《模糊控制在加热炉中应用研究本科论文》.doc

编号 2014180130 研究类型应用研究 分类号 TP18 学士学位论文 设计 学士学位论文 设计 Bachelor s Thesis 论文题目模糊控制在加热炉中应用研究 作者姓名陈杨文 学号 2010118010130 所在院系机电与控制工程学院 学科专业名称电气工程及其自动化 导师及职称詹习生 副教授 论文答辩时间2014 年 5 月 11 日 学士学位论文 设计 诚信承诺书 中文题目 模糊控制在加热炉中应用研究 外文题目 The Application and Research of Fuzzy Control in Heating Furnace 学生姓名陈杨文学生学号2010118010130 院系专业机电与控制工程学院电气工程及其自动化学生班级1001 班 学学 生生 承承 诺诺 我承诺在学士学位论文 设计 活动中遵守学校有关规定 恪守学 术规范 本人学士学位论文 设计 内容除特别注明和引用外 均为本 人观点 不存在剽窃 抄袭他人学术成果 伪造 篡改实验数据的情况 如有违规行为 我愿承担一切责任 接受学校的处理 学生 签名 年 月 日 指导教师承诺指导教师承诺 我承诺在指导学生学士学位论文 设计 活动中遵守学校有关规定 恪守学术道德规范 经过本人核查 该生学士学位论文 设计 内容除 特别注明和引用外 均为该生本人观点 不存在剽窃 抄袭他人学术成 果 伪造 篡改实验数据的现象 指导教师 签名 年 月 日 目目 录录 1 前言 1 1 1 引言 1 1 2 研究的背景和意义 1 1 3 加热炉控制的发展历史和现状 2 2 加热炉 3 2 1 加热炉的功能及结构 3 2 2 加热炉的温度控制 4 2 3 加热炉的燃烧过程 7 2 4 加热炉温度控制系统的建模 7 3 模糊控制 8 3 1 模糊控制的意义 8 3 2 模糊控制的基本原理 8 3 3 模糊控制器 9 3 4 模糊控制器的设计及优缺点 9 4 仿真模型以及仿真结果 15 4 1 传统 PID 控制 15 4 2 模糊控制仿真 18 4 3 模糊控制与 PID 控制的比较 21 5 结束语 21 5 1 全文总结 21 5 2 研究展望 22 6 参考文献 23 模糊控制在加热炉中的应用研究 陈杨文 指导教师 詹习生 副教授 湖北师范学院 机电与控制工程学院 中国 黄石 435002 摘 要 加热炉是一个大惯性 非线性 慢时变的系统 不易得出精确数学模型 传统的 控制方法都是以精确地数学模型为前提的 因而在加热炉内很难得到应用 模 糊控制 有着无需知道被控对象的数学模型和较强的鲁棒性两大特点 提出采用 模糊控制的方法实现对加热炉的燃烧控制 可有效的提高加热炉的热效益和钢 坯的加热质量 通过对模糊控制与传统 PID 控制分别于 MATLAB 下用 Simulink 进行仿真 然后对比仿真结论 使之得出模糊控制在加热炉系统中优于传统 PID 控制 关键词 加热炉 模糊控制 PID 控制 仿真 中图分类号 TP18 The Application and Research of Fuzzy Control in Heating Furnace Chen Yangwen Tutor Zhan Xisheng Professor College of Mechanical and Electrical Fuzzy control PID control Simulation 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 1 模糊控制在加热炉中的应用研究 陈杨文 指导教师 詹习生 副教授 湖北师范学院机电与控制工程学院 湖北 黄石 435002 1 前言 1 1 引言 随着社会的发展 传统常规的控制理论成功的应用在许多领域 然而 这种控制 理论主要应用于单个因素变量 线性的系统中 对于那些复杂的 多种变量的 非线 性的和多样性的系统中 传统常规的控制理论和方法就会受到很大的局限性 随着科 技的发展 人们总结出了以人们的经验进行控制的知识 而且可以达到接近期望的控 制目的 能够以某种可行的形式表达出来 这种形式可以近似的取代精密 复杂以及 可能会出现错误的模型建造过程 同时可以省去计算模型中的各种参数 从而降低了 难度和提高了便利 模糊控制是以人类自然语言概念 操作经验的基础上 所总结出 来的 是属于模仿人工智能的一种控制方法 它正好解决了加热炉的温度控制这一问 题 钢坯加热炉是在我国应用比较广泛而是工业过程控制中比较典型的对象 由于加 热炉温度控制是一个大惯性 大滞后 非线性的时变系统 很难用数学方法建立一个 精确地模型以及确定各种具体的参数 应用传统常规的控制方法 是很难达到预期的 效果的 本课题采用模糊控制对加热炉的温度控制 能够很好的达到预期的效果 同 时可以提高能源的利用率 1 2 研究的背景和意义 钢铁是我国的重要产业 对我国国民生产总值有着重要的影响 随着科技的发展 国家和企业对高精度 低成本以及环境的保护要求也在不断地提高 实现这些要求最 重要的环节就是加热炉的温度控制 在加热过程中 产量计划 加热钢的种类 尺寸 的大小 坯料入炉的温度 待轧时间 开轧温度变化时 均需要一段时间使得加热炉 的温度缓慢的提升 以免对整个系统产生强烈的冲击 