《模糊控制在加熱爐中應(yīng)用研究本科論文》.doc

編號 2014180130 研究類型應(yīng)用研究 分類號 TP18 學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) Bachelor s Thesis 論文題目模糊控制在加熱爐中應(yīng)用研究 作者姓名陳楊文 學(xué)號 2010118010130 所在院系機(jī)電與控制工程學(xué)院 學(xué)科專業(yè)名稱電氣工程及其自動化 導(dǎo)師及職稱詹習(xí)生 副教授 論文答辯時(shí)間2014 年 5 月 11 日 學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 誠信承諾書 中文題目 模糊控制在加熱爐中應(yīng)用研究 外文題目 The Application and Research of Fuzzy Control in Heating Furnace 學(xué)生姓名陳楊文學(xué)生學(xué)號2010118010130 院系專業(yè)機(jī)電與控制工程學(xué)院電氣工程及其自動化學(xué)生班級1001 班 學(xué)學(xué) 生生 承承 諾諾 我承諾在學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 活動中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定 恪守學(xué) 術(shù)規(guī)范 本人學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 內(nèi)容除特別注明和引用外 均為本 人觀點(diǎn) 不存在剽竊 抄襲他人學(xué)術(shù)成果 偽造 篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況 如有違規(guī)行為 我愿承擔(dān)一切責(zé)任 接受學(xué)校的處理 學(xué)生 簽名 年 月 日 指導(dǎo)教師承諾指導(dǎo)教師承諾 我承諾在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 活動中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定 恪守學(xué)術(shù)道德規(guī)范 經(jīng)過本人核查 該生學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 內(nèi)容除 特別注明和引用外 均為該生本人觀點(diǎn) 不存在剽竊 抄襲他人學(xué)術(shù)成 果 偽造 篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象 指導(dǎo)教師 簽名 年 月 日 目目 錄錄 1 前言 1 1 1 引言 1 1 2 研究的背景和意義 1 1 3 加熱爐控制的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 2 2 加熱爐 3 2 1 加熱爐的功能及結(jié)構(gòu) 3 2 2 加熱爐的溫度控制 4 2 3 加熱爐的燃燒過程 7 2 4 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的建模 7 3 模糊控制 8 3 1 模糊控制的意義 8 3 2 模糊控制的基本原理 8 3 3 模糊控制器 9 3 4 模糊控制器的設(shè)計(jì)及優(yōu)缺點(diǎn) 9 4 仿真模型以及仿真結(jié)果 15 4 1 傳統(tǒng) PID 控制 15 4 2 模糊控制仿真 18 4 3 模糊控制與 PID 控制的比較 21 5 結(jié)束語 21 5 1 全文總結(jié) 21 5 2 研究展望 22 6 參考文獻(xiàn) 23 模糊控制在加熱爐中的應(yīng)用研究 陳楊文 指導(dǎo)教師 詹習(xí)生 副教授 湖北師范學(xué)院 機(jī)電與控制工程學(xué)院 中國 黃石 435002 摘 要 加熱爐是一個(gè)大慣性 非線性 慢時(shí)變的系統(tǒng) 不易得出精確數(shù)學(xué)模型 傳統(tǒng)的 控制方法都是以精確地?cái)?shù)學(xué)模型為前提的 因而在加熱爐內(nèi)很難得到應(yīng)用 模 糊控制 有著無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型和較強(qiáng)的魯棒性兩大特點(diǎn) 提出采用 模糊控制的方法實(shí)現(xiàn)對加熱爐的燃燒控制 可有效的提高加熱爐的熱效益和鋼 坯的加熱質(zhì)量 通過對模糊控制與傳統(tǒng) PID 控制分別于 MATLAB 下用 Simulink 進(jìn)行仿真 然后對比仿真結(jié)論 使之得出模糊控制在加熱爐系統(tǒng)中優(yōu)于傳統(tǒng) PID 控制 關(guān)鍵詞 加熱爐 模糊控制 PID 控制 仿真 中圖分類號 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 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 1 模糊控制在加熱爐中的應(yīng)用研究 陳楊文 指導(dǎo)教師 詹習(xí)生 副教授 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 湖北 黃石 435002 1 前言 1 1 引言 隨著社會的發(fā)展 傳統(tǒng)常規(guī)的控制理論成功的應(yīng)用在許多領(lǐng)域 然而 這種控制 理論主要應(yīng)用于單個(gè)因素變量 線性的系統(tǒng)中 對于那些復(fù)雜的 多種變量的 非線 性的和多樣性的系統(tǒng)中 傳統(tǒng)常規(guī)的控制理論和方法就會受到很大的局限性 隨著科 技的發(fā)展 人們總結(jié)出了以人們的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的知識 而且可以達(dá)到接近期望的控 制目的 能夠以某種可行的形式表達(dá)出來 這種形式可以近似的取代精密 復(fù)雜以及 可能會出現(xiàn)錯(cuò)誤的模型建造過程 同時(shí)可以省去計(jì)算模型中的各種參數(shù) 從而降低了 難度和提高了便利 模糊控制是以人類自然語言概念 操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 所總結(jié)出 來的 是屬于模仿人工智能的一種控制方法 它正好解決了加熱爐的溫度控制這一問 題 鋼坯加熱爐是在我國應(yīng)用比較廣泛而是工業(yè)過程控制中比較典型的對象 由于加 熱爐溫度控制是一個(gè)大慣性 大滯后 非線性的時(shí)變系統(tǒng) 很難用數(shù)學(xué)方法建立一個(gè) 精確地模型以及確定各種具體的參數(shù) 應(yīng)用傳統(tǒng)常規(guī)的控制方法 是很難達(dá)到預(yù)期的 效果的 本課題采用模糊控制對加熱爐的溫度控制 能夠很好的達(dá)到預(yù)期的效果 同 時(shí)可以提高能源的利用率 1 2 研究的背景和意義 鋼鐵是我國的重要產(chǎn)業(yè) 對我國國民生產(chǎn)總值有著重要的影響 隨著科技的發(fā)展 國家和企業(yè)對高精度 低成本以及環(huán)境的保護(hù)要求也在不斷地提高 實(shí)現(xiàn)這些要求最 重要的環(huán)節(jié)就是加熱爐的溫度控制 在加熱過程中 產(chǎn)量計(jì)劃 加熱鋼的種類 尺寸 的大小 坯料入爐的溫度 待軋時(shí)間 開軋溫度變化時(shí) 均需要一段時(shí)間使得加熱爐 的溫度緩慢的提升 