電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究

1、浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，第卷，第期，年月，文章編號(hào)：（）電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究邢偉，潘海鵬（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州）摘要：以電阻妒為控制對(duì)象，采用機(jī)理分析法對(duì)電阻爐加溫時(shí)的溫度對(duì)象進(jìn)行了分析，得到電阻爐的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)電阻爐實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程對(duì)溫度控制的要求及其所具有的時(shí)滯性、非線性、模型結(jié)構(gòu)不確定等特點(diǎn)，結(jié)合模糊控制技術(shù)和常規(guī)控制方法，組成模糊自整定控制器。運(yùn)用軟件的建立電阻爐溫度控制系統(tǒng)的仿真模型，并分別用常規(guī)）控制、常規(guī)模糊控制和模糊自整定控制對(duì)電阻爐溫控系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，采用模糊自整定控制方案，系統(tǒng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，控制精度更高，動(dòng)態(tài)性能更好，具有一定的推

2、廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：電阻爐；溫度控制；模糊自整定；仿真中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：引言電阻爐是工業(yè)生產(chǎn)中常用的電加熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、建材等行業(yè)。隨著控制技術(shù)的日新月異，對(duì)電阻爐溫度控制的要求也越來(lái)越高。電阻爐溫度控制系統(tǒng)常用的控制技術(shù)有控制，模糊控制技術(shù)等。但由于電阻爐是一個(gè)時(shí)變的、大滯后的被控對(duì)象，且升溫具有單向性，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。采用傳統(tǒng)的控制，由于其參數(shù)固定，不能及時(shí)跟蹤對(duì)象特性的變化，控制效果往往不佳。模糊控制雖然不需要被控對(duì)象的精確描述，比較適合電阻爐溫度控制，但常規(guī)模糊控制算法穩(wěn)態(tài)誤差較大。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種自整定模糊的控制方案，以常規(guī)調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，結(jié)合模糊控制的思想

3、，根據(jù)電阻爐特性的變化，建立以偏差、偏差變化率貿(mào)為輸入，控制參數(shù)、，和為輸出的模糊控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理與決策，進(jìn)行模糊輸出，自動(dòng)修改參數(shù)，以取得最佳控制效果。電阻爐溫控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模從實(shí)際應(yīng)用中，可以知道電阻爐是一種能自衡的對(duì)象，將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為惟一變量，可以寫出它的常微分方程。當(dāng)電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時(shí)，則某一時(shí)刻加熱元件發(fā)出的熱量應(yīng)該等于該時(shí)刻爐膛中積累的熱量。和通過(guò)爐體散失掉的熱量之和，即：（），、可用下面兩個(gè)式子表示：（）芐（）式中：為電阻爐的熱容量；為爐內(nèi)溫度；為燒結(jié)時(shí)間；為環(huán)境溫度；為電阻爐的阻值（絕緣材料及爐內(nèi)、外流動(dòng)氣體產(chǎn)生的）。收稿日期：一作者簡(jiǎn)介：邢偉（一），男，浙江

4、三門人，碩士研究生，主要從事智能控制與非線性控制的研究。第期邢偉等：電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于。時(shí)，可忽略，于是有：警警兩邊取拉氏變換得：（）?。ǎ┤ィǎ┮唬ㄈィǎ┧裕海ǎ┮唬。ǎ╉?yè)由于測(cè)量元件的時(shí)間滯后，加上電阻爐本身所固有的熱慣性，使得控制信號(hào)與溫度測(cè)量值之間存在著一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié)。圖可表示簡(jiǎn)化的系統(tǒng)框圖，圖中輸入信號(hào)為設(shè)定溫度，輸出信號(hào)為實(shí)際溫度，為誤差，為控制信號(hào)?？刂破鞯妮敵鰹椤埃埃ǎ┛梢栽O(shè)定正比于（），即（）“（），（）（）。所以：（）（）（）衛(wèi)盟一王匹墮：壘盧。，一絲：“（）“（）頁(yè)式中：，稱為對(duì)象的增益；，稱為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。那么，被控對(duì)象電阻爐的理想

5、模型即為：，一籌晶模糊自整定控制器的設(shè)計(jì)模糊自整定控制器的結(jié)構(gòu)模糊自整定控制器是在控制器的基礎(chǔ)上，以偏差和偏差變化率田作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表對(duì)參數(shù)、，和進(jìn)行在線調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)被控對(duì)象的控制目的。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。模糊自整定控制算法的設(shè)計(jì)圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖（）（）圖模糊自整定控制結(jié)構(gòu)圖模糊自整定控制算法的設(shè)計(jì)步驟主要可分以下步。）精確量的模糊化選擇偏差、偏差變化經(jīng)模糊化后的、膨作為模糊控制器的輸入變量，比例系數(shù)；、積分系數(shù)和微分系數(shù)為輸出變量，它們相應(yīng)的模糊集可分別定義如下：、船的模糊集為：，）；、，和的模糊集均為：（，）；并將和的大小量化為個(gè)等級(jí)，它們的論域?yàn)?/p>