然而 现场的节奏的提升 操 作人员不能等到温度的缓慢上升 而且更不能及时准确的调整加热策略 同时受到人 为因素的影响 最终会造成炉温 钢温的波动 加热的质量差 单位燃耗高 钢坯氧 化的烧损多 使之产品的质量稳定性差 因此 模糊控制对轧钢加热炉的温度控制的 应用变得越来越迫切 对钢铁企业的技术创新 对降低企业生产成本有着非常重要的 意义 1 3 加热炉控制的发展历史和现状 加热炉是轧钢生产中的主要耗能设备 提高燃料利用率 是解决能源的主要问题 国内外冶金行业的燃料主要是焦炉 高炉混合煤气及各单一煤气 计算机控制温度过 程 实质是找到合理的最佳空燃比 使燃烧处于较佳的状态 从而达到期望的炉温控 制精度 使轧钢达到理想的效果 国际上 在七十年代以前 关于加热炉自动控制的研究工作主要集中在加热炉的 各个过程燃烧控制上 也就是处在控制过程基础自动化控制层次上 七十年代以后 燃烧控制已经基本成熟 控制研究的重点转移到以追求某种性能指标的优化控制方面 上来了 1967 年 4 月 由美国美兰德公司设计的第一座步进梁式加热炉问世 同年的 5 月 由日本中外炉公司为日本名古屋钢铁厂设计的步进梁式加热炉正式投产 从此 作为 加热高质量的钢坯的新型加热炉 确定了在连续式加热炉的重要地位 1858 年 William Siemens 发明了蓄热室 1982 年 英国的 British Gas 公司和 Hot work 公司开发 出世界第一套蓄热式陶瓷燃烧器 并将其成功的应用在玻璃炉窑上 取得了良好的节 能 增产效果 随后美国的北美制造公司购买了该项专利 迅速将其运用到轧钢加热 炉 热处理炉等场合 在中国国内 1998 年 9 月 江西萍乡棒材公司高线加热炉 由 大连北岛能源技术有限公司和萍乡高线合作 领先将蓄热式烧嘴应用在工程实践中 从此 蓄热式加热炉以其节能的效果明显而受到欢迎 截止 2009 年 8 月份 中冶赛迪 公司分别为宝钢 1880 mm 热轧 武钢 1580 mm 热轧 本钢 2300 mm 热轧 钛钢 2250 mm 承钢 1780 mm 热轧机组以工程总承包或技术总负责的方式提供了蓄热式加热炉 与此同时 提高加热炉的质量日渐为人关注 法国斯坦因公司在前期发展投入了 很多的精力和时间 首先斯坦因公司致力于宽火焰烧嘴的研发 首先将该烧嘴运用在 加拿大伊利湖钢厂 420t h 的加热炉上 与 2000 年 3 月建成投产 该公司也提出了数字 型加热炉的概念 在数字型加热炉上 对每一个独立的的烧嘴 都可以进行测试和调 节 取消了段流量策略和控制 替代了传统的双交叉限幅的加热炉经典控制 并在美 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 3 国的谢菲尔德钢厂 127t a 加热炉得到了成功的验证 在中国国内 中冶赛迪在钛钢 2250 mm 热轧的加热炉中 成功的开发了具有独立知识产权的中冶赛迪加热炉控制软 件 将数字化脉冲技术成功的运用到大型的不锈钢加热炉和蓄热式的加热炉中 而且 获得了非常成功的应用 总之 模糊控制在目前运用的是非常广泛的 2 加热炉 2 1 加热炉的功能及结构 加热炉是由加热炉本体 冷却系统 燃烧系统 排烟系统 装出料系统 余热回 收系统 自动控制系统七个部分组成的 1 加热炉本体 主要由炉膛 炉子基础和钢结构等组成 加热炉一般都采用直立的炉墙 用站土 砖砌筑的炉墙 炉墙外面包上 4 至 10mm 厚的钢板 可以提高炉子强度和气密性 炉 顶在连续式加热炉上一般采用吊顶 这样可以不受炉子的跨度限制 便于局部修理和 安装烧嘴 此外 炉子基础一般采用钢筋混凝土修建 因为它起着要承受整个炉子的 质量不致下沉或倒塌的作用 而且还要防止炉底受潮或遭受地下水的损害 以保证炉 子正常的工作 2 冷却系统 加热炉是由一个封闭式的汽化冷却系统 炉底水梁吸收了加热炉的热量后被封闭 系统中流动的热水带走 这样系统中的热水带走了炉底水梁的热量 冷却了处于高温 中的炉底水梁并使自身转变成汽水混合物 所产生的水既供给外部用户使用 又不断 地向系统中补充消耗掉的水 在这个系统里不断地循环 3 燃烧系统 燃烧系统主要包括烧嘴 供风系统 煤气系统 换向系统等部分组成 烧嘴和蓄 热体是成对出现的 当空气和煤气通过烧嘴时 一个烧嘴是起加热的作用 另一个烧 嘴起排烟的作用 同时蓄热体被烟气加热 当时刻换向时 以加热好的蓄热体用来充 当预热空气和煤气的角色 冷却的蓄热体又被排出的高温烟气加热 4 排烟系统 主要是由烟道闸板 烟道 引风机和烟窗组成 排烟系统的作用主要是克服烟道 阻力 顺利地将烟气排空 精确控制炉膛压力 采用热交换器 最大程度地回收烟气 热量 5 装出料系统 加热炉有装钢机 出钢机 装 出钢机的水平运动由电动齿轮传动 升降运动由 液压驱动 当钢坯放在固定的梁上时 当低于固定梁平面时 托起钢坯上升到高于其 平面 然后使活动梁与钢坯向前水平运动 到达地点后 使钢坯下降到下限位置 然 后后退回到原点 相当于绕一个矩形轨迹运动 6 余热回收系统 其主要是通过换热器实现的 换热器是余热回收装置的一种 主要用于回收烟气 余热 以提高炉子的热利用效率 加热炉余热回收的途径是利用排出炉外的烟气来余 热空气和煤气 提高炉子的热效率 排出炉外的烟气来生产蒸汽 以供生产和生活使 用 7 自动控制系统 