（电路与系统专业论文）铁矿石软化熔融过程智能温度控制系统的研究与设计.pdf

摘要 用于铁矿石软化熔融过程的硅钼棒炉是一种非线性、时变性、 大时滞的被控对象，难以对其确立精确的数学模型。 本文在研究硅钼棒炉温度一电阻特性的基础上，结合铁矿石软 化熔融过程中的温度控制要求，提出了一种温度电流双环控制策 略，以温度环作为外环对硅钼棒炉的温度进行控制；以电流环作 为内环对硅钼棒的表面负荷进行控制。在此基础上，深入研究了 传统p i d 控制算法和模糊控制算法。结合两者的优势，设计了基于 模糊规则切换的f u z z y p i d 双模控制算法，并重点研究了铁矿石 软化熔融过程中升温速率和恒温效果的智能化处理方法。仿真结 果表明，该智能控制算法对于一阶纯滞后的系统，具有结构简单、 动态响应速度快、稳态精度高、鲁棒性强的特点。 在算法创新的基础上，本文还设计了一套以c 8 0 51 f 0 2 0 单片机 为核心，基于f u z z y - p i d 双模复合控制算法的智能温度控制系统。 系统采用模块化设计方法，人机界面友好，操作简便。实验结果 表明，该系统可以在较大控温领域( 室温16 0 0 。c ) 对硅钼棒炉进行 控温，并能够满足系统在升温及恒温过程中的温度控制要求，为 铁矿石软熔性能参数的获取提供了良好的条件。 关键词铁矿石软化熔融，智能控制，硅钼棒炉，升温速率，恒 温效果 a bs t r a c t s i l i c o n - m o l y b d e n u mr o df u m a c ei su s e dt oi r o no r es o f t e n i n g m e l t i n gp r o c e s s i ti sak i n do fn o n l i n e a r i t y ，t i m ev a r i a b i l i t y ，a n dl a r g e t i m el o go b j e c t i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hi t sa c c u r a t em a t h e m a t i c m o d e l o nt h eb a s i so ft h e t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c o f s i l i c o n - m o l y b d e n u mr o df u r n a c ea n dt h et e m p e r a t u r er e q u i r e m e n t so f i r o no r e s o f t e n i n gm e l t i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e rh a s p r o p o s e d a t e m p e r a t u r e - - c u r r e n td u a l - l o o pc o n t r o ls t r a t e g y t h et e m p e r a t u r ew a s t h eo u t e r r i n gf o rs i l i c o n - m o l y b d e n u mr o df u m a c et e m p e r a t u r ec o n t r o l ； t h ec u r r e n tw a st h ei n n e rr i n gf o rt h es u r f a c eo fs i l i c o n m o l y b d e n u m r o dl o a dc o n t r 0 1 o nt h i sb a s i s ，i th a sa l s os t u d i e dt h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l a l g o r i t h ma n df u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m c o m b i n i n g t h e a d v a n t a g e so fb o t ht h e m ，i th a sd e s i g n e df u z z y - p i dd a u lc o n t r o l a l g o r i t h mb a s e do ns w i t ho ff u z z yr u l e ，a n df o c u s e do ni n t e l l i g e n t a p p r o a c hf o rh e a t i n gr a t ea n ds t e a d y s t a t ea c c u r a c yo ft h et e m p e r a t u r e o ft h es o f t e n i n go fi r o no r ed u r i n gt h em e l t i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mf o rt h ef i r s t o r d e rt i m e d e l a ys y s t e mh a sb e e np r o v i d e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e s t r u c t u r e ，f a s td y n a m i cr e s p o n s e ，h i g hs t e a d y - s t a t ea c c u r a c ya n d r o b u s t n e s s 1 1 1 i s p a p e rh a sa l s od e s i g n e das e to fi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e mw i t h c 8 0 51f 0 2 0 m i c r o c o n