（电力系统及其自动化专业论文）模糊pid控制在工业煅烧炉温度控制中的应用.pdf

是基于 plc 的模糊自适应 pid 参数控制系统，在传统的 pid 控制的基 础上，根据知识建立模糊控制规则得到模糊 pid 控制的形式; 然后对控 制器的输入及输出进行模糊化，最终得到离散的模糊控制器。它具有传 统 pid 控制器的线性形式和非常数的控制参数。 这种类型的控制器控制 对高阶系统的控制效果比较好， 特别是对于传统 pid 控制器难以适用的 非线性等复杂对象。 由于模糊 pid 控制器对控制器输入矢量进行分区处 理，对不同区域的输入采用不同的控制规则，因而也能取得较满意的控 制效果。 本文提出的就是基于传统 pid 控制器，对输入进行模糊化，最终提 到离散模糊控制器，以提高煅烧炉温度控制的稳定性、快速性、灵敏性 以及控制系统的抗干扰能力和跟踪的能力。 关键字关键字: 温度控制; 模糊控制; pid 控制器; 煅烧炉 fuzzy-pid control application in industry calcinated oven temperature control abstract temperature is one of the most basic and popular process parameter and widely used in industry, such as metallurgy, mechanic, electronics, petroleum, chemical, manufacturing and other industries. temperature is strictly controlled that of variety of heating furnace and heat treatment furnace. pid temperature control is one of the earliest developed control method. because of the simple structure, easy implement and strong robustness, it is widely used in various industrial process control and one of the most popular industrial process control so far. till now, tuning method of pid controller develops in succession. but the simple structure limits its quality control and hard to well control the object with great time delay and instability. also pid controllers can not satisfy the set-point tracking and inhibition of external disturbance simultaneously. so pid controller cant give the perfect control effect as anticipated in fact. with the object more and more complicated, such as character of non-linearity, parameter time-varying and imprecise of data model, traditional pid design cant meet the updating requirement. now its necessary to improve the pid controller by the advanced and intelligent method. the intelligent pid arithmetic is a kind of the new method which combine the intelligent control method and the conventional pid control method. it has self-study, auto-adapted, self-organizing ability, moreover the pid controller structure is simple, the anti-jamming and robustness is very strong. hereafter the object is temperature which has the ability of non-linearity and time-variable. obtaining the approximate mathematical model of object, the key research is based on the fuzzy auto-adapted pid control system. ground on the traditional pid control, obtains the fuzzy pid control format according to fuzzy control