（测试计量技术及仪器专业论文）超硬材料烧结炉控制系统的研制.pdf

郑州大学硕士论文中英文摘要 摘要 本文介绍了种先进的超硬材料烧结炉控制系统。 根据生产厂家现有超硬材料烧结炉控制系统存在的问题，并结合国外同类产 品优点的基础上，我们开发了一套性能优良的专用控制系统。 在控制算法上，本文根据超硬材料烧结炉属于大延迟、模型不确定性等系统 特点，讨论了几种p i d 控制算法。结合继电整定p i d 和模糊p i d 的优缺点，把 两种算法结合起来，提出了一种新型的p i d 控制算法；即基于继电整定的模糊调 节p i d 控制算法，并使用p r o t e l 和m a t l a b 对该算法进行了模拟仿真。 对于国内现有系统显示方面的不足，本系统使用了l c d 显示器作为专用的 显示屏幕，这样既可以以表格的形式显示各种工艺参数，又具有动态显示加工曲 线的功能，给用户提供了良好的操作和显示界面。 该系统在硬件电路设计以及软件设计上，采用了多种优化措施：如多级硬件 滤波、软件滤波、光电隔离、软件模块化设计等，保证系统的可靠性，提高系统 的控制精度。 关键词：p i d ，烧结炉，温度控制，模糊控制，继电整定 郑州人学硕士论文 中英文摘耍 a b s t r a c t a na d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mi si n t m d u c e di nt h ea r t i c l e ，w h i c hi su s e df o r m a n a g i n gt h es i n t e r i n gf u m a c et op r o c e s ss u p e rh a r dm a t e r i a l a c c o r d i n gt ot h ef l a w so fe x i s t i n gc o n t r o ls y s t e m sa n dt h em e r i t so ft h es a m e k i n do f o v e r s e ap r o d u c t ，as p e c i a lc o n t r o ls y s t e mf o rs i n t e r i n gf r m a e ei sd e s i g n e d i nc o n t m la l g u f i t t u n ，s o m ea d v a n c e dp i dc o n t r o la l g o r i t h m sw e r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mt h a ti sal o n gd e l a ya n du n c e r t a i ns y s t e m m o d e l ，a n dc o m b i n i n gr e l a ya u t o t u n i n gw i t hf u z z ya u t o t u n i n g ，t h ep a p e rd i s c u s s e sa n e wc o n t r o la l g o r i t h mo fp i dw h i c hi saf u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nr e l a y a u t o t u n i n g a tt h es a m et i m e , t h ec o n t r o la l g o r i t h mi ss i m u l a t e dt h r o u g hp r o t e l a n dm a t l a b f o rt h es h o r t a g e so fh o m ee x i s t i n gs y s t e m ，w ei i s el e df o rd i s p l a ys c r e e n h e n c e , p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc a nb ed i s p l a y e di nt h et a b l ea n dp r o c e s s i n gc o r v e sc a r l b ed i s p l a y e dd y n a m i c a l l y s ot h es y s t e mp r o v i d e sf r i e n d l yi n t e r f a c ef o ru s e r s m a n ye f f e c t i v em e t h o d sa r ea d o p t e di nt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e d e s i g n ，w h i c hi n c l u d em u l t i l e v e lf i l t e rw i t hh a r d w a r ec i r c u i t ，f i l t e rw i t hs o f t w a r e ， p h o t o e l e c t r i ci s o l a t i o n ，a n dm