加热炉采用模糊控制系统实现对各点的温度 压力 流量的调节控制 模糊控制 能完成对生产过程中的各种数据的采集 输入 输出信号的变换 处理 显示 积累 运算等功能 操作人员能够通过对流程画面 趋势的记录等画面的观察 分析问题 可以在控制台上对各个调节阀进行操作 此外 还可以完成炉温 炉压的自动控制功 能和换向功能 2 2 加热炉的温度控制 2 2 1 加热炉的燃烧和钢坯加热过程简介 在任何冶金轧钢生产中 轧钢必须经过加热才能进行轧制 轧钢加热炉的主要 作用就是加热钢坯 使之达到轧制所要求的温度分布 1 加热炉的燃烧过程 燃烧是一个化学过程 油泵将油罐中的重油抽出 经过总油管送至加热器中加热 加热完后 被分配到预热段 加热段和均热段油路中的各段烧嘴中 与此同时 空气 由风机送出 通过总风管送至烟道内的热交换器中加热 加热完后分配到各段的风路 中的各段烧嘴中 在割断的烧嘴中的油经过雾化后 与空气混合起来喷射到加热炉内 燃烧 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 5 2 钢坯加热过程 钢坯加热是一个具有热传导和热辐射的过程 当钢坯的温度与环境温度相同时 推钢机将钢坯从加热炉炉尾连续不断的推入加热炉中 钢坯开始在预热段进行预热 当在预热段段末钢坯温度达到 700 左右后 钢坯进入加热段经过上下加热 当到达加 热段段末钢坯上下温度基本都达到 1220 左右时 钢坯进入均热段 当到达均热段末 时 需要将轧制的钢坯加热到 1250 左右的温度 此时钢坯内部和表面的温度将达到 基本均匀一致 具有了轧钢工艺所要求的可塑性 达到了工艺所要求的温度分布 然 后通过出钢机从加热炉中顶出 进入轧制工序 钢坯一旦进入加热炉 就一直被加热 直到被出钢机从加热炉中顶出 2 2 2 加热炉炉温控制中的影响因素 加热炉是热轧生成中的一个重要的环节 它与设备稳定 钢坯加热质量 燃料消 耗以及生产节奏等有关 钢材产品的质量与钢坯加热是否满足工艺要求有密切的关系 为了达到生产的要求 需要满足钢坯的轧制要求以及它的优化指标 而且需要对加热 炉的各段的温度加以严格的控制 需要考虑影响加热炉炉温控制的因素主要有以下几 个方面 1 炉膛压力对加热炉的影响 加热炉炉膛压力是实现加热炉自动控制的一个重要的参数 当炉膛压力过高时 会失去大量有用的热量 不仅如此 它还会使燃料的损耗增加而且炉子的钢结构也容 易被烧坏 从而降低炉子的使用寿命甚至使环境恶化给操作人员带来安全隐患 当炉 膛压力过低时吸入大量的冷风 会加大漏风热损失和排烟热损失 使引风机的电耗量 增加 因此 必须将炉压控制在符合规定的范围之类 同时在加热炉最佳燃烧控制系 统的基础上 可以通过控制引风机变频器的开度来实现对炉膛压力控制 2 空气 燃气流量对加热炉的影响 加热炉中的空气和燃料混合燃烧所产生的热量以及其热负荷的大小决定加热炉炉 温的高低 在生产过程中的空气 燃气的流量和热负荷是不稳定的 不断变化的 当 热负荷一定的条件下时 空气和燃气的不稳定性将会对加热炉炉温的稳定产生非常重 要的影响 因此 对加热炉炉温控制的好坏 与空气 燃气的流量和热负荷的调整有 十分重要的关系 3 烟气含氧量对加热炉的影响 烟气含氧量的大小可以直接反映出加热炉的燃烧情况 当含氧量不充足时 导致 燃料燃烧的不充分 造成大量燃料的损失 而且同时会产生大量的黑烟和 CO 对环境 造成很大的污染 当含氧量过多时过剩的空气多 尽管燃气能够充分的燃烧 但是也 会让过剩的空气带走部分热量浪费资源 而且炉内有过多的氧会使钢坯造成钢坯严重 的氧化烧损 因此 控制好烟气含氧量对产生出优质的钢坯有十分重要的意义 4 产量波动对加热炉的影响 加热炉出钢的节奏必须与轧钢机的生产节奏相适应 相协调 轧制节奏与出钢节 奏应该是同时变化并且是相对应的变化 但是在实际生产过程中 轧制的节奏是不断 变化的而且是很频繁的 其中包括轧制的停顿和节奏的变化 生产线上突然出现故障 迫使节奏发生变化或停顿即主要是推钢速度的变化 炉中有三段 要满足轧制要求和 一种优质制度 需要对不同的推钢速度 在炉内各段温度也要不同的要求 上述的影响炉温控制的各因素之间也存在着相互影响 彼此之间有一定的关系 例如 如果为了提高炉温增加空气和燃气的流量时 会导致加热炉的炉膛压力增大 反之 降低炉温减少空气和燃气的流量时 此时的炉膛压力也会减小 如果生产节奏 发生变化时 加热炉的炉温会相应的发生变化 为了保证加热炉保持在合适的范围内 需要根据生产节奏的变化来调整加热炉的空气和燃气的流量 当保证有足够的空气和 燃气完全燃烧时 需要调整空气和燃气的流量 如果是增加 需先增加空气后加燃气 反之若是减少 需先减少燃气后减少空气 2 2 3 加热炉温度系统自动控制的基本要求 加热炉一共有三个加热控制段 预热段 加热段 均热段 对其炉温温度系统自 动控制有以下基本要求 1 根据轧制节奏自动控制各段炉温 轧制的前一道工序是钢坯的加热过程 加热炉的作用是保证钢坯的表面温度与钢 坯的中心温度之差保持在一定的范围之内 需要将钢坯从冷态加热到适合轧制所需要 的温度要求 必须对加热炉的各段温度加以严格的控制 目的是为了使钢坯满足轧制 要求和它的优化指标 以达到生产的要求 2 加热炉是主要耗能设备 为了增加经济效益 需要降低能源消耗即尽可能的减少燃料损耗 