（电力系统及其自动化专业论文）硅钼棒电炉温度电流双闭环智能系统的研究与设计.pdf

孛褒大学硕士论文a b s l r a c t a b s t r a c t m o l y b d e n u md i s i l i c i d e ( m o s i 2 ) i sar e s i s t a n c eg e n e r a t e - h e a t i n g c o m p o n e n t ，i tc a nb eu s e di nt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eu pt o18 0 0 。cd u r i n g o x i d i z i n ga t m o s p h e r e i nt h eh i g ht e m p e r a t u r ei tc a np r o t e c tt h ee l e m e n t n o tt ob eo x i d i z e d ，s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ep r o c e s so fi n d u s t r i a l h e a t i n g t h ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo f t h i se l e m e n t i sv e r yl o ww h e ni ti si n al o wt e m p e r a t u r e ，w h i l et h ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c ei n c r e a s e sf a s ta l o n g w i t ht h et e m p e r a t u r eg o i n gu p 。t h i sc h a r a c t e r i s t i cm a yl e a dt ot h ec u r r e n t o v e r s h o o ti nt h ep r o c e s so f h e a t i n g ，c u r r e n to v e r s h o o tm a yd i r e c t l ye f f e c t t h el i f e s p a no ft h e s ee l e m e n t s t h i st h e s i sf o c u s e dt ot h ee l e m e n t s c h a r a c t e r i s t i co fc u r r e n t r e s i s t a n c ea n dp u tf o r w a r dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t e m p e r a t u r e c u r r e n td o u b l el o o p t h et e m p e r a t u r el o o pi si n t r o d u c e da s t h eo u tl o o pt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fm o s i 2f u r n a c e ，w h i l et h e c u r r e n tl o o pw a si n t r o d u c e da st h ei n s i d el o o pt oc o n t r o lt h es u r f a c el o a d o fm o s i 2f u m a c e u s i n gt h ef u z z y p ic o n t r o ls t r a t e g ya st h er e g u l a t i n g m o d eo ft e m p e r a t u r el o o p ，c o n s i d e r i n gt h a tt h ep ir e g u l a t i n gm o d e s a d a p t a b i l i t yi sl i m i t e di nt h et i m e - i n v a r i a n ts y s t e m ，t w of u z z yc o n t r o l l e r w e r ei m p o r t e dt oo n l i n ea n dr e a l t i m em o d i f yt h ep a r a m e t e r so fpa n di 。 