o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni ns o f t w a r e t h ec o n t r o la c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e ma r ei m p r o v e dw j t l lt h e s em e t h o d s k e y w o r d s ：p m s i n t e f i n g f l l r t l a c e ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l t f u z 掣c o n t r o l ， r e l a ya u t o t u n i n g 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 等万阐 y 拜9 7 口日 郊州大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 超硬材料烧结炉控制系统简介 超硬材料烧结炉是用于金刚石圆锯片、金刚石磨砂轮等超硬材料产品的生产 最广泛应用的机器。特别是在用于金刚石小锯片的热压烧结时使金刚石小锯片在 生产的产品质量相比使金刚石小锯片的品质大大提高。该设备主要有炉膛、加热 炉丝、支撑加工产品的小车、油压机、控制柜等主要部分组成。设计为下压式， 即浊缸活塞自下向上加压，压力可按工艺要求任意调整，炉膛固定在压机四拄横 梁上，运送小车由活塞送入炉膛内加热加压。在加热过程中又可通入保护气体并 有水封、沙封使之密封。两台小车，两个不锈钢炉胆往复交替进行工作，使加热 冷却同时进行。 超硬材料烧结炉有上中下三区炉丝加热和压力控制加压，三区温度分别由相 应位置上的k 型热电偶测出，压力由压力传感器测量，该控制系统主要功能就 是实现对温度和压力控制，使其按照设定工艺曲线自动运行。同时提供友好的人 机界面，控制l c d 显示器实时显示加工曲线及温度、压力值和报警信息，方便 工艺设定、系统调试等操作。 1 2 国内现有超硬材料烧结炉控制系统存在问题及改进方案 l 、国内现有超硬材料烧结炉控制系统均采用成品p i d 仪表控制，这会带来 以下几个方面的问题： ( 1 ) 三路温度，一路压力要分别使用4 个独立的仪表控制： 从成本角度考虑，大大提高了产品成本； 从操作角度看，当需要改变工艺或修改控制参数，必须对4 个表全部设置， 操作繁琐，这对于修改众多的工艺参数等带来不便。 ( 2 ) 系统在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随 时间和工作环境发生变化，这就要求控制系统具有自适应调节能力，而现有系统 不能在线自适应调整p i d 控制参数。 郧，、i 1 大学硕+ 论文 第一章绪论 ( 3 ) 烧结炉的三区是由三组独立的炉丝组成，当其中一组炉丝加热时同时会 影响其他两区，因此它们相互之间存在着很大的影响。这样就要求控制系统要考 虑三区的综合影响来整定p i d 参数但目前国内多数超硬材料烧结炉产品都是使 用独立的三个p i d 仪表分别独立控制烧结炉上中下三区温度，对于控制精度高的 用户，成品的p i d 仪表难以实现。 针对以上问题，我们需要探索一种新型的p i d 算法。 由于烧结炉属于典型大延迟系统，被控对象机理复杂，具有高度的非线形、 参数时变性、纯滞后、模型不确定性等特点，且在噪声、负载扰动等因素的影响 下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。对于传统的 p i d 控制，由于需要有精确的数学模型，其控制效果的好坏取决于辨识模型的精 确度，这样对于上述系统将显得无能为力。继电整定虽然可以不依赖系统模型。 但p i d 参数一旦确定不能根据输入或干扰变化进行在线调节。而模糊自适应技术 能很好的解决上述问题，同时对噪声也有较强的抑制能力，鲁棒性较好，成为现在 工业控制中解决p i d 参数在线整定的有效途径。但p i d 的初始参数往往又需要靠 经验或现场实验来确定，而经验具有不可靠性，现场实验又很不便。 因此，在该系统中我们采用一种新型的p i d 算法，即基于继电整定的模糊 p i d 控制，这样不仅p i d 参数的整定不依赖于对象数学模型，并且p i d 参数能够 在线调整，以满足实时控制的要求，使控制精度大大提高，同时也很大程度的简 化了用户操作。 2 、国内多数生产厂家现有超硬材料烧结炉控制系统没有专用的显示屏幕， 而是用p i d 仪表的数码管来显示当前的温度和压力值，对于此刻之前的数据信 息则无法得到，这样就不能把整个加工过程信息显现给用户。因此无法显示工艺 曲线和工艺参数用户无法观察到整个工艺的实际加工曲线。 而且，每个工艺的参数都预先储存在控制仪表中，不能直观的呈现给用户， 这样用户要了解一个工艺必须从仪表中一点一点地查看。 也有国内少数生产厂家使用工控机来实现控制和显示，但这样大大提高了生 产成本。 2 郑州大学硕十论文 第一章绪论 对于这个问题，我们采用了l c d 显示器作为专用的显示屏。 3 、不能保存最近的历史记录，因此用户无法对最近加工工艺进行查询。 在该系统中，我们采用了6 4 m 的大容量存储器，对最近加工记录进行保存。 