21加熱爐鋼坯溫度智能控制

1、北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要手段。近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)公害方向發(fā)展。加熱爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)均溫過(guò)程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)，促使人們更加積極地研究控制熱加工工藝過(guò)程的方法。加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。因此本文將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)，利用模糊控制規(guī)則自適應(yīng)地在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行

2、修改，借此提高其控制效果。本系統(tǒng)以8031單片機(jī)為主體，構(gòu)成一個(gè)能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜控制功能的智能控制器，使其既可與微機(jī)配合構(gòu)成兩級(jí)控制系統(tǒng)，又可作為一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的靈活性和可靠性。單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，進(jìn)行智能算法得到控制值，輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，從而加熱鋼坯。本文提出的基于模糊的自整定PID控制算法的控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理及控制結(jié)果顯示等功能，所獲控制精度高，對(duì)高質(zhì)量熱處理件的加工具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞是為了文獻(xiàn)標(biāo)引工作從論文中選取出來(lái)用以表示全文主題內(nèi)容信息款目的單詞或術(shù)語(yǔ)。如有可能，應(yīng)盡量用漢語(yǔ)主題詞表等詞表提供的規(guī)范

3、詞。不用此信息時(shí)，刪除此框。關(guān)鍵詞：加熱爐；自整定；模糊控制；單片機(jī)The design of Intelligent control system of reheating furnace billet temperature AbstractHeat treatment is a main means of improving metal material and metalwork. In recent yeas, with the development of industry, there are more and more supernal request for metalwor

4、k, so heat treatment is hammering at high quality and efficient, low-power and zero-social effects of pollution. Resistance furnace is a used broadest heating equipment in heat treatment, and measurement and control of temperature in heating is becoming pivotal technic. These urge people study metho

5、ds of controlling heating process.Reheating furnace has pure lag and larger inertia. There are many factors which affect controlling process, such as opening and closing furnace door, heated metal material, surrounding temperature and wire power. In tradition, heating furnace controlling system is m

6、ost based on some model, which can't achieve heating process request. So this paper try in draught fuzzy controlling arithmetic into traditional heating furnace controlling system to form brainpower fuzzy control system. It makes using of fuzzy control rule to self-tuning PID parameters on line,

7、 and improving its control effect.This system take 8031 monolithic integrated circuits as the principal part and is an intelligent controller that can work intricater data processing and intricate control function. It not only is a member working with computer but also is a self-governed control, an

8、d has more flexible and security. Monolithic integrated circuit basis input each kind of order, carries on the intelligent algorithm to obtain the control value, the output pulse trigger pip, thus heats up the reheating furnace.Fuzzy self-tuning PID control this paper bring forwards has veriest inte

9、lligent and flexible, which has auto-measurement, gathering and dealing with real time data and show control result, etc. It has high control precision and directive meaning for processing quality heating metalwork.Key Words：reheating furnace;self-tuning;fuzzy control;single chip- 2 -目錄摘要1Abstract2引

10、言11 緒論21.1 鋼坯加熱工藝過(guò)程21.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述31.3 研究背景及意義61.4 本文的研究構(gòu)思和設(shè)想72 加熱爐鋼坯溫度智能控制系統(tǒng)82.1 加熱爐的控制特點(diǎn)82.2 加熱爐模糊控制器的設(shè)計(jì)92.2.1 模糊PID控制器的原理及控制器算法改進(jìn)92.2.2 模糊PID控制技術(shù)112.3 加熱爐控制系統(tǒng)仿真研究132.3.1 PID控制132.3.2 模糊控制152.3.3 模糊PID控制162.3.4 仿真結(jié)果分析172.4 本章小結(jié)183 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)193.1 主控板設(shè)計(jì)193.1.1 確定主控板的功能193.1.2 處理器及A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇203.1.3

11、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路243.1.4 輸出接口電路設(shè)計(jì)253.1.5 鍵盤(pán)、顯示電路設(shè)計(jì)263.2 溫度傳感器DS18B20274 軟件部分設(shè)計(jì)294.1 程序主框架設(shè)計(jì)294.1.1 主程序設(shè)計(jì)294.1.2 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)314.1.3 采樣子程序設(shè)計(jì)344.1.4 模糊控制器控制程序的設(shè)計(jì)364.1.5 鍵盤(pán)顯示程序設(shè)計(jì)44結(jié)論49參 考 文 獻(xiàn)50附錄A硬件接線圖52致謝53北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引言隨著世界人口的不斷增加以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)日益加深。在1973年發(fā)生第一次石油危機(jī)以后，開(kāi)發(fā)新能源和節(jié)能的研究便成為世界各國(guó)關(guān)注的主要課題。自70年代中期以來(lái)，各工業(yè)先進(jìn)國(guó)對(duì)各種

12、燃燒設(shè)備的節(jié)能控制進(jìn)行了廣泛深入的研究，大大降低了能耗。冶金工業(yè)是耗能大戶(hù)，其中鋼坯加熱爐就占鋼鐵工業(yè)總能耗的25%。因此，提高加熱爐熱效率、降低能耗，對(duì)整個(gè)鋼鐵工業(yè)節(jié)能具有重要意義，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的重視。隨著現(xiàn)代化軋機(jī)向連續(xù)、大型、高速、高精度和多品種方向發(fā)展，對(duì)鋼坯加熱質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，從而也對(duì)加熱過(guò)程提出了更高的要求。加熱爐是鋼鐵工業(yè)軋鋼生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備之一，也是主要的耗能設(shè)備。加熱爐燃燒過(guò)程具有非線性、強(qiáng)耦合、不確定性、分布參數(shù)特性，是一個(gè)高度復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程。鋼坯加熱的質(zhì)量直接影響到鋼材的質(zhì)量、產(chǎn)量、能源消耗和軋機(jī)壽命，加熱爐燃燒過(guò)程控制技術(shù)成為鋼鐵企業(yè)研究的重要課題之一，在國(guó)