rule established by knowledge; then fuzz the controllers input and the output, finally obtains the discrete and fuzzy controller. it has the traditional pid controllers linear format and the unusual number parameter. this type controller has good effect on the higher-order system, specially on those non-linearity complicated object which hard controlled by the traditional pid. because the fuzzy pid controller partitioned processing the controllers input vector and using different control rule to different zones input, thus it can get the satisfied control effect. based on the traditional pid controller, fuzz the controllers input and finally get the discrete and fuzzy controller to enhance the stability, rapid, sensitivity of the ovens temperature control as well as control systems anti-jamming and tracking ability. keywords: temperature control, fuzzy controller, pid controller, oven 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 引言引言 发展至今, 温度控制技术发展经历了三个阶段：1、定值开关控制；2、pid 控 制；3、智能控制。定值开关控制方法的原理是通过将所测温度与设定温度相比较, 如果低于设定温度，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关。其控温方法比较 简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡 明显。pid 控制温度的效果主要取决于 p、i、d 三个参数。pid 控制对于确定的温 度系统，常用于一些线性定常系统的控制，控制效果良好，但对于非线性系统，例 如控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。智能控制为解决这 类问题提供了新的思路，因此成为目前工业控制质量的重要途经。模糊控制是智能 控制研究中最为活跃而富有成果的领域，对于温度控制这种复杂对象更具有良好的 控制效果。本文中的煅烧炉温度控制就是采用智能模糊控制作为控制方法，以下将 对该研究对象做一个详细的介绍。 1.2 煅烧炉温度控制概述煅烧炉温度控制概述 目前煅烧炉温度控制主要问题是:由于煅烧炉是一个特性参数随炉温变化而变 化的被控对象1，常规 pid 控制方法难以满足工艺温度在大范围变化时的控制要 求。当工艺温度大范围变化时，需要温控系统中的 pid 参数随炉温变化而改变，否 则被控温度会在一定范围内振荡2。另外采用常规 pid 控制，使得系统的动态品质 差，超调量大、调节时间长，系统的跟踪性差。现虽有煅烧炉计算机控制，但用的 多的控制方法依然是 pm 控制，由于控制参数选择的相互影响，不能保证随机调节 性能和跟踪性能均优。 实践表明，对于煅烧炉这样的被控对象，由于炉温动态特性具有容积滞后大， 温度上升和下降呈严重不对称性以及对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是 与工作温度有关的变参数3，因此，目前普遍使用的 pid 控制器只能在工作点附近 的小范围内改变给定值，否则，控制器难以适应，需重新整定 pid 参数4。 2 工业煅烧炉在实际使用时干扰大、扰动频繁，传统的 pid 控制方式需要烦琐地 进行参数调整，针对不同的应用对象需要人工重新设置。因而传统的 pid 控制难以 适应工业煅烧炉温度控制时的复杂性。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动 智能机械而实现其目标的自动控制，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了 控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。 1.3 本论文主要研究工作本论文主要研究工作 本文以工业煅烧炉为控制对象，采用智能控制方法模糊控制，设计一种新型 的温度测控系统，使其具有硬件电路简单、控制算法先进、系统性能优良等优点， 实验证明系统基本达到设计要求的性能指标，具有一定的实用价值。 