1 3 改进后该控制系统的优点 1 、改进后p i d 控制器对参数的设置更为方便，节约了成本，提高了控制精 度，增强了产品的市场竞争力。而且可以根据需要增加工艺的储存数目和工艺段 的数目。 2 、具有在线p i d 自适应控制能力。 3 、采用l c d 显示加工工艺曲线和参数设置，把各种参数以表格的形式显示 在l c d 屏幕上，这样对于参数设置，工艺曲线的设置一目了然。 4 、可以以曲线形式实时显示产品的；0 n - r 过程( 比如：温度，压力随时间的 变化) 。 5 、对于以前产品的加工过程的各种数据可以进行保存，以便后来查询。 6 、具有在系统升级功能。 1 4 本文的研究思路与主要工作 针对现有系统存在的问题，探索使用新型的p i d 算法，即基于继电整定的 模糊p i d 算法，实现系统的智能控制。同时，采用l c d 显示器显示参数设置和 工艺加工过程。 主要工作有： 1 、设计控制系统硬件电路。 2 、研究和使用新型p i d 控制和自整定算法，使用m a t l a b 及p r o t e l 进 行仿真。 3 、软件设计。使用k e i l c 5 1 语言编程，源代码4 0 0 0 多行，目标代码达到 3 5 k 。 4 、对系统可能的进一步优化进行探讨，并使其能够适用于相似的控制系统。 郑州大学硕f ：论文 第二章p i d 控制理论基础 第二章p i d 控制理论基础 在工业过程控制中，尽管自动控制理论与技术发展迅速，特别是现代控制理 论和微机技术的发展，大大促进了工业自动化的进程。但是p i d 控制技术仍占有 主导地位，现使用的控制方式中，p i d 型占有8 0 以上。对于存在纯滞后的工业 过程，许多著名学者相继提出了p i d 参数的整定规则，其中有：1 9 4 2 年，z i e g l e r 和n i c h o l s 的整定规则：1 9 5 2 年，c h i e n 、h r o n e s 和r e s w i c k 的拐点切线法整定 规则；1 9 7 1 年，t a k a h a s h i 等的修正z i e g l e r n i c h o l s 整定法则；1 9 8 8 年，l a t z e l 的增益整定规则。 2 1p i d 控制原理 2 1 1p i d 理论基础 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。常规p i e ) 控制系统原理框图如图2 1 所示。 图2 1p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值以r ( 0 与实际输出值c ( t ) 构成 控制偏差： e ( t ) = “t ) 一c ( t ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( 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 4 郑州大学硕士论文 第二章p i d 控制理论基础 嘶m r 卜+ 扣伽t + 半 式中k 。为比例系数 t t 为积分时间常数 t 。为微分时间常数 2 1 2 数字p i d ( 2 一1 ) 在模拟控制器中，p i d 控制规律表达式为： 邮叫哪，+ e ( t ) d t + t 。d e ( t ) 为了用计算机实现p i d 控制规律，当采样时间t 很小时，可以通过离散化将 这一方程直接化为差分方程。为此用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分。 这时可用矩形或梯形积分来求连续积分的近似值。例如用矩形积分： 令 f e ( t ) 弧t 驴k 沼：， d e ( t ) 。e ( k ) - e ( k - 1 ) d tt 甄甲，t 足米秤刷剐 由式( 2 1 ) ，式( 2 2 ) 可得p i d 算式 啡m ， e ( k ) 音扣啐附啦t ) 】 刮k ) + 等扣+ 竿f c ( k ”- ) 】 则： u ( k - i ) - k p e ( k 1 ) + 竽芝i ) + 毕【e ( k 1 ) - e ( k - 2 ) 】 1 l i t o 1 由式( 2 3 ) 减去式( 2 4 ) 可得位置式p i d 算式： a u ( k ) = u 伙1 一u ( k 一1 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 郊州人学硕士论文第二章p i d 控制理论基础 = k p - e ( k _ 1 ) 】+ 等e ( k ) + 半_ 2 e ( k - 1 ) + e ( k - 2 ) 】( 2 - 5 ) 式( 2 - 5 ) 也经常写成如下形式 u ( k ( k - 叶k 翮叫k - i ) 】+ 竿e ( k ) + 竿- 2 c ( k _ 1 ) + e ( k _ 2 ) 】 ( 2 6 ) 式中，u ( k ) 是第k 次采样时刻计算机输出。 k 。称为比例系数； k p tj 习k 。表示，称为积分系数； 1 1 k p t dj ；f lk o 表示，称为微分系数； 因此，选定取样周期t 后，如果已知p i d 控制器参数k ，、t i 和t d ，那么 在采样时问很短时，可以通过k ，、t 和t d 计算出比例系数、积分系数和微分 系数。 