c l a s s i c r e g u l a t i n gm o d ew a sa p p l i e d t ot h ec u r r e n t l o o p ，b y t h e i n t e g r a l s a t u r a t i o nt ol i m i tt h ec u r r e n to fm o s i 2 i na d d i t i o nt oe l i m i n a t e t h ee f f e c tc o u r s i n gb yt h ed e l a yo ft h eo b j e c t ，as m i t hp r e d i c t o rw a s i n t r o d u c e di n t h i sc o n t r o l l e r b yt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h i sc o n t r o l s t r a t e g yc a l lo b t a i nap r e f e r a b l ec o n t r o le f f e c ti nt h ea p p l i c a t i o n ar e s e a r c hw a sa p p l i e dt ot h em o s i 2f u m a c ea st h ep l a n tf i r s t l y , a n dt h e na c c o r d i n gt ot h er e s u l to fr e s e a r c h ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fd o u b l e l o o pw i t ht e m p e r a t u r e - c u r r e n tw i t hs m i t hp r e d i c t o rw a sp u tf o r w a r d ；t h e d e s i g nc o u r s eo fe a c hp a r to ft h i ss t r a t e g ya n dt h ed e s i g no f s o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h i sc o n t r o l l e rw a sp r e s e n t e ds e c o n d l yi nt h i st h e s i s f i n a l l y b ya n a l y z et h er e s u l t so fs t r a t e g y s i m u l a t i o na n dc o n t r o l l e r - d e b u g ，t h e a d v a n t a g eo f t h ea p p l y i n go ft h i sc o n t r o ls t r a t e g yi nt h es y s t e mo fm o s i 2 l l 中南人学硕卜论文 a b s t r a c t f u r n a c ew a sp r o v e d k e yw o r d s ：m o s i 2 f u r n a c e ，t e m p e r a t u r e c u r r e n ta d j u s t i n g ，s m i t h p r e d i c t o r ，f u z z y p ic o n t r o l 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：鳖筵 眺牛年卫月丝日 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：塑垒盗导师签 日期：丝早年鱼月丝日 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 随着我国科学技术事业的高速发展，在金属及陶瓷的烧结、玻璃熔化、电子 分析等高温加热过程中对各种材料性能的要求愈来愈高，很多加热过程需要在较 高温度下( 1 5 0 0 c ) 进行，此时硅碳棒电炉已不能满足需要。m o s i 2 发热体是高温 结构陶瓷工业生产中应用的唯一市场化电热元件，我国m o s i 2 发热体完全立足于 国内，从6 0 年代初开始进行研制并获得成功，7 0 年代工厂化生产1 7 0 0 型发热 体，8 0 年代鉴定通过1 8 0 0 型发热体，并批量生产。1 9 9 3 、1 9 9 4 、1 9 9 5 年m o s i 2 发热体市场年增长率约为2 5 ，已经形成了相当的规模。而硅钼棒是一种以 m o s i 2 为主体的电阻发热器件，其具有优良的抗氧化性能，是1 3 5 0 1 7 0 0 氧 化气氛高温炉的理想加热元件l 椰j 。随着我国工业技术的发展，以硅钼棒作为发热 器件的高温加热设备将被越来越广泛地应用。硅钼棒由贵金属钼粉、钨粉及半导 体硅粉经过复杂的工艺加工而成，价格昂贵，且具有其他加热器件所不具有的温 度电阻特性，如何对硅钼棒的加热过程进行控制，以达到既能充分利用硅钼棒元 件又不影响该元件的使用寿命是非常值得研究的问题。 1 1 硅钼棒温度控制系统概述 1 1 1 硅钼棒发热元件概述 朋碱是朋a 一二元系合金中含硅量最大的化合物，d - t - m o 、& 两原子的 半径相差不多，电性又比较接近，故它们组成了具有严格化学成分配比的道尔顿 ( 胁i 幽) 型金属间化合物【5 1 1 。