以免對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊 然而 現(xiàn)場的節(jié)奏的提升 操 作人員不能等到溫度的緩慢上升 而且更不能及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整加熱策略 同時(shí)受到人 為因素的影響 最終會造成爐溫 鋼溫的波動 加熱的質(zhì)量差 單位燃耗高 鋼坯氧 化的燒損多 使之產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性差 因此 模糊控制對軋鋼加熱爐的溫度控制的 應(yīng)用變得越來越迫切 對鋼鐵企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新 對降低企業(yè)生產(chǎn)成本有著非常重要的 意義 1 3 加熱爐控制的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 加熱爐是軋鋼生產(chǎn)中的主要耗能設(shè)備 提高燃料利用率 是解決能源的主要問題 國內(nèi)外冶金行業(yè)的燃料主要是焦?fàn)t 高爐混合煤氣及各單一煤氣 計(jì)算機(jī)控制溫度過 程 實(shí)質(zhì)是找到合理的最佳空燃比 使燃燒處于較佳的狀態(tài) 從而達(dá)到期望的爐溫控 制精度 使軋鋼達(dá)到理想的效果 國際上 在七十年代以前 關(guān)于加熱爐自動控制的研究工作主要集中在加熱爐的 各個(gè)過程燃燒控制上 也就是處在控制過程基礎(chǔ)自動化控制層次上 七十年代以后 燃燒控制已經(jīng)基本成熟 控制研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到以追求某種性能指標(biāo)的優(yōu)化控制方面 上來了 1967 年 4 月 由美國美蘭德公司設(shè)計(jì)的第一座步進(jìn)梁式加熱爐問世 同年的 5 月 由日本中外爐公司為日本名古屋鋼鐵廠設(shè)計(jì)的步進(jìn)梁式加熱爐正式投產(chǎn) 從此 作為 加熱高質(zhì)量的鋼坯的新型加熱爐 確定了在連續(xù)式加熱爐的重要地位 1858 年 William Siemens 發(fā)明了蓄熱室 1982 年 英國的 British Gas 公司和 Hot work 公司開發(fā) 出世界第一套蓄熱式陶瓷燃燒器 并將其成功的應(yīng)用在玻璃爐窯上 取得了良好的節(jié) 能 增產(chǎn)效果 隨后美國的北美制造公司購買了該項(xiàng)專利 迅速將其運(yùn)用到軋鋼加熱 爐 熱處理爐等場合 在中國國內(nèi) 1998 年 9 月 江西萍鄉(xiāng)棒材公司高線加熱爐 由 大連北島能源技術(shù)有限公司和萍鄉(xiāng)高線合作 領(lǐng)先將蓄熱式燒嘴應(yīng)用在工程實(shí)踐中 從此 蓄熱式加熱爐以其節(jié)能的效果明顯而受到歡迎 截止 2009 年 8 月份 中冶賽迪 公司分別為寶鋼 1880 mm 熱軋 武鋼 1580 mm 熱軋 本鋼 2300 mm 熱軋 鈦鋼 2250 mm 承鋼 1780 mm 熱軋機(jī)組以工程總承包或技術(shù)總負(fù)責(zé)的方式提供了蓄熱式加熱爐 與此同時(shí) 提高加熱爐的質(zhì)量日漸為人關(guān)注 法國斯坦因公司在前期發(fā)展投入了 很多的精力和時(shí)間 首先斯坦因公司致力于寬火焰燒嘴的研發(fā) 首先將該燒嘴運(yùn)用在 加拿大伊利湖鋼廠 420t h 的加熱爐上 與 2000 年 3 月建成投產(chǎn) 該公司也提出了數(shù)字 型加熱爐的概念 在數(shù)字型加熱爐上 對每一個(gè)獨(dú)立的的燒嘴 都可以進(jìn)行測試和調(diào) 節(jié) 取消了段流量策略和控制 替代了傳統(tǒng)的雙交叉限幅的加熱爐經(jīng)典控制 并在美 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 3 國的謝菲爾德鋼廠 127t a 加熱爐得到了成功的驗(yàn)證 在中國國內(nèi) 中冶賽迪在鈦鋼 2250 mm 熱軋的加熱爐中 成功的開發(fā)了具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的中冶賽迪加熱爐控制軟 件 將數(shù)字化脈沖技術(shù)成功的運(yùn)用到大型的不銹鋼加熱爐和蓄熱式的加熱爐中 而且 獲得了非常成功的應(yīng)用 總之 模糊控制在目前運(yùn)用的是非常廣泛的 2 加熱爐 2 1 加熱爐的功能及結(jié)構(gòu) 加熱爐是由加熱爐本體 冷卻系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng) 排煙系統(tǒng) 裝出料系統(tǒng) 余熱回 收系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)七個(gè)部分組成的 1 加熱爐本體 主要由爐膛 爐子基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)等組成 加熱爐一般都采用直立的爐墻 用站土 磚砌筑的爐墻 爐墻外面包上 4 至 10mm 厚的鋼板 可以提高爐子強(qiáng)度和氣密性 爐 頂在連續(xù)式加熱爐上一般采用吊頂 這樣可以不受爐子的跨度限制 便于局部修理和 安裝燒嘴 此外 爐子基礎(chǔ)一般采用鋼筋混凝土修建 因?yàn)樗鹬惺苷麄€(gè)爐子的 質(zhì)量不致下沉或倒塌的作用 而且還要防止?fàn)t底受潮或遭受地下水的損害 以保證爐 子正常的工作 2 冷卻系統(tǒng) 加熱爐是由一個(gè)封閉式的汽化冷卻系統(tǒng) 爐底水梁吸收了加熱爐的熱量后被封閉 系統(tǒng)中流動的熱水帶走 這樣系統(tǒng)中的熱水帶走了爐底水梁的熱量 冷卻了處于高溫 中的爐底水梁并使自身轉(zhuǎn)變成汽水混合物 所產(chǎn)生的水既供給外部用戶使用 又不斷 地向系統(tǒng)中補(bǔ)充消耗掉的水 在這個(gè)系統(tǒng)里不斷地循環(huán) 3 燃燒系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)主要包括燒嘴 供風(fēng)系統(tǒng) 煤氣系統(tǒng) 換向系統(tǒng)等部分組成 燒嘴和蓄 熱體是成對出現(xiàn)的 當(dāng)空氣和煤氣通過燒嘴時(shí) 一個(gè)燒嘴是起加熱的作用 另一個(gè)燒 嘴起排煙的作用 同時(shí)蓄熱體被煙氣加熱 當(dāng)時(shí)刻換向時(shí) 以加熱好的蓄熱體用來充 當(dāng)預(yù)熱空氣和煤氣的角色 冷卻的蓄熱體又被排出的高溫?zé)煔饧訜?4 排煙系統(tǒng) 主要是由煙道閘板 煙道 引風(fēng)機(jī)和煙窗組成 排煙系統(tǒng)的作用主要是克服煙道 阻力 順利地將煙氣排空 精確控制爐膛壓力 采用熱交換器 最大程度地回收煙氣 熱量 5 裝出料系統(tǒng) 加熱爐有裝鋼機(jī) 出鋼機(jī) 裝 出鋼機(jī)的水平運(yùn)動由電動齒輪傳動 升降運(yùn)動由 液壓驅(qū)動 當(dāng)鋼坯放在固定的梁上時(shí) 當(dāng)?shù)陀诠潭浩矫鏁r(shí) 托起鋼坯上升到高于其 平面 然后使活動梁與鋼坯向前水平運(yùn)動 到達(dá)地點(diǎn)后 使鋼坯下降到下限位置 然 后后退回到原點(diǎn) 相當(dāng)于繞一個(gè)矩形軌跡運(yùn)動 6 余熱回收系統(tǒng) 其主要是通過換熱器實(shí)現(xiàn)的 換熱器是余熱回收裝置的一種 主要用于回收煙氣 余熱 以提高爐子的熱利用效率 加熱爐余熱回收的途徑是利用排出爐外的煙氣來余 熱空氣和煤氣 提高爐子的熱效率 排出爐外的煙氣來生產(chǎn)蒸汽 以供生產(chǎn)和生活使 用 7 自動控制系統(tǒng) 