基于matlab的炉温控制系统的设计

基于matlab的炉温控制系统的设计内容摘要：

糊控制 传统控制 启发式规则和人类经验，控制器是为规则和人类经验面设计的。 线性和非线性等经典数学模型能用微分方程等进行分析，控制器是为数学模型设计的。 用于分析所设计的控制系统的数学工具相似，因为它们研究的是同一类系统的相同 高级模糊控制器是模糊控制器和传统控制器的组合 6 问题（稳定性、收敛性）。 模糊控制目前存在的主要问题 [4]： ① 在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和模糊推理算法的深入研究。 ② 由于复杂模糊规则的相互作用，使得到的合成推算法具有相当程度的非线性性能，致使模糊控制效果不够理想。 ③ 模糊控制系统的稳定性理论探讨。 ④ 糊控制策略和智能化系统结构及其实现。 ⑤ 简单 、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发和推广应用。 模糊控制系统研究计划如下表。 表 模糊工程课题覆盖表 模 糊 系 统 研 究 计 划 模糊理论与基本技术 模糊逻辑 模糊推理算法 模糊计算机开发的基础技术 如：编程语言与体系结构、模拟模糊存储器等 人类功能实现与人机界面 模糊控制技术 高速不稳定系统智能控制 未知结构系统的智能控制 识别技术 实现图象理解 手写文字识别 感觉信息处理过程的模型化 人机界技术 人类智能信息处理过程及自然现象与社会现象剖析 智能信息处理技术 如智能评价系统检索技术 人类行为和社会现象的解释 大系统可靠性评价 面向经营与社 会问题的模糊 方法论与模糊系统开发 自然现象的解释 地震预测技术 大气污染宽域预测 植物生长模型 7 最后我们将引 模糊控制发展现状部分 的结束语。 这位著名的教授在接受 1989年日本本田发奖仪式上对模糊理论及应用作了如下的概括与展望 :“我认为模糊理论今后将在两个领域取得较大进展，一是熟练技术者替代系统，这种系统将人无意识进行的操作由机器替代，如日本仙台市营地铁的自动驾驶系统 ； 另一是替代专家的专家系统，象山一 证券 公司的股票交易系统以及医疗诊断系统。 为使专家头脑中所进行的思考与决策能实现自动化，模糊理论将起重要作用。 当然，模糊理论并不能解决所有问题，但是只要不回避现实中不确 定事物并加以认真对待，就有可能大大提高在不确定 (模糊 )环境中进行智慧思考与决策的人及机器的能力 [5]。 ” 电阻炉控制系统的发展现状 电阻炉是实验室、工矿企业、科研等单位作为化学分析、物理测定及热电偶检定等的加热设备精确可靠地测量和控制电阻炉的温度 ， 是保证试验顺利进行的必要条件。 在机械行业，广泛使用电阻炉对机械零件或材料进行热处理，以增加零部件的硬度和耐磨性。 这种电阻炉的炉膛通常有 多组电热体构成，当通以电流时，炉温上升，加热工件，直到炉温达到要求的温度值。 之后，炉子处于保温状态，以使碳、氮等化学元素能均匀渗入工件内部。 由于不同的工件所需的处理温度不同，因此，电阻炉的加热温度常 需要 在较大范围内调节。 电阻炉温度控制技术的发展日新月异。 从模拟 PID到最 优 控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到改善。 当前，电阻炉温度控制的主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，炉温控制具有升温单向性、大惯性、大滞后 和 时变性的特点。 模糊控制是一种新的控制方法，它 的数学基础、理论基础、实现方法都和传统的控制方法有很大的区别。 把模糊数学理论用于自动控制领域而产生的控制方法称为模糊控制。 模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展和需要分不开的。 传统控制方法在执行控制时，往往需要取得对象的数学模型，而在实际中，很多被控对象的数学模型是难于求取或者无法求取的，特别是那些时变的、非线性的复杂系统，往往根本无法取得精确的数学模型。 在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象的数学模型，但却能十分有效地对系统执行控制。 正如一个汽车司机，不懂汽车的数学模型而能很好的驾驶汽车一 样。 这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观的经验上 8 的，凭借在实际中取得的经验采取相应的决策就可以很好的完成控制工作。 模糊控制的优点是能够得到较好的动态响应特性 ， 并且无需知道被控对象的数学模型 ， 适应性强 ， 鲁棒性好。 但模糊控制也存在固有的缺点 ， 容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。 课题的研究意义 模糊控制是由控制理论与模糊集合理论相互结合发展起来的一种新型控制技术。 由于它能够利用熟练运行人员的操作经验或领域专家知识 ， 解决比较复杂对象的控制问题而引起了控制界的广泛兴趣 ， 并得到了快速的发展。 模糊控制是领先将 模糊理论实用化的一个领域，其控制方法在于充分发挥人们的操作表现、信息 和 行动等模糊的优点，进行灵活控制。 为此，运用模糊理论将模糊输入的内容模型化，并由计算机执行。 