这种化合物由3 个立方体点阵重叠而成，胁原 子位于中心结点及8 个顶角，而盛原子则位于其余结点上。从而形成稍微特殊的 c 1 l b 型体心正方晶体结构， i 喝化合物的正方体晶体结构如图1 - l 所示 一 图1 - 1 m o s i 2 化合物正方体晶体结构图 中南丈学硕士论文第一章绪论 这种结构的m o s i 2 中m o 和所原子的结合具有金属键和共价键共存的特征，因此 它具有金属和陶瓷的双重特性： l ，足够高的熔点( 已，2 0 3 0 c ) ；若按0 8 乙估算其工作温度，m o s i 2 化合物可以在 1 6 0 0 以上的温度下工作； 2 极好的高温抗氧化性；m o s i 2 的抗氧化温度可达1 7 0 0 2 左右，是金属硅化物 中最好的，性能与硅基陶瓷相当； 3 在1 7 0 0 左右的温度范围内，化合物的强度随着温度的升高基本保持不变， 这是m o s i 2 可作为高温结构材料使用的主要理由之； 4 1 9 0 0 以下为四方晶体结构，显微硬度为8 0 0 1 2 0 0 k g m m 2 ：导电性良好， 耐高温氧化性能优良；依条件不同，在空气介质中可使用到1 6 0 0 1 8 0 0 ( 2 ： 5 m o s i 2 发热体可以应用于多种气氛，如表1 1 所示。 表1 - 1 硅钼棒各个气氛中的加热温度 炉内气氛元件温度 空气、n 0 2 、c 0 2 、o 、 1 7 0 0 h e 、n e 、a r1 6 5 0 干h 2 1 3 5 0 湿h 2 1 4 0 0 n 2 、c o 1 5 0 0 放热式气氛( 1 0 c 0 2 、5 c o 、1 5 h 2 ) 1 6 0 0 吸热式气氛( 4 0 h 2 、2 0 c o ) 1 4 0 0 氨分解气 1 4 0 0 m o s i 2 发热体主要用于4 厶0 3 、z r 0 2 结构陶瓷烧成、铁氧体磁性材料烧成、 稀土氧化物煅烧、荧光粉煅烧四大工业领域。随着耐火材料技术的发展，出现了 性能优良的甄川结合s i c 耐火材料，由于该耐火材料具有优良的抗氧化性能， 热枕性能和较高的高温蠕变强度，因此，被广泛用于钢铁工业中使用的耐火材料、 陶瓷工业的棚板、辐射管板等，该耐火材料的氮化烧成炉迄今为止所能选用的发 热元件只有m o s i 2 发热体。另外随着金属热处理正向光亮、化学热处理发展，近 年国内进口的多用热处理炉、网带炉机组、保护气氛发生炉等全部采用m o s i 2 发 热体，主要原因是朋a 醍发热体在c 、c o 、2 、等化学氛围中，使用寿命 长于金属元件1 倍以上，达5 0 0 0 小时，并且安装方便。另外，m o s i 2 资源丰富，既 无环境污染，又可再生制备。综上所述，它是一种极具潜力的高温结构材料，当 前在超过1 4 0 0 的加热电炉中，大多采用m o s i 2 材料的电热元件作为发热体。 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 从2 0 世纪6 0 年代由瑞典的康泰尔( k a n th a l ) 公司研制出可在空气环境中 1 7 7 3 以上使用的以m o s i ：为主要成分的硅钼棒发热元件以来，硅钼棒已在工业 界得到广泛的应用。以朋j 瓯为主体的电阻发热元件硅钼棒在氧化气氛下加热到 1 2 0 0 时发生如下反应： 2 m o s i 2 + 7 0 2 = 2 m 0 0 3 + 4 鹇“” d ，附着在元件表面形成致密的保护膜，保护元件不再氧化。因此，硅钼棒 发热体的抗氧化性能好，在氧化氛围内最高可达1 7 0 0 ( 2 。由于硅钼棒优良的抗 氧化性能，其主要被应用于1 5 0 0 1 7 5 0 氧化气氛陶瓷超高温烧结，晶体热处 理炉窑。又因硅钼棒元件所具有的高温化学稳定性，使其同样适用于不同气氛， 硅钼棒由于其自身是一种以m o s i ：为主体的电阻发热元件，而m o s i ：在低温 环境下( 4 0 0 6 0 0 ) 以下表现有加速氧化的趋势。尤其在5 0 0 ( 2 左右时，朋嘱 常常由于剧烈的氧化作用而成粉末状，这就是m o s i 2 所谓的“p e s t i n g , 4 5 2 1 现象。 但是这种低温氧化特性可以通过改变制品质量、添加与氧亲和力强的元素制成合 金、高温与氧化形成保护膜、& d 保护膜的改性等方式得到改善。 硅钼棒还具有其他发热元件所不具备的温度电阻特性，如图l - 2 所示。在 q 用 o 1 1 一守。筲 錾| “刊一j 舰 l m o o 电阻一温度曲线 矗e $ j s t a n c e - t e a p e r a t t i r eb l l l r o 图卜2 硅钼棒温度一电阻特性 低温段其等效电阻 廓。) ( e ( k ) 廓m ) 0 ( _ j ) 忍。) 根据上述对硅钼棒温度系统控制策略的研究可以知道，控制系统是一个双闭 1 4 中南大学硕士论文第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 环控制系统，以电流环作为系统内环，以温度环作为系统外环。