毕业设计（论文）-自整定参数的温度控制系统系统的设计.pdf

- I - 自整定参数的温度自整定参数的温度自整定参数的温度自整定参数的温度控制系统控制系统控制系统控制系统系统系统系统系统的设计的设计的设计的设计 摘要摘要摘要摘要 热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。电阻炉是热处理生产中 应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技 术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。 电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度 以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模 型基础上，难以保证加热工艺要求。 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控 制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过 单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。 本系统采用单片机为主控制器，控制算法采用比较成熟的数字 PID 控制算 法，对被控参数进行调节。系统分为硬件设计和软件设计两大块。硬件设计包 括：主要控制电路、温度检测、模数转换和功率放大电路等。软件设计包括： 主程序设计、中断服务子程序设计、PID 算法设计等。系统的控制精度可以满 足生产的要求。 关键词关键词关键词关键词：电阻炉；模糊控制器；温度控制；控制仿真；89C51 自整定 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - A A A AD D D Designesignesignesign ofofofof TemperatureTemperatureTemperatureTemperature FuzzyFuzzyFuzzyFuzzy ControlControlControlControl SystemSystemSystemSystem ofofofof I I I Industryndustryndustryndustry ResistorResistorResistorResistor FurnanceFurnanceFurnanceFurnance AbstractAbstractAbstractAbstract The heat treatment is the important means of the metal material and other products. The resistance furnace is the heat treatment production widely used in the heating treatment production, so the measurement and control of the equal warm course become the critical technology. This urges people more positive to study the method of control hot-working technology. The resistance furnace is one kind of big being used to nature system which possesses pure stagnantly. The switch draft of a stove, heating material and environmental temperature as well as network voltage etc all influence control procedures. The traditional heating furnace control system is built on the fixed model foundation mostly, and is hard to pledge the requirements of the heating technology. Auto the control system have in each realm particularly is the industry the realm and it extensive of application, temperature control is control system in the most familiar of control one of the types.Along with list slice machine technique of fly soon development, pass list slice machine to is controled object to carry on control day by day become aftertime auto control realm of an importance development direction. This system uses the single-chip computer as the main controller, whose control algorithm uses common numeral PID control algorithm, and adjusts the controlling parameters. The system is mainly divided into the two parts of hardware design and software design. The hardware design part includes: main control circuit, temperature supervision, analog-digital conversion and the power amplification circuit etc. The software design part includes: main routine design, interrupt servicing subroutine design and PID algorithm designs etc. The controlling accuracy of the system can satisfy the requirement of production. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsResistance furnace；fuzzy controller；temperature control；89C51; self regulating decides 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - 目录目录目录目录 摘要.I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 本课题背景.1 1.2 电阻炉的介绍.1 1.3 模糊控制的发展.2 1.4 模糊控制的应用.4 1.5 温度控制系统的发展.4 1.6 本课题研究的内容.5 第 2 章 模糊控制理论6 2.1 引言.6 2.2 模糊控制系统结构及工作原理.6 2.2.1 模糊控制系统的组成6 2.2.2 模糊控制系统工作原理7 2.3 模糊控制器的设计.7 2.4 PID 控制原理.8 2.5 模糊整定 PID 控制器原理.9 2.6 模糊控制与 PID 控制方法的比较.10 2.7 本章小结.11 第 3 章 电阻炉硬件设计12 3.1 引言.12 3.2 电阻炉温度模糊控制系统.12 3.3 温度控制系统硬件设计简介.13 3.3.1 温度传感器的选择14 3.3.2 温度信号转换电路15 3.3.3A/D 转换与开关量输出接口. 15 3.3.4 可控硅触发电路15 3.4 89C51 型单片机模糊控制器的系统功能机硬件组成 15 3.4.1 单片机模糊控制器的系统功能15 3.4.2 单片机类型的选择16 3.5 89C51 型单片机模糊控制器的硬件系统组成 17 3.5.1 89C51 型单片机模糊控制器前向通道得设计. 19 3.5.2 89C51 型单片机模糊控制器后向通道得设计. 19 3.6 89C51 型单片机模糊控制器主程序结构 20 3.7 89C51 型单片机模糊控制器的算法程序 21 3.8 本章小结.23 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 第 4 章 MATLAB 温度控制仿真.24 4.1 MATLAB 概况24 4.2 模糊控制器的设计.24 4.3 MATLAB 环境下仿真.26 4.4 本章小结.29 结论30 致谢31 参考文献32 附录A. 33 附录B. 37 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 本本本本课题背景课题背景课题背景课题背景 随着微电子技术和微型计算机技术的迅猛发展，微机测量和控制技术以其 逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛 应用。它不但在航天航空、铁路交通、冶金、电力电讯、石油化工等领域获得 了广泛应用，而且其技术在日常生活小诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机、 智能照相机、自动洗衣机、智能空调等高科技产品中也具有广阔的使用前景。 尤其是许多智能仪表和测控系统中引入单片机控制技术后，使传统仪器仪表设 备发生了根本变化，为工业生产的自动化智能化奠定了坚实的技术基础。 自1965年Zadeh提出模糊集合论以来，模糊控制作为模糊理论应用的一个重 要分支，己经发展成为具有一定系统化理论及大量应用背景的新兴学科，并且 成功地应用于工业过程控制、家用电器、机器人操作、机车控制、航空航天等 诸多领域。模糊控制理论日趋成熟，并且由于其基于人的逻辑推理、不依赖控 制对象的精确数学模型这一特点，体现了它巨大的优势和潜力1。 基于单片机技术的控制器自 80 年代以来取得了巨大的成功，尤其是微型计 算机的蓬勃发展，使得单片机控制器具有强劲的优势。因此，寻求适合单片机 控制器的控制技术一直是控制人员关心的课题。在现有设备及技术条件下，应 用现代控制理论很难设计出有效而且实用的控制器，在工业控制领域，应用现 代控制理论设计出来的控制器的效果往往还不如根据经典 PID 理论设计的过程 控制器的控制效果。到目前为止，在工业控制过程中，占统治地位的仍然是经 典的 PID 控制调节器，其比例达到了 90%以上。但是 PID 控制技术在处理一些 非线性、时滞性大又不便建立数学模型的控制对象时，如上述的电阻炉，存在 着两个固有的缺陷：第一、参数调节困难，尤其对于参数变化大的控制对象； 第二、不适宜具有大时滞的控制对象。尽管 1957 年 Smith 提出 Smith 预估器控 制策略，但必须以精确的数学模型为前提。因此，研究先进的模糊控制策略， 以及在单片机上的实现，从而使模糊控制技术更好地应用在电加热炉温度控制 系统以及其它的过程控制，具有很高的理论价值和应用价2,3。 1.21.21.21.2 电阻炉的介绍电阻炉的介绍电阻炉的介绍电阻炉的介绍 电炉是利用电热效应供热的工业用炉如武汉海顿电炉有限公司生产的电 炉。电炉设备通常是成套的，包括电炉炉体，电力设备，自动调节系统，炉用 机械设备等。同燃料炉比较，电炉的优点有：炉温均匀，炉内气氛容易控制， 甚至可抽成真空；物料加热快，加热温度高，温度容易控制；生产过程较易实 现机械化和自动化；无污染，劳动卫生条件好；热效率高；产品质量好等。冶 金工业方面海顿电炉主要用于钢铁、铁合金、有色金属等的加热和热处理。19 世纪末出现了工业规模的电炉，20 世纪 50 年代以来，由于对高级冶金产品需 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 求的增长和电费随电力工业的发展而下降，电炉在冶金炉设备中的比额逐年上 升。电炉可分为电阻炉、 感应炉（神光电炉）、 电弧炉、等离子炉、电子束 炉等。国内大型电炉生产厂家如著名的武汉海顿电炉有限公司专业生产大中小 型工业电炉。 电阻炉 以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉如海顿电炉生产的电 阻炉。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电 阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很 快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物 料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超 2500。 