6、：卜一，一，一，一，一，一，）；、的大小也量化為個(gè)等級(jí)，它們的論域?yàn)椋阂?，一，一，一，一，一，）；各模糊語(yǔ)言變量的模糊集和論域確定后，須對(duì)模糊語(yǔ)言變量確定隸屬函數(shù)，即對(duì)模糊變量賦值，就是確定論域內(nèi)元素對(duì)模糊語(yǔ)言變量的隸屬度睛。為了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)及計(jì)算方便，本文采用的隸屬度函數(shù)為等腰三角形。輸人輸出變量的隸屬函數(shù)曲線分別如圖和圖所示觜姒撇一刪撇圖和的隸屬度函數(shù)圖，、，和的隸屬度函數(shù)浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)年第卷）模糊控制規(guī)則的確立運(yùn)用模糊推理自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的實(shí)質(zhì)是模擬專家調(diào)節(jié)參數(shù)的方法與過(guò)程。因此，本算法的核心是要總結(jié)專家調(diào)節(jié)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，建立合適的模糊控制規(guī)則。對(duì)于模糊控制器而言，為了獲得良好的動(dòng)靜態(tài)特

7、性，在不同的輸入量區(qū)域內(nèi)，選取參數(shù)的要求是不同的。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等特性考慮，通過(guò)、，和個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響進(jìn)行歸納，可以得到參數(shù)自整定原則如下。當(dāng)較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的與較小的，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，這樣有利于消除穩(wěn)態(tài)偏差，又可避免產(chǎn)生較大超調(diào)。當(dāng)為中等大小時(shí)，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取得小些，和的大小要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其中，的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大。當(dāng)較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，個(gè)參數(shù)均應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)較小時(shí)，

8、值可取得大一些（通常取為中等大?。?；當(dāng)歷較大時(shí)，則應(yīng)取得小些。針對(duì)電阻爐溫度控制的特性，由上述的參數(shù)自整定原則，可列出、，、個(gè)參數(shù)相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表，如表、表、表所示。表模糊規(guī)則表表厶（，模糊規(guī)則表髓根據(jù)表、表和表，可得：（）（日）（）（）（），這樣的控制規(guī)則共有條。）清晰化根據(jù)以上的規(guī)則和個(gè)參數(shù)的自整定要求，可根據(jù)某一采樣時(shí)刻測(cè)量的偏差和偏差變化率的值來(lái)計(jì)算此時(shí)的參數(shù)、，計(jì)算公式為：力（）一上生雄（）彤表厶（模糊規(guī)則表廊。（）公式（）中的塍打（）（歹一、，為規(guī)則條件語(yǔ)句的條數(shù)）是根據(jù)當(dāng)前、比量化后的對(duì)應(yīng)隸屬度求得的的隸屬度，硝為參數(shù)的模糊子集的模糊論域中心值。同理即可得到的計(jì)算公式。設(shè)、，

9、、為控制器的初始設(shè)定值，那參數(shù)、的計(jì)算公式可分別表示為：（）從而進(jìn)一步得到控制量：硼黔附腿颶船加黔附附蹦加黔蹦蹦蹦加加黔黔黔加加黔船趵隅抽約幻黔蹦陽(yáng)寶眥隅硼趵耋寶呈黔黔樅蹦蹦黔拋船船黔砷雎颶蹦蹦黔加趵陽(yáng)颶蹦蹦黔黔拋嬲黔晰颶第期邢偉等：電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究系統(tǒng)仿真研究量（忌）一（五）（）。（）一（一）（）令式（）中的參數(shù)值為：，丁一，一，即以（）警黼為電阻爐的理想模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究。常規(guī)控制在中創(chuàng)建的用算法控制電阻爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖中的模塊中對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在模塊中設(shè)定滯后時(shí)間。通過(guò)設(shè)定個(gè)參數(shù)，其中一，和。階躍值設(shè)定為，得到的仿真結(jié)果如圖所示。竺掣！日：蠡嚴(yán)、

10、：時(shí)間圖控制仿真結(jié)構(gòu)圖圖控制仿真曲線性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間，一，超調(diào)量盯約為，穩(wěn)態(tài)誤差舀一。模糊控制使用模糊控制器在中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)，如圖所示。圖中的個(gè)增益模塊分別給出量化因子臺(tái)、，比例因子甜。設(shè)定一，地一。仿真結(jié)果如圖所示。從圖中可以看出其性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間，一，超調(diào)量仃幾乎為，但穩(wěn)態(tài)誤差較大，約為。圖純模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖羹：一一一：一¨“¨¨了一時(shí)間以圖模糊控制仿真曲線自整定模糊控制根據(jù)上述控制器的設(shè)計(jì)方法，在中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)構(gòu)圖如圖所示。仿真結(jié)果如圖所示。從圖中可得其性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量口一，穩(wěn)態(tài)誤差一。圖模糊自整定）控制仿真結(jié)構(gòu)圖蠢，時(shí)