电流内环采用传 统的p i 控制策略，温度外环由一个利用参数修正模糊控制器对控制器参数进行在 线修正的p i 调节器和一个温度模糊控制器组成。按一般双环控制系统的设计规 则，先对电流内环使用的p i 调节器进行设计。 2 2 1 系统电流内环设计 温度控制器的电流内环设计主要是考虑到硅钼棒特殊的温度一电流特性，其 作用是使硅钼棒在允许最大的表面负荷下以最快的速度升温，使硅钼棒即能被充 分利用又消除超电流现象对硅钼棒使用寿命的影响。采用传统的限流策略虽然可 以对通过硅钼棒中的电流进行限制，但是由于采用单纯的限幅方式而没有考虑到 系统的惯性作用，这样的系统中往往有电流过冲现象的出现，在这种限流方式控 制下，虽然可以保证通过硅钼棒的电流在大多数时间内在一定电流范围内工作， 但是由于通入硅钼棒的电流频繁过冲，同样会对硅钼棒的使用寿命产生一定的影 响。”。对于通入硅钼棒电流进行控制，不仅仅只是考虑系统某一时刻的电流偏 差，还要考虑在整个控温过程中的电流偏差，通过对整个控制过程的偏差进行积 累，可以得到偏差的总体变化趋势，据此以避免硅铝棒电流过冲现象的出现。电 流内环通过对硅钼棒流过电流进行控制，不仅可以实现对硅钼棒表面负荷的控 制，还可以提高系统的动态性能和抗干扰能力。 电流内环控制器主要是对电流起限制作用，采用传统p i 控制策略，在升温阶 段，电流内环通过对误差信号进行积分，利用偏差的积分饱和作用将通过硅钼棒 的电流限制在其当前温度段所允许通过的电流范围内，即限制硅钼棒在各个温度 段的表面负荷。而在其他阶段，这种电流内环的控制作用并不会影响整个系统的 正常运行，这时其控制作用以确保控制器输出对输入的跟随性为主。为了获得较 好的动态和静态性能，电流内环采用p i 控制器，其传递函数如下所示。 q - e 工1 q 积= 晦上= ( 2 1 3 ) t j 其中：髟。一电流环比例系数； f 。一电流环节的超前时间常数。 2 2 2 系统温度外环设计 根据以上介绍可知，控温系统是一个双闭环结构，以电流环作为内环，保证 系统能在最大允许电流下以最快的速度升温；温度环作为外环，使得硅钼炉的温 中南大学硕士论文第一二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 度输出跟随用户的输入变化。温度控制器采用模糊修正参数的p i 控制器和模糊控 制器并行调节的控制策略，采用积分分离技术消除积分作用引起的系统振荡，并 为了消除被控对象滞后效应引起的系统不稳定情况，引入 s m i t h 预估补偿器对 被控对象的滞后效应进行补偿。 一、温度模糊控制器的设计 温度模糊控制器在系统具有较大偏差时起主要调节作用。该控制器为二维模 糊控制器，以温度系统的温度偏差和温度偏差的变化量作为控制器的输入。设定 温度误差e 所对应的模糊量为e ，温度偏差的变化贮所对应的模糊量为e c ， 控制量所对应模糊控制输出量为u 。温度模糊控制器的结构如图2 4 所示。 图2 - 3 温度模糊控制器结构框图 对于系统温度偏差、温度偏差的变化以及系统的控制量的模糊子集的选择如 下【3 】 2 ”。 系统温度偏差和温度偏差的变化的模糊语言值为： t n b ，n m 。n 8 ，z ，p s ，p j v i ，p b 系统的控制量的模糊语言值为： n b ，n m ，n s ，n z ，p z ，p s ，p m ，p 埘 对于论域的选择，一般采用误差论域和误差的变化论域的元素个数不小于6 。 而控制量的论域元素个数一般不小于7 ，另外考虑到论域中元素总数为模糊子集 总数的二到三倍时【1 9 1 1 3 ，模糊子集对论域的覆盖程度较好并能有效避免失控的原 则，选择论域如下。 误差变量和误差变化量的论域： 7 ，- 6 ，- 5 ，- 4 ，一3 ，- 2 ，i ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 控制量的论域： 1 6 中南大学硕士论文第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 一7 ，- 6 , 一5 ，- 4 ，一3 ，- 2 , - 1 ，o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 温度误差及温度误差变化对应的模糊语言值分别代表负大、负中、负小、零、 正小、正中以及正大。而控制量中的n z 和p z h j j 分别表示负零和正零，区分p z 和n z 的意义在于考虑了系统的稳态精度“。 对于模糊控制器的输入量p 和& ，它们都是精确量，若要对其应用模糊控制 策略，则需要将其转化为模糊控制算法所能接受的模糊数据，这种由清晰化的数 据向模糊数据的转化过程就是模糊化。设计模糊控制器的第一步就是对模糊控制 器输入的精确变量进行模糊化，得到其所对应的模糊变量。对于本系统而言，控 制器的模糊化过程即将温度偏差量输入信号以及温度偏差的变化量输入信号转 化为模糊控制器中温度误差论域和温度误差变化论域范围内的点，对于数字控制 系统，控制器采用以下公式对输入量进行模糊化“”。 n k = i n r ( k , e , + 0 5 1 ( 2 - 1 4 ) 其中e k 为系统打时刻的控制器的输入量，在本例中其为温度偏差或温度偏差的 变化量。