【《电加热炉温度控制系统设计》11000字（论文）】

目录STYLEREF"标题1"绪论PAGE12PAGE1电加热炉温度控制系统设计摘要温度作为日常生产过程中重要的控制变量之一，其控制精度的大小直接影响到产品的质量。电加热炉作为工业生产生活中重要的设备，其中温度的控制主要是通过控制器进行控制的，加热炉控温效果的好坏直接影响了实际产品的质量。因此研究电加热炉温度控制系统、提高电加热炉温度控制精度水平方面有着重要的意义。电加热炉的温度控制过程是一个复杂且难以控制的工业过程，目前采用的PID控制越来越无法满足很多复杂工业场合的控制需求。本文以电加热炉为研究对象，分析电加热炉的工作原理以及其电加热炉温度控制中存在非线性、滞后等问题。在PID控制的基础上，结合模糊控制设计了模糊PID控制系统。在MATLAB/Simulink中分别搭建电加热炉的PID温度控制系统和电加热炉模糊PID温度控制系统。通过结合模拟系统的仿真分析，得到电加热炉的PID控制系统和模糊PID控制系统有不同的控制效果，证明了模糊PID控制器相对于PID控制器在电加热炉温度控制过程中具有优越性。关键词：电加热炉；模糊PID控制；PID控制；温度控制目录1绪论 41.1课题研究的背景与意义 41.2国内外研究状况 41.3电加热炉温控制算法研究现状 61.4本文的研究内容和章节安排 62电加热炉温度控制系统数学模型的建立 82.1电加热炉的工作原理 82.2电加热炉模型的建立 92.3本章小结 113电加热炉温度的控制 123.1电加热炉温度的PID控制 123.1.1PID控制原理 123.1.2PID参数整定方法 133.2电加热炉温度的模糊PID控制 133.2.1模糊PID控制器的原理及结构 133.2.2模糊控制器的设计 143.2.3输入输出量的模糊化及清晰化 163.2.4模糊PID控制器的隶属函数 173.2.5模糊PID控制器控制规则 173.3本章小结 184电加热炉温度控制系统的仿真与结果分析 194.1PID控制 194.2模糊PID控制仿真模型 214.3本章小结 255结论与展望 265.1结论 265.2展望 26参考文献 27绪论课题研究的背景与意义随着现代社会的不断发展，电加热炉温度控制系统在各个领域中都有应用。对温度控制系统的精度、稳定性等因素也越来越高。为了保证生产质量的高效率，需要对电加热炉的温度变化进行实时的检测和控制。在目前的温度控制系统中，主要控制是通过采用积分方法进行参数的控制，即采用比例的可积分或者微分方法控制，控制系统效果的具体优劣，在很多较大程度上主要取决于各个控制器运行参数的正确整定,而由于实际控制工作中，由于现场控制工况复杂,干扰等因素很多，使得一些被控软件对象的控制特性发生变化，原来可以整定的控制参数已经根本无法完全满足它的实际控制需求,从而可能引起控制系统中的震荡或振动，调节持续时间不断加长。使得炉温的实际值与设定值偏差过大，严重影响产品的质量。随着工业生产及整个社会对产品质量的要求越来越高，要求电加热炉能够提供更加精确的温度控制，而控制显然无法满足这个要求。通过上面的实例分析我们可以清楚得知,电加热炉炉温度控制是一个复杂且相对较难的物理过程，采用的PID控制已经很难能够取得很好的控制精度，所以，研究一种控制性能良好的温度控制模糊系统算法具有很好的理论和和实际意义，本文主要结合温度控制系统的基本特性，设计一种基于电加热炉温度控制系统的PID控制器和模糊PID控制器，通过仿真结果可知在电加热炉模糊控制系统中，模糊PID控制器的控制效果要优于PID控制器。国内外研究状况我国最早是采用人工手动控制加热炉温度的方式实现温度控制，在上世纪80年代开始采用计算机的控制方式来实现对加热炉的温度控制。