p d 控制效果的好坏直接由p i d 的三个参数所决定，p i d 各校正环节的作用 分析如下： l 、k ，参数分析 比例系数k 的作用在于加快系统的响应速度。提高系统调节精度。瞄越大， 系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此k p 值不能 取的过大；如果k ，值取较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调 节时间，使系统动、静态特性变坏。 2 、k 。参数分析 积分环节作用系数k f 的作用在于消除系统的稳态误差。k 一越大，积分速度越 快系统静差消除越快，但k j 过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会 产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若 k ，过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长。不能 较快的达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。 郊州大学硕士论文 第二章p i d 控制理论基础 3 、k d 参数分析 微分环节作用系数k d 的作用在于改善系统的动态特性。因为p i d 控制器的微 分环节只影响系统偏差的变化率e 。，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何 方向的变化，对偏差变化进行提前制动，降低超调，增加系统的稳定性。但k d 过大，则会使响应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗干扰性 较差。 综上所述，p i d 三参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态特性影响很 大，k ，、k 和k 。三参数的整定要根据控制对象的数学模型g ( s ) 的参数来确定。对 于非线性负载和时变、时延负载，以及难于用g ( s ) 描述的负载，这三个参数 的整定就很困难，也就不能达到良好的控制效果和获得良好的控制性能。 2 1 3 改进的p i d 算法 对于p i d 算法的改进有常用的几种方法：带微分限制环节p i d 算法、积分分 离法、变速积分的p i d 算法、可变增量p i d 控制、时间最优p i d 控制和带死区 p i d 控制等。这里我们简要介绍比较实用的变速积分p i d 算法、时间最优p i d 算 法和带有死区的d i d 算法。 1 、变速积分p i d 算法 在普通的p i d 控制算法中，由于积分系数k i 是常数，所以，在整个控制过程 中，积分增量不变，而系统对积分项的要求是系统偏差大时积分作用减弱以至全 无，而在小偏差时则应加强。否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和， 取小了又迟迟不能消除静差因此，变速积分p i d 可根据系统的偏差大小改变积 分的速度，提高了系统控制品质。 变速积分p i d 的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相 对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。 设置一系数f e ( k ) ，它是e ( k ) 的系数，当l o ( k ) i 增大时，f 减小，反之增 大。 变速积分的p t d 积分项表达式为： 。1 ( k ) ；k ， 芝e ( i ) + f 【e ( k ) 】e ( k ) ( 2 忉 郊州大学硕十论文第二章p i d 控制理论基础 f 与偏差当前值f e ( k ) f 的关系可以使线性或高阶的，如设其为： f 1 e ( k ) 峰b f e ( k ) 】= ! 芈b l e ( k ) j a + b ( 2 8 ) l 0 e ( k ) p a + b f 值在o l 区间内变化，当偏差大于所给分离区间a + b 后，f - - 0 ，不在继续进行累 加( 即不再加当前值e 伙) ) ；当偏差l e ( k ) l d , 于b 时，加当前值e ( k ) ，即积分项变成 了u l ( 七) = 岛p ( f ) ，与一般p i d 积分项相同，积分动作达到最高速：而当偏差值 i e ( k ) f 在b 与a + b 之间时，则累加进的是部分当前值，其值在。一l e ( k ) l 之间随l e 0 , ) 的大小而变化，因此其积分速度在t ，e ( f ) 和七，e ( f ) 之间。将( 3 1 0 ) 代入( 3 6 ) p i d 算式，可得变速积分p i d 算式的完整形式： “( 女) = k ，( 七) + k 。 e ( f ) + 作( 女) 】e ( ) + k d 融) 一e ( - 1 ) 】( 2 9 ) 变速积分p i d 与普通p i d 想比，具有如下优点： 1 ) 完全消除了积分饱和现象。 2 ) 大大减小了超调量，可以很容易地使系统稳定。 3 ) 适应能力强，某些用普通p i d 控制不理想的过程可采用此种算法。 4 ) 参数整定容易，各参数间的相互影响减小，而且对a b 两参数的精度要求不 高，可做一次性确定。 