13、內(nèi)外都得到了廣泛的重視。為了有效解決目前加熱爐燃燒過(guò)程普遍存在的能耗高、鋼坯溫度波動(dòng)嚴(yán)重、溫度控制精度差等問(wèn)題，論文提出了加熱爐溫度智能控制技術(shù)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的加熱爐溫度智能控制，仿真結(jié)果表明，模糊PID控制能有效抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的不確定性干擾因素，使系統(tǒng)能在最佳狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。 1 緒論1.1 鋼坯加熱工藝過(guò)程1加熱爐加熱鋼坯的目的鋼坯在軋制或鍛造前的加熱是鋼坯熱加工過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，加熱爐加熱鋼坯的目的是： (1)提高金屬的塑性。金屬在冷的狀態(tài)下可塑性很低，為了改善金屬的熱加工條件，必須提高金屬的塑性。一般來(lái)說(shuō)，金屬的熱加工溫度越高，可塑性越好。例如:高碳鋼在常溫下的變形抗力約為600

14、0kg/cm2這樣在軋制時(shí)就需要很大的軋制壓力，消耗很大的能量。如果將它加熱到1200，其變形抗力降低到大約“300 kg/cm2，比常溫下的變形抗力降低20倍。所以鋼的溫度越低，加工所消耗的能量越大，軋機(jī)的磨損也越快，而且變形抗力過(guò)大時(shí)還容易發(fā)生斷棍事故。(2)使鋼坯內(nèi)外溫度均勻。由于金屬內(nèi)外的溫度差，使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力會(huì)造成軋材時(shí)的廢品或缺陷。通過(guò)均熱使斷面上溫差縮小，避免出現(xiàn)危險(xiǎn)的溫度應(yīng)力。(3)改變金屬的結(jié)晶組織。鋼坯在連鑄過(guò)程中會(huì)帶來(lái)一些組織缺陷，通過(guò)在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的保溫，可以消除或減輕這類(lèi)缺陷的危害。鋼坯加熱的質(zhì)量直接影響到軋材的質(zhì)量、產(chǎn)量、能源消耗以及軋機(jī)的壽命。正確的加熱工

15、藝可以提高金屬的塑性，降低熱加工時(shí)的變形抗力，按生產(chǎn)節(jié)奏為軋機(jī)提供加熱質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼坯，保證軋機(jī)生產(chǎn)順利進(jìn)行。反之，如加熱工藝不當(dāng)，或加熱爐的工作配合不好，就會(huì)直接影響軋機(jī)的生產(chǎn)。例如，加熱溫度過(guò)高，會(huì)發(fā)生鋼的過(guò)熱、過(guò)燒，軋制時(shí)就要造成廢品。鋼的表面發(fā)生嚴(yán)重的氧化或脫碳，也會(huì)影響鋼的質(zhì)量，甚至報(bào)廢。目前有的軋機(jī)不能充分發(fā)揮作用，往往是因?yàn)榧訜峁に囘@一環(huán)節(jié)薄弱。2加熱爐加熱鋼坯時(shí)易產(chǎn)生的加熱缺陷鋼坯在加熱過(guò)程中，加熱爐中的溫度和氣氛必須調(diào)整得當(dāng)，否則就會(huì)出現(xiàn)各種加熱缺陷，如氧化、脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等。3金屬的加熱溫度和加熱速度(1)金屬的加熱溫度金屬的加熱溫度指金屬加熱完畢出爐時(shí)的表面溫度。金屬軋制

16、、鍛壓前的加熱是為了獲得良好的塑性和較小的變形抗力，加熱溫度主要根據(jù)熱加工工藝要求，由金屬的塑性和變形抗力等性質(zhì)來(lái)確定。不同的熱加工方法，其加熱溫度也不一樣。(2)金屬的加熱速度金屬的加熱速度是指單位時(shí)間內(nèi)，金屬的表面溫度升高的度數(shù)，單位為“/min或/h。從生產(chǎn)率的角度，希望加熱速度越快越好，而且加熱的時(shí)間短，金屬的氧化燒損也減少，但是提高加熱速度受到爐子供熱條件和金屬內(nèi)外允許溫度差問(wèn)題的限制。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1加熱爐控制現(xiàn)狀加熱爐是軋鋼生產(chǎn)企業(yè)主要的耗能設(shè)備，如何保證被加熱后的鋼坯能夠進(jìn)行有效軋制的前提下，降低加熱爐的能耗，一直是冶金工業(yè)控制技術(shù)研究課題的一個(gè)主要方向。在加熱爐控

17、制方面，早期的工作主要是在常規(guī)燃燒控制上，隨著現(xiàn)代軋機(jī)向連續(xù)、大型、高速、高精度和多品種方向發(fā)展，對(duì)鋼坯加熱質(zhì)量要求越來(lái)越高，從而對(duì)加熱爐的控制也提出了更高的要求，這就促使人們?nèi)パ芯扛咂焚|(zhì)的加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)1。到七十年代末，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的加熱爐的計(jì)算機(jī)控制已進(jìn)入實(shí)用階段，但就其控制策略來(lái)看，主要為局限于以傳統(tǒng)燃燒控制技術(shù)為基礎(chǔ)的DDC控制。文獻(xiàn)23 采用施密斯預(yù)估補(bǔ)償?shù)募訜釥t溫度PID控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)空燃比、煙道殘氧量、燃料流量與空氣流量等參數(shù)的控制，以期使加熱爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的最佳燃燒，并開(kāi)發(fā)了大量的相關(guān)算法，但是，隨著這些控制的應(yīng)用，人們很快發(fā)現(xiàn)，僅僅考慮爐內(nèi)燃料的合理燃燒是不夠的，因?yàn)?/p>

18、加熱爐生產(chǎn)的直接目標(biāo)是獲得工藝規(guī)定的鋼坯加熱溫度以保證良好的軋制性能，并在此前提下力求使加熱過(guò)程的能量消耗最小。但是，由于目前測(cè)試技術(shù)的限制、在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)鋼坯內(nèi)部溫度的檢測(cè)比較困難，為了獲得鋼坯內(nèi)部的溫度，文獻(xiàn)45嘗試通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法實(shí)現(xiàn)鋼坯溫度的軟測(cè)量，即通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法預(yù)報(bào)鋼坯內(nèi)部的溫度。迄今為止研究工作者應(yīng)用集中參數(shù)、分布參數(shù)、回歸分析及狀態(tài)估計(jì)等方法對(duì)鋼坯熱狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述。但大多數(shù)方法太復(fù)雜或考慮生產(chǎn)實(shí)際情況不夠，而很難為工程實(shí)際所應(yīng)用。文獻(xiàn)6采用的PLC控制理論算法包括系統(tǒng)辨識(shí)、比例積分微分參數(shù)整定及優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)PLC對(duì)紅外線快速加熱爐溫度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的快速加熱和冷