在这种目的下 钢坯加热到符合轧制所要求的温度时 风油配比要适当 如果配比值过大时 尽管油 能够得到充分的燃烧 但是炉子内多余的空气会将加热炉内的部分热量损耗使之产生 能源浪费 增大成本 如果配比值过小时 重油不能充分的燃烧 加热炉中的部分重 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 7 油会随着废气一起排出 同时会产生大量的黑烟 这样不仅浪费了资源增大了成本 而且给环境带来严重的污染 3 炉膛压力保持微正压 炉子的热效率和成材率取决于炉膛压力的大小 如果炉压太高时 炉子开口处向 外喷火 导致热损失增大 热效率降低 反之 如果炉压太低时 炉子将会吸入冷空 气 也会使热效率降低 不仅如此 当炉内吸入冷空气后 使得炉内的含氧量升高 导致钢坯氧化铁皮的生成的概率增大 继而使成材率降低 成本增加 经济效益下降 所以 必须保持炉膛压力在一个合理的区间内变化 根据三个段所需要的要求 需要三段之间的所设的参数的变量要相互协调 2 3 加热炉的燃烧过程 1 理论燃烧 燃烧是在一定的温度下 燃料与空气中的氧燃烧发生氧化反应 实质就是一个热 量释放的过程 所以 燃料量和空气量必须保持合适的配比值 目的是为保证燃料完 全燃烧 使排出的烟气中没有剩余的氧 燃料燃烧所产生的能量全部转化为热量 2 实际燃烧 在实际燃烧过程中 因为燃料不可能与空气中的氧均匀的混合和充分的接触而完 全燃烧 所以燃料燃烧时所需要的空气量与理论上所需要的量是存在着一定的误差的 因此 在实际燃烧的过程中 为了是燃料充分的燃烧 就必须使实际空气量略大于理 论上的空气量 2 4 加热炉温度控制系统的建模 由于加热炉是一个具有大惯性 大滞后 非线性的时变系统 而且炉内的加热过 程非常的复杂且影响加热过程的因素非常多使稳定非常差 若给加热炉建立一个具体 准确的数学模型是相当困难的 而且到目前为止还没有加热炉整体的数学模型 根据加热炉的大滞后 大惯性的特点 方便控制方法的研究 通过借鉴工业过程 中的实际情况及工程师们所积累的经验 可以将加热炉近似简化为一个带有纯滞后的 一阶惯性环节 其传递函数为 2 1 1 s Ke G s Ts 其加热炉温度控制系统的结构图 如图 2 1 所示 给定 值 调节器执行器加热炉 出口 温度 扰动 检测元件 变送器 图 2 1 加热炉温度控制系统结构图 3 模糊控制 3 1 模糊控制的意义 当今世界正面临着一场强劲的信息革命 模糊控制理论的发展反映了改革的需要 模糊控制技术是一种高级算法策略和新颖的技术 已经成为智能控制技术的一个重要 部分 从 1974 年英国的马丹尼工程师根据模糊集合理论组成的模糊控制器成功用于蒸汽 发动机后 经过近 40 年的发展历程 模糊控制技术得到了快速的发展和广泛的应用 例如应用于冶金与化工过程控制 工业自动化 家用电器智能化 仪器仪表自动化 计算机及电子技术应用等领域 尤其在交通路口控制 机器人 航天飞行控制 汽车 控制 电梯控制 核反应堆等方面 体现出了极大地实用和商业价值 目前已经有了 专用的模糊芯片和模糊计算机的产品供我们选用 在我国国内 1979 年开始对模糊控制器开始研究 而且已经在模糊控制器的定义 性能 算法 鲁棒性 电路实现方法 稳定性 规则自调整等方面取得了大量的成果 我国著名科学家钱学森指出 模糊控制数字理论及其应用 关系到我国二十一世纪的 国立和命运 从上述总结的国内外模糊控制的发展史以及其发展的意义来看 在当今社会科技 不断发展创新的年代 人本身的感觉和用来表达自身感觉情感和思维工具 语言都是 模糊的 正是这种思维能够忽略大量无用的信息 能够看出事物的本身 表达出自己 的想法 对事物进行正确的描述 总体而言 模糊控制的发展在智能控制领域起着举 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 9 足轻重的地位和生活中占有十分重要的意义 3 2 模糊控制的基本原理 模糊控制系统是一种自动控制系统 它是以模糊数学 模糊语言形式的知识表示和 模糊逻辑理论为基础 采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统 模糊控制主要还是建立在人的直觉和经验的基础上的 操作人员对被控系统的了解是 通过操作人员熟练地操作 丰富的实践经验和直观感觉所得到的 不是通过精确地数 学模型或计算所了解的 模糊控制是以模糊集合论 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控 制方法 其核心是模糊控制器 而模糊控制规则的确定即模糊控制规则表是一个关键 的部分 但是模糊控制规则表是根据专家或者熟练地操作员的手动控制经验所总结出 来的一系列控制规则 根据原理可构造出的原理图如 3 1 所示 模 糊 化 误差变 化率 模 糊 控 制 算 法 模 糊 判 决 被控 过程 ry 图 3 1 模糊逻辑控制系统的基本结构图 3 3 模糊控制器 1 模糊控制器主要有以下三项重要功能 1 将系统的偏差数字转化为模拟量即就是模糊化 数据库的实现 2 对模糊量按照给定的规则进行模糊推理即就是规则阵 模糊推理的实现 3 把模糊推理所得到的结果的模糊输出量转化为实际系统认为比较精确的数字量或 者模拟量即就是解模糊的实现 