t r o l l e r , b a s e do nt h e f u z z y - p i dc o n t r o l a l g o r i t h m 1 1 1 es o f t w a r eh a su s e dam o d u l a r d e s i g nm e t h o d ，w i t hf r i e n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt ob ee a s yt o o p e r a t e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mc a nb ei nt h e l a r g e rf i e l do ft e m p e r a t u r ec o n t r o l ( r o o mt e m p e r a t u r e - - 16 0 0 。c ) o f s i l i c o n m o l y b d e n u mr o df u r n a c ef o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n db ea b l e t om e e tt h es y s t e mi nt h eh e a t i n ga n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lt h e r m o s t a t s t a g er e q u i r e m e n t sf o ri r o no r es o f tm e l t i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s p r o v i d e a c c e s st og o o dc o n d i t i o n s 1 1 k e yw o r d s ： s o f t e n i n gi r o no r em e l t i n g ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ， s i l i c o nm o l y b d e n u mf u r n a c e ，h e a t i n gr a t e ，s t e a d y - s t a t ea c c u r a c y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用 过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 作者签名：銎圭色遂 日期：塑乒年上月江日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布 学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保 存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论 文。 作者签名：鋈继导师签 嘞舭望日 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论 本课题来源于实验室为中南大学矿物系研制开发的铁矿石冶金性能测控 系统。 铁矿石冶金性能测控系统是为模拟高炉冶炼过程而设计的，目的是研究 高炉炉料的结构以及各种参数在高炉冶炼过程中的的作用以及影响。整个系 统气体流量、气体配比、升温速率、稳态精度等因素对整个试验都起着至关 重要的作用。在铁矿石软化熔融过程中，温度的控制尤其显得重要。 本课题主要研究该项目的温度控制系统部分，尤其是针对铁矿石软化熔 融过程温度控制要求，以及其加热元件( 硅钼棒) 的特殊性设计出一套智能 温度控制系统，以满足铁矿石软化熔融过程对升温速率和稳态精度的要求。 高炉炉料结构的变化促进了炼铁技术的进步，合理的炉料结构是以高炉 获得的经济技术来衡量的，而努力提高熟料率是目前合理炉料结构的基本要 求。因此正确认识铁矿石的冶金性质对高炉冶炼的意义十分重大。虽然铁矿 石软化熔融试验只是冶金性能测控系统中的一部分，但对于铁矿石冶金性能 的研究却是必不可少的。该系统的成功开发将使国内钢铁企业的铁矿石冶金 性能检测能力大大提高，并为高炉炼铁过程控制提供更多有效数据，为钢铁 企业提高钢材质量提供帮助。除此之外，对于类似以硅钼棒为加热元件的系 统，该系统中的智能温度控制器将是专用的。 1 2 课题研究背景与国内外研究现状 1 钢铁工业现状 世界钢材需求量从2 0 0 1 年以来增长速度大大加快。2 0 0 3 年需求量增长率 为8 3 ，2 0 0 4 年为5 7 ，2 0 0 6 年约为4 7 。在世界钢材需求量中，4 0 用于 建筑部f - 1 ，4 0 用于资本投资支出，2 0 用于高级耐用消费品制造。世界钢 材需求增长前景相当看好，尤其是中国钢材需求呈现出不寻常的强劲增长势 头，中国钢铁需求占全球总需求的3 2 ，并且将会持续下去。未来几年，由 于发展中国家以及中国大陆经济进一步大幅度增长，世界钢铁工业部门将从 这一经济快速发展中大获好处。 中国钢铁行业在世界上已占据了重要的地位。虽然在企业规模、品种结 构、产品质量等方面，同一些钢铁强国相比，还存在明显的差距。但是，在 中南大学硕士论文第一章绪论 国内产业竞争中，也涌现出了宝钢、邯钢等优秀企业，战略集团己确实存在。 为了提高产品质量，增加企业经济效益，各个企业都在加大科研力度，努力 推进企业进步。作为钢铁企业的粮食冶炼用矿石，它的品质提升有着重要意 义。烧结球团矿技术在近几十年有了长足进步，其产量也有了大幅提升。由 于其优越的综合性能，大有全面取代天然矿石的趋判1 1 。 2 铁矿石冶金性能研究现状 近几十年来，国内已经有若干高校和科研单位进行了相关理论研究，并 制定了部分国家标准。在实验室试验中，试样为烧结球团矿，参照g b t 1 3 2 4 1 9 1 标准进行还原度r t 、还原速率指数测试；试验焦样均选取工业生产 的冶金焦炭，参照g b t4 0 0 0 1 9 9 6 标准进行焦炭反应性c r i 、反应后强度c s r 的测试工作。