t 为量化因子，设控制器输入量的基本论域为【叫，e 】以及其所对应的模 糊集合的论域为 哏刀+ ，口，n - i ，” ，对于输入量来说，它不可能就是其所对 应模糊量论域中的元素，即疗e ，在这个时候就需要用所谓的量化因子t 对其 进行论域的转换，对于t 的定义如下。 k d 竺坠n ( 2 - 1 5 ) c ：7 一般在二维的模糊控制器的设计中误差以及误差变化的量化因子相同。i n t 为四 舍五入取整运算符。仇为吼转化到误差论域上的点。 模糊控制器的模糊语言值实际是模糊子集，而模糊子集是通过隶属函数实现 的，对于论域e ，可以通过映射p 。 心：e - - 9 【o ，l 】 ( 2 - 1 6 ) “呻胁( “) 确定e 的模糊子集彳，以称为a 的隶属函数，以 ) 表示论域e 中的元素4 隶属 于a 的程度，称为隶属度。 模糊控制常用的隶属函数很多，其中包括三角形型隶属函数、高斯型隶属函 数、梯形型隶属函数和r 型隶属函数等。其中高斯型隶属函数是一种描述模糊子 集比较合理的形式，其一般可以表述为。 4 x ) = e x p 一( x c ) 2 t r 2 】 高斯型隶属函数的特点是连续且可点点求导，比较适合于自适应和自学习模糊控 制系统”。本次设计选择高斯型隶属函数作为控制器的隶属函数，通过计算并绘 制得到温度控制器温度偏差、温度偏差变化以及控制量的高斯型隶属函数曲线分 1 7 中南大学硕士论文 第一二章硅钼棒电炉温度挖制系统的设计 布如图2 - 4 所示。 鲁 看 ； e e 0 苫 竺 譬 凸 量 警 墨。 葛 - 毛 墨 垒 磊 嚣 e e 0 苫 m 嚣 o - 5o5 ( a ) 温度偏差量隶属函数分布曲线 ( b ) 温度偏差变化量隶属函数分布曲线 ( c ) 系统输出变量隶属函数分布曲线 图2 - 4 隶属函数高斯曲线 模糊控制规则实质上是根据控制者的经验，对控制过程加以总结而得到的一 条条模糊条件语句的集合，在实际设计时这些模糊条件语句通常被简写为一个 表，称为模糊控制规则表。对于二维模糊控制器，一般模糊规则语句的表述方法 为：“i f a a n d b t h e n c ”。 温度模糊控制器被设计为最常见的二维模糊控制器，其两个输入量e 和e c 分别代表了系统的温度偏差以及温度偏差的变化量，输出量u 为模糊控制器的输 出量的模糊值。通过对于温度控制的一般经验可以得到若干条类似下面所示的控 制规律： 若温度误差为负大( n b ) ，正大( p b ) 并且温度误差的变化与温度误差同号 中南大学硕士论文第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 时，这时温度的误差有增大的趋势，并且这种变化趋势将不断的恶化，为了尽快 消除这种负误差并能够减小误差变化的趋势，此时应减小，增大控制输出量，输 出量应选择为负大( n b ) 正大( p b ) ； 若温度误差为负大( n b ) 正大( p b ) 而温度误差的变化为正大( p b ) ，负 大( n b ) 时，这时温度误差绝对值虽然很大，但系统自身有很快缩小其误差绝 对值的趋势，这时应略微减小控制输出量的变化程度，可以选择控制器的输出量 为负零( n z ) 正零( n z ) ； 根据上面描述，依此类推，可以得到温度模糊控制器规则库的4 9 条类似的 控制规则，将其写成“i f - t h e n ”形式的控制语句如下。 1 i f ( e i s n b ) a n d ( e c i s n b ) t h e n ( u i s n b ) 2 i f ( e i s n b ) a n d ( e c i s n m ) t h e n ( u i s n b ) 3 i f ( e i s n b ) a n d ( e c i s n s ) t h e n ( u i s n m ) 4 7 i f ( e i s p b ) a n d ( e c i s p s ) t h e n ( u i s p m ) 4 8 i f ( e i s p b ) a n d ( e c i s p m ) t h e n ( u i s p m ) 4 9 i f 饵i s p b ) a n d ( e c i s p b ) t h e n ( u i s p b ) 根据控制规则可以得到如下表2 1 所示的模糊控制规则表。 表2 - 1 温度模糊控制规则表 心 n bn mn s zp sp mp b n b n bn bn mn m n sn sn z n m n bn mn mn sn sn zp z n s n mn mn sn s n zp zp s z n mn sn sn zp zp sp s p s n s n sn zp zp sp sp m p m n s n zp zp sp sp mp m p b n zp zp sp sp mp m p b 在模糊规则确立以后，如果需要得到控制结果，即必须对控制器的输入进行 模糊推理1 ”，通过模糊推理，模糊控制器才能利用模糊控制规则从输入变量得 到模糊控制器的控制决策。