19、卻及溫度升降的循環(huán)控制，但據(jù)文獻(xiàn)7道該模型在應(yīng)用中存在著一些不足，主要是模型的邊界條件被經(jīng)驗(yàn)的描述為鋼坯表面熱流密度的函數(shù)，由此導(dǎo)致精度低、自適應(yīng)性差。加熱爐作為鋼鐵廠主要的耗能設(shè)備之一，每年的燃料消耗非常巨大，在七十年代席卷全球的能源危機(jī)的影響下，工程技術(shù)人員迅速把目光集中在如何使燃料充分燃燒，發(fā)揮最大的作用上。于是最佳燃燒控制便迅速發(fā)展和完善起來(lái)。在加熱爐燃燒控制中，主要有爐內(nèi)溫度控制及加熱爐雙交叉限幅燃燒控制，此外還有為減少爐外冷空氣侵入及火焰外噴的爐膛壓力調(diào)節(jié)；保障流量調(diào)節(jié)回路穩(wěn)定的燃?xì)饧翱諝饪偣軌毫φ{(diào)節(jié)以及為保證穩(wěn)定的空燃比而進(jìn)行的溫度、壓力及燃?xì)獾臒嶂敌拚?，這都是保證最佳燃燒所不可

20、缺少的。2加熱爐控制技術(shù)的工程應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)際上從70年代就已開(kāi)始加熱爐計(jì)算機(jī)控制的研究.我國(guó)在這方面起步較晚，從80年代初才開(kāi)始這方面的研究工作。但近十多年來(lái)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，加熱爐計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用日趨廣泛，控制水平有明顯提高，并且取得了一些應(yīng)用成果。表1-1和表1-2分別介紹了國(guó)內(nèi)、外加熱爐計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用的現(xiàn)狀。表1-1 加熱爐計(jì)算機(jī)控制在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的現(xiàn)狀廠名所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀大連鋼廠初軋分廠M6809油風(fēng)自動(dòng)化配比、殘氧閉環(huán)控制、爐溫爐壓PID控制攀鋼初軋廠Intel機(jī)型燒鋼P(yáng)ID過(guò)程控制、鋼錠燒好預(yù)報(bào)、事故處理、爐溫顯示、打印等功能萊鋼軋鋼廠T1565機(jī)DDC、SPC級(jí)

21、控制采用自尋優(yōu)技術(shù)并按照數(shù)字模型燒鋼，均熱期采用脈動(dòng)供熱技術(shù)，并計(jì)劃投入SCC控制馬鋼初軋廠TMC-80單板機(jī)采用分區(qū)控制策略，過(guò)程控制與監(jiān)視、殘氧閉環(huán)控制、按加熱曲線燒鋼太鋼初軋廠T1565機(jī)煤氣、空氣流量以及爐壓的PID控制、自尋優(yōu)及專(zhuān)家控制算法、溫度檢測(cè)及越限報(bào)警首鋼初軋廠TK-80爐溫、爐壓、空氣流量、煤氣流量控制表1-2 加熱爐計(jì)算機(jī)控制在國(guó)外應(yīng)用的現(xiàn)狀7，8國(guó)家及廠名所用機(jī)型應(yīng)用現(xiàn)狀日本Kashima鋼廠鋼坯目標(biāo)出爐溫度計(jì)算，開(kāi)發(fā)了加熱爐燃燒控制專(zhuān)家系統(tǒng)，用專(zhuān)家系統(tǒng)選擇優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，確定設(shè)定溫度瑞典DOMNNARVET廠實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在線最優(yōu)控制，包括最佳加熱曲線的確

22、定和最優(yōu)爐溫控制新西蘭Hooogoven公司PDP11-40計(jì)算機(jī)采用熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行鋼溫預(yù)報(bào)、爐溫優(yōu)化控制、空燃比控制美國(guó)Dofasco公司1級(jí)：PLC控制器Honeywell TDC30002級(jí)DEC VAX8350步進(jìn)輻射式加熱爐全自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)具有過(guò)程溫度控制、坯料跟蹤及生產(chǎn)管理功能從表1-1和表1-2可以看出近年來(lái)國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的加熱爐控制技術(shù)雖然有了較大發(fā)展但和國(guó)外鋼鐵企業(yè)相比還有不小差距，其中之一為國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的加熱爐控制主要局限于常規(guī)PID控制和以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)結(jié)合應(yīng)用的多種控制方法，這些方法主要適用于動(dòng)態(tài)性能良好且對(duì)控制要求不太高的線性系統(tǒng)當(dāng)中，不能滿足系統(tǒng)在不同誤差和

23、誤差變化率情況下對(duì)參數(shù)的自整定要求，很難建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法達(dá)到智能溫度控制的理想效果。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)與智能控制技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的科技手段已經(jīng)成功地應(yīng)用于加熱爐的爐溫控制中。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)外的各鋼鐵企業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。而且作為鋼鐵工業(yè)強(qiáng)國(guó)的美國(guó)、日本等國(guó)家已有了將專(zhuān)家系統(tǒng)和模糊控制應(yīng)用于鋼廠加熱爐燃燒控制的報(bào)道。國(guó)內(nèi)在這一方面的研究比較欠缺。加熱爐溫度控制器在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)控制過(guò)程中都得到了廣泛應(yīng)用。但是，目前國(guó)內(nèi)的加熱爐溫度控制器大多還停留在國(guó)際60年代水平，仍在使用常規(guī)PID控制或繼電接觸器控制，自動(dòng)化程度低，動(dòng)態(tài)控制精度差，滿足不了日益發(fā)展的