直接加热电阻炉可做成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉，在粉末冶金 中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意：为使物料 加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；由于物料自身电阻相 当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要 好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；在 供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。 大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻 体，称为电热体，由它把热能传给炉中物料。这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛 砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳 化硅棒和二硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真 空。 工业电炉 主要指各工矿企业用于钢铁、铁合金、有色金属、非金属等的加 热和热处理的电炉。如著名的武汉海顿电炉有限公司专业生产大中小型工业电 炉。 1.31.31.31.3 模糊控制的模糊控制的模糊控制的模糊控制的发展发展发展发展 在科学技术发展史上，控制科学同其它技术科学一样，它的产生与发展主 要由人类的生产发展需求和人类当时的技术和知识水平所决定的。从古代亚历 山大运用反馈控制来调节水流的水钟到现代太空和大规模复杂工业系统的综合 自动化，控制科学在技术进步中都起着十分重要的作用。直到二十一世纪的今 天，人们仍在不停的探索。从1788年J.Watt的飞球调节器控制系统为起点，控制 理论经历了古典控制理论、现代控制理论、及智能控制理论的发展过程。 1965年美国加州大学的L.A.Zadeh教授在其发表的著名论文“Fuzzy Sets”中， 首次提出用“隶属函数”的概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论，从此奠 定了模糊数学的基础。1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功地 应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际工程 上应用之先河。在此后的短短30多年里，模糊控制获得了长足的发展，在理论 和应用上都取得了令人惊叹的丰硕成果。1985年世界上第一块模糊逻辑芯片在 美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用化的又一里程碑。90年代 初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动了欧 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 美和其它国家，进一步促进了模糊技术的发展。 模糊控制的发展大体分为三个阶段：基本模糊控制1；复合模糊控制2；仿 生模糊控制。模糊控制在短短的三十多年中发展如此迅速，足以说明其具有很 大的理论和实际意义。理论研究和实际应用都表明模糊控制具有良好的控制性 能，具有响应速度快、抗干扰性强、鲁棒性好、控制算法简单等优点。 早期研制的模糊控制器，应用在一些较简单的控制系统中，以模糊逻辑语 言为出发点，采用L.A.Zadeh教授提出的模糊关系合成推理规则，得出控制决 策，属于基本模糊控制。由于其设计过程简单，成本低廉，控制效果也较为明 显，至今广泛应用于控制领域。历经几十年的研究与实践，基本模糊控制逐渐 暴露出自身的局限性，对于那些较为复杂的非线性、时变性较大的多变量系 统，不能进行有效的控制。于是，研究人员借助传统控制方法，将传统控制方 法和模糊控制相结合，扬长避短，形成复合控制，这也是模糊控制的又一进 步。基于复合模糊控制的许多模型有效地解决了多年的控制难题。近几年来， 随着各个学科知识的交叉发展，边缘学科呈现强劲的发展势头。首先是神经网 络理论的系统化和完备化，促进了神经网络控制，包括模糊神经网络控制的发 展。紧接着是进化计算(特别是遗传算法)的兴起，人们将这些理论与控制问题结 合起来，逐渐发展成为基于仿生学的模糊控制，简称仿生模糊控制，标志着自 动控制己经进入智能化的崭新阶段。 模糊控制之所以能获得这样迅速的发展，与其自身具备的特点不无关系， 模糊控制的突出特点在于： (1)模糊控制器是建立在对专家、操作人员的经验和现场操作数据的模仿总 结基础之上，这种控制器的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，而只需 要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。 (2)控制系统的鲁棒性强，对于非线性时变滞后系统，因为其对参数变化不 敏感，所以其动态特性和静态特性均优于常规控制手段。 (3)以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。 (4)控制推理采用“不精确推理(approximate reasoning) ”。由于推理过程模仿 人的思维过程，加入了人类的经验，因而能够处理复杂甚“病态”系统。模糊控 制理论之所以能广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身 提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。从 广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式对难以建立精确数学 模型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物 4 。 对于复杂系统(具有非线性、大时滞、多变量等特点)，经典控制理论和现代 控制理论在忽略一些认为是次要因素的前提下，建立系统的传递函数模型或状 态空间模型。这样处理的结果固然可以得到精确的数学模型(有时也不能得到)， 但是次要因素的忽略可能使本来明确的概念模糊起来。但系统受模糊性因素的 影响不断积累时，将使得以建立的精确数学模型无法描述系统的动态特性；相 反，当“人”作为系统中的一元，参与系统动态过程时，系统的特性将会得到很 大的改善。模糊控制与常规控制方法相比，有以下优点： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - (1)模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建 立数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。 (2)模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不 明显，可以用于非线性、时变、时滞的系统。 (3)由离散计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。 (4)控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控 制应用打下了基础。 1.41.41.41.4 模糊控制模糊控制模糊控制模糊控制的的的的应用应用应用应用 在工业生产过程中，电阻炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性 或结构发生改变。电阻炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温 靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方 法难以得到更好的控制效果。另外对于PID控制若条件稍有变化，则控制参数也 需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控 制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描 述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决 这一问题的有效途径。 人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并 把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始PID 参数等)作为知识存入 计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实 现自动对PID参数的最佳调整。 从以上的分析可知模糊控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时 变，类似于电阻炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论 研究和实践也充分证明了用模糊控制电阻炉温度是一种非常好的解决方法。它 发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点。因此在 温度控制器设计中采用模糊控制。 1.51.51.51.5 温度控制系统的发展温度控制系统的发展温度控制系统的发展温度控制系统的发展 近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业对 象控制中一种重要的参数，特别广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，控制方案也 有所不同。 随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度 的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它 主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身 误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进 的温度控制方式，如：PID 控制，模糊算法控制等。这些控制技术大大的提高 了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成 本，提高了生产效率。单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 提供了载体，许多高性能的新型机种应运而生。单片机以其功能强、体积小、 可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广 泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片 机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的 坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用。 随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，不仅 对控制算法的精确性提出了挑战，也对控制算法的载体单片机提出了挑 战。运用模糊理论、单片机以及模糊 PID 参数整定，并以 89C51 为处理器会更 好的提高对温度的要求。 1.61.61.61.6 本课题研究的内容本课题研究的内容本课题研究的内容本课题研究的内容 电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、 升温单向性等特点。在实际应用和研究中，温度控制遇到了以下困难：第一， 很难建立精确的数学模型；第二，不能很好地解决非线性、大滞后等问题。以 精确数学模型为基础的经典控制理论和现代控制论在解决这些问题时遇到了极 大的困难，而以语言规则模型（IF-THEN）为基础的模糊控制理论却是解决上 述问题的有效途径和方法。国内现有的一些模糊设计方法大多存在不同缺点， 而且真正把理论研究应用到实际系统的实例较少。 本文根据实际生产过程的温度特性，针对时滞和不确定的复杂非线性系统 的控制问题，提出了一种模糊控制系统方案，该模糊控制器用于电阻炉的温度 控制，可在模型未知的情况下，根据被控温度的偏差大小，选取适当的控制算 法进行自动调节，使炉温达到给定值，方案结构简单，无需被控对象的精确数 学模型，且能适应环境的变化，具有控制精度高、动态性能好的特点。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 模糊控制理论模糊控制理论模糊控制理论模糊控制理论 2.12.12.12.1 引言引言引言引言 在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中，温度控制是较普遍且较关键的控 制系统，它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性。采用常规的 PID 控制 器，一般很难实现对其快速有效地精确控制。而作为非线性控制的一个分支-模 糊控制， 在温度控制系统中得到了较好的应用。 