在温度模糊控制器中采用基于最大值和最小值的 1 9 中南大学硕士论文 第二章硅钼棒电炉温度托制系统的设计 m 锄d a l l i 模糊推理算法3 州3 1 进行模糊推理。这种推理算法是最常见的算法。对于 温度模糊控制器的推理框图如图2 5 所示。 e c ( 7 ) 斜镬m f b 2 咐j l s 1 吡吣怕r 懒 图2 - 5 温度模糊控制器推理框图 对于一般的模糊控制器而言，它利用控制规则从输入推理得到的控制结果都 是模糊量，对于这种模糊量，控制器必须将其转化为被控系统所能接受的精确量， 这种转化就是反模糊化也称作解模糊“2 儿”1 。温度模糊控制器采用面积重心算法 对模糊推理的结果进行解模糊。 面积重心法又称重心法，是目前使用最为广泛的一种解模糊化方法。其实质 是通过计算模糊推理输出的模糊子集的隶属度函数曲线所包围区域的重心来计 算模糊控制器中推理输出的模糊量所对应的精确值。当采用离散论域时，对于论 域中的每个元素x ，( f = 1 ，2 2 疗) ，将它作为推理输出模糊集u 的隶属度心的加权 系数，即先取t 心( t ) ( i = 1 ，2 ，2 n ) 的乘积，再计算苦置心( ) 对于隶属度和善 ) 的平均值，即： 2 ” 善一心( ) 瓦2 1 一 ( 2 1 7 ) 善心( 五) 由式( 2 1 7 ) 得到的平均值即是应用重心法根据模糊子集u 求得的模糊 控制器推理结果的精确值”。 温度模糊控制器采用m a m d a n i 模糊推理方法作为模糊控制器的推理算法、 利用如表2 1 所示的控制规则作为温度模糊控制器的控制规则并采用面积重心法 对温度模糊控制器的推理输出进行解模糊化运算则可得到温度模糊控制器的查 询表( 如表2 2 所示) 。在计算机控制中将该模糊查询表存贮在微控制器的内存 中，当进行实时控制时，根据系统当前的输入值查表即可得到的控制策略的输出 值，在实际应用中这种通过查表得到的值还不能直接作用于被控对象，如果需要 得到能直接作用于被控对象的输出值，还需将这个输出值乘以一个比例因子。1 。 中南大学硕士论文第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 表2 - 2 温度模糊控制器查询表 愁 76 543 - 2 - l o 1234567 76 2 259 55 ，9 4- 54 0_ 47 i46 1- 4 4 6_ 4 4 2- 3 6 727 122 9- 2 1 4一1 9 30 9 8- 0 2 1 6- 5 9 54 1 5- 5 5 0 4- 4 6 44 a 13 醴36 53 6 725 819 l- l3 613 5- 0 9 40 1 6 5 5 9 450 8_ 46 546 2- 4 5 542 s 3 - 3 0 26 8- 2 5 62 船i 6 90 。6 3加3 6o 1 50 0 6 4 5 4 050 4 4 6 243 9 - 4 0 2 _ 4 - 3 2 s - 2 4 1 - l ，9 2 1 凹 i ，7 l - 06 00 0 4 05 6 0 6 4 - 3 - 47 1 - 4 6 4 45 5 4 ，0 2- 2 9 l- 2 9 3- 2 6 92 1 8i3 s- 0 6 4- 0 6 0- o2 00 3 21 3 61 6 7 246 l- 44 04 2 6 - 40 0 - 2 9 3 - 23 3 - 20 3- i9 41 3 6- 03 90 0 30 3 20 3 81 3 52 1 2 1 - 4 4 6- 36 7- 32 8- 32 6- 2 硝- 20 5- 0 9 7- 0 9 8- 0 9 4- 0 | 1 70 ”l3 6l3 51 5 92 上2 0 - 44 3- 3 6 52 6 9- 2 4 1 2 1 9 ，l9 6- 0 9 90 1 9 - 0 0 5 0 1 60 6 4i6 82 1 423 42 舶 1- 36 5- 36 725 6- i9 l- l3 6i3 5- 0 9 6 00 5 0 7 10 9 70 9 6l7 52 4 43 2 3 3 2 8 22 酩 - 2 5 62 2 7一l6 9- 0 6 4- 0 3 7- 0 ，1 60 1 70 9 6l9 2l9 82 2 52 6 636 54 2 5 3 - 2 2 91 9 31 7 il7 l- 06 00 0 205 30 6 2 0 9 5 1 9 62 4 72 8 72 9 l3 6 64 4 5 4- 2 1 4- 13 6- 0 6 4 一o6 1 0 2 00 j 0i 3 41 6 7l7 42 2 52 的4 0 l3 9 94 1 9 4 5 7 5- l9 31 j 3 5- 0 3 70 0 30 3 20 3 7i3 32 1 42 4 32 硒2 9 44 0 045 44 站4 6 5 6- i - 0 ，9 7 - 0 1 6 05 6l3 3i3 2l5 52 3 33 2 l36 336 44 1 84 5 s4 9 75 0 7 7- 0 2 3- 0 1 70 0 606 4i6 82 i l2 加2 4 93 2 7 4 2 2 4 4 4 45 74 6 55 5 9 l 根据表2 2 绘制温度模糊控制器的输入输出分布图如图2 6 所示。 