24、工藝技術(shù)要求。加熱爐溫度控制具有非線性、大滯后、大慣性、多變量、時(shí)變形、升溫單向性等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用和研究中，加熱爐溫度控制遇到了以下困難：第一，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型；第二，不能很好地解決非線性、大滯后等問(wèn)題。以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制論在解決這些問(wèn)題時(shí)遇到了極大的困難，而以語(yǔ)言規(guī)則模型(IFTHEN)為基礎(chǔ)的模糊控制理論卻是解決上述問(wèn)題的有效途徑和方法?；谝陨显颍瑸榱烁倪M(jìn)國(guó)內(nèi)在這方面技術(shù)上的欠缺，本文提出基于單片機(jī)的加熱爐鋼坯溫度的模糊PID控制。模糊PID控制的溫度智能控制系統(tǒng)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了智能控制器的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明此系統(tǒng)運(yùn)行可靠，控制精度高，能夠滿足低超調(diào)快

25、速升溫，精確保溫，溫度分布均勻性好的生產(chǎn)工藝要求。1.3 研究背景及意義1研究背景隨著現(xiàn)代軋機(jī)向連續(xù)、大型、高速、高精度和多品種方向發(fā)展，對(duì)鋼坯加熱質(zhì)量要求越來(lái)越高，從而對(duì)加熱爐的控制也提出了更高的要求，這就促使人們?nèi)パ芯扛咂焚|(zhì)的加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)。到七十年代末，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的加熱爐的計(jì)算機(jī)控制已進(jìn)入實(shí)用階段，但就其控制策略來(lái)看，主要為局限于以傳統(tǒng)燃燒控制技術(shù)為基礎(chǔ)的DDC控制。人們通過(guò)對(duì)空燃比、煙道殘氧量、燃料流量與空氣流量等參數(shù)的控制，以期使加熱爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的最佳燃燒，并開(kāi)發(fā)了大量的相關(guān)算法，但是，隨著這些控制的應(yīng)用，人們很快發(fā)現(xiàn)，僅僅考慮爐內(nèi)燃料的合理燃燒是不夠的，因?yàn)榧訜釥t生產(chǎn)的直

26、接目標(biāo)是獲得工藝規(guī)定的鋼坯加熱溫度以保證良好的軋制性能，并在此前提下力求使加熱過(guò)程的能量消耗最小。2 研究意義加熱爐是冶金行業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的熱工設(shè)備。它在軋鋼生產(chǎn)中占有十分重要的地位，它的生產(chǎn)任務(wù)是按軋機(jī)的軋制節(jié)奏將鋼材加熱到工藝要求的溫度水平和加熱質(zhì)量，并且在優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提下，盡可能地降低燃料地消耗，減少氧化燒損。連續(xù)加熱爐的操作水平直接影響產(chǎn)品地質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)消耗指標(biāo)，所以國(guó)內(nèi)外關(guān)于加熱爐自動(dòng)控制地研究一直受到重視，發(fā)展地比較快，也取得了較為豐碩的成果。我國(guó)作為鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，鋼鐵企業(yè)的能源消耗在國(guó)民生產(chǎn)中占有較大的比重，如何在保證生產(chǎn)質(zhì)量的情況下減少能源消耗，對(duì)緩解我國(guó)能源緊張的局面，

27、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)具有重要意義。國(guó)內(nèi)的加熱爐控制技術(shù)在理論上已達(dá)到先進(jìn)國(guó)家的水平，但在工程應(yīng)用上和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距。國(guó)內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)雖然配有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但只是作一些簡(jiǎn)單的PID控制，計(jì)算機(jī)的潛能沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。導(dǎo)致這一情況出現(xiàn)的原因較多，其中之一為大多數(shù)方法太復(fù)雜或考慮生產(chǎn)實(shí)際情祝不夠，而很難為工程所應(yīng)用，如何開(kāi)發(fā)出適合生產(chǎn)實(shí)際的鋼坯溫度智能控制系統(tǒng)，對(duì)于充分利用現(xiàn)有設(shè)備具有重大意義9。1.4 本文的研究構(gòu)思和設(shè)想通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的研究和分析，可得到以下幾個(gè)結(jié)論：(1)目前，在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中最常采用的是PID控制，這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)明顯，但存在著難以克服的缺陷。

28、模糊控制可以很好的解決一些問(wèn)題，但它在控制規(guī)則的形成過(guò)程中帶有一定的主觀性，并且對(duì)于大時(shí)滯的爐溫控制系統(tǒng)，缺少簡(jiǎn)單易行的預(yù)測(cè)方法。(2)在爐溫控制系統(tǒng)中，模糊控制技術(shù)與PID控制相結(jié)合的理論非常少，工程實(shí)踐更為鮮見(jiàn)。(3)國(guó)內(nèi)在運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊爐溫控制的設(shè)計(jì)實(shí)例較為鮮見(jiàn)?；谏鲜鼋Y(jié)論，本課題從以下三個(gè)方面進(jìn)行研究：(1)針對(duì)模糊控制穩(wěn)態(tài)精度差的缺點(diǎn)，研究簡(jiǎn)單實(shí)用又能大幅度改善穩(wěn)態(tài)誤差的模糊控制方法，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。(2)研究自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。將不依賴(lài)精確數(shù)學(xué)模型的模糊控制系統(tǒng)與有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，使模糊控制系統(tǒng)能夠更能發(fā)揮其強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。(3)

29、針對(duì)加熱爐非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單一性等實(shí)際控制中的難點(diǎn)，應(yīng)用前面研究的理論成果，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)調(diào)節(jié)靈活、易于操作的單片機(jī)模糊控制器。2 加熱爐鋼坯溫度智能控制系統(tǒng)2.1 加熱爐的控制特點(diǎn)加熱爐的生產(chǎn)任務(wù)是將坯料加熱到滿足軋制溫度要求的范圍，使坯料內(nèi)外溫度均勻，改變鋼的結(jié)晶組織，其目的是提高鋼的朔性。加熱爐分為三段：預(yù)熱段、加熱段、均熱段。每段均設(shè)有幾十個(gè)燒嘴，由燒嘴噴出的高溫火焰，以輻射和對(duì)流方式向鋼坯傳熱，所形成的爐氣向爐尾流動(dòng)。加熱爐的高質(zhì)量控制對(duì)加熱爐的生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。在坯料加熱過(guò)程中，加熱爐的溫度和爐內(nèi)氣氛必須調(diào)整得當(dāng)，不當(dāng)?shù)牟僮鳎瑫?huì)出現(xiàn)各種缺陷，諸如氧化