本课题研究的主要内容简介: 1、对煅烧炉的温度控制方法的初步分析与研究; 2、按预定工艺指标来控制被监控对象，确立控制方案: 3、对关键点参数及控制方式进行优化; 4、开发采集多路温度点硬件系统; 5、开发与管理层计算机通信软件，以供管理层使用: 6、把已经取得的研究成果应用到工程实际过程中，尽快转化为生产力。 本文研究的主要目标是利用现代控制理论与先进的计算机控制技术，设计适应 不同加热条件和要求的温度控制系统，优化其硬件组成，提高产品的控制精度，使 产品性能与自动化水平能够满足工程实际不断提高的应用需要。 第二章 第二章 pid 控制在温度控制中的应用控制在温度控制中的应用 如前文所述，温度控制经历了三个阶段。第一是定值开关控制，第二是基本 pid 控制，第三是智能控制。由于定值开关控制原理上比较简单，所以此处我们暂 且不介绍。关于基本 pid 控制与智能控制中的模糊控制，我们将在下文予以详细介 绍。 2.1 基本基本 pid 控制控制 3 2.1.1 pid 控制技术简介控制技术简介 pid 控制是在连续生产过程控制中，将偏差的比例(proportional)、积分(integral 微分(derivative)通过线形组合构成控制量，对控制对象进行控制。在常规 pid 的应 用中 p、i、d 三个参数往往根据现场设备情况或调试经验人工设定的，通过调试实 验改变参以改变控制性能。pid 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法 简单、易于实和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数 学模型的确定性控系统5。对于 pid 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工 业与民用对象，并仍以很高的性能/价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了 pid 控制器的良好品质。概括地讲，pid 控制的优点主要体现在以下两个方面： （1）实现方便，控制原理简单，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 （2）控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。确切 的说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数变化不敏感。 但从另一方面来讲， 控制算法的普遍适应性也反映了 pid 控制器在控制品质上的局 限性。具体分析，其局限性主要来自以下几方面： （1）算法结构的简单性决定了 pid 控制比较适用于 siso 最小相位系统，在处理大 时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个 pid 控制器或与其它控制器的 组合，才能得到较好的控制效果。 （2）结构的简单性同时决定了 pid 控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭 环特性从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。 （3）出于同样原因，决定了常规 pid 控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动 的不同性能要求。 2.1.2 pid 控制原理控制原理 在模拟控制系统中，最常见的控制规律就是 pid 控制。模拟 pid 控制系统的原 理框图如图 2-1 所示，系统由 pid 控制器和被控对象组成6。 4 2-1 控制原理图 pid 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成的控制 偏差： (2-1) 将偏差的比例、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。 其控制规律为： (2-2) (2-3) (2-4) 或写成传递函数的形式（1-5） ： (2-5) 式中：kp是比例系数，ti是积分时间常数，td是微分时间常数。以下将介绍 这三个参数对控制性能的影响： (1)比例作用对控制性能的影响 比例增益 kp引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏 差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例 增益 kp大的时候， pid 控制器可以加快调节， 但是过大的比例增益会使调节过程出 5 现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系 统不稳定。 (2)积分作用对控制性能的影响 积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现 对设定值的无静差跟踪。假设系统己经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差 量保持为常值 uo 和 eo，则由式(2-5)可知，只有当且仅当动态误差 e(t)=o 时，控制 器的输出才是常数。