（材料加工工程专业论文）emv单向凝固装置温度控制系统的开发.pdf

上海大学硕士论文 摘要 e m v 单向凝固装置既可用于研究电流和磁场对金属凝固过程的作用机制， 也可用于利用电流和磁场对金属凝固过程的影响制备具有特种组织的新材料。该 装置必须采用高频感应加热装置作为加热设备。目前，其温度控制一般采用手动 或温度控制仪。手动控制精度不高，易受干扰。温度控制仪只能进行恒温控制， 不能控制加热和冷却过程，还不能很好地实现对凝固装置的整体控制。为此，本 文针对e m v 单向凝固装置开发了一套操作方便、界面友好、控制精度高、能控 制加热和冷却过程的温度控制系统。 本文对控制系统的硬件部分进行了设计，它包括传感器、d a 、a d 采集卡 等设备的选型、采集输出通道的选择等，同时文中还提出了接地抗干扰的措施。 本文根据热力学原理，建立了温度控制系统控制对象的数学模型，推导出其 温度热量传递函数。根据这个模型，本文提出了两种不同的控制算法：传统p i d 控制器和基于f u z z y 推理的自调整p i d 控制器。传统p i d 控制器具有结构简单、 对误差模型具有鲁棒性及易于操作等优点。但是它对于复杂的、动态的和不确定 的系统的控制还有不足之处，p i d 参数难以整定。因而比较难以达到预期控制效 果。而基于f u z z y 推理的自调整p i d 控制器可以根据误差的大小、方向以及变化 趋势等特征，通过f u z z y 推理做出相应决策，在线整定p i d 参数k p 、k i 、k d ， 能获得满意的控制效果。 本文采用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具，界面友好，能方便地实现人机对话。 它主要由一个初始化设置模块和一个定时器子程序组成。定时器子程序是软件的 主要部分，它主要包括数据采集模块，数据处理模块，参数自调整模块，p i d 控 制模块和控制量输出模块等。 最后对传统p i d 控制器和基于f u z z y 推理的自调整p i d 控制器进行了仿真 和实验比较，结果表明后者相对于传统p i d 控制器，具有响应时间短、超调量 小、温度控制精度高等优点。完全能满足e m v 单向凝固装置对温度控制的要求。 关键词：单向凝固温度控制p i d 控制器f u z z y 推理仿真 圭整茎兰堡主笙塞 a b s t r a c t t h e e l e c t r i c m a g n e t i c v a c u u m ( e m v ) f u r n a c ef o rd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ni st h e o n et h a tn o to n l yc a r lb eu s e dt or e s e a r c ht h ee f f e c t so f c u r r e n ta n dm a g n e t i cf i e l d0 n t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f m e t a l s ，b u ta l s ot op r e p a r en e wm a t e r i a l sw i t hs p e c i a l s t r u c t u r e b yu t i l i z i n g t h o s e e f f e c t s g e n e r a l l y , h i g h f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g e q u i p m e n tc a r lb ec h o s e na st h eh e a t i n gp a r to fe m vf u r n a c e a tp r e s e n t ，m a n u a lo r t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri sg e n e r a l l ya d o p t e d n e v e r t h e l e s s ，t h i sm e t h o dh a sl o wc o n t r o l a c c u r a c ya n di se a s yt ob ei n t e r f e r e d a sar e s u l t ，t h i sk i n do ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r c a no n l yr e a l i z et h e r m o s t a t i c a l l yc o n t r o l l i n g ，y e tt h ec o n t r o lt oh e a t i n ga n dc o o l i n g p r o c e s s ，a n dt h ei n t e g r a l c o n t r o lo ft h es o l i d i f i c a t i o nf u r n a c ea r en o te a s yt ob e r e a l i z e d b a s e do nt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，at e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e m f o rt