加熱爐采用模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各點(diǎn)的溫度 壓力 流量的調(diào)節(jié)控制 模糊控制 能完成對生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)的采集 輸入 輸出信號的變換 處理 顯示 積累 運(yùn)算等功能 操作人員能夠通過對流程畫面 趨勢的記錄等畫面的觀察 分析問題 可以在控制臺上對各個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行操作 此外 還可以完成爐溫 爐壓的自動控制功 能和換向功能 2 2 加熱爐的溫度控制 2 2 1 加熱爐的燃燒和鋼坯加熱過程簡介 在任何冶金軋鋼生產(chǎn)中 軋鋼必須經(jīng)過加熱才能進(jìn)行軋制 軋鋼加熱爐的主要 作用就是加熱鋼坯 使之達(dá)到軋制所要求的溫度分布 1 加熱爐的燃燒過程 燃燒是一個(gè)化學(xué)過程 油泵將油罐中的重油抽出 經(jīng)過總油管送至加熱器中加熱 加熱完后 被分配到預(yù)熱段 加熱段和均熱段油路中的各段燒嘴中 與此同時(shí) 空氣 由風(fēng)機(jī)送出 通過總風(fēng)管送至煙道內(nèi)的熱交換器中加熱 加熱完后分配到各段的風(fēng)路 中的各段燒嘴中 在割斷的燒嘴中的油經(jīng)過霧化后 與空氣混合起來噴射到加熱爐內(nèi) 燃燒 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 5 2 鋼坯加熱過程 鋼坯加熱是一個(gè)具有熱傳導(dǎo)和熱輻射的過程 當(dāng)鋼坯的溫度與環(huán)境溫度相同時(shí) 推鋼機(jī)將鋼坯從加熱爐爐尾連續(xù)不斷的推入加熱爐中 鋼坯開始在預(yù)熱段進(jìn)行預(yù)熱 當(dāng)在預(yù)熱段段末鋼坯溫度達(dá)到 700 左右后 鋼坯進(jìn)入加熱段經(jīng)過上下加熱 當(dāng)?shù)竭_(dá)加 熱段段末鋼坯上下溫度基本都達(dá)到 1220 左右時(shí) 鋼坯進(jìn)入均熱段 當(dāng)?shù)竭_(dá)均熱段末 時(shí) 需要將軋制的鋼坯加熱到 1250 左右的溫度 此時(shí)鋼坯內(nèi)部和表面的溫度將達(dá)到 基本均勻一致 具有了軋鋼工藝所要求的可塑性 達(dá)到了工藝所要求的溫度分布 然 后通過出鋼機(jī)從加熱爐中頂出 進(jìn)入軋制工序 鋼坯一旦進(jìn)入加熱爐 就一直被加熱 直到被出鋼機(jī)從加熱爐中頂出 2 2 2 加熱爐爐溫控制中的影響因素 加熱爐是熱軋生成中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié) 它與設(shè)備穩(wěn)定 鋼坯加熱質(zhì)量 燃料消 耗以及生產(chǎn)節(jié)奏等有關(guān) 鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量與鋼坯加熱是否滿足工藝要求有密切的關(guān)系 為了達(dá)到生產(chǎn)的要求 需要滿足鋼坯的軋制要求以及它的優(yōu)化指標(biāo) 而且需要對加熱 爐的各段的溫度加以嚴(yán)格的控制 需要考慮影響加熱爐爐溫控制的因素主要有以下幾 個(gè)方面 1 爐膛壓力對加熱爐的影響 加熱爐爐膛壓力是實(shí)現(xiàn)加熱爐自動控制的一個(gè)重要的參數(shù) 當(dāng)爐膛壓力過高時(shí) 會失去大量有用的熱量 不僅如此 它還會使燃料的損耗增加而且爐子的鋼結(jié)構(gòu)也容 易被燒壞 從而降低爐子的使用壽命甚至使環(huán)境惡化給操作人員帶來安全隱患 當(dāng)爐 膛壓力過低時(shí)吸入大量的冷風(fēng) 會加大漏風(fēng)熱損失和排煙熱損失 使引風(fēng)機(jī)的電耗量 增加 因此 必須將爐壓控制在符合規(guī)定的范圍之類 同時(shí)在加熱爐最佳燃燒控制系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上 可以通過控制引風(fēng)機(jī)變頻器的開度來實(shí)現(xiàn)對爐膛壓力控制 2 空氣 燃?xì)饬髁繉訜釥t的影響 加熱爐中的空氣和燃料混合燃燒所產(chǎn)生的熱量以及其熱負(fù)荷的大小決定加熱爐爐 溫的高低 在生產(chǎn)過程中的空氣 燃?xì)獾牧髁亢蜔嶝?fù)荷是不穩(wěn)定的 不斷變化的 當(dāng) 熱負(fù)荷一定的條件下時(shí) 空氣和燃?xì)獾牟环€(wěn)定性將會對加熱爐爐溫的穩(wěn)定產(chǎn)生非常重 要的影響 因此 對加熱爐爐溫控制的好壞 與空氣 燃?xì)獾牧髁亢蜔嶝?fù)荷的調(diào)整有 十分重要的關(guān)系 3 煙氣含氧量對加熱爐的影響 煙氣含氧量的大小可以直接反映出加熱爐的燃燒情況 當(dāng)含氧量不充足時(shí) 導(dǎo)致 燃料燃燒的不充分 造成大量燃料的損失 而且同時(shí)會產(chǎn)生大量的黑煙和 CO 對環(huán)境 造成很大的污染 當(dāng)含氧量過多時(shí)過剩的空氣多 盡管燃?xì)饽軌虺浞值娜紵?但是也 會讓過剩的空氣帶走部分熱量浪費(fèi)資源 而且爐內(nèi)有過多的氧會使鋼坯造成鋼坯嚴(yán)重 的氧化燒損 因此 控制好煙氣含氧量對產(chǎn)生出優(yōu)質(zhì)的鋼坯有十分重要的意義 4 產(chǎn)量波動對加熱爐的影響 加熱爐出鋼的節(jié)奏必須與軋鋼機(jī)的生產(chǎn)節(jié)奏相適應(yīng) 相協(xié)調(diào) 軋制節(jié)奏與出鋼節(jié) 奏應(yīng)該是同時(shí)變化并且是相對應(yīng)的變化 但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中 軋制的節(jié)奏是不斷 變化的而且是很頻繁的 其中包括軋制的停頓和節(jié)奏的變化 生產(chǎn)線上突然出現(xiàn)故障 迫使節(jié)奏發(fā)生變化或停頓即主要是推鋼速度的變化 爐中有三段 要滿足軋制要求和 一種優(yōu)質(zhì)制度 需要對不同的推鋼速度 在爐內(nèi)各段溫度也要不同的要求 上述的影響爐溫控制的各因素之間也存在著相互影響 彼此之間有一定的關(guān)系 例如 如果為了提高爐溫增加空氣和燃?xì)獾牧髁繒r(shí) 會導(dǎo)致加熱爐的爐膛壓力增大 反之 降低爐溫減少空氣和燃?xì)獾牧髁繒r(shí) 此時(shí)的爐膛壓力也會減小 如果生產(chǎn)節(jié)奏 發(fā)生變化時(shí) 加熱爐的爐溫會相應(yīng)的發(fā)生變化 為了保證加熱爐保持在合適的范圍內(nèi) 需要根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏的變化來調(diào)整加熱爐的空氣和燃?xì)獾牧髁?當(dāng)保證有足夠的空氣和 燃?xì)馔耆紵龝r(shí) 需要調(diào)整空氣和燃?xì)獾牧髁?如果是增加 需先增加空氣后加燃?xì)?