2 模糊控制器结构的四大组成部分 1 规则库 由 IF THEN 语句构成 通常由一系列的关系词连接而成的 关系词必 须经过转化 才能将模糊规则数值化 它是通过专家知识或手动操作人员长期总结出 来的控制思想经验 它是按人的直觉推理的一种语言表示形式 2 推理机 根据当前的输入 结合规则库进行推理 得出相对应的对策 3 模糊化 因模糊推理是在模糊集合集上进行的 因此输入也应该是模糊集合 而 实际被控对象的测量值是实数值 则需要把实数值变成语言值即就是模糊化 4 模糊判决 推理机的推理结果是一个语言值 而执行器需要的是一个具体的确定 的数值 即需要把语言值变成确定值 进行模糊判决 3 4 模糊控制器的设计及优缺点 模糊控制器设计七个内容 确定模糊控制器的输入变量和输出变量 确定输入 输出的论域 确定各变量的语言取值及其隶属函数 总结专家控制规则及其蕴含的模 糊关系 选择推理算法 确定清晰化的方法 总结模糊查询表 3 4 1 模糊控制器的输入 输出变量 模糊控制器的结构设计主要是确定模糊控制器的输入 输出变量 由于模糊控制 器的控制规则是人们通过不断实践总结出来的 所以需要考虑哪些变量可以作为模糊 控制器的信息量 而且需要研究在手动控制过程中是如何获取 输出信息的 误差 误差的变化 误差变化的速率是人们在手动实践过程中所能够获得的三个 基本信息量 通常情况 人对于误差的认识是最为敏感的 其次是对误差的变化 最 后才是误差变化的速率 一般情况下 模糊控制器的维数越高 控制的越精细 效果 也就越好 但是 维数太高 模糊控制规则就会变得相当的复杂 会导致很难实现控 制算法 基于这种情况 设计和应用二维模糊控制器在目前是最为广泛的 故本课题 也是采用的二维模糊控制器 如图 3 2 所示 即以误差 误差的变化率作为输入 规 则 库 推 理 机模糊判决控制 输出 模糊化 量测 输入 图 3 2 模糊控制器结构 3 4 2 模糊集合 在模糊数学中 若根据实际需要 一个变量的论域可以由若干个模糊集合 例如 论域 U 上的一个模糊集合 A 是指 对于论域 U 中的任一元素 都指定了 0 1 闭uU 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 11 区间中的一个数与之对应 即 u 对 A 的隶属度 即相当于定义了一个映射 0 1 A u A 0 1 A U A uu 这个映射成为模糊集合 A 的隶属度函数 相邻模糊集合所包含的区域有可能重叠 模糊数学概述中所提到的权值其实就是隶属度 表示元素 u 属于模糊集合 A 的程度 隶属度的取值范围为 隶属度的值越大 就表示该元素属于当前模糊集合的程度 0 1 越高 当隶属度取 1 时表示完全属于该模糊集合 反之 当取 0 时则表示完全不属于 3 4 3 模糊隶属函数 隶属度的大小由隶属度函数决定 隶属度函数可以根据实际需要而进行选择 通 过隶属度函数可以将模糊集合的模糊性做定量描述 所以隶属度函数在模糊集合的模 糊性做定量描述 所以隶属度函数在模糊集合中占有十分重要的地位 系统中模糊控制器采用二输入 一输出变量 输入 输出变量的论域都为 6 6 系统偏差 e kT 的离散域为 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 为输入变量 e t 选取 七个语言值 正大 PB 正中 PM 正小 PS 零 ZO 负小 NS 负中 NM 负大 NB 采用对称三角形作为隶属函数 输入变量 e t 隶属函数如图 3 3 所示 图 3 3 输入变量 e t 的隶属函数 在相同的情况下 可以分别得出偏差变化速率变量 e t 和输出变量 u t 的隶属 函数图 如图 3 4 3 5 所示 图 3 4 偏差变化速率 e t 的隶属函数 图 3 5 输出变量 u t 的隶属函数 确定隶属函数时 需要考虑以下几个问题 1 隶属函数曲线形状对控制性能的影响 隶属函数形状较尖时分辨率较高 输 入引起的输出变化比较剧烈 控制灵敏度较高 曲线形状较缓时分辨率较低 输入引 起的输出变化不那么剧烈 控制特性也比较平缓 具有较好的系统稳定 因而在输入 较大的区域内采用低分辨率曲线 在输入较小的区域内采用较高分辨率曲线 当输入 接近零则选用高分辨率曲线 2 隶属函数曲线的分布对控制性能的影响 a 兼顾控制灵敏度和鲁棒性 相邻两曲线交点对应的隶属度值较小时 控制灵敏度 较高 但鲁棒性不好 值较大时 控制系统的鲁棒性较好 但是控制灵敏度将降低 b 清晰性 相邻隶属函数之间的区别必须是明确的 c 完备性 隶属函数的分布必须覆盖语言变量的整个论域 否则将会出现 空档 从而导致失控 3 4 3 模糊控制规则 1 控制规则 规则库的描述 规则库由若干条控制规则组成 这些控制规则根据人类控制专家 和熟练地操作员的经验总结得出的 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 13 其生成方法归纳为以下种 a 根据专家的经验或过程控制知识生成控制规则 通过对控制专家的经验进行总结 描述来生成特定领域的控制规则原型 经过反复的实验和修正形成最终的规则库 b 根据过程的模糊模型生成控制规则 通过用模糊语言描述被控过程的输入输出关 系来得到过程的模糊模型 进而根据这种关系得到控制器的控制规则 