因此，从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就 产生作用，直至无 pid 控制器参数自整定方法的研究与实现差，积分作用就停止， 此时积分调节输出为一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ti的大小，ti 越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降， 动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成 pi 控制器或者 pd 控制器。 (3)微分作用对控制性能的影响 微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能 反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观 而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就己经消除偏差。因此，微分作用可以 改善系统的动态性能。微分作用的强弱取决于微分时间 td的大小，td越大，微分 作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以 被有效的减小。从滤波器的角度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪 声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。所以我们不能过 强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。此外，微分作用反 映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。 2.1.3 pid 控制器参数整定的基本方法控制器参数整定的基本方法 pid 参数的整定方法可以分为时域整定和频域整定两大类。时域方法中最基本 的是 ziegler 和 nichol 提出的 z-n 阶跃响应法。在实际的应用中传统的 z-n 定方法 有着多种变型，最常见的有 cohen-coon 法与 chr 法。其中 chr 方法就是通过改 变阶跃响应以得出较好的闭环特性的一种方法。chr 方法有两种控制策略，即“无 超调的最快响应”控制策略和“具有 20%超调的最快响应”控制策略。 6 相对于时域方法，在工业实践中频域响应方法的应用更为广泛。基本的原理就 是在一个就是或更多频率点设法获得被控过程的某些特征从而实现 pd 控制器的参 数整定。这种方法是非参数估计方法。与之对应的基于被控过程模型参数估计的参 数整定方法按控制器参数设计原理可分为:基于极点配置、基于相消原理、基于经验 规则和基于二次型性能指标等几类。 基于频域的参数整定方法主要有如下几种: 1) z-n:应用最广的方法就是 z-n 频域响应法又称 z-n 第二方法。 通过增加比例 控制器的增益使控制回路达到临界稳定状态的试验方法来确定临界点。在频域上就 是 nyquist 曲线和负实轴的交点，得到临界增 ku，临界周期 tu。 2) 一些超调规则(so-ov):目的是为了使设定值变化响应的超调量减少。 3) 无超调规则(no-ov):使设定值变化的响应没有超调。 4) mantz-tacconiz-n (mt-zn):可获得 z-n 规则调节性能的两自由度控制器7。 5) 改进 ziegler-nichols 法(rzn):该规则在 z-n 整定规则中增加了标准化增益 k 和准化滞后时间:，整定方法因此又叫做 kt 法8。 6) 平方时间加权偏差的积分(iste):基于传递函数模型的 pid 控制器优化设计 整定式。 基于参数估计的 pd 参数整定方法有 cohen 和 coon 提出的针对 fopdt 模 型用于抗负载干扰的基于极点配置的时域参数整定方法。该方法通过配置主导极点 产生一个 25%的衰减比。 以上几个就是比较常用的 pid 控制器参数整定的基本方法。之后产生的改进算 法也是基于此基础上行程的。 2.1.4 pid 控制器的优缺点控制器的优缺点 对于 pid 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以 很高的性能/价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了 pid 控制器的良好品 质。概括地讲，pid 控制的优点主要体现在以下两个方面： 1）原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器。 2）控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。确切 的说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数变化不敏感。 但从另一方面来讲， 控制算法的普遍适应性也反映了 pid 控制器在控制品质上的局 7 限性。具体分析，其局限性主要来自以下几方面： 3）算法结构的简单性决定了 pid 控制比较适用于 siso 最小相位系统，在处理 大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个 pid 控制器或与其它控制器 的组合，才能得到较好的控制效果。 4）结构的简单性同时决定了 pid 控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭 环特性从根本上是基于动态特性的低阶近似假定的。 