反之若是減少 需先減少燃?xì)夂鬁p少空氣 2 2 3 加熱爐溫度系統(tǒng)自動控制的基本要求 加熱爐一共有三個(gè)加熱控制段 預(yù)熱段 加熱段 均熱段 對其爐溫溫度系統(tǒng)自 動控制有以下基本要求 1 根據(jù)軋制節(jié)奏自動控制各段爐溫 軋制的前一道工序是鋼坯的加熱過程 加熱爐的作用是保證鋼坯的表面溫度與鋼 坯的中心溫度之差保持在一定的范圍之內(nèi) 需要將鋼坯從冷態(tài)加熱到適合軋制所需要 的溫度要求 必須對加熱爐的各段溫度加以嚴(yán)格的控制 目的是為了使鋼坯滿足軋制 要求和它的優(yōu)化指標(biāo) 以達(dá)到生產(chǎn)的要求 2 加熱爐是主要耗能設(shè)備 為了增加經(jīng)濟(jì)效益 需要降低能源消耗即盡可能的減少燃料損耗 在這種目的下 鋼坯加熱到符合軋制所要求的溫度時(shí) 風(fēng)油配比要適當(dāng) 如果配比值過大時(shí) 盡管油 能夠得到充分的燃燒 但是爐子內(nèi)多余的空氣會將加熱爐內(nèi)的部分熱量損耗使之產(chǎn)生 能源浪費(fèi) 增大成本 如果配比值過小時(shí) 重油不能充分的燃燒 加熱爐中的部分重 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 7 油會隨著廢氣一起排出 同時(shí)會產(chǎn)生大量的黑煙 這樣不僅浪費(fèi)了資源增大了成本 而且給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染 3 爐膛壓力保持微正壓 爐子的熱效率和成材率取決于爐膛壓力的大小 如果爐壓太高時(shí) 爐子開口處向 外噴火 導(dǎo)致熱損失增大 熱效率降低 反之 如果爐壓太低時(shí) 爐子將會吸入冷空 氣 也會使熱效率降低 不僅如此 當(dāng)爐內(nèi)吸入冷空氣后 使得爐內(nèi)的含氧量升高 導(dǎo)致鋼坯氧化鐵皮的生成的概率增大 繼而使成材率降低 成本增加 經(jīng)濟(jì)效益下降 所以 必須保持爐膛壓力在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)變化 根據(jù)三個(gè)段所需要的要求 需要三段之間的所設(shè)的參數(shù)的變量要相互協(xié)調(diào) 2 3 加熱爐的燃燒過程 1 理論燃燒 燃燒是在一定的溫度下 燃料與空氣中的氧燃燒發(fā)生氧化反應(yīng) 實(shí)質(zhì)就是一個(gè)熱 量釋放的過程 所以 燃料量和空氣量必須保持合適的配比值 目的是為保證燃料完 全燃燒 使排出的煙氣中沒有剩余的氧 燃料燃燒所產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)化為熱量 2 實(shí)際燃燒 在實(shí)際燃燒過程中 因?yàn)槿剂喜豢赡芘c空氣中的氧均勻的混合和充分的接觸而完 全燃燒 所以燃料燃燒時(shí)所需要的空氣量與理論上所需要的量是存在著一定的誤差的 因此 在實(shí)際燃燒的過程中 為了是燃料充分的燃燒 就必須使實(shí)際空氣量略大于理 論上的空氣量 2 4 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的建模 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) 而且爐內(nèi)的加熱過 程非常的復(fù)雜且影響加熱過程的因素非常多使穩(wěn)定非常差 若給加熱爐建立一個(gè)具體 準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的 而且到目前為止還沒有加熱爐整體的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)加熱爐的大滯后 大慣性的特點(diǎn) 方便控制方法的研究 通過借鑒工業(yè)過程 中的實(shí)際情況及工程師們所積累的經(jīng)驗(yàn) 可以將加熱爐近似簡化為一個(gè)帶有純滯后的 一階慣性環(huán)節(jié) 其傳遞函數(shù)為 2 1 1 s Ke G s Ts 其加熱爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 如圖 2 1 所示 給定 值 調(diào)節(jié)器執(zhí)行器加熱爐 出口 溫度 擾動 檢測元件 變送器 圖 2 1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 模糊控制 3 1 模糊控制的意義 當(dāng)今世界正面臨著一場強(qiáng)勁的信息革命 模糊控制理論的發(fā)展反映了改革的需要 模糊控制技術(shù)是一種高級算法策略和新穎的技術(shù) 已經(jīng)成為智能控制技術(shù)的一個(gè)重要 部分 從 1974 年英國的馬丹尼工程師根據(jù)模糊集合理論組成的模糊控制器成功用于蒸汽 發(fā)動機(jī)后 經(jīng)過近 40 年的發(fā)展歷程 模糊控制技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用 例如應(yīng)用于冶金與化工過程控制 工業(yè)自動化 家用電器智能化 儀器儀表自動化 計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域 尤其在交通路口控制 機(jī)器人 航天飛行控制 汽車 控制 電梯控制 核反應(yīng)堆等方面 體現(xiàn)出了極大地實(shí)用和商業(yè)價(jià)值 目前已經(jīng)有了 專用的模糊芯片和模糊計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品供我們選用 在我國國內(nèi) 1979 年開始對模糊控制器開始研究 而且已經(jīng)在模糊控制器的定義 性能 算法 魯棒性 電路實(shí)現(xiàn)方法 穩(wěn)定性 規(guī)則自調(diào)整等方面取得了大量的成果 我國著名科學(xué)家錢學(xué)森指出 模糊控制數(shù)字理論及其應(yīng)用 關(guān)系到我國二十一世紀(jì)的 國立和命運(yùn) 從上述總結(jié)的國內(nèi)外模糊控制的發(fā)展史以及其發(fā)展的意義來看 在當(dāng)今社會科技 不斷發(fā)展創(chuàng)新的年代 人本身的感覺和用來表達(dá)自身感覺情感和思維工具 語言都是 模糊的 正是這種思維能夠忽略大量無用的信息 能夠看出事物的本身 表達(dá)出自己 的想法 對事物進(jìn)行正確的描述 總體而言 模糊控制的發(fā)展在智能控制領(lǐng)域起著舉 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 9 足輕重的地位和生活中占有十分重要的意義 3 2 模糊控制的基本原理 模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng) 它是以模糊數(shù)學(xué) 模糊語言形式的知識表示和 模糊邏輯理論為基礎(chǔ) 采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng) 模糊控制主要還是建立在人的直覺和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的 操作人員對被控系統(tǒng)的了解是 通過操作人員熟練地操作 豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和直觀感覺所得到的 不是通過精確地?cái)?shù) 學(xué)模型或計(jì)算所了解的 模糊控制是以模糊集合論 模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控 制方法 其核心是模糊控制器 而模糊控制規(guī)則的確定即模糊控制規(guī)則表是一個(gè)關(guān)鍵 的部分 但是模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者熟練地操作員的手動控制經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)出 來的一系列控制規(guī)則 根據(jù)原理可構(gòu)造出的原理圖如 3 1 所示 模 糊 化 誤差變 化率 模 糊 控 制 算 法 模 糊 判 決 被控 過程 ry 圖 3 1 模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 3 3 模糊控制器 1 模糊控制器主要有以下三項(xiàng)重要功能 1 