30、、麻點(diǎn)、過(guò)燒、脫碳以及加熱溫度不均勻等。加熱爐的加熱制度與整個(gè)軋制節(jié)奏配合不好，同樣會(huì)造成能源的大量消耗及嚴(yán)重的氧化燒損等缺陷。要很好地解決這些問(wèn)題，僅靠工藝自身的改造是滿足不了要求的。在自動(dòng)控制上，人們也作了大量的工作。但由于加熱爐是一個(gè)具有大慣性、大滯后、非線性的時(shí)變系統(tǒng)，爐內(nèi)的熱加工狀態(tài)非常復(fù)雜，有熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流，加上工藝參數(shù)的頻繁波動(dòng)，給建立加熱爐的數(shù)學(xué)模型造成了很大的困難，其實(shí)經(jīng)過(guò)較多化簡(jiǎn)的數(shù)學(xué)模型也沒(méi)有太大的實(shí)用價(jià)值。因此，傳統(tǒng)的控制手段是很難滿足要求的。目前，加熱爐控制遇到的難題主要有以下幾個(gè)方面：1.爐膛溫度的自動(dòng)控制由于加熱爐內(nèi)熱工過(guò)程的復(fù)雜性，常規(guī)的PID控制，或爐

31、溫、燃料流量、空氣流量并行串級(jí)控制等，控制精度低、超調(diào)量大，控制參數(shù)難以整定，很難達(dá)到控制要求。2.空氣/燃料最佳配比的控制空氣/燃料的最佳配比，是加熱爐燃燒控制的重要內(nèi)容。大風(fēng)量操作會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的廢氣，過(guò)多的空氣不僅會(huì)帶走大量的熱能，而且會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氣氛中含有過(guò)多的氧進(jìn)而造成鋼坯的嚴(yán)重?zé)龘p;過(guò)燃料操作會(huì)造成燃料不完全，降低熱效率，而且會(huì)產(chǎn)生大量黑煙，污染環(huán)境。這些都嚴(yán)重影響了加熱爐加熱質(zhì)量和燃耗，甚至影響正常得生產(chǎn)。所以用常規(guī)的控制系統(tǒng)，很難較好地實(shí)現(xiàn)最佳空/燃比的控制，必須提高加熱爐的控制水平，建立爐溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)。以加熱爐為控制對(duì)象，根據(jù)文獻(xiàn)1011可知，其動(dòng)態(tài)性能可用一階時(shí)滯傳遞函數(shù)近似

32、描述，即 (式2.1)其中T=20，K=100，=10s。設(shè)定值時(shí)恒溫1200，采用自噪聲干擾信號(hào)。我們采用基本模糊控制，常規(guī)PID控制對(duì)加熱爐進(jìn)行仿真試驗(yàn)。系統(tǒng)組成：圖2.1 加熱爐智能控制系統(tǒng)組成2.2 加熱爐模糊控制器的設(shè)計(jì)2.2.1 模糊PID控制器的原理及控制器算法改進(jìn)目前，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程溫度控制，它通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，以適應(yīng)各種不同的對(duì)象，但由于常規(guī)PID不具有在線整定以上系數(shù)的功能，不能滿足系統(tǒng)在不同誤差E和誤差變化率EC情況下對(duì)參數(shù)的自整定要求，很難建立系統(tǒng)精確的數(shù)字模型，無(wú)法達(dá)到智能溫度調(diào)節(jié)控制的理想效果。本

33、文采用的控制器是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，采用模糊推理思想，對(duì)算法控制器進(jìn)行算法改進(jìn)，根據(jù)不同的E和EC實(shí)現(xiàn)PID（比例積分微分)參數(shù)自整定的溫度調(diào)節(jié)器12。模糊控制是以人的思維判斷方法形成模糊控制規(guī)則，在模糊規(guī)則的基礎(chǔ)上，以模糊量作為實(shí)際控制的依據(jù)是一個(gè)表達(dá)某種控制思想的基本公式，模糊PID控制器的原理框圖如圖2.2所示。圖2.2模糊PID控制器原理框圖模糊PID控制系統(tǒng)為雙輸入三輸出的系統(tǒng)，根據(jù)PID基本原理，為了計(jì)算機(jī)處理和實(shí)現(xiàn)的方便，輸入偏差EI，輸入偏差率EC和輸出的隸屬函數(shù)均采用線性函數(shù)。比例系數(shù)Kp作用在于提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度；積分系數(shù)Ki作用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分系數(shù)Kd作用于改

34、善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。寫(xiě)成條件語(yǔ)句形成:If and then ，其中，。是分別定義在偏差，偏差變化率和控制量的論域上的模糊集?？煽紤]用插值算法和有關(guān)輸出變換、增量式PID算法計(jì)算控制系統(tǒng)的輸出控制增錄，根據(jù)模糊控制規(guī)則建立模糊控制數(shù)表。本系統(tǒng)的對(duì)象熱處理加熱爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，用基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證加熱工藝曲線要求。為此，選用模糊控制算法中的規(guī)則自尋優(yōu)算法。算法的基本原理采用解析表達(dá)式描述的控制規(guī)則，簡(jiǎn)單方便，易于處理。一維控制規(guī)則自尋優(yōu)算法可以用解析表達(dá)式概括13： （式2.2）其中，E、C、U為經(jīng)過(guò)量化和模糊化的模糊變量，相應(yīng)的論域分別為誤差、誤差變化率及控制量；為

35、調(diào)整因子。由式(2.2)描述的控制規(guī)則可看出，控制作用取決于誤差及誤差變化率，且通過(guò)調(diào)整a的大小，可以改變對(duì)誤差和誤差變化的小同加權(quán)程度。值一旦確定，在整個(gè)控制過(guò)程中就不再改變。但在實(shí)際系統(tǒng)中，系統(tǒng)在小同的狀態(tài)下，對(duì)控制規(guī)則中誤差E與誤差C的加權(quán)程度有不同的要求。如誤差較大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，此時(shí)對(duì)誤差的加權(quán)應(yīng)該大些；當(dāng)誤差小時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，減小超調(diào)，此時(shí)要求在控制規(guī)則中誤差變化率的加權(quán)大些。為了得到好的控制性能.就要求值在控制過(guò)程中可調(diào)整，即控制規(guī)則可在控制過(guò)程中在線修正。式(2.3)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)進(jìn)行在線修正。= (式2.3)2.2.2 模糊PID