h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nf u r n a c ei s d e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h i ss y s t e mh a s s o m em e r i t ss u c ha se a s yo p e r a t i n g ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，h i 曲c o n t r o l l i n ga c c u r a c y , a n d m o r e o v e r , t h ec o n t r o lt ot h eh e a t i n ga n dc o o l i n g p r o c e s s c a nb er e a l i z e d t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e mi so p t i m i s t i c a l l yd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo f t h es e n s o r , d a 、a dc o l l e c t i n gc a r da n dt h ed a t ac h a n n e l so fi o f u r t h e r m o r e ，t h e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n ti sp r o p o s e dt h r o u g ht h em e t h o do fg r o u n dc o n n e c t i o n i nl i g h to ft h et h e r m o d y n a m i cp r i n c i p l e s ，am a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e df o r t h ec o n t r o lo b j e c t so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n di t st r a n s f e rf u n c t i o nf o r t h et e m p e r a t u r ea n dh e a tq u a n t i t yi sd e d u c e d b a s e do nt h i sm o d e l ，t w od i f f e r e n t c o n t r o la l g o r i t h m sh a v eb e e np r e s e n t e d ，n a m e l y , t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n dt h e s e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e ro nt h eb a s i s o f f u z z yi n f e r e n c e s t h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c tc o n s t r u c t i o n ，s o u n d l yr o b u s ta n d e a s yo p e r a t i o n b u ts o m ed i s a d v a n t a g e sa l s oe x i s t ，w i t hu n s a t i s f a c t o r yc o n t r o l l i n gf o r t h o s e c o m p l e x ，d y n a m i ca n d u n c e r t a i ns y s t e m s s u b s e q u e n t l y , t h ep i dp a r a m e t e r sa r e h a r dt oa d a p t ，a n dt h ea n t i c i p a t e dc o n t r o l l i n gc a r l tb er e a l i z e d o nt h ec o n t r a r y , t h e s e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rc a n a c h i e v es a t i s f a c t o r yc o n t r o l l i n gr e s u l ta t t r i b u t i n gt o i i 上海大学硕士论文 t h er e a l t i m ed e c i s i o na c c o r d i n gt ot h em a g n i t u d ea n dv a r i a t i o nt e n d e n c yo ft h ee r r o r , t o g e t h e rw i t h t h eo n l i n e a d a p t i n go f t h ep a r a m e t e r sk v 、k j 、k d a f t e rf u z z yi n f e r e n c e s