荷重软化和熔融滴落测定由于没有国家标准，目前国内有多个 标准，该项目参照我校资源加工与生物工程学院制定的相关标准进行测试。 但是相应试验设备的研究相对落后，主要问题是设备粗糙，检测装置设计不 尽合理，自动化程度低，因而无法很好地为国内钢铁企业提供有力的支持。 随着国内钢铁企业技术改造的逐步深入，自动化程度不断提高，各企业 不满足子以往只能获取少量的参数，并希望对采购的铁矿石质量进行可靠有 效的检验。与此同时，各高校、企业和科研单位也展开了此领域的深入研究。 目前国外相关理论的研究体系比较健全，国内与其研究水平差距不大， 主要制定了i s o 和g i s 两大检测标准。由于世界主要钢铁企业对技术的重视程 度较高，投入较大，其检测手段和试验设备的自动化、信息化程度高1 2 川。 3 温度测控技术的发展与现状 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自 然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温 度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能 源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量在国民经济各个领域中均 受到了相当程度的重视。近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在 实际测量和控制中，如何保证快速实时地进行采样，确保数据的正确传输， 并能对所测温度进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。 在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是： 简单、可靠、低廉，测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元 件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量， 并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于极高温测量，难于测量运 动物体的温度。非接触式测温是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动 温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大， 仪表指示值一般仅代表表观温度，结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实 际的测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度 要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温 度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好 的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵 过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控 制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求 其波动幅度( 即稳态误差) 不能超过某一给定值。 从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种： ( 1 ) 定值开关控温法 所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与 设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源( 或冷却装置) 进行通断控制。 若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置：若当前 温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方 法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。 目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍 被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统 温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使 系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。 ( 2 ) p i d 线性控温法 这种控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理，p i d 控制是最 早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点 被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制 系统。由于p i d 调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个 因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采 用模拟电路或计算机软件方法来实现p i d 调节功能。前者称为模拟p i d 调节 器，后者称为数字p i d 调节器。其中数字p i d 调节器的参数可以在现场实现在 线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法 实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个p i d 参数( o p 比例值、 积分值、微分值) 。