36、控制技術(shù)1.概述模糊邏輯控制器(Fuzzy Logic Controller)簡(jiǎn)稱(chēng)為模糊控制器(Fuzzy Controller)，因?yàn)槟：刂破鞯目刂埔?guī)則是基于模糊條件語(yǔ)句描述的語(yǔ)言控制規(guī)則，所以模糊控制器又稱(chēng)為模糊語(yǔ)言控制器。模糊控制器的設(shè)計(jì)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)；(2)設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；(3)確立模糊化和非模糊化(又稱(chēng)清晰化)的方法；(4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子)；(5)編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；(6)合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。2. 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模糊控制器

37、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。究竟選擇哪些變量作為模糊控制器的信息量，還必須深入研究在手動(dòng)控制過(guò)程中，人如何獲取、輸出信息，因?yàn)槟：刂破鞯目刂埔?guī)則歸根到底還是要模擬人腦的思維決策方式。在手動(dòng)過(guò)程中，人所能獲得的信息量基本上為三個(gè)：誤差、誤差的變化、誤差變化的變化，即誤差變化的速率。一般來(lái)說(shuō)，人對(duì)誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但維數(shù)過(guò)高，模糊控制規(guī)則變得過(guò)于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。這或許是目前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在，因此，本課題也采用二維模糊控制器，即以誤差、誤差的變化率作為輸入。

38、3. 模糊控制器規(guī)則的設(shè)計(jì)控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵，一般包括三部分設(shè)計(jì)內(nèi)容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集及建立模糊控制器的控制規(guī)則。(1)選擇描述輸入和輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語(yǔ)句，在條件語(yǔ)句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯(如“正大”、“負(fù)小”等)的集合，稱(chēng)為這些變量的詞集(亦可以稱(chēng)為變量的模糊狀態(tài))。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。選擇詞匯過(guò)少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。一般情況下都選擇七個(gè)詞匯，但也可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要選擇三個(gè)或五個(gè)語(yǔ)言變量。本課題的控制對(duì)

39、象是加熱爐溫度控制系統(tǒng)，改善模糊控制結(jié)果的目的之一是盡量減小穩(wěn)態(tài)誤差，因此，對(duì)一于控制器的輸入(誤差、誤差的變化率)之一的誤差采用(負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大)用英文字頭縮寫(xiě)為NB, NM, NS, N0, Z0, PS, PM, PB即將零域分為正零和負(fù)零，以便減小穩(wěn)態(tài)誤差。另一個(gè)輸入誤差的變化率及控制器的輸出 (負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)用英文字頭縮寫(xiě)為 NB, NM, NS, 0, PS, PM, PB(2)定義各模糊變量的模糊子集定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成

40、了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。(3)建立模糊控制器的控制規(guī)則模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過(guò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，存貯在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)集合。手動(dòng)控制過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)被控對(duì)象(過(guò)程)的一些觀測(cè)，操作者再根據(jù)己有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并作出控制決策，調(diào)整加到被控對(duì)象的控制作用，從而使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。手動(dòng)控制的作用同自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手動(dòng)控制決策是基于操作系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，而控制器的控制決策是基于某種控制算法的數(shù)運(yùn)算。利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制策略上升

41、為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用微型計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)所謂的模糊自動(dòng)控制。建立模糊控制規(guī)則表的基本思想是，首先考慮誤差為負(fù)的情況，當(dāng)誤差為負(fù)大時(shí)，若當(dāng)誤差的變化為負(fù)，這時(shí)誤差有增大的趨勢(shì)，為盡快消除己有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，所以控制量的變化取正大。當(dāng)誤差為負(fù)而誤差的變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身己有減少誤差的趨勢(shì)，所以為盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當(dāng)誤差為負(fù)大且誤差變化為正小時(shí)，控制量的變化取為正中。若誤差變化正大時(shí)，控制量不宜增加，否則造成超調(diào)會(huì)產(chǎn)生正誤差，因此這時(shí)控制量變化為零等級(jí)。當(dāng)誤差為負(fù)中時(shí)，控制量的變化應(yīng)該使誤差盡快消除，基于這種原則，控制量的變化選取同誤差

42、為負(fù)大時(shí)相同。當(dāng)誤差為負(fù)小時(shí)，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差的變化為負(fù)時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)有偏離誤差的趨勢(shì)，所以選取控制變化量變化為正中，以抑制誤差往負(fù)方向發(fā)展;若誤差的變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身有趨勢(shì)消除負(fù)小誤差，那么根據(jù)這種趨勢(shì)的強(qiáng)弱，可選取控制量變化為零、正小、正中。2.3 加熱爐控制系統(tǒng)仿真研究2.3.1 PID控制目前，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程溫度控制，它通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，以適應(yīng)各種不同的對(duì)象。在PID控制算法中，存在著比例(P)，積分(I),微分(D)三種控制作用。這三種控制作用的特點(diǎn)如下：1)比例控制作用的特點(diǎn)系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制

43、作用，使被PID控制的對(duì)象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。缺點(diǎn)是對(duì)于具有自平衡(即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值)能力的被控對(duì)象存在靜差。加大Kp可減小誤差，但Kp過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。2)積分控制作用的特點(diǎn)：能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強(qiáng)會(huì)使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3)微分控制作用的特點(diǎn)： 通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行微分，能感覺(jué)出誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小。缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)原理

44、簡(jiǎn)單，使用方便；2)適應(yīng)強(qiáng)；3)魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不敏感。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)程控制中，人們首先想到的總是PID控制。根據(jù)被控對(duì)象的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。然而，PID控制算法有它的局限性和不足，由于PID算法只是在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時(shí)變的情況下，才能獲得理想的效果。當(dāng)一個(gè)調(diào)整好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)變差。另外，在對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定的過(guò)程中，PID參數(shù)的整定值是具有一定局限性的優(yōu)化值，而不是全局性的最優(yōu)值，因此這種控制作用無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。加熱爐的溫度控制屬于典型的過(guò)程控制，因此