5）出于同样原因，决定了常规 pid 控制器无法同时满足跟踪设定值和抑制扰动 的不同性能要求。 2.2 模糊控制模糊控制 2.2.1 模糊控制概述模糊控制概述 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段， 是模糊系统理论和 自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人控略的 自然语言转化为计算机能够接受的算法语言。模糊控制系统一般由模糊控制器、输 出接口装置、被控对象和执行机构、传感器四个部分组成，是一种非线性控制。模 糊控制系统能够将人的控制经验和知识包含进去，这种方法不仅能实现自动控制， 而且能够模拟人的思维方式，对一些无法构造精确数学模型的被控对象进行有效的 控制。模糊控制具有以下特点：一、控制系统的设计依据经验和操作数据，不需要 精确的数学模型，易于对不确定系统进行控制。二、具有较强的鲁棒性，适用于解 决传统控制难以解决的非线性、时变及时滞系统。三、应用语言变量而不是数学变 量，是一种语言控制器是易于控制、易于掌握的教理想的非线性控制器9。 2.2.2 模糊控制基本原理模糊控制基本原理 模糊控制通过计算机来模拟人的思维，采用自然语言来描述的控制过程，从而 实现对工业生产的自动控制。所谓模糊控制，就是利用模糊数学这一工具，借助于 计算机或相应芯片模拟人的思维方法，实现对被控对象的语言控制1011。 当用计算机来实现模糊控制时，首先要确定模糊控制的维数。理论上讲，维数 8 越高，则控制精度越高，但是维数过高，则控制规则变得复杂到设计者也难以把握 很准确的控制算法， 同时它还受到计算机存储量的限制， 即只输入偏差位及变化率。 将这两个精确量模糊化后得到模糊集 e、ec，再与模糊控制规则 r(模糊关系)根据 推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量 u，最后将 u 转化成精确量 u，并 输出到执行机构，这样就实现了模糊控制14。其原理方框图如图 2-2 所示: 图 2-2 模糊控制器原理图 图中 kl 和 ki 称为量化因子，u 称为比例因子，e、ec 和 u 分别为误差 e，误差 变化率 ec 和控制量 u 的模糊语言变量。 模糊控制系统设计的关键在于模糊控制器的 设计，一个模糊控制器一般由模糊化，模糊推理，知识库，反模糊化组成。模糊控 制器的组成结构如图 2-3 所示: 图 2-3 模糊控制器结构图 k1 模糊化 模糊算法模糊判决 u u e e ec ec 离线计算离线计算 信息处理 ys + k2 查询表 e ec u k3 uc 智能检测单元 - 执行 机构 模糊化 模糊推理反模糊 参考输入参考输入 控制对象 知识库 模糊控制器模糊控制器 9 2.2.3 模糊控制器的设计模糊控制器的设计 模糊控制器的设计一般要遵循一下几个步骤和原则10 : 一、模糊控制器结构的选择: 所谓模糊控制器结构的选择，就是确定模糊控制 器的输入输出变量。模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据 被控对象的具体情况，合理选择。模糊控制器的结构有单输入单输出(5150)，多输 入单输出(miso)，多输入多输出(mimo)几种。模糊控制器的输入输出维数越多， 模糊控制规则的建立越复杂，控制算法亦趋于复杂，目前人们广泛设计和应用的是 二维模糊控制器其图如图 2-4 所示。mlso 和 mimo 系统可以分解成多个 5150 系统 或者分解成多个维数较低的模糊控制器来代替。 图 2-4 二维模糊控制器 二、模糊规则的选取和模糊推理: 模糊规则的选择是设计模糊控制器的核心。 由于模糊规则一般需要由设计者提取，因而在模糊控制规则的取舍上往往体现了设 计本身的主观倾向，应认真分析，反复测试，尽量减少人为影响。在选择模糊规则 时，要注意规则的完整性、相容性和干涉性等。 模糊规则的选择过程可简单分成三个部分即选择适当的模糊语言变量，确定各 语言变量的隶属函数，最后建立模糊控制规则。 (l) 模糊语言的确定模糊语言的确定: 模糊规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句， 它们反 映了人类的某种思维方式。根据模糊评议的定义，它由语法规则、语言值、语义规 则和论域等几个部分构成。因此，模糊语言变量的确定，包含了根据语法规则生成 适当的模糊语言值，根据语义规则确定语言值的隶属函数以及确定语言变量的论域 等，在确定模糊变量时，首先要确定其基本语言值。一般来说，一个语言变量的语 10 言值越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制效果就越好。当然，过细的划 分反而有可能使控制规则变得复杂。因此，应根据具体情况而定，但是一定要保证 所有语言值形成的模糊子集应构成模糊变量的一个模糊划分。 (2) 确定语言值的隶属函数确定语言值的隶属函数: 模糊语言值实际上是一个模糊子集，而语言值最 终是通过隶属函数来描述的。语言值的隶属函数主要有上述的三种，可以根据需要 选择。一般说来，隶属函数的形状越陡，分辨率就越高，控制灵敏度也较高; 相反， 若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性也较平缓，系统的稳定性好。