只要p i d 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说， 其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难 以得到保证。 ( 3 ) 智能温度控制法 为了克服p i d 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整p i d 参 数的方法，如p i d 参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与p i d 控制 相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和模糊数学 为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控 制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得 到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟 人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓 第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应p i d 算 法的温度控制仪表。 目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距， 它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全 量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成 的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。 1 3 本课题研究内容 本课题研究的具体内容包括如下几个方面： 1 分析我国钢铁工业现状，铁矿石冶金性能研究现状，温度测控技术现 状，阐述该课题的可行性和必要性； 2 分析铁矿石软化熔融过程及其温度控制要求，硅钼棒材料特性，提出 系统总体设计方案； 3 系统控制算法的研究，包括常规p i d 控制算法，p i d 自整定方法，模 糊控制算法，f u z z y - p i d 复合控制算法研究，以及升温速率和稳态精度的智 能化控制方法； 4 研究设计系统硬件，包括系统硬件总体结构，主模块器件选型及设计， 人机接口面板设计，输入输出通道设计，显示键盘设计，通信模块设计，硬 件抗干扰设计等； 5 研究设计系统软件，包括软件结构，主模块设计，采样处理模块设计， 输入输出及预处理模块设计，控制算法模块设计； 6 对控制算法进行仿真及结果分析，对设计完成的系统进行调试和改进， 分析试验结果： 7 分析设计中的优点和不足，提出未来的设计方向和改进措施。 4 中南人学硕士论文 第一章绪论 1 4 本章小结 本章在查阅大量国内外文献资料的基础上，综合介绍了本课题的来源、 研究目的与意义，然后重点介绍了钢铁行业的背景、铁矿石冶金性能研究现 状以及本控制系统中相关应用技术在国内外各个领域内的过去与现在的发展 状况，最后介绍了本课题研究的主要任务和内容。 5 中南大学硕士论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 温度控制系统原理 温度控制系统主要组成如图2 1 所示。 图2 1 硅钼棒炉温度控制系统框图 将热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经滤波、放大，送至a d 转 换器。这样通过采样和a d 转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成 数字量送入了微型计算机，在微型计算机内计算出该电压信号对应的温度值， 然后将它与给定的温度值进行比较，计算出偏差，计算机再对偏差按一定的 规律进行运算。运算结果通过控制晶闸管在控制周期内的触发角，控制电炉 的平均功率的大小来达到温度控制的目的。 在实际的控制系统设计中，要从上述的原理图简化出其模型图，以便于 系统进行分析。结合控制系统原理，简单描述硅钼棒炉控制系统的模型，得 本系统的简化模型图如图2 2 所示。 给 图2 2系统简代模型图 将微型计算机简略为控制器，将触发器、晶闸管和硅钼棒炉归并为对象， 略去信号变换部分( a i d 转换器) ，迸一步简略，可以得到系统结构框图如图 6 中南大学硕士论文第二章系统总体设计 2 3 所示，图中输入信号，为设定温度，输出信勖为实际温度，p 为误差，甜为 控制信号。从图2 3 中可以看出，整个系统可分为控制器和对象两部分。 图2 3 系统结构框图 2 2 铁矿石软化熔融化学过程 2 2 1 原理 在高炉中的炉腰到炉缸段有一层铁矿石受热软化进而熔融的软熔带，上 面有固体炉料压覆，对下落的炉料起到缓冲的作用。研究表明，软熔带越小 高炉操作越困难，而软熔带越大则能耗越大。而且，高炉内软熔带的形成及 其位置和厚度，对炉内气流分布和还原过程都将产生明显的影响，因而直接 影响高炉的生产质量。不同特性铁矿石在同等环境下产生的软熔带厚度不同， 要合理控制其厚度就必须先清楚铁矿石的软熔性。为此，许多国家对铁矿石 的软熔性能进行了广泛深入研究，各种有关软熔性的测定方法也相继出现。 但到目前为止都没有统一的标准，对软熔性的评价指标也不尽相同。一般以 软化温度及软化区间、软熔带的透气性、熔融下物的性状作为评价指标，近 年来我国在这方面也开始进行大量研究。 荷重一透气性测定：本试验方法模拟炉内的高温熔融带，在一定荷重和还 原气氛下，按一定升温制度，以试样在加热工程中的某一收缩值的温度表示 起始的软化温度、终了温度和软化区间，以气体通过料层的压差变化，表示 熔融带对透气性的影响。这些方法的共同特点是将试样置于底部带孔的石墨 坩埚中，在规定的荷重条件下，在加热炉内按一定的升温程序加热，同时从 下部通入还原气体至软化熔融滴落状态。试验最高温度可达16 0 0 ( 2 ，直至 滴落终止。 