变速积分与积分分离两种控制方法很类似，但控制方法不同，积分分离对积 分项采用的是所谓“开关”控制，而变速积分则是缓慢变化。两者相比，后者控 制品质较高。 2 、时间最优p i d 算法 时间最优控制又称b a n g 一b a n g 控制或开关控制，即控制系统的给定值有一 个状态变化到另一个状态所经历的过度时间最短。在工程应用中，经常使用 b a n g - b a n g 控制与p i d 控制相结合的控制系统，即： m 妒嗽忡i ：b 啦。篇弦l ( a上，儿j j 仝市u 郑州大学硕士论文 第二章p i d 控制理论基础 公式中r ( k 卜一系统输入； c ( k ) 系统输出。 相应的计算机控制简单流程图如图2 2 所示。 从理论上讲，采用开关( b a n g b a n g ) 控制，响应速度快，但开关控制系统很难 保证足够高的定位精度，因此对于高精度的快速控制系统，宜采用开关控制和线 形控制相结合的方式。 图2 2 复式b a n g - b a n g 控制流程 2 、带有死区的p i d 算法 在数字控制系统中，为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引 起的振荡，有时采用所谓带有死区的p i d 控制系统，如图2 3 所示，相应的控制 算式为： p ( e ) = 伊i i 舭r ( k ) - c ( ( 帅k ) 1 - 叫e ( ( k ) k ) l 萎； 图2 3 带有死区的p 1 d 控制系统原理图 9 郑州大学硕士论文 第二章p i d 控制理论基础 在图2 3 中，死区b 是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确 定。b 值太小，使控制过于频繁，得不到稳定被控对象的目的。如果b 取得太大， 则系统将产生很大的滞后，当b = 0 时，即为常规p i d 控制。 该系统实际上是一个非线形控制系统。即当偏差绝对值l e ( k ) 1 - b 时，p ( e ) 为 0 ，“( ) 也为0 ，当i p ( t ) p b 时，p ( e ) = p ( 女) ，输出值“( ) 以p i d 运算结果输出。 其计算程序流程，如图2 4 所示。 2 2p i d 参数的整定 图2 4 带有死区的p i d 控制框图 整定p i d 参数的原则： a 要使控制系统的过程过渡时间尽量的短： b 最大偏差和超调量要小； c 扰动作用后减幅振荡的次数尽量少； d 恒温曲线要求尽可能平直； e 静差要小。 p i d 控制器参数自整定有多种方法：扩充临界比例带法、扩充响应曲线法、基于 继电器反馈方法、模型辨识方法以及智能自整定方法等。下面就介绍几种常用的 参数整定方法。 m 郑州大学硕j ：论文 第二章p i d 控制理论基础 2 2 1 扩充临界比例带法 1 ) 选择合适的采样周期，控制器作纯比例k 。作用，使系统闭环工作。 2 ) 逐渐增大比例增益k 。，直到控制系统达到稳定边界出现等幅振荡，此时 m i nf e 2 ( t ) d t ( 最小误差平方和) ，那么 坊生i 府m i nf d e 2 ( t ) d j 数字 控制度= r 华 陋m t ) d t j 删 4 ) 根据选定的控制度，参照表2 1 计算t 、k 。、t t 和t d 的值。 表2 1 扩充临界比例度法整定参数表 控制度控制算法 t t dt lt d p 1 0 0 3 k 0 5 36 l o 8 8 t k 1 0 5 p i d0 0 1 4 t k 0 6 35k o 4 9 t k o 1 4t k p 1 0 0 5t k0 4 96k 0 9 l t k 1 2 p i d 0 0 4 3 t k 0 4 76 l 0 4 佴0 1 6 t k 郊卅火学硕十论文 第二章p i d 控制理论基础 5 ) 按要求得的参数值，在计算机控制系统运行，并观察控制效果。如果控 制系统稳定性差( 表现为振荡现象) ，可适当加大控制度，重复4 ) ，直到获 得满意控制效果。 2 ，2 2 扩充响应曲线法 扩充响应曲线法是模拟控制器响应曲线法的扩充，使一种开环整定方法。其 步骤为： 1 、数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态，将被调量控制到 给定值附近，并使之稳定下来。此时。突然改变被调量，给对象一个阶跃 输入信号值。 2 、用仪表记录被调量的阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图2 5 所示。 图2 5 被控对象飞升曲线 3 、在曲线最大斜率出作切线，求得滞后时间0 ，对象时间常数t ，以及它们 的比值t 0 。 4 、由求得的0 和t 以及t 0 ，查表2 2 即可得出数字控制器的t 、k 。、t i 和t d 的值。 表2 2 扩充响应曲线法整定参数表 控制度控制算法 t k pt it d 1 0 5p io 100 8 4t 00 3 40 p i d 0 0 501 1 5t 02 000 4 50 1 2p io 200 7 8t 03 60 p i d0 1 60 1 0t 0 1 00 0 5 50 郑州大学硕二e 论文第二章p i d 控制理论基础 2 2 3 继电型p i d 自整定m ” h s t r o m 和b a g g l u n d 提出了继电型自整定策略，其结构图如图2 6 所示。 