將系統(tǒng)的偏差數(shù)字轉(zhuǎn)化為模擬量即就是模糊化 數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn) 2 對模糊量按照給定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理即就是規(guī)則陣 模糊推理的實(shí)現(xiàn) 3 把模糊推理所得到的結(jié)果的模糊輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)認(rèn)為比較精確的數(shù)字量或 者模擬量即就是解模糊的實(shí)現(xiàn) 2 模糊控制器結(jié)構(gòu)的四大組成部分 1 規(guī)則庫 由 IF THEN 語句構(gòu)成 通常由一系列的關(guān)系詞連接而成的 關(guān)系詞必 須經(jīng)過轉(zhuǎn)化 才能將模糊規(guī)則數(shù)值化 它是通過專家知識或手動操作人員長期總結(jié)出 來的控制思想經(jīng)驗(yàn) 它是按人的直覺推理的一種語言表示形式 2 推理機(jī) 根據(jù)當(dāng)前的輸入 結(jié)合規(guī)則庫進(jìn)行推理 得出相對應(yīng)的對策 3 模糊化 因模糊推理是在模糊集合集上進(jìn)行的 因此輸入也應(yīng)該是模糊集合 而 實(shí)際被控對象的測量值是實(shí)數(shù)值 則需要把實(shí)數(shù)值變成語言值即就是模糊化 4 模糊判決 推理機(jī)的推理結(jié)果是一個(gè)語言值 而執(zhí)行器需要的是一個(gè)具體的確定 的數(shù)值 即需要把語言值變成確定值 進(jìn)行模糊判決 3 4 模糊控制器的設(shè)計(jì)及優(yōu)缺點(diǎn) 模糊控制器設(shè)計(jì)七個(gè)內(nèi)容 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量 確定輸入 輸出的論域 確定各變量的語言取值及其隸屬函數(shù) 總結(jié)專家控制規(guī)則及其蘊(yùn)含的模 糊關(guān)系 選擇推理算法 確定清晰化的方法 總結(jié)模糊查詢表 3 4 1 模糊控制器的輸入 輸出變量 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定模糊控制器的輸入 輸出變量 由于模糊控制 器的控制規(guī)則是人們通過不斷實(shí)踐總結(jié)出來的 所以需要考慮哪些變量可以作為模糊 控制器的信息量 而且需要研究在手動控制過程中是如何獲取 輸出信息的 誤差 誤差的變化 誤差變化的速率是人們在手動實(shí)踐過程中所能夠獲得的三個(gè) 基本信息量 通常情況 人對于誤差的認(rèn)識是最為敏感的 其次是對誤差的變化 最 后才是誤差變化的速率 一般情況下 模糊控制器的維數(shù)越高 控制的越精細(xì) 效果 也就越好 但是 維數(shù)太高 模糊控制規(guī)則就會變得相當(dāng)?shù)膹?fù)雜 會導(dǎo)致很難實(shí)現(xiàn)控 制算法 基于這種情況 設(shè)計(jì)和應(yīng)用二維模糊控制器在目前是最為廣泛的 故本課題 也是采用的二維模糊控制器 如圖 3 2 所示 即以誤差 誤差的變化率作為輸入 規(guī) 則 庫 推 理 機(jī)模糊判決控制 輸出 模糊化 量測 輸入 圖 3 2 模糊控制器結(jié)構(gòu) 3 4 2 模糊集合 在模糊數(shù)學(xué)中 若根據(jù)實(shí)際需要 一個(gè)變量的論域可以由若干個(gè)模糊集合 例如 論域 U 上的一個(gè)模糊集合 A 是指 對于論域 U 中的任一元素 都指定了 0 1 閉uU 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 11 區(qū)間中的一個(gè)數(shù)與之對應(yīng) 即 u 對 A 的隸屬度 即相當(dāng)于定義了一個(gè)映射 0 1 A u A 0 1 A U A uu 這個(gè)映射成為模糊集合 A 的隸屬度函數(shù) 相鄰模糊集合所包含的區(qū)域有可能重疊 模糊數(shù)學(xué)概述中所提到的權(quán)值其實(shí)就是隸屬度 表示元素 u 屬于模糊集合 A 的程度 隸屬度的取值范圍為 隸屬度的值越大 就表示該元素屬于當(dāng)前模糊集合的程度 0 1 越高 當(dāng)隸屬度取 1 時(shí)表示完全屬于該模糊集合 反之 當(dāng)取 0 時(shí)則表示完全不屬于 3 4 3 模糊隸屬函數(shù) 隸屬度的大小由隸屬度函數(shù)決定 隸屬度函數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要而進(jìn)行選擇 通 過隸屬度函數(shù)可以將模糊集合的模糊性做定量描述 所以隸屬度函數(shù)在模糊集合的模 糊性做定量描述 所以隸屬度函數(shù)在模糊集合中占有十分重要的地位 系統(tǒng)中模糊控制器采用二輸入 一輸出變量 輸入 輸出變量的論域都為 6 6 系統(tǒng)偏差 e kT 的離散域?yàn)?6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 為輸入變量 e t 選取 七個(gè)語言值 正大 PB 正中 PM 正小 PS 零 ZO 負(fù)小 NS 負(fù)中 NM 負(fù)大 NB 采用對稱三角形作為隸屬函數(shù) 輸入變量 e t 隸屬函數(shù)如圖 3 3 所示 圖 3 3 輸入變量 e t 的隸屬函數(shù) 在相同的情況下 可以分別得出偏差變化速率變量 e t 和輸出變量 u t 的隸屬 函數(shù)圖 如圖 3 4 3 5 所示 圖 3 4 偏差變化速率 e t 的隸屬函數(shù) 圖 3 5 輸出變量 u t 的隸屬函數(shù) 確定隸屬函數(shù)時(shí) 需要考慮以下幾個(gè)問題 1 隸屬函數(shù)曲線形狀對控制性能的影響 隸屬函數(shù)形狀較尖時(shí)分辨率較高 輸 入引起的輸出變化比較劇烈 控制靈敏度較高 曲線形狀較緩時(shí)分辨率較低 輸入引 起的輸出變化不那么劇烈 控制特性也比較平緩 具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定 因而在輸入 較大的區(qū)域內(nèi)采用低分辨率曲線 在輸入較小的區(qū)域內(nèi)采用較高分辨率曲線 當(dāng)輸入 接近零則選用高分辨率曲線 2 隸屬函數(shù)曲線的分布對控制性能的影響 a 兼顧控制靈敏度和魯棒性 相鄰兩曲線交點(diǎn)對應(yīng)的隸屬度值較小時(shí) 控制靈敏度 較高 但魯棒性不好 值較大時(shí) 控制系統(tǒng)的魯棒性較好 但是控制靈敏度將降低 b 清晰性 相鄰隸屬函數(shù)之間的區(qū)別必須是明確的 c 完備性 隸屬函數(shù)的分布必須覆蓋語言變量的整個(gè)論域 否則將會出現(xiàn) 空檔 從而導(dǎo)致失控 3 4 3 模糊控制規(guī)則 1 控制規(guī)則 規(guī)則庫的描述 規(guī)則庫由若干條控制規(guī)則組成 這些控制規(guī)則根據(jù)人類控制專家 和熟練地操作員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出的 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 13 其生成方法歸納為以下種 a 根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)或過程控制知識生成控制規(guī)則 通過對控制專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié) 描述來生成特定領(lǐng)域的控制規(guī)則原型 