图2 - 6 温度模糊控制嚣输入输出分布图 中南大学硕 ：论文第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 由图2 6 可以看出，温度模糊控制器在系统温度偏差及温度偏差的变化幅值 较大时控制器的输出反应较为剧烈，由于温度模糊控制器直接产生控制器的输出 信号，控制器的这种特性可以在系统偏差以及偏差变化较大时产生一个较大的输 出信号，有利于提高系统的响应速度。 二、参数实时在线修正的p i 调节器的设计 为了提高系统的稳态精度，控制器加入了p i 调节环节，考虑到调节器对具有 参数时变特性的被控对象的适应能力较差的特点，系统中加入了一个二维输入二 维输出的参数修正模糊控制器对p i 调节器的比例和积分参数进行在线实时修正， 由式( 2 9 ) 写出参数实时在线修正的p i 调节器的表达式如式( 2 1 8 ) 所示。 ( 后) = 口k p e ( k ) + f l k iz p ( ，) ( 2 1 8 ) j o u 首先需要根据实际的被控制对象预估出群和k ，参数，然后由参数修正模糊 控制器根据系统当前的运行状况推理并计算得到参数口和口，利用这两个参数对 p i 调节器的比例和积分参数进行在线实时修正。对于用于修正参数的模糊控制 器，参数的修正规则是控制器的核心，在p i 调节器中，比例环节的作用是成比例 地反映控制系统的偏差e ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏 差。因此，当偏差e 较大时，增大群的取值；而当偏差p 较小时，减小岛的取 值。对于足，的修正同样需要考虑误差的变化吃，当偏差与此时偏差的变化同号 时，说明偏差有恶化的趋势，这时应该增大k ，；然而，若此时偏差的变化与偏 差异号时，说明偏差有缩小的趋势，应适当减小足，变化的幅度州。比例参数修 正模糊控制器的控制规则如表2 3 所示。 表2 - 3比例参数修正模糊控制器控制规则表 愁 n bn mn szp sp mp b n b p bp bp mp mp sp sz n m p mp mp sp szn sp b n s p mp mp sp szn sn s z p mp s p s z n s n sn m p s p s p s zn sn sn mn m p m p szn sn sn mn mn b p b zn sn sn mn mn bn b 表2 - 3 中配为比例参数修正模糊控制器的输出，对p i 调节器砟参数进行在线 中南大学硕士论文 第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 实时修正的模糊控制器的推理结构框图如图2 - 7 所示。 e c ( 7 ) s y s t e m f i s a ：2 t r c u t , s 1o u t 训t s 4 9 f 懒 图2 - 7 比例环节参数修正模糊控制器推理结构框图 根据温度模糊控制器的实现方法，对比例参数在线修正模糊控制器进行模糊 化、模糊推理和解模糊操作后，可以得到如表2 4 所示的模糊查询表。 表2 - 4 比例参数修正模糊控制器查询表 惑 76巧 i - 3 2 10l23 45 6 7 76 2 2s9 55 9 45 a 04 7 14 6 i4 4 64 4 236 727 l2 2 92 1 3】8 9o 韶n 0 1 6 5 - 9 55 1 55 50 4 4 6 44 4 l 3 酣3 6 s3 6 725 81 9 1l3 4i1 30 舯- 08 3 。55 9 45 0 84 6 54 6 24s 54 2 s33 02 醯25 62 2 7i6 60s 50 0 0t t 21 舶 4 5 4 050 446 24 3 940 240 03 2 82 ll9 2i6 5l4 2 - 00 0 0 5 51 3 42 1 3 44 j l4 6 44 5 5 4 0 2 2 9 l2 9 32 曲2 1 7 1 3 50 5 5o j 14 2 - l ，6 5 - l9 l- 22 9 2 4 6 1 4 4 0 4 2 6 4 0 0 2 9 32 ，3 3 20 31 8 9l1 40 05 516 6- 2 ，2 72 5 62 醴 一14 4 63 6 3 2 83 ：2 626 s2 0 5o 粥o 幻0 0 2 1 1 113 41 j 9 l - 25 6 36 - 3 6 5 044 33 6 52 6 82 4 l2 1 719 209 5- 0 0 8 218 7- 2 1 7- 24 126 8 36 5 4 4 2 l36 53 6 7 25 6l ，9 1l3 41 1 40 0 2o 黔- 0 9 320 1- 2 ，6 83 舶- 32 3- 36 7- 4 4 6 22 ，6 825 62 2 7l6 60 5 60 0 21 1 11 8 9_ 2 舵- 2 3 2- 2 9 3 - 4 0 0- 4 2 6- 4 4 0 4 6 i ， 2 2 9l9 3l ，6 8l4 30 0 2o s 313 22 1 726 5- 29 12 9 1- 4 陀- 4 5 5- 4 6 3- 4 7 0 42 1 4i3 405 60 0 l- i4 li6 5 18 9- 2 4 1- 32 4 - 39 9- 4 0 1 43 946 2- 50 45 3 9 5l 卵l1 3 0 - 05 5i6 5- 2 2 6 - 25 51 2 矾 3 ，2 7- 4 2 3- 45 5- 46 2- 46 550 859 4 60 铂0 0 31l o- l f 3 1i8 9 - 25 3。