当炉料从软化带进入熔融状态时，试验温度仅为1 2 0 0 ( 2 ( 或l1 0 0 ( 2 ) ， 已不能真正反映高炉下部炉料的特性，因而要求在更高温度( 1 4 0 0 - 1 6 0 0 ) 下，把测定软化特性与熔融滴落特性结合起来考虑。熔融滴落特性一般用熔 融过程中物料形变位移量、气体压差变化及铁水熔融滴落温度来表示。 2 2 2 试验方法 7 中南大学硕士论文 第二章系统总体设计 取高温还原分化后试样若干。把试样放到石墨坩埚中，料高必须为 1 0 0 m m ，将石墨活塞放入坩埚使试样表面封闭。然后把坩埚放入软化熔滴炉 中，放入时的炉内温度应为室温左右。将传动杆和位移传感器与石墨活塞连 接，按照2 k g c m 2 的荷重在活塞上加荷载。将n 2 通入还原管，标态流量为 5 l m i n 。荷重软化测定过程温度控制要求及气体流量控制要求如图2 4 所示。 t 1 2 0 0 9 t y ： ( 3 - 2 ) 一 式中丁为采样周期。这样，便将连续形式的p i d 微分方程转化为离散的p i d 差 分方程，这样易于计算机进行处理运算。 p i d 算法由于算法简单、稳定性好，可靠性高等优点，被广泛用于工业 控制领域，尤其适用于可建立精确数学模型的线性定常参数系统。但实际工 业过程往往具有非线性、时变性、不确定因素等，难以建立精确的数学模型， 所以常规p i d 难以实现有效的控制。 硅钼棒炉是典型的大滞后、大惯性对象，而且烧结材料的品种、装炉容 量以及安放的位置经常改变，相当于对象模型参数是时变的。组成系统的各 元件和热电偶等具有一定的非线性，以及生产过程中工况的改变、负荷的波 动和多扰动、非线性等因素引入的各种不确定扰动往往是随机的。使得基于 不变参数的传统p i d 控制的精度大大降低，原因是p i d 的三个参数随着各种因 素的变化，已不再适合该控制对象了。p i d 参数自整定算法很多，诸如衰减 曲线法、专家系统法等。由于加热炉控制系统没有负的输入，温度一旦超调， 只能靠自然冷却达到设定的工作温度点。本章接下来深入探讨几种p i d 控制 器的参数自整定方法。 3 1 2p i d 控制器参数自整定 p i d 控制算法是迄今为止最为通用的控制策略，有许多不同的方法来确 定合适的控制参数。为解决传统的p i d 参数整定的不足，相继有人提出了各 种形式的p i d 参数自整定方案，目前自整定p i d 控制器可以分为两大类：基 于模型的方法和基于规则的方法。在基于模型的自整定方法中，可以通过暂 态响应实验、参数估计及频率响应实验来获得过程模型。在基于规则的自整 定方法中，不用获得过程实验模型，整定基于类似有经验的操作者手动整定 的规则。 实现p i d 控制器的核心问题是根据指定的受控对象，合理的选择控制参 数k 。，z ，乃，p i d 控制器的三个参数选择，本质上是在三维空间的搜索问 题。早在1 9 4 2 年，齐格勒尼柯尔斯( z i e g l e r - n i c h o l s ) 就在大量实验的基础上。 提出了一种实用的参数整定规则，简称z - n 规则。本节主要介绍z - n 整定 1 6 中南大学硕士论文第三章系统控制算法研究 p i d 参数的方法。 具有p i d 控制器的闭环系统框图如图3 1 所示。 图3 - 1 具有p i d 控制器的闭环系统 由图3 1 可见，p i d 控制器是一种串联校正装置。当被控对象的数学模 型己知时，可以采用各种不同的设计方法确定控制器的参数，包括解析方法 和阶跃响应曲线法等。但是，如果被控对象模型无法精确获得，则不能用解 析方法去设计控制器。在这种情况下，只能借助于实验的方法来整定控制器 的参数。此时，z - n 整定规则更显出它的实用价值。 z - n 规则有两种实施的方法，它们共同的目标都是使系统的阶跃响应的 最大超调量不超过2 5 。 1 经验公式 。 从对象的开环响应曲线来看，大多数工业过程都能用一阶惯性加纯滞后 ( f i r s to r d e rp l u sd e l a yt i m e ) 模型来近似描述，简记为f o p d t 模型。基于这 一点，最小模型假设工业对象模型的传递函数为 g ( s ) ：k e - 2 ( 3 - 3 ) l 叠+ l 式中k ，f ，z 分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常 数。 根据实验测得的k ，f ，丁参数，再按照表3 1 。即可整定p i d 控制器的 参数。 表3 - 1z - n 整定方法( 经验公式) 有关数据 鳖型墨耋型丝卫互互 px t | t0 p 10 9 k 丁ff o 30 p i d 1 2 。k 丁f 2 f 0 5 f 2 临界比例度法 对于图3 - l 所示闭环系统，设z = c o ，乃= 0 ，即去掉微分和积分作用， 1 7 中南大学硕士论文第三章系统控制算法研究 只保留比例控制作用，当选定合适的采样周期后丁后，令k p 从零逐渐增大， 直至系统阶跃响应呈现持续的等幅振荡为止。记下此时输出曲线对应的临界 增益k 。和临界振荡周期瓦，再按表3 - 2 给出的经验公式确定k ，、z 、乃。 表中比例度万= 1 k ，临界比例度瓯= i k 。 3 2 模糊控制原理及算法研究 在控制系统传统设计中，一般都需要了解被控制对象的数学模型。但是， 对于一些生产过程，要获得既有足够精确性，又便于系统分析的数学模型是 相当困难的，这就使现代控制理论的应用受到了限制。然而一个熟练的操作 人员却能够对系统中的各种参量，如温度、压力、颜色、气味等，做出相应 的判断，最终获得良好的人工控制效果。这种控制方式并不依赖于数学模型， 仅依赖于人的经验积累、感觉和逻辑判断。由此得到启发，将头脑中的经验 加以总结，把凭经验所采取的相应措施总结成一条条的控制规则，进而构筑 一个控制器去代替人对复杂的生产过程进行控制，这种控制就是模糊控制 【弘1 1 1 o 美国加利福尼亚大学的自动控制专家扎德( l a z a d e h ) 提出的模糊思想及 向控制领域的渗透，在理论上和实践上为控制理论开辟了新的发展方向，提 供了新的系统设计方法，即模糊控制方法。模糊控制通过模糊逻辑和近似推 理方法，把人的经验形式化、模糊化，变成计算机可以接受的控制模型，让 计算机