t h ev i s u a lb a s i c6 0i se m p l o y e da st h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m a n dt h es o f t w a r e i si n t e r f a c e f f i e n d l n c o n v e n i e n c ef o rm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n t h i sp r o g r a mi s c o n s i s t e do fa ni n i t i a l i z a t i o n s e t t i n g m o d e la n da s u b p r o g r a m o ft i m e r t h i s s u b p r o g r a m i st h em a i n p a r to f t h e d e v e l o p e ds o l , w a r e ，c o n t a i n i n gt h em o d e l s f o rd a t a c o l l e c t i n g ，d a t at r e a t m e n t ，p a r a m e t e r ss e l f - a d a p t i n g ，p i dc o n t r o l l i n g a n dc o n t r o l o u t p u t e t c ， f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t so b t m n e db y t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n dt h e s e l f - a d j u s t i n gp i d o r l ea r ec o m p a r e dw i t ht h a to b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t s t h e c o m p a r i s o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h el a t t e rh a saf a s t e rr e s p o n s e ，s m a l l e ro v e r s h o ta n d h i g h e ra c c u r a c yt h a nt h ef o r m e r , s a t i s f y i n g t h er e q u i r e m e n to ft h et e m p e r a t u r ef o rt h e e m vd i r e c t i o n a 】s o l i d i f i c a t i o nf u r n a c e k e y w o r d s ：d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g ，p i dc o n t r o l l e r f u z z yi n f e r e n c e ，s i m u l a t i o n l l i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得上海大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说 明并表示了谢意。 躲心4 嗍 关于论文使用授权的说明 矿种弓| 右 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 繇婵聊躲孕 嗍 上海大学硕士论文 1 绪论 1 。1 e m v 单向凝固装置温度控制系统简介 1 1 1e m v 单向凝固装置简介 单向凝固装置是用来制备单晶、柱晶材料、自生复合材料的基本设备之， 其实质是通过各种工艺措施对热流进行控制，形成一个单一方向的热流区域，使 金属在该区域内凝固时强制定向生长，从而形成沿热流方向排列的凝固组织1 2 “。 本项目组研制开发的e m v ( e l e c t r i cm a g n e t i cv a c u u m ) 单向凝固装置( 即电磁真 空单向凝固装置) 是在单向凝固装置的基础上加以电流、或者磁场，使试样在真 空环境下进行电场、或者磁场处理，从而实现电流、或者磁场作用下的单向凝固。 该装置既可用于研究电流和磁场对金属凝固过程的作用机制，也可用于利用电流 和磁场对金属凝固过程的影响制备具有特种组织的新材料。e m v 单向凝固装置 的基本原理图如图1 1 所示。因为电、磁场以及真空系统对温度控制的影响很小， 图中没有画出电场、磁场的加载方式，也没有标明真空系统。 4 图1 1 单向凝固原理装置示意图 1 一刚玉管：2 - - 感应线圈；3 一变压器：4 - - 进水口；5 - - 出水口；6 - - 拉杆； 7 一冷却金属液；8 - - 冷却水；9 - - 挡热板；1 0 一加热区；11 一试样；1 2 一热电偶 2 1 o 9 8 7 6 5 上海大学硕士论文 试样穿过感应线圈，安放在拉杆的上端。高频感应加热设备用于加热试样， 使试样熔化，并达到要求的温度后，拉杆向下缓慢运动，加热区金属在冷却液的 强冷作用下形成一个固液界面，并使试样沿生长方向存在很大的温度梯度，从而 使试样沿生长方向单向结晶。