合。 六十年代，工业生产的不断发胰对过程控制提出了新的要求，电子技 术的迅速发展也为自动他技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的 第二个阶段。在仪表方菌，开始大量采用单元组合仪表( 气动、电动) ，出 现了组装仪表；计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了直接数 字控制( d d c ) 与设定值控制( s p c ) ；在控制系统方砸，为了提高控制质 量与实现一一些特殊要求，相继出现了各种复杂控制系统( 串级、比值、均 匀控制系统等) ；尤其是前馈和选择控制的应用，使复杂控制达到一个新的 水平；控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论以解决实际生产中遇到 的问题夕 ，现代控制理论开始得到应用，控制系统由单变量系统转向多变 量系统，以解决生产过程中遇到的更为复杂的问题。在此期间工厂企业 实现了车间或大型装置的集中控制。 七十年代以来，随蔫工业生产的迅猛发展、仪表与硬件的开发、微型 计算机的开发应用，生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。对全厂。 或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制或者用 多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。七 十年代中期，集散控制系统( d c s ) 豹问世受到了工业控制界的青睐。随 着芯片技术的发展，出现了一种新型的计算机控制系统一一现场总线系统， 这一新技术表现出了极大的活力，值得我们注意。现场总线系统在工业过 程控制中的应用将给传统的控制系统带米一场变革。 综上所述，近几十年来，特别是近年来，过程自动控制正在发生巨大 的变化。但是从其控制方式来看，在工矿企业中普遍采用的还是传统的p i d 控制方式，在感应加热电源的自动控制中也是如此。 1 4 智能控制的发展及其在过程控制中的应用【6 j 智能控制是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法 难阱解决的复杂系统的控制问题。其中包括智能机器人系统、计算机集成 制造系统( c i m s ) 、复杂的工业过程控制系统、航空航天控制系统、社会 经济管理系统、交通运输系统、环保及能源系统等。具体说来，智能控制 的研究对象具有不确定性的模型、高度的非线性和复杂的任务要求。 第一章绪论 智能控制是自动控制理论与人工智能相结合的产物。简单说来，智能 控制所要解决的问题是：如何将人工智能技术中较少依赖模型的求解方法 与常规的控制方法相结台。 智能控制理论包括下面几种：自适应、自组织和自学习控制：知识j 程：信息熵；p e t r i 网；人工系统理论；形式语言与自动机；大系统理论； 神经网络理论；模糊集合论。其中模糊控制理论和神经网络理论在过程控 制中已有了较多的应用。 1 5 选题的意义 今后，随着电力电子器件的发展，开发大功率、高频率的感应加热电 源的同时，对于加热工件表面温度的准确控制更显的尤为重要，利用传统 的p i d 控制方法很难满足对加热工件温度准确控制的要求。本设计所要研 究的感应加热电源是基于模糊神经网络的p i 控制，属于智能控制在过程控 制中的一种应用，其基本思想是结合模糊控制理论和人工神经网络理论， 构造一种模糊神经网络p i 控制器，用以取代目前在感应加热电源控制中酱 遍使用的p i d 控制器，对感应加热电源温度这种参数不稳定的被控对象实 现更为有效的控制。 第二章传统感应加热电源温度控制方案介绍 第二章传统感应加热电源温度控制方案介绍 在目前使用的感应加热电源温度控制方案中，采用了串级控制等复杂 控制系统，但系统中使用的都是p i d 控制器( 模拟控制器或计算机实现的 数字p i d 控制器) ，以下先介绍p i d 控制原理，再对传统的感应加热电源控 制方案作以简单说明。 2 1p i d 控制算法 在当今工业生产控制方案中，有很大一部分是采用p i d 或改进的p i d 控 制。p i d 控制器大多是液压的、气动的、电气的和电子型的，或者是由它 们构成的组合型。当前，许多这类控制器通过采用微处理器，都转变成了 数字型p i d 控制器。在感应加热电源的自动控制中。无论是串级控制还是 前馈控制，最终还是通过p i d 控制器实现的。 p i d 控制的价值在于它们对大多数控制系统的广泛适应性。众所周知， 在过程控制系统领域，基本的和变形的p i d 控制器已经证明具有良好的适 应性，它们可以提供满意的控制效果。然而，p 1 d 控制器在许多给定的情 况下还不能提供最佳控制，在控制规模目益扩大，控制要求臼益复杂的今 天，显然有必要发展先进的控制方式。 下面对过程控制中常见的p i d 控制作一介绍： 2 1 1 模拟p i d 控制i 7 j 在模拟控制系统中，常规p i d 控制原理框图如图2 1 所示，系统由p i d 控 制器和被控对象组成。 