c 根据学习算法获取控制规则 应用自适应学习算法对控制过程的样本数据进行分 析和聚类 生成和在线优化较完善的控制规则 2 对于模糊控制规则的总结需要注意以下几个问题 1 规则数量合理 控制规则的增加可以增加控制的精度 但是会影响系统的实时性 控制规则数量的减少会提高系统的运行速度 但是控制的精度又会下降 所以 需要 在控制精度和时性之间的进行权衡 2 规则要具有一致性 控制规则的目标准则要相同 不同的规则之间不能出现相矛 盾的控制结果 如果各规则的控制目标不同 会引起系统的混乱 3 完备性要好 控制规则应能对系统可能出现的任何一种状态进行控制 否则 系 统就会有失控的危险 3 控制规则按照 IF is AND is THEN is 的形式表达 规则库可以用矩阵 表的形式进行描述 如表 3 1 所示 表 3 1 控制规则表 输入变量偏差变化速率e t NBNMNSZEPSPMPB NBNBNBNBNBNMNSZE NMNBNBNMNMNSZEZE NSNBNMNMNSZEZEPS ZENMNSNSZEPSPSPM PSNSZEZEPSPMPMPB PMZEZEPSPMPMPBPB 输入变量系统偏差e t PBZEPSPMPBPBPBPB 3 4 4 模糊推理 模糊推理的结论主要取决于模糊蕴含关系及模糊关系与模糊集合之间的合成运算 法则 一般情况下 确定的模糊推理系统确定模糊蕴含关系 但是合成运算法则并不 是唯一的 结合合成运算法则的不同 模糊推理方法可以分为 Mamdani 推理法 Larsen 推理法 Zadeh 推理法等等 其中广义前向推理和广义反向推理 是比较常见的 两种模糊推理方法 例如 广义前向推理 如果有如下模糊规则 如果 x 为 A 那么 y 为 B 推理条件 x 为 A 推理结论为 y 为 B 其中 x 是论域 X 中的语言变量 它 的值是 X 中的模糊集合 A A 而 y 是论域 Y 中的语言变量 它的值是 Y 中的模糊集 合 B B 广义前向推理就是已知推理的前提求结论 即就是结合已知的模糊规则 根 据已知的推理条件 按照某一种模糊推理策略 从而得出结论 3 4 5 模糊化接口 模糊化接口就是通过在控制器的输入 输出论域上定义语言变量 来将精确的输 入 输出值转换为模糊的语言值 模糊化接口的设计步骤就是相当于定义语言变量的 过程 即可分为以下四步 1 语言变量的确定 针对模糊控制器每个输入 输出空间 各自定义一个语言 变量 通常取系统的误差值 e 和误差变化率 ec 为模糊控制器的两个输入 在 e 的论域 上定义语言变量 误差 E 在 ec 的论域上定义语言变量 误差变化 EC 在 ec 的论 域上定义语言变量 控制量 U 2 语言变量论域的设计 在模糊控制器的设计中 就把语言变量的论域定义为 有限整数的离散论域 为了提高实时性 模糊控制器通常以控制查询表的形式出现 该表反映了通过模糊控制算法求出的模糊控制器输入量和输出量在给定离散点上的对 应关系 3 定义各语言变量的语言值 一般在语言变量的论域上 将其划分为有限的几 档 档级越多 规则制定越灵活 越细致 但是规则多 复杂 编制程序困难 占用 的内存较多 反之 档级越少 规则越少 越方便 但是过少的规则会使控制作用变 粗而达不到预期的效果 因此 在选择模糊状态时要兼顾简单性和控制效果 4 定义各语言值的隶属函数 一般有正态分布型 三角型 梯型三种类型 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 15 3 4 6 清晰化接口 由模糊推理得到的模糊输出值 C 是输出论域上的模糊子集 只有其转化为精确控 制量 u 才能施加于对象 实行的种转化的方法叫做清晰化又叫模糊判决 有以下两种 最常见的方法 1 最大隶属度法 把模糊输出值中的隶属度最大的元素 U 作为精确地输出控制 量 若模糊输出量的元素隶属度有几个相同的最大值时 则取相应诸元素的平均值 并进行四舍五入取整作为控制量 2 加权平均法 重心法 主要是对模糊输出量中各元素及其对应的隶属度求 加权平均值 并进行四舍五入取整来得到精确输出控制量 清晰化处理后得到的模糊控制器的精确输出量 经过比例因子可以转化为实际作用 与控制对象的控制量 3 4 7 模糊查询表 模糊控制器的工作过程 1 模糊控制器实时检测系统的误差和误差变化率 2 通过量化因子和量化率将误差和误差变化率量化为控制器的精确输入 3 精确输入通过模糊化接口转化为模糊输入 4 将模糊输入根据规则库蕴含的模糊关系进行模糊推理 得到模糊控制输出量 5 对模糊控制输出量进行清晰化处理 得到控制器的精确输出量 6 通过比例因子将精确输出量转化为实际作用于控制对象的控制量 生成模糊 查询表 若将上述的 3 到 5 步离线进行运算 对于每一种可能出现的精确输入值 计 算出相应的输出量 并以表格的形式存储在计算机内存中 这样的表格即为模糊查询 表 3 4 8 模糊控制的优缺点 1 模糊控制的优点 1 设计时不需要建立被控制对象的数学模型 只要求掌握人类的控制经验 2 系统的鲁棒性强 尤其适用于非线性时变 滞后系统的控制 2 模糊控制的缺点 1 确立模糊化和逆模糊化的方法时 缺乏系统的方法 主要靠经验和试凑 2 总结模糊控制规则有时比较困难 3 控制规则一旦确定 不能在线调整 