冷却液一般采用镓铟锡合金 ”，镓铟锡合金通过冷 却水冷却。拉杆在不断的下降过程中，试样跟随下降。在凝固过程中应该保持试 样固液界面相对位置不变，以及界面的温度不变，温度梯度不变。因此该装置最 为关键的两个参数为m ，8 】： ( 1 ) 拉杆的拉速； ( 2 ) 加热区的温度 由于加热区温度直接影响了单向凝固金属固液界面的位置和该处的温度梯 度，因此加热区温度的控制尤为重要。 1 1 2e m v 单向凝固装置温度控制系统的特点 e m v 单向凝固装置温度控制系统是整个e m v 单向凝固装置系统的核心部 分，最大的特点是控制对象在控温过程中是运动的，控制的精度要求也很高。控 温范围在1 0 0 - - 1 6 0 0 ，温度偏差要求控制在0 5 范围以内。此外，在e m v 单向凝固装置温度控制过程中，下列因素的存在会引起温控对象数学模型的改 变： 1 ) 加热金属材料的不同，导热能力也不同； 2 ) 拉杆的拉速不一样，不同的拉速带走的热量不一样： 3 ) 环境温度变化，引起的散热量变化； 4 ) 外加物理场的不同，引起的热效应不一样。在e m v 单向凝固装置中， 还需对试样进行脉冲电流或者脉冲磁场的处理。这两者都会引起不同的热效应。 在上述很多不同的影响因素下，很难建立一个单向凝固装置加热对象的精确 数学模型。 1 2 本文主要研究内容 本课题为上海市科委重大基础研究资助项目。 整个e m v 单向凝固装置控制系统分成两部分：机械运动控制部分和温度控 上海大学硕士论文 制部分。本文只研究其温度控制部分。整个控制系统都采用一台工业用计算机作 为操作平台，便于实现对定向凝固装置的整体控制。e m v 单向凝固装置的试验 材料为钢铁材料，熔化温度在1 6 0 0 左右；为了保证电、磁场设备正常工作， 要求加热元件占用空间很小。此外，在对试样加热时，不能加热电、磁场设备， 尤其是磁场设备。因此加热设备必须选用高频感应加热装置。 一般单向凝固装置的加热装置大都采用电阻炉，该加热方法加热速度较慢， 易于实现自动化控制。而高频感应加热装置的加热速度快、试样加热后它的电性 能发生变化，难以实现自动控制，一般采用手动的方式或者温度控制仪实现控温。 手动控制的精度不高，易受干扰。温度控制仪只能进行恒温控制，不能控制加热 和冷却过程，不能很好的实现对凝固装置整体控制的。为此，针对e m v 单向凝 固装置，本文拟首次开发一套操作方便、界面友好、控制精度高的温度控制系统。 本文的研究内容主要有以下几个方面： 1 ) 据单向凝固装置的特点，得出控制对象的传递方程，设计基于f u z z y 推 理的自调整p i d 控制器和常规p i d 控制器； 2 ) 设计单向凝固装置温度控制系统的硬件； 3 ) 利用v i s u a lb a s i c 6 0 编写单向凝固装置温度控制系统的软件； 4 ) 对两种控制器的控制效果进行比较并做出结论。 本课题的难点：温度采集干扰很大，高频感应加热装置加热对温度的干扰比 较大。温度波动很大，还有因为强电流处理和强磁场处理的干扰特别大，使温度 波动更加剧烈，严重的还会影响设备的正常工作，以及危害到人身安全。 上海大学硕士论文 2 控制方法简介 温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力 电子等，常用的控制系统根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，控制方法 也有不同，现主要简要介绍p i d 控制、模糊控制以及它们之间的相互结合控制等。 2 。1 传统p i d 控制 p i d 控制就是按照设定温度与实际温度误差的比例、积分、微分产生控制作 用。它是温度控制中运用最广泛的一种方式。实际运行效果和理论分析表明，这 种控制规律在相当多的工业生产中能得到比较满意的效果。在传统的温度控制技 术中，大多采用模拟型的p i d 控制器，它结构简单，在长期运用中积累了丰富的 经验，在连续系统控制中技术成熟，也是迄今为止使用最广泛的控制方法。 2 1 1p i d 控制原理 2 1 1 1 模拟p i d 控制器 模拟p i d 控制系统原理框图如图2 1 所示9 1 。 图2 1 模拟p i d 控制系统原理框图 给定值r ( t ) 与实际值c ( t ) 构成控制误差： e ( t ) = r ( t ) 一c ( t ) ( 2 1 ) p i d 控制器根据e ( t ) 将误差的比例( p ) 、积分( i ) 、和微分( d ) 通过线性组 合构成控制量，对受控对象进行控制，其控制规律为1 0 1 ： u ( t ) = k p 槲出+ 墨笋】 ( 2 2 ) 上海大学硕士论文 式中 u ( t ) 控制器输出函数； e ( t ) 控制器误差函数； k p 比例系数； t i 积分时间常数： t o 微分时间常数。 2 1 1 2 数字p i d 控制器 为了用计算机实现p i d 控制，必须将式( 2 2 ) 表示p i d 控制规律的连续形式 变成离散形式，才能通过编程实现。p i d 控制器控制算法的离散形式为“ ： t “( ) = k ，p ( t ) + 女，e ( ，) + k d p ( 七) 一e ( 七一1 ) ( 2 3 ) j = 0 式中t 一采样周期； k 一为采样序号； u ( k ) 一采样时刻k 时的输出值； e ( k 卜一采样时刻k 时的误差值； e ( k - 1 卜一采样时刻k - 1 时的误差值； k i 一积分系数，k i = k p t 仃i ； k d 一微分系数，k d = k p t l 3 t 。 式中的输出量为全量输出。