45、我們最先想到的控制方案就是采用傳統(tǒng)的比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。建立SIMULINK模塊功能圖如圖2.3：圖23 PID模塊功能圖仿真結(jié)果如圖2.4所示：圖2.42.3.2 模糊控制與傳統(tǒng)PID控制方法相比，模糊控制具有許多優(yōu)點(diǎn)。模糊控制是在模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種數(shù)理控制技術(shù)，可解決常規(guī)控制策略無(wú)法處理的不確定性問(wèn)題。模糊控制因其具有較好的適應(yīng)對(duì)象參數(shù)變化的能力，不需要建立對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一門(mén)新興科學(xué)，它還處于發(fā)展階段，其在過(guò)程控制中雖已初見(jiàn)成效，但還沒(méi)有一套系統(tǒng)的方法來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器。對(duì)此中控制方式影響最大的是模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性

46、，因而模糊規(guī)則的獲取是模糊控制理論中的問(wèn)題之一。從某種意義上講，模糊控制理論的發(fā)展也是圍繞模糊控制規(guī)則的獲取展開(kāi)的。目前存在的主要問(wèn)題是建立模糊控制規(guī)則困難，有眾多的參數(shù)待定，且選擇恰當(dāng)與否至關(guān)重要。典型的模糊控制具有以下的優(yōu)點(diǎn)：1)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只要求掌握現(xiàn)場(chǎng)操作人員或有關(guān)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或操作數(shù)據(jù)；2)模糊控制也可用于模型確定的對(duì)象；3)系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制；4)模糊控制方法可與經(jīng)典控制方法相結(jié)合，因而靈活多變、形式多樣；5)由過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，較易建立語(yǔ)言變量控制規(guī)則。但是模糊控制特別是一般模糊控制在應(yīng)用上仍存在一定的局限性，特

47、別是在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能要求較高的領(lǐng)域受到較大的限制：1)雖然模糊控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)對(duì)于對(duì)象參數(shù)的變化不敏感，但其穩(wěn)態(tài)品質(zhì)對(duì)于對(duì)象參數(shù)的變化卻是比較敏感的，系統(tǒng)可能產(chǎn)生相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差或自激振蕩；2)基本模糊控制只利用誤差和誤差的變化率，且控制論域等級(jí)是固定的，因而它不但無(wú)法使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差降到最小極限，而且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)受到限制；3)誤差和誤差變化率的動(dòng)態(tài)范圍需要反復(fù)整定：4)沒(méi)有一套系統(tǒng)的方法來(lái)產(chǎn)生規(guī)則和進(jìn)行自學(xué)習(xí)；5)對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，很難得到較為完善的控制規(guī)則；6)模糊控制是一種仿人的操作過(guò)程，一般不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，但其穩(wěn)定性沒(méi)有嚴(yán)格的理論依據(jù)。2.3.3 模糊PID控制由于常規(guī)PID不

48、具有在線整定以上系數(shù)的功能，不能滿足系統(tǒng)在不同誤差E和誤差變化率EC情況下對(duì)參數(shù)的自整定要求，很難建立系統(tǒng)精確的數(shù)字模型，無(wú)法達(dá)到智能溫度調(diào)節(jié)控制的理想效果。通過(guò)上面的分析不難看出，對(duì)于加熱爐這樣的受隨機(jī)因素干擾的、具有大慣性、純滯后的非線性分布參量的隨機(jī)過(guò)程的控制對(duì)象，采用單純的PID控制或模糊控制都不能取得良好的控制效果。大量的理論研究和工程實(shí)踐也充分證明了這一點(diǎn)。因此，人們提出了將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合起來(lái)的復(fù)合式控制方案模糊PID控制。這種方案即能發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)量小的特點(diǎn)，又具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。在一些工業(yè)過(guò)程控制中，這種

49、控制方案得到了良好的運(yùn)用，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的效果。建立SIMULINK模塊功能圖如下：圖2. 5 Fuzzy 模塊功能圖仿真結(jié)果如圖2.6所示：圖2.62.3.4 仿真結(jié)果分析由仿真圖可得出：由PID控制器控制的系統(tǒng)： 最大超調(diào)量：調(diào)節(jié)時(shí)間：由模糊PID控制器控制的系統(tǒng)最大超調(diào)量為0調(diào)節(jié)時(shí)間：根據(jù)前面的仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)模糊PID控制對(duì)慣性時(shí)間常數(shù)變化的適應(yīng)能力比常規(guī)PID控制強(qiáng)；(2)模糊PID控制對(duì)純滯后時(shí)間的魯棒性比常規(guī)PID控制好；(3)模糊PID控制的動(dòng)態(tài)特性、控制精度比常規(guī)PID控制好；(4)模糊PID控制系統(tǒng)比常規(guī)PID控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好?？?/p>

50、結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程，可以得出以下結(jié)論：(1)在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，起始階段的控制、調(diào)整尤其重要，因而，必須重點(diǎn)設(shè)計(jì)好Kp, Ki,Kd的模糊控制規(guī)則；(2)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)系數(shù)Kp，Ki，Kd.必須具有一定的數(shù)值，以保證系統(tǒng)能夠盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，同時(shí)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有一定的抗干擾能力；(3)仿真調(diào)試過(guò)程中，系統(tǒng)仿真對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程和仿真結(jié)果有很大影響，所以，必須注意仿真參數(shù)的選擇。2.4 本章小結(jié)本章基于模糊和PID控制原理給出了模糊自整定PID控制器的具體實(shí)現(xiàn)方法，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。其基本設(shè)計(jì)思想是將模糊決策理論和PID控制結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)參