不能很好地适应情况的变化 4 模糊控制器由于不具有积分环节 因而稳态精度不高 4 仿真模型以及仿真结果 4 1 传统 PID 控制 1 PID 三大环节的论述 加热炉的温度控制属于我们所学过的过程控制 因此 我们一般采取的控制方案 就是传统的比例积分微分 PID 调节器进行控制 PID 控制的原理图如图 4 1 所示 比 例 积 分 微 分 输入 变量 被控对象 输 出 值 图 4 1 PID 控制原理图 PID 控制的一般形式为 4 1 0 1 2 IDC U kKpE kKE kK Ekk 其中 E k EC k 分别为其输入偏差和偏差变化率 Kp KI Kd分别为表征其比例 P 积分 I 微分 D 作用的参数 下面对三个环节及三者间的联系进行论述 1 比例调节 调节简单 控制及时 参数整定方便 其控制的结果有一定的误 差 因此 比例控制一般用于大负荷容量且变化不大的纯滞后小的对象 结果允许有 一定的误差 2 积分调节 调节的动作与偏差对时间的积分成正比 偏差存在积分作用就会 有输出 主要是起消除误差的作用 积分的作用应该选择适中 太强会引起振荡 太 弱会使系统存在误差 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 17 3 微分调节 调节动作与偏差的变化速度成比例 主要是阻止被调参数的变化 且具有超前调节的作用 微分时间要适中 4 比例积分控制作用 两者结合可以消除偏差 积分会使控制速度变慢 系统 的稳定性变差 主要适用于滞后大 负荷变化较大的对象 而且要求被控对象变化速 度缓慢并要求其控制结果没有误差 5 比例微分控制作用 具有响应快 偏差小 能增加系统稳定性 有超前控制 作用 能够克服对象的惯性 其控制结果有误差的特点 主要适用于滞后大 负荷变 化不大 本身变化不强 结果允许有误差的对象 2 PID 控制仿真 参数的设定步骤 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 仅加入比例控制环节 直到系统对输入的阶跃响应表现出临界振荡 记下这时 的比例放大系数和临界振荡周期 在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数 PID 控制器参数的调 试实例当调速系统的各项基本参数设定后 接下来是调整 PID 参数以取得最理想 的控制效果 研究的加热炉炉温对象是由具有纯滞后的一阶惯性环节的对象 其传递函数为 4 2 1 s Ke G s Ts 式中 K 为静态增益 T 为时间常数 为纯滞后时间 仿真所选取的采样时间 0 5s 比例环节取 K 1 一阶惯性环节的时间常数 T 10s 则被控对象的 s T 0 5 函数式为 假设输入信号均为阶跃信号 即用 Matlab 仿真所得到的 PID 0 5 101 s e G s s 控制 Matlab 仿真图如图 4 2 图 4 2 PID 控阵 Matlab 仿真图 在这次仿真中 没有经过细致的分析 通过随机选取的一组设定值 即首先设定 的一组 Kp KI Kd参数值分别为 16 1 0 5 带入仿真图 经运行所得到的仿真结果图 如图 4 3 所示 图 4 3 PID 仿真结果图 初次得到的仿真图并不是非常满意的波形 用控制变量法调整 PID 控制器的参数 经过多次调整 选取另一组参数 Kp KI Kd分别为 13 1 1 1 2 得到了相对满意的波 形图如图 4 4 所示 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 19 图 4 4 改变参数后的仿真波形图 经过以上两图比较可得 图 4 4 优于图 4 3 其过度时间相对短一些 滞后小一些 超调量小一些 但是两图总体上都有明显的滞后 而且超调量很大 其过度时间也很 长 控制效果不是特别的理想 与此同时也折射出了加热炉加热的工业环境是非常的复杂的 即使改变参数后采 用 PID 控制 依然具有很长的延时性 响应缓慢 过度过程较长 不能很好的跟踪 这样说明了 PID 控制器的效果不好 即可得到的结论为 PID 控制是主要适用于相对 比较准确的对象 而且系统特性的变化与控制变量之间是线性映射关系 当 PID 控制 运用到参数变化 影响因素比较多的控制系统中 系统性能明显变差 而且得到的结 果会有很大的误差 4 2 模糊控制仿真 模糊控制器的仿真用 Matlab 实现 实现模糊控制的仿真波形 主要的是对模糊判 决器的建立 1 具体的设计步骤如下 1 打开 Matlab 软件 使之首先处在如图 4 5FIS 的 Matlab 环境里 图 4 9 偏差变化隶属度数 图 4 5 FIS 界面 2 点击 Edit Add variable input out 添加模糊控制的输入 输出量 选用的是 2 个输入和 3 个输出的模糊 PID 判决器 并且把这 5 个变量的名字改成 e ec kp ki 和 kd 然后双击 variable 弹出的 Membership Function Editor 即可以设定这个 variable 的取值范围 用新建的 variable 默认只有 3 个子集 将其添加到 Membership Function Editor 中 按照模糊隶属度设定每个子集的名字 形状 覆盖范围 