36 4 - 3 6 33 6 5 43 746 350 3 - 50 65 1 3- 5 9 5 7 0 0 l - 08 2i8 92 1 22 2 8- 2 6 6- 3 6 4- 4 4 l- 4 4 5- 4 ，6 047 154 059 2- 5 9 462 2 根据表2 4 可以绘制比例参数修正模糊控制器的输入输出图如图2 8 所示。 中南丈学硕士论文第二章硅镏棒电炉温度控制系统的设计 图2 - 8 比例参数修正模糊控制器输入输出图 与温度模糊控制器的输入输出图2 - 6 进行比较可以看出，相对于温度模糊控 制器，由于口参数不是直接针对于控制量，所以控制器的输入输出图相对于图 2 - 6 而言要平缓，即参数修正模糊控制器根据其输入的变化而得到的输出量的变 化要平缓一些，这种特性使得系统能够很好的对系统的比例环节作用的强弱进行 调节，这种缓慢的调节作用可以很好的防止系统由于对比例环节剧烈地调节而引 起的系统振荡，很好得提高了系统的稳定性。 p i 调节器中的积分作用主要用于消除静差，提高系统无静差度，然而积分作 用会带来积分饱和作用。在设计p i 调节器时，为防止积分饱和现象，常采用积分 分离策略，即当偏差绝对值i 叫较大时，为避免超调，将k ，取为零；当i e l 较小时， 引入积分环节，以消除系统静差，积分作用随着误差减小而增大，并最终起到提 高控制精度的目的”“”1 。积分参数修正模糊控制规则如表2 5 所示。 表2 - 5积分参数修正模糊控制器控制规则表 赵 n bn mn szp sp mp b n b zzp mn sn mzz n m zzp mn sn mz z n s z zp s n sn szz z zzzz z z z p s zzn sp sp sz z p m zzn m p sp mzz p b zzn mp sp mz z 中南大学硕士论文第二章硅钼棒电炉温度控制系统的设计 表2 5 中为积分参数修正模糊控制器的输出，对p i 调节器局参数进行在线 实时修正的模糊控制器推理系统框图如图2 9 所示。 e c ( 7 ) s y 柚m f 黼2 n s 叫 p l t o 柏恤 图2 - 9 积分参数修正模糊控制器推理结构框图 根据上面所述的温度模糊控制器的实现方法，对p i 调节器的积分参数模糊 修正调节器分别进行模糊化、模糊推理和解模糊操作后，可以得到如表2 - 6 所示 的模糊查询表。 表2 - 6 积分参数修正模糊控制器查询表 鏊 7- 654- 3- 2- l0i23456 70 0 0o 0 - l3 0- 3 ，0 8- 57 3 - 49 046 5 - 0 4 825 230 4i 6 20 0 ，0 0 0 600 000 0o i 1 5 - 32 2 57 2_ 48 l4 6 506 02 9 03 1 91 4 70 00 00 50 0 00 ，0 000 0i 2 4- 3 1 457 4 48 746 5 加5 32 6 73 1 015 6o o 0 0 0 400 000 000 0l3 s- 33 0- 5 1 2- 4 1 93 9 1o5 02 13 1 2i5 20 0 0 00 30 0 000 0o - l5 5- 3 2 4 - 44 4- 3 4 0 - 3 0 7 - 0 4 0l9 l2 3 310 8 00 0 0 0 00 o o 20 0 00 0 0o 15 7- 3 1 0- 37 330 619 10 2 6l3 2i 6 207 200 00 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0- 1 2 2- 20 7 - 20 918 8- l0 30 2 0 0 7 6l 由l05 30 0 0 000 0 oo 肿0 0 0 0 0 0 00 0 000 0o0 00 0 000 00 瑚0 0 0 0 00 0 00 10 o 0 肿l 2 0 72 0 9j s 8l d 30 2 0- 0 7 610 i- o5 30 0 0 00 2 0 0 0 0 00 0 i 5 7 3 1 037 330 6i9 l0 2 61 3 2i 6 2- 0 7 20 0 00 0 00 0 0 30 0 00 00 0l5 43 2 34 a 333 930 50 3 91 黔- 2 f 3 0一l 嘶0 0 0 00 _ 40 0 0 0 0 0 0l3 s33 l5 l l4 1 83 9 00 5 02 4 23 1 2- 1 5 l0 瑚0 0 0 0 - 5 0 肿0 0 00 0 0 l2 53