目前国内相关的研究及技术人员进行了大量的研究和分析，取得了许多重要的研究成果。例如一些研究人员通过分析电加热炉的数学模型，引进模糊控制、神经网络等智能控制算法，对电阻炉的温度系统控制系统的控制效果实现了优化，王海青等人采用模糊控制和控制相结合的实现模糊控制对参数的调整，虽然目前国内的电加热炉的温度控制系统及算法有了较大的发展与进步，但是与很多工业发达的国家相比，我国的电加热炉的智能控制起步较晚，并且发展十分不平衡，与发达国家仍然存在一定的差距，需要继续努力。文献[1]提出了采集数据建立广义PID模型,将电加热炉被控系统温度定义为一个广义二阶被控系统对象，用MATLAB对系统时间段和温度响应进行自动建模，系统自动截去温度响应延迟部分，因此被控系统的设计可以把它看作是构成一个二阶被控系统加延迟控制环节，采用临界信号震荡率和响应频率曲线法对模糊PID控制器的温度参数模糊进行自动整定，文献[2]针对一种炒茶机的时间温度控制系统，设计了一种进行参数自动化整定的一种模糊PID参数控制器，采用模糊控制和一种PID温度控制相结合的设计方法，实现模糊控制对象中PID控制参数的自动调整。文献[3]介绍了以电炉为基础的控制系统的结构、组成、以及控制系统的基本算法。文献[4]讲述了电加热炉模糊PID的研究内容和研究方，,研究内容包括电加热炉对象的识别和PID参数的整定，对电加热炉程序的编写，以及远程控制。文献[5]主要研究了将串级预测自动控制与在室内模式的PID串级预测控制的结合，应用于焦化工业中的焦化炉以及化工设备生产的全过程。文献[6]主要研究了以三维模型网络预测管理控制、神经网络预测控制、模糊控制、专家预测控制和部分组成先进的全过程预测控制管理方法。文献[7]详细讲述了目前传统的控制PID自动控制系统方法因其简单的系统控制结构、直观的控制参数和可整定控制形式等诸多优点。文献[8-9]详细讲解了为何传统控制PID被广泛的研究应用于各种类型工业生产控制过程，时至今日仍然认为是工业过程科学控制技术领域最为广泛关注的控制算法。PID积分控制器主要功能是通过积分比例输出增益、积分运行时间、微分积分时间三个基本参数控制来对工作过程系统的基本控制和性能参数进行自动调节。文献[10]主要讲述了增大比例过程增益主要目的是用于优化设备控制管理系统的快速性和跟踪性，一般用户通过控制增大或减小比例过程增益控制的参数来加快控制系统的过程响应速度,而在大规模惯性控制系统中当增大比例增益参数，过大时容易就会发生系统过程增益超调节的现象,，对设备生产线和设备本身造成很大的电力损耗，甚至可能会导致出现重大的设备安全性故障问题，所以一般用户都会考虑选择从适当小的增益比例根据增益值慢慢往上进行调节，需要一些具有丰富的过程调节控制经验的人才能快速的将其调到控制系统最优控制值的效果。文献[11]主要研究了控制积分中的时间控制参数，主要目的是为了用于有效消除控制系统在最稳态时的误差，该时间参数的偏差调节很容易在驱动控制系统过程初始和最稳定的一阶段出现引起控制系统的较大偏差或者超调，且该时间参数的偏差调节影响范围一般较小，适当的利用积分时间参数调节可以很好的帮助优化控制系统的稳定性。微分比例时间稳定参数一般指的是在系统调节好了控制器中的参数后，对系统输出进行微小的时间偏差稳定参数调节，可以大大提高系统的控制精度，但该调节参数对于控制系统内部扰动特别敏感，在不稳定的系统扰动条件环境下很容易出现产生系统输出短路振荡等的情况，因此在实际工业应用设计过程中对于PID微控制器的参数使用更为普遍。文献[12]提出了一种二进制自由度对于广义数学大琳响应函数控制（Generalized-DahlinResponseControl,GDC）的计算法。