图2 6继电整定原理图 该方案的基本思想是在控制系统中设置两种模态：测试模态和调节模态， 在测试模态下，由一个继电非线性环节来测试系统的振荡频率和增益，而在调节 模态下，由系统的特征参数首先得到p i d 控制器，然后由此控制器对系统的动态 性能进行调节。如果系统的参数发生变化，则需要重新进入测试模态进行测试， 测试完毕之后再回到调节模态进行控制。确定系统的振荡频率u 。与增益有多 种方法，比较常用的是描述函数方法。该方法实际是根据非线性环节输入与输出 信号之问的基波分量关系来进行近似的一种有效分析方法，由描述函数理论可 知，图2 7 给出的带有回环的继电非线性环节的描述函数可以表达为 n ( a ) = 熹旧了一j 占) a 占 式中a 为正弦幅值； d 为回环幅值； f 厶 图2 7 带有滞环的继电环节 e 为回环宽度的一半： 这时系统的闭环特征方程发生振荡的条件可以写成： 郑州大学硕士论文第二章p i d 控制理论基础 g ( j c o c ) 一赢1 + ( 一) g ( 驯纠m r 2 o 设i 亥等式的实部和虚部均等于0 ，则可以得出振荡频率u 。和增益f ( c ，在这 里只考虑一种简单的情形，假设继电非线性环节不带有回环，即若设e = 0 ，则描 述函数可以简化表示成n ( a ) ：型，这时将立即求出系统的振荡频率。，和 z r a 增益k c ，即 k ，：4 d 。剃 耳：丝 缈， 在数控系统中，我们可以通过采样计数和采样周期计算出振荡周期t c ，由 采样幅值可以得出振荡幅值a 。然后可以采用简单的z i e g l e r - n i c h o l s 临界比例法 计算出系统的p i d 参数。z n 公式即 k p = 0 6 k u ，t i = o 5 t 。，t d = o 1 2 5 t c 式中k p 为比例增益；t ，t d 为积分、微分时间。 以上几种p i d 整定方法都属于离线整定，即p i d 整定与p i d 控制不能同时进 行。对于控制精度要求较低的系统，可以根据实际情况选用以上不同的p i d 整定 方法：但对于要求较高的控制系统和一些复杂的系统，往往需要能够在线整定， 实现系统的自适应控制，这样以上方法显得无能为力，智能p i d 自整定将成为必 然的选择。目前，最常用的智能p i d 整定方法有：模糊p i d 自整定、基于神经 网络p i d 自整定以及基于遗传算法的p i d 自整定等。 在超硬材料烧结炉控制系统中，对于压力控制采用了带死区的p i 控制算法。 对于温度控制我们采用了变速积分与时间最优结合的p i d 算法，整定方法采用了 基于继电整定的模糊调整p i d 整定方法，该方法的原理及设计实现将在下章中 具体介绍。对于其他p i d 整定方法，这里不再介绍。 4 郑州人学硕士论文第三章基于继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 第三章基于继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 上一章介绍p i e ) 控制的基本理论以及一些算法改进，同时也介绍了几种p i d 控制器参数的整定方法。这一章主要介绍在超硬材料烧结炉控制系统中所使用的 一种新型的p i d 算法：即基于继电整定的模糊p d 控制算法。主要包含两部分 内容：理论基础和设计实现。 3 1 模糊控制概论 3 1 1 模糊控制的发展及特点 控制理论的发展和数学密切相关，尤其是现代控制理论的发展，这种关系就 更为密切。无论是采用经典控制理论或现代控制理论去设计一个自动控制系统， 都需要建立被控对象的数学模型，知道模型的结构、阶次、参数等等。在此基础 上合理地选择控制策略，进行控制器的设计。 然而大量的实践告诉我们，在许多情况下，由于被控对象的控制过程复杂， 控制机理有不明之处，缺乏必要的检测手段或者检测装置不能进入被测试区等等 原因，致使无法建立被控过程的数学模型。这种对象被称为“黑盒于”或“灰盒 子”。例如，制药和食品加工生产中的发酵过程，建材生产过程中的水泥窑、玻 璃窑及各种窑炉的燃烧过程等等，诸如此类过程机理均较复杂，不单单是物理过 程，往往还具备化学过程乃至生化过程。虽然我们已经有了对付非线性、时变参 数系统的方法，但是有些场合因为许多因素结合在一起，使对象的控制问题复杂 化，以致于用经典控制理论和现代控制理论来解决这类对象往往难以奏效，得不 到满意的结果。与此相反，对这类用常规方法难以实施控制的对象，有经验的操 作人员用手动控制，却往往可以得到满意的控制结果。 既然人类能够凭借他们的智慧和经验来操作复杂的系统，也就自然地使人们 联想到：对这类常规办法难以控制的对象，能否不用传统的方法而是用计算机模 拟人的思维方式。按人的操作规则去控制呢? 模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言 郑州大学硕+ 论文第三章基于继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，利用计算机数字控制技术来实现 的一种智能控制器。 1 9 7 4 年e ，h m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它成功 地运用到锅炉和蒸汽机的控制中。