51、數(shù)自整定的要求。并用MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)了PID控制和模糊自整定PID控制器的性能比較，給出了仿真曲線，說(shuō)明了模糊自整定PID控制器響應(yīng)特性?xún)?yōu)于PID控制，并具有較好的魯棒性。仿真結(jié)果表明，基本模糊PID控制器的控制效果明顯比常規(guī)PID較好，尤其是在抑制超調(diào)方面，模糊控制器幾乎無(wú)超調(diào)。3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)3.1 主控板設(shè)計(jì)3.1.1 確定主控板的功能系統(tǒng)采用MCS-51系列的單片機(jī)8031，這是Intel公司80年代推出的單片8位計(jì)算機(jī)。從應(yīng)用的角度來(lái)看，它有以下優(yōu)點(diǎn)：1.集成度高 單片機(jī)8031的內(nèi)部含有128B的RAM，4個(gè)8位并行口，一個(gè)全雙工的串行口，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩

52、器、兩種優(yōu)先級(jí)的五個(gè)中斷源的中斷結(jié)構(gòu)、64KB的程序存儲(chǔ)器地址空間和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。并且由于集成度高，焊點(diǎn)少，可靠性也大大提高。2.速度快，處理能力強(qiáng)8031指令系統(tǒng)含有大量的算術(shù)運(yùn)算、布爾運(yùn)算和邏輯判斷、轉(zhuǎn)移指令，并且有豐富的位操作功能。在采用12MHz晶振時(shí)，它執(zhí)行一條單字節(jié)的乘法指令僅需4微秒，這個(gè)速度足以滿足工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的要求。3.擴(kuò)充性好，尋址范圍大另外，8031還具有特殊的多機(jī)通信功能，很適合于用作分級(jí)分布式控制系統(tǒng)中的直接控制級(jí)。主控板必須完成信號(hào)響應(yīng)、采集、比較、控制、計(jì)算及信號(hào)輸出，發(fā)出對(duì)顯示電路和觸發(fā)板的控制信號(hào)等功能。因此，主控板的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而相當(dāng)關(guān)

53、鍵。由于單片機(jī)采用大規(guī)模集成電路器件，集成度高，因面具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、面向控制和價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適合于控制型應(yīng)用領(lǐng)域，因此，我的設(shè)想是采用MCS-51單片面為核心，與74 LS373地址鎖存器和程序存貯器共同組成單片機(jī)基本系統(tǒng)，用以完成數(shù)據(jù)采集、處理、運(yùn)算控制、顯示等功能，主控板硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：圖3.1主控板硬件結(jié)構(gòu)圖3.1.2 處理器及A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇1. 單片處理器選型中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的主要功能特性。中央處理器主要由運(yùn)算部件和控制部件組成。下面我們把中央處理器功能模塊和有關(guān)的控制信號(hào)線聯(lián)系起來(lái)加以討論，并

54、涉及相關(guān)的硬件設(shè)備（如振蕩電路和時(shí)鐘電路）。   (1) 運(yùn)算部件：它包括算術(shù)、邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路等。運(yùn)算部件的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。    MCS-51單片機(jī)的ALU功能十分強(qiáng)，它不僅可對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補(bǔ)、清零等基本操作，還可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本運(yùn)算。為了乘除運(yùn)算的需要，設(shè)置了B寄存器。在執(zhí)行乘法運(yùn)算指令時(shí)，用來(lái)存放其中一個(gè)乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)；在執(zhí)行除法運(yùn)算

55、指令時(shí)，B中存入除數(shù)及余數(shù)。MCS-51單片機(jī)的ALU還具有一般微機(jī)ALU，如Z80、MCS-48所不具備的功能，即布爾處理功能。單片機(jī)指令系統(tǒng)中的布爾指令集、存儲(chǔ)器中的位地址空間與CPU中的位操作構(gòu)成了片內(nèi)的布爾功能系統(tǒng)，它可對(duì)位（bit）變量進(jìn)行布爾處理，如置位、清零、求補(bǔ)、測(cè)試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。在實(shí)現(xiàn)位操作時(shí)，借用了程序狀態(tài)標(biāo)志器（PSW）中的進(jìn)位標(biāo)志Cy作為位操作的“累加器”。    運(yùn)算部件中的累加器ACC是一個(gè)8位的累加器（ACC也可簡(jiǎn)寫(xiě)為A）。從功能上看，它與一般微機(jī)的累加器相比沒(méi)有什么特別之處，但需要說(shuō)明的是ACC的進(jìn)位標(biāo)志Cy就是布

56、爾處理器進(jìn)行位操作的一個(gè)累加器。    MCS-51單片機(jī)的程序狀態(tài)PSW，是一個(gè)8位寄存器，它包含了程序的狀態(tài)信息。    (2) 控制部件：控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，它包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、指令寄存器、譯碼以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來(lái)控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行。其中有一些控制信號(hào)線能簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號(hào)ALE，控制片外程序存儲(chǔ)器運(yùn)行的片內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇信號(hào)EA，以及片外取指信號(hào)PSEN。當(dāng)前市場(chǎng)中單片

57、機(jī)的種類(lèi)和型號(hào)很多，有4、位、8位、16位以及32位的有I/O功能強(qiáng)的，輸入輸出點(diǎn)數(shù)多的:內(nèi)含ROM和RAM各不相同，有擴(kuò)展方便的，有不能擴(kuò)展的;有帶片內(nèi)A/D的，有不帶片內(nèi)A/D的。因此要結(jié)合系統(tǒng)的I/0點(diǎn)數(shù)以及模擬量I/0通道數(shù)以及單片機(jī)本身的情況合適地選擇單片機(jī)型號(hào)使其滿足控制對(duì)象的控制要求又不浪費(fèi)資源為好。單片機(jī)選擇主要應(yīng)考慮對(duì)象要求的控制精度，響應(yīng)速度、開(kāi)發(fā)環(huán)境等因素但在很大程度上，我們選用單片機(jī)的種類(lèi)和型號(hào)，基本上取決于我們對(duì)某些種類(lèi)型號(hào)的熟悉程度以及我們手頭所具備的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)條件。單片機(jī)的開(kāi)發(fā)以及調(diào)試都需要仿真器系統(tǒng)，因此對(duì)仿真器系統(tǒng)的熟悉程度往往決定了選用單片機(jī)的類(lèi)型。我國(guó)內(nèi)8位單片機(jī)仍舊以INTEL公司的MCS-51系列為主流機(jī)型，故8位單片機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)以主要開(kāi)發(fā)51系列的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為多。2. EPROM的選型 M2764、2764是8K*8字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維