經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和修正形成最終的規(guī)則庫 b 根據(jù)過程的模糊模型生成控制規(guī)則 通過用模糊語言描述被控過程的輸入輸出關(guān) 系來得到過程的模糊模型 進(jìn)而根據(jù)這種關(guān)系得到控制器的控制規(guī)則 c 根據(jù)學(xué)習(xí)算法獲取控制規(guī)則 應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法對控制過程的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析和聚類 生成和在線優(yōu)化較完善的控制規(guī)則 2 對于模糊控制規(guī)則的總結(jié)需要注意以下幾個(gè)問題 1 規(guī)則數(shù)量合理 控制規(guī)則的增加可以增加控制的精度 但是會影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 控制規(guī)則數(shù)量的減少會提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度 但是控制的精度又會下降 所以 需要 在控制精度和時(shí)性之間的進(jìn)行權(quán)衡 2 規(guī)則要具有一致性 控制規(guī)則的目標(biāo)準(zhǔn)則要相同 不同的規(guī)則之間不能出現(xiàn)相矛 盾的控制結(jié)果 如果各規(guī)則的控制目標(biāo)不同 會引起系統(tǒng)的混亂 3 完備性要好 控制規(guī)則應(yīng)能對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的任何一種狀態(tài)進(jìn)行控制 否則 系 統(tǒng)就會有失控的危險(xiǎn) 3 控制規(guī)則按照 IF is AND is THEN is 的形式表達(dá) 規(guī)則庫可以用矩陣 表的形式進(jìn)行描述 如表 3 1 所示 表 3 1 控制規(guī)則表 輸入變量偏差變化速率e t NBNMNSZEPSPMPB NBNBNBNBNBNMNSZE NMNBNBNMNMNSZEZE NSNBNMNMNSZEZEPS ZENMNSNSZEPSPSPM PSNSZEZEPSPMPMPB PMZEZEPSPMPMPBPB 輸入變量系統(tǒng)偏差e t PBZEPSPMPBPBPBPB 3 4 4 模糊推理 模糊推理的結(jié)論主要取決于模糊蘊(yùn)含關(guān)系及模糊關(guān)系與模糊集合之間的合成運(yùn)算 法則 一般情況下 確定的模糊推理系統(tǒng)確定模糊蘊(yùn)含關(guān)系 但是合成運(yùn)算法則并不 是唯一的 結(jié)合合成運(yùn)算法則的不同 模糊推理方法可以分為 Mamdani 推理法 Larsen 推理法 Zadeh 推理法等等 其中廣義前向推理和廣義反向推理 是比較常見的 兩種模糊推理方法 例如 廣義前向推理 如果有如下模糊規(guī)則 如果 x 為 A 那么 y 為 B 推理?xiàng)l件 x 為 A 推理結(jié)論為 y 為 B 其中 x 是論域 X 中的語言變量 它 的值是 X 中的模糊集合 A A 而 y 是論域 Y 中的語言變量 它的值是 Y 中的模糊集 合 B B 廣義前向推理就是已知推理的前提求結(jié)論 即就是結(jié)合已知的模糊規(guī)則 根 據(jù)已知的推理?xiàng)l件 按照某一種模糊推理策略 從而得出結(jié)論 3 4 5 模糊化接口 模糊化接口就是通過在控制器的輸入 輸出論域上定義語言變量 來將精確的輸 入 輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值 模糊化接口的設(shè)計(jì)步驟就是相當(dāng)于定義語言變量的 過程 即可分為以下四步 1 語言變量的確定 針對模糊控制器每個(gè)輸入 輸出空間 各自定義一個(gè)語言 變量 通常取系統(tǒng)的誤差值 e 和誤差變化率 ec 為模糊控制器的兩個(gè)輸入 在 e 的論域 上定義語言變量 誤差 E 在 ec 的論域上定義語言變量 誤差變化 EC 在 ec 的論 域上定義語言變量 控制量 U 2 語言變量論域的設(shè)計(jì) 在模糊控制器的設(shè)計(jì)中 就把語言變量的論域定義為 有限整數(shù)的離散論域 為了提高實(shí)時(shí)性 模糊控制器通常以控制查詢表的形式出現(xiàn) 該表反映了通過模糊控制算法求出的模糊控制器輸入量和輸出量在給定離散點(diǎn)上的對 應(yīng)關(guān)系 3 定義各語言變量的語言值 一般在語言變量的論域上 將其劃分為有限的幾 檔 檔級越多 規(guī)則制定越靈活 越細(xì)致 但是規(guī)則多 復(fù)雜 編制程序困難 占用 的內(nèi)存較多 反之 檔級越少 規(guī)則越少 越方便 但是過少的規(guī)則會使控制作用變 粗而達(dá)不到預(yù)期的效果 因此 在選擇模糊狀態(tài)時(shí)要兼顧簡單性和控制效果 4 定義各語言值的隸屬函數(shù) 一般有正態(tài)分布型 三角型 梯型三種類型 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 15 3 4 6 清晰化接口 由模糊推理得到的模糊輸出值 C 是輸出論域上的模糊子集 只有其轉(zhuǎn)化為精確控 制量 u 才能施加于對象 實(shí)行的種轉(zhuǎn)化的方法叫做清晰化又叫模糊判決 有以下兩種 最常見的方法 1 最大隸屬度法 把模糊輸出值中的隸屬度最大的元素 U 作為精確地輸出控制 量 若模糊輸出量的元素隸屬度有幾個(gè)相同的最大值時(shí) 則取相應(yīng)諸元素的平均值 并進(jìn)行四舍五入取整作為控制量 2 加權(quán)平均法 重心法 主要是對模糊輸出量中各元素及其對應(yīng)的隸屬度求 加權(quán)平均值 并進(jìn)行四舍五入取整來得到精確輸出控制量 清晰化處理后得到的模糊控制器的精確輸出量 經(jīng)過比例因子可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際作用 與控制對象的控制量 3 4 7 模糊查詢表 模糊控制器的工作過程 1 模糊控制器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的誤差和誤差變化率 2 通過量化因子和量化率將誤差和誤差變化率量化為控制器的精確輸入 3 精確輸入通過模糊化接口轉(zhuǎn)化為模糊輸入 4 將模糊輸入根據(jù)規(guī)則庫蘊(yùn)含的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理 得到模糊控制輸出量 5 對模糊控制輸出量進(jìn)行清晰化處理 得到控制器的精確輸出量 6 通過比例因子將精確輸出量轉(zhuǎn)化為實(shí)際作用于控制對象的控制量 生成模糊 查詢表 若將上述的 3 到 5 步離線進(jìn)行運(yùn)算 對于每一種可能出現(xiàn)的精確輸入值 計(jì) 算出相應(yīng)的輸出量 并以表格的形式存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中 這樣的表格即為模糊查詢 表 3 4 8 模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn) 1 模糊控制的優(yōu)點(diǎn) 1 設(shè)計(jì)時(shí)不需要建立被控制對象的數(shù)學(xué)模型 只要求掌握人類的控制經(jīng)驗(yàn) 2 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 2 模糊控制的缺點(diǎn) 1 確立模糊化和逆模糊化的方法時(shí) 