学术界对模糊现象的研究由来已久，从 20 世纪 20 年代开始，就一直有学 者在对此问题进行研究，直到 1965 年，美国柏克莱加里福尼亚大学电气工程系 教授 L.A.Zadeh，把经典集合与 J.Lukasiewicz 的多值逻辑融为一体创立模糊集 合理论，从而真正开辟了解决模糊问题的科学途径。L.A.Zadeh 在他的和等著作中，首先 提出了模糊数学和模糊控制的概念。其核心是对复杂的系统或过程建立一种语 言分析的数学模式，使人的自然语言直接转化为计算机能接受的算法语言。模 糊集合理论为处理客观上存在的一类模糊性问题提供了强有力的工具，所以作 为模糊数学的一个重要应用分支的模糊控制理论由此应运而生。 模糊理论发展至今只有将近 40 年，其友展极为巡速，研究大致有以下几 个方面： 1、自适应、自学习模糊控制理论的研究； 2、模糊推理策略的研究； 3、模糊辩识模型的研究； 4、模糊控制系统稳定性的研究； 5、模糊控制器的硬件实现5。 而在工程上，模糊控制的工程应用也在不断发展。 2.22.22.22.2 模糊控制系统模糊控制系统模糊控制系统模糊控制系统结构结构结构结构及工作原理及工作原理及工作原理及工作原理 模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的 规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环机 构数字自动控制系统，其核心是具有智能性的模糊控制器。由此可见模糊控制 技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相 互渗透、理论性很强的科学技术。 2.2.12.2.12.2.12.2.1 模糊控制系统的组成模糊控制系统的组成模糊控制系统的组成模糊控制系统的组成 模糊控式： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - A / D模 糊 控 制 器 执 行 机 构传 感 器 D / A 被 控 对 象 给 定 值 - - 图 2-1 模糊控制系统组成 图 2-1 即为模糊控制系统的一般组成，根据人手动调节方式经验建立一种数 学描述实现控制。模糊控制系统组成具有常规计算机控制系统的结构形式，如 图，通常包括模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等 五个部分组成，其核心是模糊控制器。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 模糊控制系统工作原理模糊控制系统工作原理模糊控制系统工作原理模糊控制系统工作原理 模糊控制系统的工作主要体现在其核心部件模糊控制器的工作上，其工作 主要分为三步：模糊化，模糊决策，清晰化。如图 2-2 所示： 知 识 库 推 理 机模 糊 化 接 口解 模 糊 接 口 图 2-2 模糊控制器结构原理图 首先，我们得到一个测量变送来的精确量 e，按照一定的隶属度关系将其进 行模糊化得到模糊矢量 E，然后，根据实际手动控制经验建立的模糊规则及输 入模糊矢量和输出模糊矢量的隶属度函数所决定的模糊关系 R 进行模糊推理， 做出模糊决策，最后，将此决策的模糊量按一定的算法转化为精确量送至执行 机构进行动作。其中最为关键的一步是将操作者的经验总结成若干条规则，经 过相应的模糊数学处理，存放到计算机中，形成模糊控制规则，并仿照人脑的 模糊推理过程，确定推理法则6。 2.32.32.32.3 模糊控制器的设计模糊控制器的设计模糊控制器的设计模糊控制器的设计 本论文研究的电阻炉温度控制系统，精度要求较高，又是实时系统若用模 糊控制理论来研究，并进行设计，就要采用以偏差E和偏差变化EC为输入的 模糊控制器，即如图 2-3 所示的二维模糊控制器。如对控制系统要求更高，则 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 可考虑除E和EC之外，再加上EC的变化率作为输入的模糊控制器，即三维模 糊控制器，或采用其它的诸如变结构模糊控制器或复合型模糊控制器等。 R e - + 模 糊 化 模 糊 推 理 反 模 糊 化 对 象 e e Y UU E E c 图 2-3 模糊控制系统 由图 2-3 可以看出，该模糊控制系统的核心是二维模糊控制器。它可以采 用多种方法设计，如查表法，公式法等。本文将采用查表法。其做法是：首先 通过事先的离线计算，获得一个模糊控制表，然后将其控制表存放到计算机的 内存中。于是在炉温控制中，计算机只需要直接根据采样和论域变换得来的以 论域元素形式表现的)( i xe和)( i ye，由控制表的第 i 行与第 j 列找到对应的同 样以论域元素形式表现的控制量)( k zu，把其乘以比例因子，即可用于控制被控 过程，以达到预期的控制目的。考虑到后面使用的控制表有反向作用，故其控 制表方式的模糊控制系统如图 2-4 所示： R e - + 模 糊 控 制 对 象 e e Y U E E c 1 K 2 K 量 化 量 化 3 K 图 2-4 控制表方式的模糊控制系统结构 其中， 1 k， 2 k为偏差e和偏差变化率 c e论域变换时的量化因子， 3 k为控制量 )( k zu的比例因子。由图2-4可见，设计关键是求取控制表。下面就针对该温度 控系统进行设计研究。 2.42.42.42.4 PIDPIDPIDPID 控制原理控制原理控制原理控制原理 PID 控制是偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。在模拟控 制系统中，常规模拟 PID 控制系统原理框图如(图 2-5)所示。系统由模拟 PID 控 制(虚框内部分)和被控对象组成4 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 比 例 积 分 微 分 被 控 对 象 y(t) P ID控 制 器 r(t)u(t) e(t) 图 2-5 模拟 PID 控制系统原理图 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值：)(tr与实际输出值)(ty 构成偏差： )()()(tytrte=(2-1) 将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进 行控制，故称 PID 控制器。其控制规律为 )( )( 1 )()( 0 += t D Idt tdeT dtte T teKptu(2-2) 其传递函数形式为 ) 1 1 ( )( )( )(ST ST K SE SU SGD I p+=(2-3) 式中pK比例系数 IT积分时间常数 DT微分时间常数 pK为比例放大系数；IT为积分时间常数；DT为微分时间常数。