该分析方法充分利用目前广义经济预测综合输入统计算法的广义预测未来发展轨迹分析思想，引入利用广义预测输入算法过程对采用离散自动化控制模型的加热控制输入量与输出量关系进行高度模型化的预处理，从而大大优化了家用电加热炉系统高速开环时的稳定性。文献[13]确定了一种参数表达式为电加热系统温度控制系统的一种数学控制模型，提出了其主要参数的温度确定计算方法，并通过利用实测到的数据对这种数学控制模型功能进行了分析验证。文献[14]设计了一种混合的型模糊PID控制器。文献[15]研究了一种混合控制的炉温控制系统，解决了炉温控制中即想要稳定性，又想要快速性和精确性的矛盾。文献[16]研究模糊免疫PID电热炉温度控制系统，介绍了免疫反馈的原理、免疫PID控制器以及算法的设计。文献[17]分析了电加热炉温度控制系统的工作原理。文献[18]研究确定了电加热炉的炉体温度控制采用数学温度表达式，并和目前传统的用于模拟化学仪表温度控制的PID等算法同时进行了温度比较。文献[19]研究建立基于PID延时闭环系统的设计模型，在此理论基础上研究提出基于电光谱离子分解的闭环中立型延时闭环控制设计理论与基于PID相随机结合的闭环综合延时控制设计方法，实现基于电加热炉工作温度的闭环综合延时控制。文献[20]设计开发出一种能将常规室内PID温度控制与模糊控制相有机结合的新型智能温度控制管理系统。电加热炉温控制算法研究现状电加热炉是—个复杂的、多变的工业控制系统。同时在生产过程中，对于不同形状、不同规格、不同尺寸的产品，电加热炉的温度控制效果是不一样的。随着系统的复杂及对控制精确的要求越来越高，传统控制方法越来越难以满足实际的控制需求。所以更加先进、更加有效的控制方法是电加热炉控制技术发展的趋势。目前在实际生产的电加热炉温度控制系统中，控制方法主要以常规的控制算法为主。对于一些相对简单的时非线性,时不变量的系统我们能够直接建立相对准确的系统数学模型，采用这种控制方法能够直接取得令人满意的系统控制分析效果。但对于复杂的实际控制变量系统，特别地像是对于多参数输入多控制输出的实际控制变量系统，且控制变量之间经常都会存在一定的相互耦合，其精确的实际数学物理模型往往难以获得，而通过近似等数学手段所能获得到的数学物理模型不能正确地地反映实际控制系统的物理特性。对于这种复杂问题，可以通过技术改进模糊控制管理系统设计方式或者通过优化模糊控制策略，例如，模糊控制不需要依赖精确的传统数学控制模型，对于非线性的控制系统可以具有更优的模糊控制系统效果。本文的研究内容和章节安排本文主要通过对电加热炉温度控制系统温度控制的原理和数学模型的分析，设计了基于控制器和模糊控制器，通过对两种控制器的比较分析，模糊控制器的各项参数优于控制器，因此，电加热炉温度控制的模糊控制器更加适合电加热炉温度控制系统的研究。第一章研究了电加热炉温度控制系统的背景与意义以及国内外研究现状。第二章分析电加热炉温度控制系统的基本原理，结合电加热炉的物理特性，首先，通过机理法建立数学模型，最后，通过两点建模法获取模型参数。第三章主要设计了电加热炉温度控制器与电加热炉模糊温度控制器，详细化地介绍了电加热炉温度控制系统和电加热炉模糊控制系统的基本工作控制原理及系统结构，对PID控制器的各种参数值进行了整合设定，对模糊量的输入量与输出量分别做了清晰化计算处理，以及对使用电加热炉模糊温度控制系统的模糊温度控制器的工作参数的正确设定。第四章对电加热炉温度控制系统的仿真。比较了控制与模糊控制方法的优缺点，对电加热炉温度控制系统两种不同的控制方法进行分析。第五章所研究的电加热炉温度控制系统进行总结，针对自适应模糊控制器的不足做出了展望。