因此，在选择 语言值的隶属函数时，一般在误差为零的附近区域，采用分辨率较高的函数，而在 误差较大的区域，为使系统具有良好的鲁棒性，常可采用分辨率较低的隶属函数。 (3) 模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立: 模糊规则的建立有经验归纳法和推理合成法两种方 法。所谓经验归纳法，就是根据专家的控制经验和知觉推理，经整理、加工和提练 后构成模糊规则系统的方法它实际上是从感性上升认识到理性认识的一个飞跃过 程。 专家经验是用语言和直觉推理描述一个控制过程的。 其基本形式用 “ifthen” 这种模糊条件语句来表示。 推理合成法是建立模糊规则的另一种较为常用的方法。其主要思想是根据已有 的输入输出数据对，通过模糊推理合成求取被控系统的模糊控制规则。在建立模糊 控制时，可根据实际情况选用一种方法或者两者结合使用。模糊规则确定后，可以 按马丹尼极小算法、拉森乘积运算法等模糊推理方法进行。精确数学模型转化成由 条件语句表达的模糊关系，这就是系统的模糊控制规则模型。 在本炉温加热系统，采用经验归纳法，可以提供以下由语言表述的操作经验： 若炉温过低，则全速加热； 若炉温稍低，则加热脉宽调到大档 若炉温恰当，则加热脉宽调到中档； 若炉温稍高，则加热脉宽调到小档； 若炉温过高，则停止加热。 用模糊条件语句表示为： if e=nb then u=b； if e=nm then u=mb； if e=nz then u=m； if e=pm then u=pb； 11 if e=pb then u=s。 即可得到如表 2-1 的模糊控制状态表。 （其中 e 为设定温度与实际温度差，u 为输出控制量电压） 表 2-1 控制状态表 (4)模糊推理对相应模糊输入得到模糊输出量。 三、 解模糊: 在建立一个模糊控制规则后经过模糊推理得到控制量的一个模糊子 集，它是一个模糊量不能直接控制被控对象，需要对其合理处理转换为精确量。对 模糊量进行处理，求取一个能恰当反映模糊量的精确量的过程称为精确化，也称反 模糊化。常用的反模糊化的方法有：最大隶属度法、中位数法和加权平均法。研究 表明，加权平均法比中位数法具有理会佳的性能，而中位数法的动态性能要优于加 权平均法，静态性能则略逊于加权平均法。一般情况下，这两种方法都优于最大隶 属度法，但最大隶属度法的实现最简单。 1、最大隶属度法 最大隶属度法是选取模糊子集中隶属度最大的元素作为反模糊化后的精确量， 对于某一模糊子集 c ,所选择的隶属度最大的元素 u*应满足c (u*)c ( u*)，其 中 uu。最大隶属度法简单易行，算法实时性好，突出了隶属度最大元素的控制 作用，对于隶属程度较小元素的控制作用没有考虑，利用的信息量少。 2、中位数法 中位数法是先求出将模糊子集的隶属度函数曲线和横坐标所围面积平分的分 界点，然后将分界点对应的横坐标作为反模糊化的精确量。 中位数法虽然考虑了所有信息的作用，但计算过程比较繁琐，缺乏对主导信息 的重视，因此在实际应用中受到了限制。 3、加权平均法 这种判决方法的最终判决值为 加权平均法类似概率论中的数学期 望，因此权系数 ki的选取是个关键，影响到系统的响应特性，故必须根据设计要求 来选取适当的权系数。 12 四、模糊控制器论域及比例因子的确定:模糊语言变量的论域范围应根据其代表 的物理量的信号范围而定。一般说来，论域的量化等级越细，控制精度越高，但过 细的量化等级将使算法复杂，而且也没有必要。各比例因子应根据系统的动、静态 性能要求通过实验来确定。模糊控制器总结起来具有以下特点: 1） 、模糊控制器是一种语言控制器，不需要被控对象的数学模型。 2） 、模糊控制表是模糊控制器的核心，它是将操作者的经验结成若干条模糊控 制规则，在经模糊推理后获得的输入输出的关系表。由于模糊量化的作用使得该控 制器对系统某些参数变化不敏感而具有较强的鲁棒性，适用于对非线性、时变、有 纯滞后的复杂系统的控制。 3） 、模糊控制表一般是离线获得，实时控制时只需查询该表即可获得模糊控制 器的输出控制量，运算量小，适合于微机和单片机使用。 4） 、由于一般模糊控制器没有积分作用且模糊量化过程有一定的量化误差，会 造成系统有一定的静差。 2.2.4 模糊模糊 pid 控制控制 模糊自适应 pid 控制就是在 pid 控制系统的基础上引入模糊推理机， 以系统偏 差以及偏差变化率作为模糊推理机的输入， 并将 pid 控制器的三个参数的修正值为 输出，实时的根据系统的响应调节 pid 控制器，以达到较高的控制效果，其系统结 构图如下: 图 2-5 模糊 pid 控制器结构 2.2.5 模糊控制与模糊控制与 pid 控制的比较分析控制的比较分析 pid 控制是最常用的一种控制方法， 它通过误差.误差变化率与误差积累的控制 13 线性组合给出控制变量的输出值。 下面用简易模糊推理算法分析 pid 控制： 图 2- 6 误差与变化率的模糊集 记 x=e1，e2为误差 e 的变化范围，y=e1:，e2为误差变化率的变化范给出 x 上的模糊集 e1、e2分别表示“误差小”和误差大，el、e2分别“误差变化率 小”和“误差变化率大”如图 2-6 所示误差与变化率的模糊。 给出下面四条模糊规则 若 e1和el，则 u1 ， 若 e2和e2，则 u2 ( 工业电阻炉多点温度控制) 图 2.4 误差与变化率的模糊集 若 e3和e3，则 u3 ， 若 e4和e4，则 u4， 其中 (2-6) (2-7) (2-8) (2-9) 如果给出误差 e 和误差变化率e，且 (2-10) 由图可知 (2-11) (2-12) 有了模糊规则，选择模糊推理规则，即选择关系生成算法和推理合成算法。 