缺乏系統(tǒng)的方法 主要靠經(jīng)驗(yàn)和試湊 2 總結(jié)模糊控制規(guī)則有時(shí)比較困難 3 控制規(guī)則一旦確定 不能在線調(diào)整 不能很好地適應(yīng)情況的變化 4 模糊控制器由于不具有積分環(huán)節(jié) 因而穩(wěn)態(tài)精度不高 4 仿真模型以及仿真結(jié)果 4 1 傳統(tǒng) PID 控制 1 PID 三大環(huán)節(jié)的論述 加熱爐的溫度控制屬于我們所學(xué)過的過程控制 因此 我們一般采取的控制方案 就是傳統(tǒng)的比例積分微分 PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制 PID 控制的原理圖如圖 4 1 所示 比 例 積 分 微 分 輸入 變量 被控對象 輸 出 值 圖 4 1 PID 控制原理圖 PID 控制的一般形式為 4 1 0 1 2 IDC U kKpE kKE kK Ekk 其中 E k EC k 分別為其輸入偏差和偏差變化率 Kp KI Kd分別為表征其比例 P 積分 I 微分 D 作用的參數(shù) 下面對三個(gè)環(huán)節(jié)及三者間的聯(lián)系進(jìn)行論述 1 比例調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)簡單 控制及時(shí) 參數(shù)整定方便 其控制的結(jié)果有一定的誤 差 因此 比例控制一般用于大負(fù)荷容量且變化不大的純滯后小的對象 結(jié)果允許有 一定的誤差 2 積分調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)的動作與偏差對時(shí)間的積分成正比 偏差存在積分作用就會 有輸出 主要是起消除誤差的作用 積分的作用應(yīng)該選擇適中 太強(qiáng)會引起振蕩 太 弱會使系統(tǒng)存在誤差 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 17 3 微分調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)動作與偏差的變化速度成比例 主要是阻止被調(diào)參數(shù)的變化 且具有超前調(diào)節(jié)的作用 微分時(shí)間要適中 4 比例積分控制作用 兩者結(jié)合可以消除偏差 積分會使控制速度變慢 系統(tǒng) 的穩(wěn)定性變差 主要適用于滯后大 負(fù)荷變化較大的對象 而且要求被控對象變化速 度緩慢并要求其控制結(jié)果沒有誤差 5 比例微分控制作用 具有響應(yīng)快 偏差小 能增加系統(tǒng)穩(wěn)定性 有超前控制 作用 能夠克服對象的慣性 其控制結(jié)果有誤差的特點(diǎn) 主要適用于滯后大 負(fù)荷變 化不大 本身變化不強(qiáng) 結(jié)果允許有誤差的對象 2 PID 控制仿真 參數(shù)的設(shè)定步驟 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作 僅加入比例控制環(huán)節(jié) 直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)表現(xiàn)出臨界振蕩 記下這時(shí) 的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期 在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù) PID 控制器參數(shù)的調(diào) 試實(shí)例當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)基本參數(shù)設(shè)定后 接下來是調(diào)整 PID 參數(shù)以取得最理想 的控制效果 研究的加熱爐爐溫對象是由具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的對象 其傳遞函數(shù)為 4 2 1 s Ke G s Ts 式中 K 為靜態(tài)增益 T 為時(shí)間常數(shù) 為純滯后時(shí)間 仿真所選取的采樣時(shí)間 0 5s 比例環(huán)節(jié)取 K 1 一階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) T 10s 則被控對象的 s T 0 5 函數(shù)式為 假設(shè)輸入信號均為階躍信號 即用 Matlab 仿真所得到的 PID 0 5 101 s e G s s 控制 Matlab 仿真圖如圖 4 2 圖 4 2 PID 控陣 Matlab 仿真圖 在這次仿真中 沒有經(jīng)過細(xì)致的分析 通過隨機(jī)選取的一組設(shè)定值 即首先設(shè)定 的一組 Kp KI Kd參數(shù)值分別為 16 1 0 5 帶入仿真圖 經(jīng)運(yùn)行所得到的仿真結(jié)果圖 如圖 4 3 所示 圖 4 3 PID 仿真結(jié)果圖 初次得到的仿真圖并不是非常滿意的波形 用控制變量法調(diào)整 PID 控制器的參數(shù) 經(jīng)過多次調(diào)整 選取另一組參數(shù) Kp KI Kd分別為 13 1 1 1 2 得到了相對滿意的波 形圖如圖 4 4 所示 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 19 圖 4 4 改變參數(shù)后的仿真波形圖 經(jīng)過以上兩圖比較可得 圖 4 4 優(yōu)于圖 4 3 其過度時(shí)間相對短一些 滯后小一些 超調(diào)量小一些 但是兩圖總體上都有明顯的滯后 而且超調(diào)量很大 其過度時(shí)間也很 長 控制效果不是特別的理想 與此同時(shí)也折射出了加熱爐加熱的工業(yè)環(huán)境是非常的復(fù)雜的 即使改變參數(shù)后采 用 PID 控制 依然具有很長的延時(shí)性 響應(yīng)緩慢 過度過程較長 不能很好的跟蹤 這樣說明了 PID 控制器的效果不好 即可得到的結(jié)論為 PID 控制是主要適用于相對 比較準(zhǔn)確的對象 而且系統(tǒng)特性的變化與控制變量之間是線性映射關(guān)系 當(dāng) PID 控制 運(yùn)用到參數(shù)變化 影響因素比較多的控制系統(tǒng)中 系統(tǒng)性能明顯變差 而且得到的結(jié) 果會有很大的誤差 4 2 模糊控制仿真 模糊控制器的仿真用 Matlab 實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)模糊控制的仿真波形 主要的是對模糊判 決器的建立 1 具體的設(shè)計(jì)步驟如下 1 打開 Matlab 軟件 使之首先處在如圖 4 5FIS 的 Matlab 環(huán)境里 圖 4 9 偏差變化隸屬度數(shù) 圖 4 5 FIS 界面 2 點(diǎn)擊 Edit Add variable input out 添加模糊控制的輸入 輸出量 選用的是 2 個(gè)輸入和 3 個(gè)輸出的模糊 PID 判決器 并且把這 5 個(gè)變量的名字改成 e ec kp ki 和 kd 然后雙擊 variable 彈出的 Membership Function Editor 即可以設(shè)定這個(gè) variable 的取值范圍 用新建的 variable 默認(rèn)只有 3 個(gè)子集 將其添加到 Membership Function Editor 中 按照模糊隸屬度設(shè)定每個(gè)子集的名字 形狀 覆蓋范圍 3 在 FIS Editor 中點(diǎn)擊 Edit Rules 彈出 Rule Editor 進(jìn)行添加規(guī)則 在新建的 有 0 條規(guī)則的模糊判決器中 