电加热炉温度控制系统数学模型的建立本章建立了电加热炉温度控制系统的数学模型。介绍了电加热炉的工作原理，基于对电加热炉模型的物理特性的分析，推导出了电加热炉温度控制系统的基本结构，最后利用两点建模法开环阶跃响应实验计算得到电加热炉温度控制系统的模型表达式。电加热炉的工作原理本文结合电加热炉的温度控制，选取的电加热炉温度控制系统的结构如图2-1所示。图2-1电加热炉温度控制系统结构电加热炉模型的控制对象为电加热炉温度，设备温度为被控制量，铂电阻为电加热炉温度检测元件，通过温度变送器送到系统的比较器中，与预设值比较之后的差值，作为电加热炉控制器的输入信号，通过改变输入信号的大小来改变输出的电压值，从而实现了对电加热炉模型温度控制的目的。电加热炉模型的建立电加热炉温度模型函数，是一种随着时间变不断增长，炉内外温度发生变化的一维函数关系式，在电加热炉通电后，电加热炉中一个电热力对电阻丝就开始运动，产生热量，通过热学函数公式可以分析得到，电热力对电阻丝作用产生大量热能，经过电加热后，电阻产生的热能与电加热炉炉内温度之间的一维物理函数关系式如下：（2-1）其中，表示热容。电阻丝在高温工作过程中，由于收到外界加热环境的直接影响，炉内温度会产生误差，结合电路热能方程，给出了热能增量计算公式：（2-2）其中，表示电阻丝的电阻值，表示电加热炉炉内温度的变化量，表示电加热炉炉外的温度增量的变化，表示电加热炉炉内累积产生热能的增量。将式（2-2）进行变换，可得频域表达形式：（2-3）根据式（2-3）通过等式函数变换得到电加热炉系统的总热量与电加热炉炉内温度之间的频域函数关系式：（2-4）用表示上述方程的增益系数，表示上述方程惯性时间的常数。因为电加热炉的在电加热工作过程中有外部环境因素的干扰，所以，在最终建立的电加热炉温度控制系统模型里，也需要充分考虑滞后给电加热炉温度控制系统所带来的直接影响，所以，最终系统的数学模型可以重新写为：（2-5）其中，表示延迟时间常数。下面基于机理建模法并运用两点建模法确定电加热炉数学模型的参数。（1）基于机理建模的方法，可知控对象的传递函数模型为：（2-6）其中，表示电加热炉温度控制系统的传递函数，和分别表示电加热炉温度控制系统的温度输出和响应输入的频域形式。（2）在电加热炉的控制输入端，加入阶跃响应信号，得到系统对应的阶跃响应曲线图[21]，如图2-2所示：图2-2系统的阶跃响应曲线（3）采用两点法计算电加热炉温度控制系统模型中的各参数值。首先，基于电加热炉温度控制系统的时域响应过程可以表示为：（2-7）其中，表示系统初始时刻的炉内温度值，表示电加热炉温度控制系统阶跃响应的输出增量幅值。针对系统模型的增益系数K，可以通过电加热炉温度控制系统达到稳定后的过程输出温度值与阶跃响应输入值的比值来求出，公式如下：（2-8）然后，假设两点法建模的两个参考点分别为和且，并将这两个参考点带入式（2-7），可以得到：(2-9)由此可得（2-10）最后，对方程组（2-10）求解可得到电加热炉温度控制系统模型的惯性时间常数和滞后时间为：（2-11）为了简化计算，选取一些特殊的参考点来计算模型系数，如：（2-12）为了确定电加热炉温度控制系统模型系数中和的值，选取阶跃响应曲线图中的两个坐标值，来进行求解。分别选取,代入方程中得：(2-13)经多次实验取平均值，可得电加热炉温度模型的参数为:K=1.25，T=612.5，。本章小结本章通过介绍了电加热炉温度控制系统各个组成部件及其结构的工作原理，并通过数学机理建模法分析了电加热炉温度控制系统的数学模型。首先，基于对电加热炉的物理特性分析、推导得出了该系统的基本模型结构。最后，通过开环阶跃响应实验通过计算得到了电加热炉温度控制系统的被控对象模型表达式。