简单来 说，PID 控制器各校正环节的作用如下： 1、比例环节（P） ：成比例的反映控制系统的偏差信号 error(t)，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 2、积分环节（I） ：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取 决于积分时间常数 I T， I T越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节（D） ：反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并能在偏差信号变 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作 速度，减少调节时间。 2.52.52.52.5 模糊整定模糊整定模糊整定模糊整定 PIDPIDPIDPID 控制器原理控制器原理控制器原理控制器原理 由于操作者经验不易描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本理 论方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关 信息（如评价指标、初始 PID 参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计 算机根据控制系统的实际响应情况（即专家系统的输入条件） ，运用模糊推理， 即可自动实现对 PID 参数的最佳调整，这就是模糊 PID 控制。模糊 PID 控制 器目前有多种结构形式，但其工作原理基本一致。PID 模糊控制器的结构图如 图 2-6 所示。 常 规 PID 控 制 器 模 糊化模 糊 推 理 被 控 对 象 de dt r(t)- e e c p K i K d K y(t) 图 2-6PID 参数模糊控制器系统框图 由图可见，模糊控制由常规 PID 控制部分和模糊推理两部分组成，模糊推 理部分实质就是一个模糊控制器，只不过它的输入是偏差 e 和偏差变化率 c e，输出是pK i K d K。PID 参数模糊自整定是找出 PID 三个参 数和偏差 e 和偏差变化率 c e之间的模糊关系，在运行中通过不断检测 e 和 c e，根据模糊控制原理来对 3 个参数进行在线修改，以满足不同 e 和 c e时对 控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静性能。 2.62.62.62.6 模糊控制与模糊控制与模糊控制与模糊控制与 PIDPIDPIDPID 控制方法的比较控制方法的比较控制方法的比较控制方法的比较 A、模糊控制与PID控制方法的区别 1、参数性质不同 PID控制器的参数一般在控制中是常数，而模糊控制器中的量化因子却是变 量，这使模糊控制具有更广泛的意义。 2、控制方式不同 由于模糊控制器的量化因子是变量，隶属度函数一般也是非线性，输入量 与输出量之间的映射也是非线性的。 而PID控制系统根据给定值与实际值之间构成的偏差，形成线性控制。 B、模糊控制与PID控制方法之间的联系 以PID形式为例：若是PID控制形式： PDPd uK eK e=+ Then, also known as the concluding part, Description volume control is the topic. Fuzzy Control is the biggest feature of the expert control experience, knowledge representation language into control rules then use these rules to control the system. So fuzzy control is particularly applicable to experts on mathematical simulation model is unknown, the complex, nonlinear systems of control. Fuzzy control system and common negative feedback loop control system similar The only difference is control devices by the fuzzy controller is to be achieved. Fuzzy Controllers usually consists of the following components : (1) input and output of standardization; (2) the input fuzzy; (3) control rules language; (4) fuzzy logic ; (5) The export volume of the non-fuzzy. Input and output of standard refers to the standardization of controller. Import, export restrictions in the area, so that the controller design and implementation. Because the controller general of the import value is not ambiguous, and therefore the process is fuzzy to the input value into fuzzy volume. Language control rules and fuzzy logic controller is the core. According to the fuzzy language input and control rules, fuzzy logic decision output of a distribution function. Non-fuzzy process to the output distribution function converted to a standardized output. Finally controller will regulate the output conversion to the actual value of the output (that is, volume control) to control the system. Given value and the volume control is the deviation