这些开拓性的工作，标志着模糊控制理论技术 的诞生。由于模糊控制是种应用模糊集合理论，统筹考虑控制策略的应用方式， 它具有如下特点： 1 ) 只要求掌握现场操作人员或者有关专家的经验、知识或者操作数据获 德语言控制的原理，而不需要建立被控对象的精确数学模型。 2 ) 系统的鲁棒性强，尤其适应非线性、时变、滞后系统的控制。 3 ) 由工业过程的定性认识出发，容易建立起语言变量的控制规则。 4 ) 根据不同的要求出发，可以设计出几个不同的指标函数，但是对于一个 给定的系统而言，其语言是分别独立的控制规则。 5 ) 对于控制系统的干扰具有较强的抑制能力。 这些特点使模糊控制作为一种新的控制理论模式而在工业生产及其它领域 得到广泛的应用与发展。2 0 多年来，模糊控制无论从理论上和技术上都有了长 足的发展，成为自动控制领域一个非常活跃、硕果累累的一个分支。 3 1 2 模糊控制的数学基础“” ( 一) 模糊集合和隶属函数 l 、模糊集合的定义 集合是具有共同特征的群体的称谓。设u 表示被研究对象的全体，称之为论 域，又称为全域或全集。u 中的每个对象称之为个体。用变量t l 表示a 对于u 中的一个子集a ，可用它的特征函数来表示。 砟加亿譬 式中x a ( u ) 称为集台a 的特征函数，它的值域为f 0 。i ，特征函数将论域 u 中的个体1 1 清晰的划分为两个群体。即，论域u 中的每个个体u 被特征函数 x 。“非此即彼”地划分为两个集合：a 和五，一a = u a 称为a 的补集。 模糊集合定义为：给定论域u 中的一个模糊集a ，是指对任意| f u ，都为 郑州大学硕士论文第三章基丁继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 其指定一个数“。( “) o ，i 】与之对应，这个数叫做u 对a 的隶属度。这意昧着存 在个映射： t l a ：u _ o ，1 u - - - ) u ( ) u 这个映射成为a 的隶属函数，隶属函数的形状可以根据实际情况而定，常 用的有三角形、梯形，要求较高时可以用正态分布。模糊集a 就是以这个隶书 函数为特征的集合。 由此可见，模糊集是普通集的一般化，普通集是模糊集的特殊情况。正如普 通集完全由其特征函数所刻画一样，模糊集a 完全由其隶属函数所刻画。当模 糊集隶属函数的值域为 0 ，1 l 时，a 就蜕化为普通集，u a ( u ) 贝l l 变为普通集的特征 函数。 例如，a 、b 、c 、d 、e 是五个小块如图3 1 所示，它们组成论域u ，“圆块” 是u 上的一个模糊集，记为a ，它的隶属函数为： u o 【o ，1 】 a 寸l b 一0 7 5 c o ，5d o 。2 5 e 专o 图3 1 结果表明a 、b 、c 、d 、e 五个小块分别属于“圆块”的隶属度 设论域u 为有限集u u l ，u 2 ，u 3 ，u 。) ，a 为u 上的一个模糊集，即a f ( t o ， 论域中的任一元u t ( i = l ，2 ，3 ，n ) ，对模糊集a 的隶属度为u ( u i ) ( i = 1 , 2 ，n ) ， 则模糊集合a 表示为： a = u ( u 1 ) u 1 + u a ( u2 ) u 2 + _ 。+ u ( u 。) u 。 注意：式中的+ 号并不是加。而是表示列举：式中每项的分式也不表示相除， 郑卅人学硕士论文 第三章基于继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 其含义是分母表示元素名称，分子表示该元素的隶属度。当隶属度为0 时，那一 项可以省略。 上例中的模糊集“圆块”a 可表示如下： a = l a + 0 7 5 b + 0 5 c + 0 1 2 5 d + 0 e 模糊集合a 也可以用序偶表示法表示为： a 2 ( a ，1 ) ，( b ，0 ，7 5 ) ，( c , 0 5 ) ，( d ，0 2 5 ) ，( e ，o ) ) 式中的每一项为一个二维有序对，有序数对中的第一项表示论域中的元素， 第二项表示该元素对模糊集的隶属度。或进一步简化，用矢量表示： a = u j ( 口) “( 6 ) u a ( c ) u a ( d ) u a ( 口) ) = f l0 7 5 0 50 2 5o 3 1 3 模糊语言和模糊推理 1 、模糊语言 人们在日常生活中所使用的自然语言与计算机所能接受的形式语言有很大 的差别。自然语言的重要特点是它的模糊性，即自然语言中的某些词汇很难用定 量的方法确定它的确切外延。自然语言的这种模糊性是人类思维方式的特点，也 是人类解决复杂问题、表达复杂思想所不可缺少的。这些含有模糊概念的语言可 以称为模糊语言。为了让计算机能够处理自然语言，表达和模拟人的智慧，人们 将模糊集的概念应用到自然语言，提供了处理模糊概念的系统方法。 比如常用的模糊语言有：大、小、黑、白、慢、快、很、偏差大、偏差小、 差不多、略微、接近、偏向于等。 2 、模糊推理 模糊推理是根据模糊推理规则，由前提推断出结论的过程。 模糊推理规贝| j模糊推理规则实际上是一个模糊条件语句，可以用一个模 糊关系r 表示。下面介绍四种最基本的模糊推理规则。 1 ) 设a f ( ，b f ( v ) ，模糊条件语句为“如果a ，则b ”。 2 ) 设a ，移) ，曰f ( 即，c f ( v ) 。