它对应于被控对象的执行机构( 如可控硅) 每次采样时 刻达到的位置。由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构( 如阀门) ，u ( k ) 的值 和执行机构的位置( 如阀门开度) 是一一对应的，所以通常称式( 2 3 ) 为位置 式p i d 控制算法，图2 2 是位置式p i d 控制系统示意图【1 2 】。 图2 2 位置式p 1 d 控制系统框图 这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计 算时要对e ( k ) 进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u ( k ) 对 应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u ( k ) 的大幅度变化，会引起 执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合， 上海大学硕士论文 可能造成重大的生产事故，因此产生了增量式p i d 控制的控制算法 所谓增量式p i d 控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量u f k ) 。 当执行机构需要的是控制量的增量( 例如驱动步进电动机) 时，可由式( 2 3 ) 导出提供增量的p i d 控制算式。根据递推原理得 k - 1 u ( k 一1 ) = k ，p ( 七一1 ) + k ，p ( j ) + k d e ( k - 1 ) - e ( k 一2 ) 】 ( 2 4 ) = o 用式( 2 3 ) 减式( 2 4 ) ，可得 a u ( k ) = k 。p ( 女) 一e ( k 1 ) + k ，p ( t ) + k d p ( 女) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) = k 。a e ( k ) + k ，e ( k ) - i - k d n e ( k ) 一a e ( k 一1 ) ( 2 5 ) 式中a e ( k ) = e ( k ) 一e ( k 一1 ) ，a u ( k ) = “( 七) - u ( k 一1 ) 式( 2 5 ) 称为增量式p i d 控制算法。图2 3 给出了增量式控制系统示意图。可以 看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，一旦确定了k p 、 图2 3 增量式p i d 控制系统框图 k i 、k d ，只要使用前后3 次测量值的误差，即可由式( 2 5 ) 求出控制量。采用 增量式算法时，计算机输出的控制量u ( k ) 对应的是本次执行机构位置的增量。 对应实际控制量可由式( 2 5 ) 通过软件来完成。 就整个系统而言，位置式和增量式控制算法并无实质的差别，只是增量式控 制在算法上作了一点改进，其主要的优点表现在： ( 1 )由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的 方法去掉。 ( 2 ) 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生 故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保 持原值。 ( 3 ) 算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近k 次的采样值有关，所 6 上海大学硕士论文 以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但是增量式控制也有其不足之处，积分截断效应大，有静态误差：溢出的影 响大。因此，在选择时不可一概而论。一般认为，在以晶闸管为执行机构或在控 制精度要求高的系统中，可采用位置式算法，而在以步进电机或电动阀门作为执 行机构的系统中，则可采用增量式算法。 概括的说，p i d 控制器的优点主要体现在以下几个方面 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，算法在结构上有很强的鲁棒性。确 切的说，在很多的情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏 感。 2 1 2p i d 控制器的参数对控制效果的影响”】 2 1 2 1 比例控制 比例控制的优点是：误差一旦产生，控制器就立即就有控制作用，使被控制 量朝着减小误差方向变化。 比例控制的缺点是：对具有自平衡性的控制对象有静差。自平衡性是指系统 阶跃响应终值为一有限值。 2 1 2 2 积分控制 积分控制的优点：可提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，适用 于有自平衡性的系统。 比例控制的缺点：有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并 可能产生振荡。 2 1 2 3 微分控制 微分控制优点：主要是针对被控对象的大惯性改善动态系统特性，给出响 应过程提前制动的减速信号。有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定：同 时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特征。 