第二章传绕感应加热电游温度控制方案介纠 一 竖一厂一t 翻2 一l常规p i d 控制原理图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( r ) 与实际输出值c ( f ) 构 成控制偏差： e ( f ) = r ( f ) 一c ( o( 2 1 ) 将偏差的比例项( p ) 、积分项( i ) 和微分项( d ) 通过线性组合构成 控制量，对被控对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 硼m 加十砉扣舢学】 f 2 _ 2 ) 或写成传递函数形式 g = 絮瑙( ，十去+ ( 2 ，) 式中，k 。为比例系数： t j 为积分时间常数； t o 为微分时间常数。 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如f ： 1 比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号口( f ) ，偏差一旦 产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。 3 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，从而加快系统 的动作速度，减小调节肘间。 2 1 2 数字p i d 控制算法【8 1 在当前常见的计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，p i d 控制 算法通常又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 第二章传统感应加热电源温度控制方案介绍 a 位置式p i d 控制算法 在计算机控制系统中，式( 2 - 2 ) 中的积分和微分项不能直接使用，需 要进行离散化处理。按模拟p i d 控制算法的算式( 2 - 2 ) 。以系列的采样时 刻点了1 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可做如下 近似变换： “k t ( k = 0 , i ，2 3 )( 2 - 4 ) p ( o a t “丁e ( i t ) = r e ( ，) de(t)一。e(kt)-e(k-i)t：e(k)-e(k-1) 式中j r 为采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期丁必须足够短 才能保证有足够 的精度。将e ( k t ) 简化表示为e ( ) ，将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 2 ) 可得离散的 p i d 表达式为： “c t ，= k ， e e 七，+ 吾套e c ，+ 等k t t ，一e c t 一，】 t 2 s ， 或 “= k ，p ( 七) + k 。p ( ，) + 如k 女) 一e ( k 1 ) 1 ( 2 6 ) 式中：k 为采样序号、k ；0 ，1 ，2 ； u ( k ) 为第k 次采样时刻的计算机输出俊； e ( 七) 为第盎次采样时刻输入的偏差值； e ( k 1 ) 为第k 一1 次采样时刻输入的偏差值； k ，为积分系数，k ，= k p ； k 。为微分系数，k 。= k ，等“； 由z 变换的性质： z p ( i 一1 ) 】嚣z 一1 e ( 三) ( 2 7 ) 第二章传统感麻加热电源温度控制- h 案介绍 z 阻， ：器 ( 2 8 ) 式( 2 - 6 ) 的z 变换式为： 用z m ，器+ k a l e ( z ) _ z - l e 】 ( 2 _ 9 ) 圈2 - 2 数字p 1 d 控制器原理图 由式( 2 - 9 ) 便可得到数字p 1 d 控制器的z 传递函数为 ) = 鬻- - - k v + 各坻”z 睁i ( j ) 依此构造的数字p i d 控制器如图2 - 2 所示，由于计算机输出的u ( k 1 多直接去 控制执行机构( 如晶闸管触发角) ，甜( 女) 的值和执行机构的位置是一对应 的，所以通常称为位置式p i d 控制算法。但是，这种算法还存在它的缺点， 因而产生了下面介绍的增量式p i d 控制算法。 b 增量式p i d 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式( 2 - 6 ) 导出提供增量的 p i d 控制算式。根据递推原理可得： u ( k 1 ) = k ，e ( k 1 ) + k ，e ( j ) + k 。k ( k - 1 ) - e ( k - 2 ) 】 j t 0 用式( 2 - 6 ) 减去式( 2 t 1 ) ，可得： 封( 七) = 置p “膏) 十足，8 ( 七) + 足d k k ( 惫) 一a e ( k 1 ) 】 式中a e ( k ) = e ( 女) 一e ( k 一1 ) ( 2 1 1 ) ( 2 ，1 2 ) ( 2 ，l3 ) 第二章传统感应加热电源温度控制方案介绍 式中 称为增量式p i d 控制算法。