模糊条件语句为“如果a ，则b ，否则 c ”。 郑州大学硕士论文第三章基于继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 3 ) 设a f 缈) ，d f ) ，b f ( v ) ，模糊条件语句为“如果a 或d ，则b ”。 4 ) 设a ，( u ) ，e ，( ) ，b f ( v ) ，模糊条件语句为“如果a ，且e ，则b ”。 3 2 模糊控制原理 模糊控制的基本思想是计算机或其他装置模拟人对系统的控制过程。 其基本结构的原理如图3 2 所示。 图3 2 模糊控制器的结构原理图 由图可以看出，模糊控制器主要由4 个基本部分组成，即模糊化、知识库、 模糊推理、反模糊化。 1 ) 输入模糊化 这部分的作用是为了利用得到的观测数据，进行下一步处理，将输入的 精确量转化为模糊量，实际上就是将一个精确值化成一个或几个模拟值的单点。 即定义为从观察空间到控制输论域中若于模糊值的映射。 为了完成输入的模糊化，必须知道输入值对模糊集的隶属函数。模糊集的个 数随着被控制对象的不同而不同。例如去7 个。即p l ( 正大) ，p m ( 正中) ，p s ( 正小) ，z e ( 零) ，n s ( 负小) ，n m ( 负中) ，n l ( 负大) 。 为了处理方便，通常将偏差e 与偏差变化率e c 的值取在【- 6 ，+ 6 】之间，如果 偏差的实际变化范围在区间【a ，b 】之间，则可通过以下的变换： 郊州人学硕士论文第三章基于继电整定的模糊p i d 控制器原理及设计 工：旦h 一业】 ( - 1 3i )工= i j 一it) b a2 隶属函数的形状前面已经介绍，可以根据实际情况而定。 在有些情况下，由于资源条件的限制或为了处理问题方便，通常将输入论域 看成离散的空问点，例如 一6 ，5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ，我们只考虑这些 离散点的情况，而离散点间的情况按照取整的方法归并到离它最近的离散点，归 并方法例如下表。 表3 1 输入量的离散化 范围量化等级范围量亿等级 x 5 560 5 x 1 5l 一5 5 x 一4 55 1 5 x 2 5 2 4 5 x 3 542 5 x 3 53 3 5 x 一2 5 3 3 5 x 4 5 4 2 5 x 一1 524 5 x 5 。55 一1 5 x 一0 5 1 5 5 x6 0 5 佗摹曲- 叱 j ， b f d 蚪粥 图4 4i c l 7 1 3 5 引脚图 i c 。7 13 5 芯片内部可分成模拟、数字电路两部分，数字部分由计数器、输入 输出接口、控制逻辑等组成：模拟部分包括电子开关、缓冲放大器、积分放大 器、比较器等，其工作过程受数字部分的逻辑控制；每次测量过程分成以下四个 阶段转，换时序如图4 5 所示。 。一。一，一峰lj卜，一。一。一一n一悖一沼一“ 郯卅大学硕士论文第四章控制系统硬件电路的设计 积分渡，謦 分，嗣臼侈l 波弗 2 图4 57 1 3 5 转换时序图( 上为输入电压为常数时序，下为不同值时时序) ( i ) 自动调零阶段：至少需要9 8 0 0 个时钟周期。此阶段外部模拟输入 通过电子开关与内部断开，而模拟公共端( a n a l o gc o m m o n ) 接入内部并对外接 调零电容充电，以补偿缓冲放大器积分放大器、比较器的电压偏移。 ( 2 ) 信号积分阶段：需要1 0 0 0 0 个时钟周期。调零电路断开，外部差动 模拟信号接入进行积分，积分器电容充电电压正比于外接信号电压和积分时间。 此阶段信号极性也被确定。 ( 3 ) 反向积分阶段：最大需要2 0 0 0 1 个时钟周期。积分器接到参考电压 端进行反向积分，比较器过零时，锁定计数器的计数值，它与外接模拟输入v i n 及外接参考电压v r e f 的关系为： 计数值= 1 0 0 0 0v i n v r e f ( 4 ) 零积分( 放电) 阶段：一般持续1 0 0 2 0 0 个脉冲周期，使积分器 电容放电。当超量程时，放电时间增加到6 2 0 0 个脉冲周期以确保下次测量开始 时，电容完全放电。 4 3 2a d 转换的实现 i c l 7 1 3 5 与单片机及外部输入的连接关系如图4 6 所示。s t c 8 9 c 5 1 6 的t 2 计数器通过编程设置工作于方波产生器模式时p 1 ，0 管脚输出连续方波信号。该 信号一方面经6 n 1 3 7 光电隔离后接至i c l 7 1 3 5 的时钟输入管脚“c l o c hi n ”，为 i c l 7 1 3 5 提供时钟信号，另一方面接至s t c 8 9 c 5 1 6 的t 0 计数器的计数输入端，以 便对i c l 7 1 3 5 时钟周期进行计数。根据前面的时序分析，当模拟信号vin 接至 i c l 1 3 5 的模拟信号输入端，启动i c l 7 1 3 5 进行a d 转换时，1 个完整的a d 转 薹| 一 郑州大学硕十论文第四章控制系统硬件电路的设计 换过程需要经历3 个阶段：即自动调零阶段、信号积分阶段、反向积分阶段。只 要控制t o 计数器仅在i c l 7 1 3 5 的“b u s y ”管脚为高电平时计数，那么t o 计数器 在此段时间里所计的数减去1 0 0 0 1 ，就是模拟信号v i n 经a d 转换后所对应的数 字码。b u