微分控制缺点：抗干扰性差，使系统抗干扰能力降低a 上海大学硕士论文 2 1 3 传统p i d 参数的整定方法 在p i d 控制中，p i d 参数的整定是控制过程中最关键的，控制器参数整定的 实质，就是通过设计调整控制器的某些参数使其特征与被控特性相匹配，以达到 最佳控制效果。人们常把这种整定称为“最佳整定”，这时的调节器参数称为“最 佳整定参数”。传统的p i d 控制器参数是采用试验加试凑的方法人工整定。后来 出现了z i e g l e - - n i c h o l s 整定法、临界灵敏法和基于继电反馈的方法等整定方法。 下面就前两种方法作一个简要的介绍： 2 1 3 1z i e g l e - - n i c h o l s 参数整定法 k i i k i vl t 一卜t 一 图2 4 阶跃响应曲线 z i e e l e n i c h 0 1 s 参数整定法是最早提出的工程整定方法【，这种方法认为受 控对象大多数可近似用一阶惯性加纯延迟环节来表示，其传递函数为： g ( s ) = k e “i ( r s + 1 ) ( 2 6 ) 对于典型p 1 d 弪带u 器 g c “羽+ 去+ 纠 妲7 有z i e g l e n i c h o l s 整定公式 酢= 害 q 8 t ：2 f ( 2 9 ) 一，：0 5 f ( 2 - 1 0 ) 在实际应用中，通常根据阶跃响应曲线( 如图2 4 所示) ，人工测量出k 、t 、 上海大学硕士论文 t 参数，然后按z i e g l e n i c h o l s 公式计算k p 、t l 、t d 。在计算机辅助设计时可 以用曲线拟合的方法将阶跃响应数据拟合成近似的一阶惯性加纯滞后环节的模 型。 z i e g l e - - n i c h o l s 阶跃响应是确定p i d 参数的简单方法，这种方法仅根据纯滞 后时间和时间常数来整定控制器的参数，但是该方法仅在纯滞后时间与时问常数 之比处于o 】1 之间适用，对于大的纯滞后需采取专门补偿措旆。另外该方法 借助于作图来确定特征参数。得到的控制器是使用尚可的或者次优的 2 1 3 2 临界灵敏法 当已知系统的临界比例增益k c 和振荡周期t c 时，也可以用经验整定公式来 确定p i d 控制器的参数。例如： k p 一- - - 0 6 k c ( 2 11 ) t i = 0 5 t c ( 2 1 2 ) t d = o 1 2 5 t c ( 2 1 3 ) 特征参数k c 和t c ，一般由系统整定试验确定，或者用频率特征算法根据受控过 程g ( s ) 直接算得，即由增益裕量g m 确定k c ，由相位剪切频率。c 确定t c 。 叮、 2 n - 帆 ( 2 1 4 ) 砭= 1 0 慷一” ( 2 1 5 ) 上面列举得两种常见得p i d 参数整定方法中，可以看出p i d 参数整定的方 法都是基于被控过程某些特征参数。诸如临界振荡增益k c 、临界振荡频率m c 等。这些方法比较适用于人工离线参数整定。 事实证明，对于p i d 这样简单的控制器，能够使用于如此广泛的工业和民用 对象，并以其很高的性价比在市场中占主导地位，充分反映了p i d 控制器的优良 品质，但在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变的、非线性的复杂系统，其 中有的参数未知或者缓慢变化：有的带有延时和随机干扰；有的无法获得较精确 的数学模型或者模型非常粗糙。对于上述这些系统，如果采用常规的p i d 控制器， 则难以整定p i d 参数，因而比较难以达到预期控制效果。同时，在实际生产现场， 由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠 佳，对运行工矿的适用性很差。随着计算机技术的发展，尤其是智能控制理论研 9 上海大学硕士论文 究和应用的发展和深入，为控制复杂无规则系统开辟了新的途径。新的智能型 p i d 自整定控制器的出现，并且对于复杂的控制对象取得了较好的控制效果，从 而使p i d 控制发展到了一个新的阶段。 2 2 模糊控制 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智 能控制。它首先由美国加利福尼亚大学的自动控制专家l a z a d e n 在1 9 6 5 年提 出。经过3 0 多年的发展在模糊控制理论喝应用研究方面均取得重大成功“。 模糊控制主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确 数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。它的发展基本上可以分为两个阶 段，初期的模糊控制是按一定的语言控制规则进行工作的。这些控制规则是建立 在总结操作者对过程进行控制的经验基础上，或设计者对某个过程认识的模糊信 息的归纳基础上。后期的模糊控制器则是试图吸取人脑对复杂对象进行随机识别 和判决的特点，用模糊集理论设计自适用、自组织、自学习的模糊控制器。它适 用基于控制规则难以描述，即过程控制还总结不出什么成熟的经验，或者过程有 较大的非线性以及时滞等特点的情况l l 7 ”j 。 2 2 1 模糊控制系统的组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。因此，模糊控制系统的组成类似 于一般的数字控制系统姻1 ，其框图如图2 5 所示。 给定值 图2 5 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可分为五个组成部分： ( 1 ) 模糊控制器：是控制系统中的核心部分，它实际上就是一台计算机， 也可是单片机。 ( 2 ) 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数 1 0 上海大学硕士论文 字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其 转变为模拟量，然后送给被控对象。 ( 3 ) 执行机构：包括各交、直流电动机，伺服电动机、步进电机以及各类 加热装置等。 ( 4 ) 被控对象：被控对象可以是线性的或者非线性的、定常或时变的，也 可以是单变量或多变量、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况， 在温度控制系统中被控对象一般指温度。 ( 5 ) 传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转为电信号的一 类装置。 2 2 2 模糊控制的基本原理 模糊控制的基本原理可由图2 6 表示【2 0 】，它的核心部分是模糊控制器，如图 2 6 中虚线框部分所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，计算机通 过采样获取被控量的精确值，然后将此量与设定值比较得到误差信号e ( 在此取 误差反馈) 。一般选误差信号e 作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号e 给定值 + 图2 6 模糊控制原理框图 量 的精确量进行模糊化变成模糊量，模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到 了误差e 的模糊语言集合的一个子集e ( e 实际是一个模糊向量) 。再由e 和模 糊控制规则r ( 模糊关系) 根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u ： “：p 。r ( 2 1 6 ) 式中u 为一个模糊量。 为了对被控对象施加精确的控制，还需将模糊量u 转化成精确量，即图2 6 上海大学硕士论文 中的非模糊化处理( 也称为去模糊化或者清晰化处理) 。得到了精确的数字控制 量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象进行控制。 2 2 3 模糊控制器设计的主要内容 模糊控制器是整个模糊控制的核心，设计模糊控制系统的关键就是设计模糊 控制器。它的设计包括以下几项内容： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量( 控制量) ； ( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则； ( 3 ) 进行模糊化和去模糊化处理： ( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数 ( 如量化因子、比例因子) ； ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序。 2 2 3 1 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构设计就是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。在设 计模糊控制器时，可以根据被控对象和对系统的性能指标要求作为结构选型参考 的依据。一旦确定好模糊控制器的结构，模糊控制器的输入语言变量和输出语言 变量也就确定下来了，一般用的最多的是将误差e 和误差变化e 作为输入语言 变量。 e 广 c 叫模糊控制器卜_ ( 1 ) 一维模糊控制器( 2 ) 二维模糊控制器 ( 3 ) 三维模糊控制器 图2 7 模糊控制器的结构 通常将模糊控制其输入变量的个数称为模糊控制器的维数。以单输入输出模 糊控制器为例。常见的有3 种形式2 1 1 ，如图2 7 所示。般情况下，一维模糊控 制器用于一阶被控对象，由于控制器输入变量只选误差信号一个量，它的动态控 制性能不佳。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数越高， j 2 上海大学硕士论文 模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现越困难。所以，目前被广泛采用的 均是二维控制器。 控制量的输出一般选用单变量输出，有利于模糊控制规则的建立。在有些情 况下，模糊控制器的输出也可按两种方式给出。例如，若误差“大”时，以绝对 的控制量输出；而当误差为“中”或“小”时，则以控制量的增量( 即控制量的 变化量) 为输出；虽然这种模糊控制器可获得较好的上升特性，改善了控制器的 动态品质，但是这种模糊控制器的结构及控制算法比较复杂，实现比较困难口刭。 2 2 3 2 模糊控制规则的设计 控制规则的设计是模糊控制器设计的关键，一般包括三部分设计内容 2 3 】：选 择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控 制规则。 ( a ) 选择描述输入和输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输出变 量状态的一些词汇( 如“正小”、“负大”) 的集合，称为这些变量的词集。 一般多选用“大”、“中”、“小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输 出变量的状态。