电加热炉温度的控制介绍了电加热炉温度控制系统的PID控制原理，设计了电加热炉模型的PID控制器以及模糊PID控制器，并对数据进行了处理。电加热炉温度的PID控制PID控制原理电加热炉温度控制的PID控制是通过电加热炉温度的实际值与电加热炉温度的设定值的偏差进行比例、积分、微分运算后，将各部分的结果进行求和后得到输出控制量，其工作原理如图3-1所示。图3-1PID控制原理图控制器的数学模型表达式为：（3-1）上式中，为积分时间常数,为微分时间常数,为偏差比例系数,为偏差积分数,为偏差微分系数。传递函数的形式如下：（3-2）上式为温度的设定值(℃)、为电加热炉PID控制器的输出值(℃)，为电加热炉PID控制器的输入值(℃)、为被控制对象的实际输出值(V)。PID参数整定方法对于电加热炉温度控制器，需要对其参数进行整定，才能正常工作。本文采用整定方法为Z-N法。Z-N整定方法是基于一阶近似仿真模型对开环阶跃响应曲线所欲要的的参数进行参数辨识，整定所需要得到的控制参数。大量工业生产的实时数据进行数学归纳及推导分析得出，该方法主要适用于系统开环响应曲线为阶跃曲线的情况。采用一阶惯性滞后模型对电加热炉温度控制模型的参数进行了整定，电加热炉温度控制系统的传递函数表达式如下：（3-3）当确定传递函数的值后，PID的控制器参数的整定公式如表3-1所示。表3-1Z-N法PID参数整定公式控制器PPIPID电加热炉温度的模糊PID控制模糊PID控制器的原理电加热炉控制器由推理机构和控制器两个主要部分共同组成，系统工作中，以变量偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，经过系统的模糊推理后，输出模糊量，经过系统的清晰化处理后，分别得到控制器的调整值，与控制器的初始值相加后得到实时的，最后通过控制器运算输出控制量。图3-2模糊PID控制原理图模糊控制器可以把它看作离散数学模型函数的拟合，从其本质上来说就是一个插值器。模糊控制器的结构组成是模糊推理机、输入输出接口、被控制对象以及传感器。其中，模糊推理机是最重要的组成部分。将采集得到的数据与预设值进行了比较，分别计算得到温度的偏差与温度偏差的变化率，经过模糊化、模糊推理和清晰化，最后得到计算得到输出控制量，驱动执行器进行动作。模糊控制系统工作的原理框图如图3-3所示。图3-3模糊控制原理图模糊控制器的设计模糊控制器在设计的过程中，主要包括以下几个重要的过程，分别是输入量模解模糊等几个步骤，下面通过二级模糊控制器的设计流程为例来进行说明。（1）模糊化系统中所需要采集的模糊数据必须经过量化因子的处理后，才能够映射显示出来。设二级模糊控制器的输入变量偏差和偏差变化率的基本论域分别为，，输入输出量的模糊子集均为,输出量的论域为，为模糊常数，一般选取3~10，如取{负（N）,零（ZO）,正（P）},{负大（NB），负小(NS)，零(ZO)}等。隶属度函数的选取在模糊控制器的设计中，具有举足轻重的作用，在设计和选取的过程中主要由被控制对象的特性所决定，本文所用的隶属度函数为三角形函数具体如下。（3-4）三角形函数的类型如图3-4所示。图3-4三角形隶属函数（2）模糊控制规则设计控制规则作为模糊控制器的最重要的一个组成部分，模糊控制器设计的好坏直接决定了其控制系统的性能是否符合实际需要。控制规律的设计方法主要是根据作业人员实际的操作过程，将合理的操作方式总结成合适的模糊语句，进而控制实际的系统。模糊控制规则见附录。（3-5）（3-6）…（3-7）（3）模糊推理模糊推理相对于平常使用的模糊推理算法，它可以被简单的看做是一种近似的模糊推理计算方式，当的输入和输出的变量在各自论域上的隶属度函数都已知时，就能推理出每一条模糊语句和确定模糊关系，然后通过求和的方法求出模糊关系。（4）清晰化方法在模糊控制体系中，经过多次推理运算后，得到的控制量集合是一种模糊量的集合，为了达到控制对象的目，需要将其转换为一个合适的控制量。即清晰化，清晰化的方法有多种，其在选取的过程中主要参考的原则，本文选用重心法。重心法计算方法：首先假设输出模糊论域的集合，处的隶属度为，则重心点坐标值即为推理值，其重心法计算式如下。（3-8）输出模糊论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，输出比例因子选择为0.125；输入输出量的模糊化及清晰化要想保证模糊控制器正常运行，就需要设置一个输入和输出变量的理论域。根据电加热炉控制系统的工作特性可以了解，选取温度偏差及其温度偏差变化率的基本论域分别把温度偏差映射到模糊控制论域上，由于模糊论域范围的大小直接影响到控制效果，本文通过对实际系统需求及计算机控制的数据进行分析，选取温度偏差和温度偏差变化率的模糊论域和均为[-6，6]。根据偏差、偏差变化率的理论论域和模糊理论论域，量化因子、的计算式为下。（3-9）（3-10）对于模糊推理射到物理论域，根据温度控制过程的实际要求，首先根据调试结果，确定模糊控制参数的值，选取模糊控制器的参数的量的物理论域分别为[-0.25,0.25]，[-0.015,0.015]，[-0.4,0.4]，模糊论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，则比例因子计算式如下。（3-11）（3-12）（3-13）同时在实际设计和应用编写模糊控制的规则时，需要仔细考虑如何采用合适模糊规则方法语言定义变量来准确地直观表述模糊控制器的规则，基于实际应用情况，将模糊控制器的参数和调整器的语言定义变量分别取为：语言变量均取为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，即负大，负小，负中，零，正小，正中，正大。模糊PID控制器的隶属函数隶属函数的选取需要考虑首先需要考虑到系统的控制精度要求、复杂程度、运算能力等多个方面的要求，本文结合实际需求，的模糊子集隶属函数均选取便于内存小的三角形隶属函数，具体如图3-5所示。图3-5模糊PID控制器隶属函数其赋值表如下：表3-2语言变量的赋值表语言值-6-5-4-3-2-1012345-6PBPMPSZONSNBNM000000000000.510000000000.510.50000000.500.510.500000000.50.510.5000000000.50.50000000000.510.500000000010.500000000000模糊PID控制器控制规则为了保证模糊PID控制器能够正常稳定地工作，有必要制定合理的模糊控制规则。根据PID控制器中各种参数的作用，模糊PID控制器参数设定值的控制规则如下:表3-3参数的模糊控制规则表ECNBNMNSZOPSPMPBENBPBPBPMPMNSPMPBNMPBPBPMPSNSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZOPSNMNMPSPSPSZONSPSNMNMPMPSZONSNMPMNBNBPBZOZONMNMPMNBNB表3-4参数的模糊控制规则表ECNBNMNSZOPSPMPBENBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPMPMZOZOPSPMPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表3-5参数的模糊控制规则表ECNBNMNSZOPSPMPBENBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB本章小结本章主要详细介绍了两种基于电加热炉温度控制系统，即PID温度控制系统和模糊PID温度控制系统，基于这两种电加热炉温度控制系统，设计了电加热炉的PID温度控制器和电加热炉的模糊PID温度控制器。