3 在 FIS Editor 中点击 Edit Rules 弹出 Rule Editor 进行添加规则 在新建的 有 0 条规则的模糊判决器中 按照模糊控制规则表 使用 Rule Editor 底部的 添加规 则 和 修改规则 按钮设定模糊控制的 49 条规则 按照先添加后修改的原则 最 后将该 FIS 保存即可 4 对模拟仿真图进行运行调试 即可得波形图 2 模糊控制器在 Matlab 环境下的仿真图如图 4 6 所示 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 21 图 4 6 模糊控制器仿真图 通过在 Matlab 环境下调试模糊控制器 得到的波形图如图 4 7 所示 图 4 7 模糊控制仿真波形图 由在 Matlab 环境下 所得到的模糊控制仿真波形可知 模糊控制系统运行所得到 的波形图快速性好 过渡时间短 超调量小 滞后小 即得到的结果相当满意 表明 在复杂多变的 非线性的时变环境 加热炉 下 进行加热炉炉内温度的控制 模糊 控制是一种比较理想的选择 4 3 模糊控制与 PID 控制的比较 通过对比模糊控制器和 PID 控制器的仿真 在相同的条件下进行运行仿真 所得 到的仿真波形图可得 在结构复杂 受到很多干扰因素影响下的环境下 控制具有时 变性 大滞后 大惯性 非线性等特性的对象 模糊控制体现出了良好的优越性 根 据上述的模拟后的仿真波形图 模糊控制相比 PID 控制的超调量很小 过渡时间相对 短一些 滞后和惯性环节比较小 得到的控制效果也比较理想 所以在复杂多变的环 境下进行控制 我们应当首选模糊控制 5 结束语 5 1 全文总结 本课题所论述的是模糊控制在加热炉中的应用的研究 其目的是为了解决如何提 高加热炉的加热效率以及确保加热炉内的燃料能够得到充分的燃烧 期望能够对整个 有关钢铁生产的成本有所降低 提高经济效益以及能够充分的利用资源 达到节约资 源保护环境的效果 通过前面的论述 我们已经知道了加热炉是一个大滞后 大惯性 以及非线性的时变系统 而且结合实际的炼铁工厂 我们了解到加热炉内的加热过程 和加热状态是相当复杂的 具有热辐射 热传导 热对流 加工工艺参数的频繁波动 的特性 这对于建立一个具体的数学模型是相当困难的 而且即使能够建立一个近似 的数学模型仿真 通过模型的仿真运行调试 其得到的仿真结果也是存在有很大的误 差 结果也就没有太多的现实意义 传统常规的 PID 控制虽然具有结构简单 运用方 便 容易实现 控制效果好等优点 但是 PID 控制能够得到良好的效果 是以固定的 单一的 干扰因素不多的对象为前提的 应用到加热炉中 是很难满足要求的 随着 科技的发展 模糊控制的技术日益发展成熟 已经作为智能控制的一个重要的分支 它具有可以较强的鲁棒性 适应多变环境 抗干扰因素强 无需具体的数学模型等优 点 对于加热炉中炉温控制 可以采用模糊控制的方法能够很好地实现 为了证明模糊控制比 PID 控制在非线性 多变环境 加热炉炉内的温度控制 下 具有很好的优越性 本课题提出了分别基于 PID 控制和模糊控制本课题提出了分别基 于 PID 控制和模糊控制的加热炉的炉温控制系统 并在 Matlab 环境下进行仿真得出波 形图 PID 控制是以确定的理论基础下进行的模拟 而模糊控制是基于专家和熟练地 操作员在日积月累的工作经验下进行的 通过本课题对两者之间的比较 模糊控制占 湖北师范学院机电与控制工程学院 2014 届学士学位论文 设计 23 据优势 但是模糊控制的理论基础还不够健全 例如复杂的模糊控制规则对模糊控制 效果的影响 模糊控制系统的稳定性的判别 是还需要解决的 不断完善的 通过前面的论述 本课题对模糊控制在加热炉内的炉温控制的应用是比较肤浅的 对于复杂多变的非线性加热炉系统 近似的用一阶纯滞后环节来代替 这种带来的误 差是相当大的 如果想要运用到炼钢铁生产中 就这理论上的论述是远远不过够的 需要到工厂的生产线的现场去进行实地考察 根据现场的实际 结合理论上的讨论 对控制的规则 算法进行修改完善 才能够做出符合要求的模糊控制系统 从而解决 实际的工作问题 提高经济效益 5 2 研究展望 模糊控制是指不要求被控制对象的具体数学模型 以模糊集合论 模糊语言变量 及模糊逻辑推理为基础的 能够充分运用控制专家的信息的方法 由于我的在模糊控 制方面的知识非常的欠缺 对于模糊控制的建立与应用的讨论是相当肤浅的在今后的 读研的学习中 我会对这一方面进一步的学习 讨论 使自己在这一方面有更多的了 解与认知 在复杂的 多变的 非线性的控制领域中 体现出了极大地优越性 是专 家和熟练的操作员重要的选择方法 而且模糊控制与神经网络相结合即脑机结合越来 越受到专家 学者的重视 也是主要的研究方向之一 超强的控制灵活性和精确性在 模糊控制领域中 具有潜在的有极大的市场 6 参考文献 1 王利珍 特钢厂脉冲燃烧加热炉炉温的模糊控制 D 河北工程大学硕士学位论文 2012 9 18 2 王一陶 轧钢加热炉炉温控制算法设计 D 上海交通大学工程硕士学位论文 2011 21 56 3 姚松 蒋态平 基于模糊控制理论的 PID 控制器的仿真研究 J 机械设计与制造 2011 20 10 125 128 4 王述 彦师宇 冯忠绪 基于模糊控制 PID 控制器的控制方法研究