由于人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的，将这三 个词汇在加上正负两个方向并考虑变量的零状态，共有7 个词汇，即： 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 一般用英文缩写成： n b ，n m ，n g ，o ，p s ，p m ，p b 选择较多的词汇描述变量，可以使制定控制规则方便，但是控制规则相应变 得复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器性能变坏。一般情 况下选择上述7 个词汇，但也可根据实际系统需要选择3 个或者5 个语言变量a 描述输入输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模 糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。 ( b ) 定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确 定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了个相应的 一圭耍查兰堡主笙苎 模糊变量的模糊子集。如图2 8 所示的隶属函数曲线表示论域x 中的元素x 对模 糊变量a 隶属程度，设定 x = - - 4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 则有： ( 1 ) 2 ( 3 ) _ 0 ，5 ；姒( 2 ) = 1 ，0 论域x 内除1 、2 、3 外各点的隶属度均取0 ，则模糊变量a 的模糊子集为： a = o 5 】+ 1 2 + 05 1 3 1 ，o 0 5 01234 x 图2 , 8 隶属函数曲线 隶属函数曲线的形状对控制特性有较大的影响。隶属函数曲线形状较尖的模 糊子集其分辨率较高，控制灵敏度也较高：相反，隶属函数取向形状较缓，控制 特性也就较平缓，系统稳定性较好。为了使一个控制系统在要求的范围内都能够 很好的实现控制，因此，在选择描述某一模糊变量的各个模糊子集时，应使它们 在论域上能合理的分布，即他们应该很好的覆盖整个论域。在定义这些模糊子集 时要注意使论域中任何一点对这些模糊予集的隶属度的最大值不能太小，否则， 会在这样的点附近出现不灵敏区，以致造成失控，使模糊控制系统性能变坏。 ( c ) 建立模糊控制器的控制规则 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过 学习、试验以及长期的经验积累而逐步形成的，存储在操作者头脑中的一种技术 知识集合。手动控制过程一般是通过对被控对象( 过程) 的一些观测，操作者再 根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加在被控对象 的控制作用，从而使系统达到预期的目标。 手动控制的作用同自动控制系统中的控制器的作用基本相同，所不同的是手 动控制决策是基于操作系统经验和技术知识，而控制器的控制决策是基于某种控 j 4 圭量查堂堡主堡兰 制算法的数值运算。 利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制策略 上升为数值运算，于是可以采用计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现 所谓的模糊自动控制。 利用语言归纳手动控制策略的过程，实际上就是建立模糊控制器的控制规则 的过程。手动控制策略一般都可以用条件语句加以描述，常用的模糊条件句及其 对应的模糊关系r 概括如下： ( 1 ) “若a 则b ”( 即i f a t h e n b ) r = a b + a x e ( e 为单位向量) ( 2 )“若a 则b 否则c ”( 即i f a t h e n be l s e c ) r = ( 爿b ) + ( a x c ) ( 3 )“若a 且b 则c ”( 即i r a a n d b t h e n c ) r = ( 4 c ) ( b c ) ( 4 )“若a 或b 且c 或d 则e ”( 即i f ao r ba n d co r d t h e n e ) r = ( 爿+ b ) e 【( c + d ) e 】 ( 5 )“若a 则b 且若a 则c ”( 即i f a t h e n b a n d i f a t h e n c ) r = ( 爿b ) ( a c ) ( 6 )“若a l 则b l 或若a 2 则b 2 ”( 即i f a i t h e n b io r i f a 2 t h e n b 2 ) r = a 】马+ a 2 岛 2 2 3 _ 3 模糊推理及其模糊量的去模糊化处理 在模糊控制的原理框图( 图2 6 ) 中，对建立的模糊控制规则要经过模糊推 理才能决策出控制量的一个模糊子集，它是一个模糊量，还不能直接控制被控对 象，还需采取合理的方法将模糊量转化为精确量，以便最好的发挥模糊推理结果 的决策效果。把模糊量转换为精确量的过程称为去模糊化处理。 模糊推理及其模糊量的去模糊化处理的方法有很多种，主要有： ( 1 ) m i n m a x 重心法 ( 2 ) 最大隶属度法 上海大学硕士论文 ( 3 ) 取中位法 ( 4 ) 模糊加权型推理法 ( 5 ) 代数积加法一重心法 ( 6 ) 函数型推理法 ( 7