电加热炉温度控制系统的仿真与结果分析本章对设计的电加热炉温度控制系统进行仿真，基于Matlab/Simulink分别搭建PID控制、模糊PID控制的温度仿真控制系统，对仿真结果进行了分析。PID控制结合第二章的分析，可得电加热炉温度模型的参数为:K=1.25，T=612.5，。模型的传递函数如下：（4-1）常规PID的控制仿真模型如下图4-1所示：并采用Z-N法整定得到PID控制的三个参数初始值，然后经过多次经调整后的PID控制参数分别为，，，如图4-2所示：图4-1PID控制系统结构图图4-2PID控制参数整定图根据实际的电加热炉温度控制要求，选择分别设置系统的输入设定值120度，和750度阶跃信号输入，如图PID控制结果图4-3120度PID控制仿真结果图4-4750度PID控制仿真结果从仿真结果中可知，设计好的PID控制，经过各种参数的多次调试后，实际仿真的结果基本上斗能够完全满足实际的需求，具有较小的超调量，大概可以达到2%左右，响应速度与稳态时间也基本能够完全满足实际系统的要求。模糊PID控制仿真模型模糊PID控制器的模型主要包括模糊整定PID参数的系统和PID运算模块,系统各输入变量的测值和量化因子分别表示为：，输出量的比例因子分别为：。电加热炉PID参数的初始值分别为：。图4-5模糊PID控制系统结构图电加热炉PID控制器与模糊控制器两个模块的结构分别如图4-6和图4-7。图4-6PID控制器图4-7模糊控制器模糊推理系统编辑器，如图4-8所示。图4-8模糊推理系统编辑器根据不同主控系统参数对于、和以及对系统进入输出信号特征影响的实际情况，可以通过参数归纳分析得出在不同参数和以及时，被控系统参数对于、和以及的自动相适应精度要求,和都按7种情况来计算，从而可得49条模糊控制规则的语言描述如图4-8所示。当较大时,为了有效地加快对系统的反馈速度,应该采用较大的、较小的。同时为防止受到系统的响应约束，通常取。所以当系统偏差超调大小处于一个中等数值范围内的偏差大小时，为了保证能够同时使系统的物理响应范围有较小的偏差超调的偏差取平均值系数应该更适当。在这中各种特殊情况下，的数据取得数值对整个系统的性能影响比较大，取得数值的范围大小也一定要合适，以便于有效保证整个系统的数据反馈和处理速度。所以当偏差较小时，应该分别增加和的两个取值，同时也是为了避免其存在的抗干扰特性。例如，当较小时应该取大些,但是当较大时，应该取小些。隶属度函数曲线如图4-9所示。图4-9隶属函数曲线模糊规则编辑窗口，如图4-10所示。图4-10模糊规则编辑窗口模糊Rule编辑窗口，如图4-11所示。图4-11模糊Rule编辑窗口电加热炉的模糊PID控制结果如图4-12所示。图4-12电加热炉模糊PID控制仿真结果电加热炉的模糊PID与PID仿真图如图4-13所示。图4-13电加热炉PID与模糊PID比较仿真结果从上述的仿真结果中我们可以清楚地得知，模糊