按照模糊控制規(guī)則表 使用 Rule Editor 底部的 添加規(guī) 則 和 修改規(guī)則 按鈕設(shè)定模糊控制的 49 條規(guī)則 按照先添加后修改的原則 最 后將該 FIS 保存即可 4 對模擬仿真圖進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試 即可得波形圖 2 模糊控制器在 Matlab 環(huán)境下的仿真圖如圖 4 6 所示 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 21 圖 4 6 模糊控制器仿真圖 通過在 Matlab 環(huán)境下調(diào)試模糊控制器 得到的波形圖如圖 4 7 所示 圖 4 7 模糊控制仿真波形圖 由在 Matlab 環(huán)境下 所得到的模糊控制仿真波形可知 模糊控制系統(tǒng)運(yùn)行所得到 的波形圖快速性好 過渡時(shí)間短 超調(diào)量小 滯后小 即得到的結(jié)果相當(dāng)滿意 表明 在復(fù)雜多變的 非線性的時(shí)變環(huán)境 加熱爐 下 進(jìn)行加熱爐爐內(nèi)溫度的控制 模糊 控制是一種比較理想的選擇 4 3 模糊控制與 PID 控制的比較 通過對比模糊控制器和 PID 控制器的仿真 在相同的條件下進(jìn)行運(yùn)行仿真 所得 到的仿真波形圖可得 在結(jié)構(gòu)復(fù)雜 受到很多干擾因素影響下的環(huán)境下 控制具有時(shí) 變性 大滯后 大慣性 非線性等特性的對象 模糊控制體現(xiàn)出了良好的優(yōu)越性 根 據(jù)上述的模擬后的仿真波形圖 模糊控制相比 PID 控制的超調(diào)量很小 過渡時(shí)間相對 短一些 滯后和慣性環(huán)節(jié)比較小 得到的控制效果也比較理想 所以在復(fù)雜多變的環(huán) 境下進(jìn)行控制 我們應(yīng)當(dāng)首選模糊控制 5 結(jié)束語 5 1 全文總結(jié) 本課題所論述的是模糊控制在加熱爐中的應(yīng)用的研究 其目的是為了解決如何提 高加熱爐的加熱效率以及確保加熱爐內(nèi)的燃料能夠得到充分的燃燒 期望能夠?qū)φ麄€(gè) 有關(guān)鋼鐵生產(chǎn)的成本有所降低 提高經(jīng)濟(jì)效益以及能夠充分的利用資源 達(dá)到節(jié)約資 源保護(hù)環(huán)境的效果 通過前面的論述 我們已經(jīng)知道了加熱爐是一個(gè)大滯后 大慣性 以及非線性的時(shí)變系統(tǒng) 而且結(jié)合實(shí)際的煉鐵工廠 我們了解到加熱爐內(nèi)的加熱過程 和加熱狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的 具有熱輻射 熱傳導(dǎo) 熱對流 加工工藝參數(shù)的頻繁波動 的特性 這對于建立一個(gè)具體的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的 而且即使能夠建立一個(gè)近似 的數(shù)學(xué)模型仿真 通過模型的仿真運(yùn)行調(diào)試 其得到的仿真結(jié)果也是存在有很大的誤 差 結(jié)果也就沒有太多的現(xiàn)實(shí)意義 傳統(tǒng)常規(guī)的 PID 控制雖然具有結(jié)構(gòu)簡單 運(yùn)用方 便 容易實(shí)現(xiàn) 控制效果好等優(yōu)點(diǎn) 但是 PID 控制能夠得到良好的效果 是以固定的 單一的 干擾因素不多的對象為前提的 應(yīng)用到加熱爐中 是很難滿足要求的 隨著 科技的發(fā)展 模糊控制的技術(shù)日益發(fā)展成熟 已經(jīng)作為智能控制的一個(gè)重要的分支 它具有可以較強(qiáng)的魯棒性 適應(yīng)多變環(huán)境 抗干擾因素強(qiáng) 無需具體的數(shù)學(xué)模型等優(yōu) 點(diǎn) 對于加熱爐中爐溫控制 可以采用模糊控制的方法能夠很好地實(shí)現(xiàn) 為了證明模糊控制比 PID 控制在非線性 多變環(huán)境 加熱爐爐內(nèi)的溫度控制 下 具有很好的優(yōu)越性 本課題提出了分別基于 PID 控制和模糊控制本課題提出了分別基 于 PID 控制和模糊控制的加熱爐的爐溫控制系統(tǒng) 并在 Matlab 環(huán)境下進(jìn)行仿真得出波 形圖 PID 控制是以確定的理論基礎(chǔ)下進(jìn)行的模擬 而模糊控制是基于專家和熟練地 操作員在日積月累的工作經(jīng)驗(yàn)下進(jìn)行的 通過本課題對兩者之間的比較 模糊控制占 湖北師范學(xué)院機(jī)電與控制工程學(xué)院 2014 屆學(xué)士學(xué)位論文 設(shè)計(jì) 23 據(jù)優(yōu)勢 但是模糊控制的理論基礎(chǔ)還不夠健全 例如復(fù)雜的模糊控制規(guī)則對模糊控制 效果的影響 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的判別 是還需要解決的 不斷完善的 通過前面的論述 本課題對模糊控制在加熱爐內(nèi)的爐溫控制的應(yīng)用是比較膚淺的 對于復(fù)雜多變的非線性加熱爐系統(tǒng) 近似的用一階純滯后環(huán)節(jié)來代替 這種帶來的誤 差是相當(dāng)大的 如果想要運(yùn)用到煉鋼鐵生產(chǎn)中 就這理論上的論述是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不過夠的 需要到工廠的生產(chǎn)線的現(xiàn)場去進(jìn)行實(shí)地考察 根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際 結(jié)合理論上的討論 對控制的規(guī)則 算法進(jìn)行修改完善 才能夠做出符合要求的模糊控制系統(tǒng) 從而解決 實(shí)際的工作問題 提高經(jīng)濟(jì)效益 5 2 研究展望 模糊控制是指不要求被控制對象的具體數(shù)學(xué)模型 以模糊集合論 模糊語言變量 及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的 能夠充分運(yùn)用控制專家的信息的方法 由于我的在模糊控 制方面的知識非常的欠缺 對于模糊控制的建立與應(yīng)用的討論是相當(dāng)膚淺的在今后的 讀研的學(xué)習(xí)中 我會對這一方面進(jìn)一步的學(xué)習(xí) 討論 使自己在這一方面有更多的了 解與認(rèn)知 在復(fù)雜的 多變的 非線性的控制領(lǐng)域中 體現(xiàn)出了極大地優(yōu)越性 是專 家和熟練的操作員重要的選擇方法 而且模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合即腦機(jī)結(jié)合越來 越受到專家 學(xué)者的重視 也是主要的研究方向之一 超強(qiáng)的控制靈活性和精確性在 模糊控制領(lǐng)域中 具有潛在的有極大的市場 6 參考文獻(xiàn) 1 王利珍 特鋼廠脈沖燃燒加熱爐爐溫的模糊控制 D 河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2012 9 18 2 王一陶 軋鋼加熱爐爐溫控制算法設(shè)計(jì) D 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 2011 21 56 3 姚松 蔣態(tài)平 基于模糊控制理論的 PID 控制器的仿真研究 J 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2011 20 10 125 128 4 王述 彥師宇 馮忠緒 基于模糊控制 PID 控制器的控制方法研究