between the input controller. Controller error control by the plants output, it has stabilized at a given value. Fuzzy controller to control the language of the rules, known as fuzzy control rules for the R mind, in the form below : Fuzzy controller to control the language of the rules, known as fuzzy control rules for the R mind, in the form as follows : Ri : If Designed for Ai1,Ai2 for X2, ., Xn ofAin, Bi Y i = 1, 2, ., m here i said the number of rules, Xi (i = 1, 2, ., n)as part of the variable conditions, Y is the concluding part of the variables. Ai, Bi behalf of a variety of fuzzy sets, also known as fuzzy variables. 4 Fuzzy control parameter tuning PID PID control parameter tuning based on object properties and hope that the decision to request control performance ratio coefficient Kp. Integral time constant Ti and differential time constant Td three parameters. The first to tuning PID parameters is famous Ziegler-Nichols Act. ZN law in two ways : First, the object under the control of open-loop step-response decision Another is to contain only proportional control loop characteristics of the decision. PID parameters can be obtained below 2: Type 1:Kp=0.6Ku ,Ti=0.5Tu ,Td= Ti/4 Among them, Ku, Tu were under the control of the ratio of the closed-loop system is in critical condition and the proportional gain oscillation cycle 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 39 - Type 2: Kp=1.2/(),Ti=2,Td=0.5 Among them, , respectively refers to the time delay and soaring speed. ZN Although the convenience, but sometimes to control the performance of the system can not meet the requirements, such as the control system of over-regulation, rise time, 5% of the response time and so on the request, ZN law setting the parameters can not be January 1 balance. Below, an example of a fuzzy logic PID tuning parameters. This method is based on control of the response characteristics of the system, an automatic adjustment of PID parameters, controlling the performance of the system to meet the requirements. Control system for evaluating the performance of the following four indicators : volume Yos overshoot, rise time Tr. 5% response time T5, static error ess. Using fuzzy logic can these four indicators evaluated. For example, the following control object. 911.8 ( ) 124 s G s se = + Its step response :Yos=70%、Tr=70.5、T5=81 Now like to design a PID controller, the closed-loop system to achieve the following requirements : Yos10%、Tr70.5、T581,ess=0 When using ZN, PID controller design, the performance of the closed-loop system are as follows : Yos=70%、Tr=70.5、T5=81、ess=0 Clearly the above properties and control requirements, the difference is not only the overshoot is too big, and the adjustment for a longer period of time T5.Toachieve the required performance, we are using fuzzy control for the following parameters automatic correction. ( )(1)( )jjj p ppKKK + =+ ( ) (1)( ) j jj i ii T TT