为获得较高的控温精度，电阻炉的温度调节常采用闭环控制，利用传感器对炉温进行检测，并将反馈量输入控制器与设定值比较，差值经 模糊规则 运算产生控制信号，再通过触发电路对功率器件进行控制，以改变主电路的输出功率，从而实现炉温的自动调节。 在数字控制技术用于工业设备以来，出现了性能较好的数字式控温器件，许多控制功能可通过软件编程实现，于是温度调节精度和可靠性大 大提高。 本次课题的 整体结构 本文共分为四章，概括内容如下： 第一章绪论部分，介绍模糊控制及电阻炉控制系统的国内外技术水平现状，阐述了课题研究的实际意义，本文的主要工作和整体结构。 第 二 章是系统 结构与设计方案 第 三 章模糊控制模糊控制器设计，介绍了模糊控制系统的组成，原理及特点，模糊控制器的组成和原理，规则 自整定 模糊控制原理在电阻炉温度控制中的应用。 第四章是电阻炉炉温控制系统 MATLAB建模仿真 ， 通过仿真结果， 验证了 模糊控制器的性能。 最后是本课题的总结和对以后研究工作的建议。 9 2 电阻炉温度控制系统的 结构与设计 控制系统性能指标 以电阻炉为被控对象。 加热设备由三相交流调压供电装置，输入信号为 0~5V，输出相电压为 0~220V，输出最大功率为 180KW，参看电加热装置示意图 ，且已知当控制信号 u(t)=5V时，炉膛最高可待 625℃。 图 控制系统性能指标： 1. 温度调节范围： 100~500℃； 2. 系统稳态误差为零 控制方案的确定 该系统的被控对象为电阻炉，通过改变热电阻上的电压调节炉膛温度。 图 中从控制信号 u(t)到炉膛温度 c(t)可以看做广义被控对象。 当控制信号 u(t)=5V时，炉膛温度最高可达到 625℃，如图 所示。 被控对象具有惯性特性，当然可以采用传统的 PID 控制设计。 但是，这里不写出被控对象的精确数学模型，而是设计模糊控制系统，通过与 PID控制相对比，说明模糊控制的优点。 图 由于系统为无静差控制系统，被控对象具有惯性特征，为达到设计要求 因而采用二维模糊控制 PID控制器，如图 所示。 系统采用二维模糊控制器与积分算法 10 相结合的形式实现模糊 PID控制器。 首先 对该控制方案进行分析，明确器控制特点。 由图 )()()()( 11 kTeKKkTuKTkTukTu ieu  （ ） 式中， T 为采样周期； uK 为模糊控制器输出增益系数； iK 为积分系数。 由式 可知，控制变量 1u (kT)由三部分组成：第一部分是上一采样时刻的控制量 )(1 TkTu  ，第二部分是由模糊控制器提供的增量输出 )(kTuKu ，第三部分是)(kTeKK ie。 对式 两边取 Z 变换 )()()()( 111 zEKKzUKzUzzU ieu   )(1zU = )(1 1)(1 1 11 zEKKzzUKz ieu   ( ) 在 Z 域中，111z具有累加和的性质相当于连续域中的积分。 由式 可知控制变量 )(1kTu 是对以下两项的积分的结果：第一项是模糊控制器提供的增量输)(kTuKu ，第二项是 )(kTeKK ie。 如果只有第一项，根据模糊控制器的性质，当)(kTu =0 时，其系统偏差 )(kTe 不一定为零，此时控制变量 1u (kT)保持不变，其结果不能消除系统的静态偏差。 第二项时 1u (kT)对 )(kTeKK ie 的积分，理论上只有)(kTe =0， 1u (kT)才能停止变化，系统达到无静差控制。 图 11 3 模糊控制系统概述 模糊控制系统 模糊控制有较强的适应对象参数变化的能力，与传统控制方法相比，模糊控制的主要优点在于在设计系统时不需要建立被控对象的精确数学模型，而只需要已有的相关知识和经验即可。 因此，模糊控制特别适用于数学模型未知或不易于建立精确数学模型的复杂、非线性系统的控制。 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入 /输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五个部分组成。 图 模糊控制系统组成框图 （ 1） 被控对象 被控对象可以是线性的或非线性的 ， 确定的或模糊的，有滞后或无滞后的，定常的或时变等多种情况。 对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。 （ 2） 执行机构 有电气的，如各类交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机等，还有气动的和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。 （ 3） 模糊控制器 控制器是各类自动控制系统中的核心部分，在模糊控制理论中，采用基于模糊知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。 （ 4） 输入 /输出（ I/O）接口 模糊控制器 A/D 执行机构 测量装置 给定输入 被控制量 被控对象 D /A 12 在实际系统中，由于多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量，因此，模糊控制系统必须具有模 /数（ A/D）、数 /模（ D/A）转换单元，同时在模糊控制系统中，还应该有适用于模糊逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”（或称“非模糊化”）环节，这部分通常也被。