PID的仿真结果相对于目前传统PID的控制，超调量基本稳定为零,响应速度加快、调节精确性提高、稳态性能变好。实验表明，模糊逻辑的工具箱能够方便地通过编辑一个文件的方式来自动设计模糊的控制器，能够在系统中实现灵活的设定和修改一个控制器的参数，通过可以通过程序将模糊控制工具箱和PID控制模块两者的优势结合起来，达到更加完美的控制效果。本章小结本章在仿真软件中搭建了电加热炉的PID控制器与模糊PID控制器，通过对电加热炉温度控制系统量的控制器仿真曲线的分析，得出了电加热炉的模糊PID控制器相对于电加热炉的PID控制器来说，电加热炉的模糊PID的稳态性能较好。致谢PAGE38PAGE37结论与展望结论本文主要做了几个重点方面的研究工作，首先温度变量作为产品工业生产中重要的温度控制变量，其对温度的控制精准性，直接决定了产品的质量优劣与好坏。目前在实际生产中主要采用电热炉加热的控制方式来对产品温度进行控制，控制系统一般都采用传统

PID的控制方法来控制系统温度，但由于电热炉加热系统本身就是一个非线性、复杂系统，所以常规PID控制方法在很多情况下都没有任何办法达到令人满意的控制效果。本文将钢铁企业生产过程中电热炉加热系统作为主要研究对象，在传统常规PID控制器基础上，结合模糊控制，设计了电加热炉温度的PID控制器和模糊PID控制器。利用

MATLAB/Simulink

搭建电加热炉的系统仿真。由仿真曲线可知，电加热炉超调量的模糊PID仿真结果与电加热炉超调量PID控制相较，其中超调量基本均值为零，响应速率加快、调整精度增强、稳态性能也变好。而且，模糊逻辑的工具箱还可以方便地用于通过编辑一个文件的方式来自动设计模糊的控制器，能够轻松实现对一个控制器中各种参量的自动设定与修改，使电加热炉模糊控制器达到更加有方便的控制效果。展望通过调整

PID

控制系统中的参数，虽然整个系统的性能有所改善，但是整个温度控制系统的超调量仍然较大，系统很容易产生振荡，系统的超调量小与系统的调节时间之间一直存在冲突，无法解决。采用模糊

PID

控制方式进行温度控制，能够很好地实现对电加热炉的温度控制系统的准确控制。但是，模糊控制的持续发展尚不够久，理论的科学系统化和完善性仍然远远不够，模糊控制在理论方面还应该在容易控制和消除静态误差方面进行研究，在应用方面应该在模糊预测控制方向研究。

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