11、間眺圖模糊自整定仿真曲線浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)年第卷抗干擾仿真在后加入的干擾（屬于不回復(fù)干擾），如圖所示。在此干擾情況下，模糊自整定控制的仿真曲線如圖所示。結(jié)果表明：對(duì)于這種不可回復(fù)性干擾，模糊自整定控制算法的抑制能力很強(qiáng)，能很好的保持在目標(biāo)值，穩(wěn)定性佳。卿小妲堿閶驀，時(shí)間，圖干擾信號(hào)響應(yīng)曲線圖帶干擾的模糊自整定控制仿真曲線經(jīng)過(guò)以上對(duì)控制、模糊控制和模糊自整定控制種控制方案的仿真研究和分析，明顯看出，控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，純模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差大，而模糊自整定控制方案可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零，以及具有很強(qiáng)的抗干擾能力等非常理想的性能指標(biāo)，能滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。結(jié)論本文針對(duì)大滯后、時(shí)

12、變、非線性的電阻爐系統(tǒng)，提出了一種參數(shù)自整定的模糊控制算法。運(yùn)用中的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，該智能控制算法能夠根據(jù)系統(tǒng)偏差及偏差變化率的實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，避免了經(jīng)典控制的過(guò)程建模及常規(guī)不能在線調(diào)節(jié)參數(shù)等不足；具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，適應(yīng)能力和抗干擾能力都較強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：，：龐曉青，彭自強(qiáng)烤箱溫度控制系統(tǒng)的模糊控制工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，（）：李磊，白瑞祥模糊在熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用刀工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，（）：一伍鐵斌，劉祖潤(rùn)一種新型電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化與儀表，（）：李士勇模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，：，（，）：，。，

13、：；（責(zé)任編輯：楊元兆）電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 邢偉， 潘海鵬， XING Wei， PAN Hai-peng 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州,310018 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào) JOURNAL OF ZHEJIANG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 2008,25(5 8次 參考文獻(xiàn)(6條 1.Isidro S;Julio R B;Antonio A A Resistance furnace temperature control in microwave combi

14、nation ovens 2000 2.龐曉青;彭自強(qiáng) 烤箱溫度控制系統(tǒng)的模糊PID控制期刊論文-工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 2007(03 3.李磊;白瑞祥 模糊PID在熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用期刊論文-工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 2007(02 4.伍鐵斌;劉祖潤(rùn) 一種新型電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期刊論文-自動(dòng)化與儀表 2006(06 5.李士勇 模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論 1998 6.Xing Wei;Pan Hai-peng Resistance stove temperature control system based on Fuzzy self-turning PID 2007 本文讀者也讀過(guò)(

15、6條 1. 王進(jìn)滿.毛杰.WANG Jin-man.MAO Jie 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期刊論文-鑄造技術(shù)2009,30(12 2. 李先峰.楊國(guó)華.李建春.LI Xian Feng.YANG Guo Hua.LI Jian Chun 基于模糊PID的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與 仿真研究期刊論文-微型機(jī)與應(yīng)用2010,29(10 3. 孫凱.李元科 電阻爐溫度控制系統(tǒng)期刊論文-傳感器技術(shù)2003,22(2 4. 肖鵬博.Xiao Pengbo 模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用期刊論文-冶金能源2010,29(2 5. 郭煥剛.侯力.李東占.GUO Huan-gang.HOU Li.LI Don

16、g-zhan 電阻爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)期刊論文-機(jī)械設(shè) 計(jì)與制造2009(6 6. 蔡春橋.王永軍.王俊彪.李峰.CAI Chun-qiao.WANG Yong-jan.Wang Jun-biao.LI Feng 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)期刊論文-科學(xué)技術(shù)與工程2007,7(10 引證文獻(xiàn)(10條 1.李先峰.楊國(guó)華.李建春 基于模糊PID的電阻爐溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究期刊論文-微型機(jī)與應(yīng)用 2010(10 2.王令存.白建云 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考-PID的電阻爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用期刊論文-電力學(xué)報(bào) 2009(5 3.方紅.李紅連 嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真期刊論文-制造業(yè)自動(dòng)化 2013(8 4.張新榮.徐保國(guó) 一種燃?xì)忮仩t溫度及水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)期刊論文-自動(dòng)化儀表 2012(6 5.閆向勇.董志學(xué).馬蓓緋 基于LPC2368的模糊PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期刊論文-電子測(cè)量技術(shù) 2009(3 6.向鳳琴 基于單片機(jī)的馬弗爐溫度控制系統(tǒng)期刊論文-電子測(cè)量技術(shù) 2009(10 7.徐紅偉.周秀英 電阻爐溫度迭代學(xué)習(xí)控