14 如果关系生成算法和推理合成算法均采用数乘，并采用重力中心法处理输出。可得 出下式 (2-13) 化简得 (2-14) 将 a、b 代入上式 (2-15) 上式既是 pd 控制公式，可知 pd 控制是简易模糊推理算法的一种特殊形式。 同样，简易模糊推理算法也可以实现 pm 控制。 (2-16) 这时推理规则中的前件有三项，共有 8 条推理规则。在以上的简易模糊推理 算法中，关系生成算法与推理合成算法匀采用乘法，也可以采用 mamdani 乘法.这 时模糊推理算法不能再实现 pd 控制和 pid 控制。模糊控制可以实现 pid 控制，但 比 pid 控制要灵活得多， 因此比 pid 控制取得明显的效果。 如图 2-7 所示比较结果， 最大效果是温度稳定，基本上保持在设定温度上下，不会太高，也不会太低。如果 采用 pm 控制， 温度上升太高会断开开关， 温度下降太低又接通开关.这样重复下去， 温度曲线像锯齿一样，由于模糊控制温度比较稳定。 图 2-7 模糊控制与 pid 控制温度变化 15 2.3 本章小结本章小结 通过讨论了 pid 控制、模糊控制、自适应 pid 控制的原理和优缺点，确定了模 糊自适应 pid 控制为煅烧炉的控制策略， 了解了怎样建立模糊规则表和模糊查询表， 为第三章中的仿真和第四章中的实现奠定了基础。 第三章第三章 煅烧炉温度控制系统设计煅烧炉温度控制系统设计 3.1 控制系统结构和工艺原理控制系统结构和工艺原理 由于煅烧炉的控制参数较多，例如:温度、压力、流量等。这就在控制方式上要 求我们不能采用过去的那种传统控制方式，过去的控制方法不能很好的来控制加热 炉的工作效率，使得加热炉工作效率低下，会给环境造成较大的污染，并且工作安 全性也不能得到很好的保证。所以我们要对这样的落后的控制方法进行改进。目前 己经有很多的控制方式应用在新建设的工程中， 但用模糊 pid 控制的技术应用比较 广泛。模糊控制实时的根据系统的响应调节 pid 控制器，以达到较高的控制效果。 这次设计的煅烧炉结构图如图 3-1 所示。整个加热炉可以分为二十个加热区， 被加热钢胚由加热口进入加热炉，经过预热段、加热段及降温段后由出料口送出。 整个过程分别通过左加、右加、左均、右均四个控制段和一个预热段来实现，炉膛 内温度约为 1000 一 125ooc。 图 3-1 煅烧炉炉型结构示意图 16 3.2 系统硬件配置系统硬件配置 本系统的构成采用的是西门子 simatic57 一 300 系列 plc， 由于该系列的 plc 具有模块化设计，是由一个中央处理单元(cpu)、信号模块(sm)、功能模块(fm)、 通信模块(cp)、电源模块(sp)、接口模块(lm)等组成。在其中央处理器单元上集成 有 profibus-dp 接口和 mpi 接口。 在应用编程控制器可以对 cpu 做出快速可靠的程 序编写，具有很好的实时性。我们在建设底层网络的时候，有下面几个问题需要在 设置时考虑:第一， profibus 总线是一种传输速率很快的数据传输方式;第二， profibus 总线的应用已经很广泛，其技术己很成熟;第三，由于本系统采用的是 simai， ics7-300 的 plc 作为控制器，其很多的通讯协议己经都集成在系统的内部，只需 要在外围做一些组态链接就可以组成控制系统，所以我们这里采用 profibus-dp 作 为我们这次控制的通讯方式。由此，在确定了控制系统的主要控制方式后，我们这 里就来具体的说一下系统的组成，这里我们将 cpu315-zdp 作为主站， cpu313c-zdp 作为从站。 (1)系统总体结构 这次的控制系统采用的是 profibus-dp 网络的主从结构，由三个层面组成，分 别是生产管理层、过程监控层和基础控制层，网络结构如图 3-2 所示: 图 3-2 主一从控制系统结构图 这里的基础控制层使用的是 profibus-dp 网络结构，是由三个独立的子系统构 成，其中每个子系统又分别由一个 cpu313c-zdp 来进行控制。过程监视层使用的 是 cpu315-zdp 作为这一层的主要控制器，它具体主要负责系统总线的通讯以及 从站与主站的通讯。管理层采用的是以太网连接方式，操作站使用的 pc 机可以采 用以太网的形式与主控制站相连接，并对网络进行系统组态和对现场设备具体工作 17 情况进行监视。在操作站使用的是 simaticstep7 软件和组态软件 wincc，通过 mpi 使得 pc 与 plc 相连接，在 pc 机上对系统进行编辑，然后在下载到 plc 中， 实现对控制对象的控制与监视。 （2)组态软件的选择 这里我们采用的是西门子 simafic 的 step7 软件。这款软件具有较好通讯联 络方式，其中包括:mpi，profibus 等接口实施连接，并可以在_l 位 pc 机上实现 对程序的下载和修改。并可以利用该软件实现系统的组态控制画面，实现较好的人 机控制界面12。 s7 系列 plc 的 cpu 中运行两种程序:操作系统程序和用户程序。 操作系统固化 在 cpu 中，提供一套系统运行和调用机制。用户程序完成特定的地动会任务，由 用户自己编写。使用 step7 进行项目设计的基本步骤是:首先根据需要设计一个解 决方案，然后建立一个项目，在项目中可选择先组态硬件再编写程序，或者先编写 程序再组态硬件，为避免出错，一般建议先组态硬件再编写程序。最后，将组态信 息和程序下载到硬件并进行调试。 (3)监控软件的选择 我们上位机采用的是西门子 simatic 的 wincc6.o 组态软件， 由于是同一个公 司的产品在性能兼容性上会有较好的性能。wincc6.0 组态软件一种基于 windows 的面向对象的软件，它有这较为强大的性能在自动化控制方面。由于 wincc 具有 较好的组态性能使得它具有很高的性价比，在系统组态方面 wincc6.0 以能容易的 建立起人机对话界面，画面精确能够满足生产实际要求。另外，wincc6.0 具有 mierosoftsqlserver2000 数据库管理系统， 能够对采集来的现场设备的数据进行很好 的数据管理，从而能够更好的为生产调度发挥它的作用12。 3.3 系统组态系统组态 3.3.1 step7 编程简介编程简介 我们详细的来介绍怎么使用 step7 软件来建立一个新的组态项目。首先，在 打开 step7 后，建立一个新的工程项目，命名为“project-01” ，在这个新建的项目 中我们加入我们要设计置的站命名，在建立好主站后我们就在主站里设置我们的硬 18 件和软件。 我们先来介绍系统的硬件组态方法，在打开右边的“configuation”选项，在 里面进行硬件组态设置， 根据我们所选用的西门子产品型号在模块库在中进行选择 与之相同的模块，进行设置。我们在这次系统设计中采用的模块分别是: cpu412-2pci、profibus-dp、et200s(包括 pm、al、ao、dl、do)模块，在 选中我们所要使用的模块后进行配置，结果如图 3-3 所示: 图 3-3 step 7 的系统硬件组态 3.3.2 软件组态软件组态 硬件的组态设置完成以后，接下来就要进行软件方面的设置。软件的设置 主要是为了完成具体的控制要求，并且根据这些要求来编写软件程序。这里有 三种程序语言编写方式:梯形图、语句表以及功能块。 19 表 3-1 在设定好我们的系统配置后，就要开始具体的进行更为详细的设置。这里 我们需要现对加热炉的控制方式进行设置，我们采用的是模糊控制方式，就是 以温度为测量量， 通过现场的测量设备把现场的温度通过模拟信号传回控制器。 这个过程我们可以使用 step7 中自带的模糊控制器进行设置， 主需要把模糊参 数进行输入就可以构成模糊控制方式。 在编写控制程序以前，我们还需要根据控制的具体要求建立控制量的变量 表。只要按照我们前面的控制结构，把每个部分的控制模块添加到我们编写的 程序中，再根据前面的变量表把控制变量逐个的添加到控制模块中去，这样就 完成了控制部分的编程，其结果如图 3-4 所示: 图 3-4 煅烧炉控制系统的梯形图 20 在编写好控制程序以后，我们还需要把编写好的组态程序下载到控制器， 这就还需要对通讯端口进行设置。将前面我们编写好的程序通过计算机下载到 硬件中去，如果前面的组态设置没有为题，而且下载也成功的话，控制面板上 的指示灯就会变为绿色。 这样我们就建立起来通讯， 可以通过 winac 控制面板 对系统进行调试控制。 3.3.3 监控界面的设计与开发监控界面的设计与开发 为了更加方便我们的管理和控制参数的设置，通常我们会使用更为友好的 画面来进行控制生产。 这里我们使用的是西门子公司的 wincc 组态软件， 通过 对加热炉生产过程进行组态方面的设计13。 下面介绍用 wincc 实现本控制方案的组态: 先打开变量管理器， 选择里面 simati s7 protocol suite 中的 slot plc 进行驱动程序的连接。根据实际的控制方案来建立变量名称、数据类型、数据 地址等，用于和 step7 进行通讯。 在创建好监控过程变量后，就可以开始进行图形方面的编辑。先把我们需 要在控制时改变的控制量、输入量以及需要监控的参数变量放在画面中。通常 我们会根据实际的工艺流程来设计界面， 不同的界面根据需要进行相互的切换。 其系统控制界面，温度控制界面如图 3-5，温度趋势界面 3-6，报警界面 3-7 21 图 3-5 煅烧炉温度控制系统界面 21 图 3-6 系统变量曲线图 图 3-7 系统报警界面图 22 第四章 第四章 模糊模糊 pid 控制在煅烧炉技术上的实际应用控制在煅烧炉技术上的实际应用 4.1 煅烧炉温度控制的模型建立煅烧炉温度控制的模型建立 4.1.1 恒温箱体温度微分方程的建立恒温箱体温度微分方程的建立 因为要通过 matlab 仿真来调节炉膛内的温度，所以首先要建立炉膛的精确数学 模型。 1、微分方程的建立 假设炉膛内是一个全封闭的系统，和外界环境没有质量的交换。仅仅存在能量 的交换。由于炉膛内的温度总是高于外界的温度，所以热量从炉膛内向外传递。箱 体的热量有两个加热器提供。根据能量守恒定理，单位时间内流入炉膛内的能量减 去单位时间内炉膛内流出的能量等于炉膛内能量存储量的变化率，即: 上述关系的数学表达式为: (4-1) 式中 c1-煅烧炉的容量系数(包括炉膛内空气的蓄热和实验体与外壁的蓄热) - 空气温度（k） ； -炉膛内的环境温度(k); qn2-炉膛外壁加热器的加热量(kj/s); qn1-炉膛外壁加热器的加热量(kj/s); f- 炉膛的外表表面积(m2); k1- 炉膛维护结构的传热系数(kj/s * m2* oc); 可以看到，单位时间内炉膛向外界传递的热量被简化为fk1即 炉 膛与外界的热交换过程可以认为是在两个温度和之间的热量交换。 将式* 变形得到下式 (4-2) qn2 、qn1、 是炉膛的输入参数，是炉膛的输出参数。输入参数是引起被调 23 量变化的因素，其中 qn2 、qn1起到调节的作用，而起的是干扰作用。炉