可以进一步改写为 a u ( k ) = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 ) 爿喝( ，+ 争孕) b = k p ( ，+ z 争 c ：足。墨 1 7 ( 2 1 4 、 ( 2 一1 5 、 ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关 的系数。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期r 旦确 定了k 。k i 、k d ，只要使用前后3 次溯萋值的偏差，即可求出控制增量。 增量式控制与位鼍式控制相比，虽然只是算法上作了点改进，却带 来了不少优点： l 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小。 2 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。 3 算式中不需要累加，较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 增量式的不足之处主要表现在，积分截断效应大，有静态误差，溢出 的影响大。 2 1 3 对p i d 控制的分析 p i d 控制作为生产过程控制中应用最为广泛的控制方式，至今在过程 控制中的应用已有几十年的历史。p i d 控制在过程控制中的生命力如此之 强，是由于它本身的优点：p i d 控制的原理简单，使用起来比较方便；在 过程控制中的适应性强，在多种生产部门都得到应用，在生产过程控制发 展历程中，尽管控制器的实现几经换代，但基本的控制功能仍然是p l d 控 制；p i d 控制的控制品质对被控对象的变化不很敏感，具有一定的镪棒性。 但是，尽管具有上述的优点，p i d 控锄仍然有其局限性，特别是在 些控制要求较高，参数不稳定的控制系统中，p i d 控制的效果并不能十分 令人满意。 第二章传统感应加热电源温度控制方案分绍 2 2 感应加热电源温度控制方案介绍 感应加热电源一般根据逆变器结构的不同分为并联和串联两种。我们 所研究的感应加热电源是并联型的，主电路结构图如图2 - 3 所示。图中，l t 是滤波电感；v t l v t 4 为废个自关断器件i g b t ；c 、l 分别为谐振电容和谐 振电感；t ，为匹配变压器；t 2 和t 3 分别为电压采样变压器和直流电流传感 器。 三相交流电 u 图2 3并联感应加热电源主电路 夸， u ( 加矗件) 该感应加热电源的主泡路主要由两部分组成：整流部分和逆变部分。 整流部分采用三相全控整流，通过改变触发角a 的大小来改变直流输出电 压。逆变部分为无源逆变，通过c 和l 豹谐振产生高频交流电。该高频交流 电产生交变的磁场用于加热工件。 感应加热的控制系统主要由两部分组成，他们分别是功率控制电路和 锁相环电路。这里我们比较关心的是功率控铽电路，所以仅对常用的功率 控制电路作以贪绍。常用的功率控制电路主要采用电压做外环，电流徽内 环的双闭环控制系统【9 l ，系统的结构图如图2 4 所示： 第二二章传统感应加热电源温度控制方案介纠 图2 4 功率控制电路系统结构图 u m r ( i ) 通过对该控制系统的分析可知o 内环即电流环主要起到在电网电压 波动时及时抗扰的作用，同时在启动时保证获得允许的最大电流：外环即 电压环主要起到稳态无静差和在负载变化时起拭扰作用。我们设计的基于 模糊神经网络的p l 控制器是在电流环参数不变的情况下，通过神经网络改 变电压环的p i 参数，从而达到期望的目的。从图中我们能够看出感应加热 电源控制湿度的方法主要是通过调节给定，从而改变输出的功率。而温度 的改变也通过改变给定的大小来实现的。常规p i 控制器的比例系数和积分 系数是不变的，因此对加热工件表面澈度的控制的精度就很难满足要求。 第三章模糊控制及神经网络控制理论 第三誊模糊控制及神经网络控制理论 3 1 模糊控制基本理论【l i j 模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语吉形式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种具有反馈通道的闭环 结构的数字控制系统。模糊控制的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的 规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如f ：微机 经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信 号e ，般选误差信号e 和误差变化e c 作为模糊控制器的输入量，对它们进 行模糊化，生成模糊量。误差e 和误差变化e c 的模糊量可用相应的模糊语言 表示，得到误差e 和误差变化e c 模糊语言集合的一个子集e 和e c ( e 和e c 是 模糊矢量) ，再由e 、e c 和模糊控制规则r ( 模糊算予) 根据推理的合成规 则进行模糊决策，得到模糨控制量u ，再将u 解模糊，便可得到精确的控制 量u