模糊巡优调节器在加热炉控制系统中的应用.doc

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1、模糊巡优调节器在加热炉控制系统中的应用摘 要加热炉是轧钢领域主要能耗设备，解决好加热炉的合理燃烧问题，对于节能降耗，提高整个轧钢领域的经济效益，具有非常重要的意义.由于加热炉是具有大惯性、纯滞后、时变参数的复杂过程对象，若采用常规PID调节器进行控制，当被控对象受到干扰作用时，调节器不能自行修改原先整定好的参数，使调节器品质变差，很难达到良好的控制效果。因此，在加热炉控制系统中，采用了将模糊控制技术与PID调节器相结合的模糊自适应PID控制技术，在实际控制中，用模糊控制规则和推理，去不断修正PID控制器的参数，从而适应被控对象参数变化实现最佳燃烧和中和自动控制，取得了满意的控制效果。关键词：加

2、热炉；模糊控制；PID参数自整定；PLCFuzzy optimal regulator in patrol control system of furnaceAbstractFurnace is the main energy equipment rolling fields and solve the burning problem of the reasonable furnace, for saving energy, improving the economic benefits of the rolling fields, has great significance. The fu

3、rnace is a large inertia, delay, time-varying parameters of the complex process of object, the use of a conventional PID controller to control the interference effect when the controlled object, the regulator can not modify the original setting good parameters to adjust deterioration of device quali

4、ty, it is difficult to achieve good control effect. Therefore, the furnace control system, using the fuzzy control technology in combination with the PID regulator fuzzy adaptive PID control technology, in the actual control, fuzzy control rules and reasoning, to constantly modify the parameters of

5、PID controller, parameters to adapt to the controlled object and in the best combustion and automatic control, and achieved satisfactory control effect.Keyword：Furnace;fuzzy contro;PLD parameter ;self-tunig目录摘 要I1 概述11.1 课题研究的意义11.2 本课题研究的内容21.3 本章小结22 炉子介绍及控制系统描述32.1加热炉工艺32.2加热炉结构32.3 炉膛压力控制概述42.3

6、工艺要求43 控制的基本理论63.1常规PID简介63.2数字PID调节器参数的整定73.3 模糊控制概述83.3.1模糊控制的基本原理83.3.2模糊化93.4本章小结134 离线式模糊PID参数自调节控制思想144.1离线式模糊PID参数自整定控制器的设计154.1.1确定模糊控制器的输入变量输出变量154.1.2输入输出量语言描述和论域164.1.3确定模糊控制规则164.2 PID参数自调节的理论实现184.3离线式模糊PID参数自调节的软件编程实现204.3.1程序设计流程图204.4本章小结245 离线式模糊PID自整定与传统PID的比较25结论28致 谢29参考文献301 概述目

7、前，模糊控制激素日趋成熟和完善。各种模糊产品充满了日本、西欧和美国时常，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄象机等等，模糊激素几乎边得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不段下降。直接采用模糊芯片开发产品已成为趋势。模糊开发软件包也充满时常。模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展为，将在自适应模糊控制，混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展随着其他学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛，模糊理论结合其他新技术和人工神经网络和遗传基因形成交叉学科神经网络迷糊技术和遗传几应迷糊技术，用于解

8、决单一技术不能解决的问题。模糊理论在其他学科技术的推动下，正朝着更加广泛的方向发展。1.1 课题研究的意义模糊控制技术是基于模糊理论而形成的新型控制技术，能模拟人脑的智能推理过程对被控制对象进行判断和决策控制。模糊控制的核心是用自然语言来描述被控系统，利用模糊规则推理对系统的初略知识进行类似人脑的知识处理，实现对复杂系统的控制决策。 系统决策软件的编制建立在专家的经验和模糊思维基础之上，无需对被控制对象建立精确的数学模型描述，只需作模糊描述即可实现模糊控制，这样的控制描述更符合被控制对象的复杂性、动态性和模糊性，使控制简便、精度高，且适应性强。适用对象可广泛应用于冶金、化工、建材、轻工行业中高

9、能耗的大型加热炉、热风炉、干燥炉等各种工业窑炉及各行业中大功率的风机、水泵等设备。在钢铁行业，轧钢工序能耗约占钢铁生产企业能源消耗总量的10左右，是钢铁企业降耗的重点目标之一。基于模糊理论形成的模糊控制技术，具有控制精度高、响应快、过渡过程短、对参数变化不敏感等特点。应用该技术后，炉子粘钢现象不再发生，不仅炉子寿命得到提高，而且节能效果显著。重庆钢铁（集团）公司型钢厂在大型材800轧机加热炉技术改造中采用了该技术，为我国钢铁工业提高轧钢加热炉的自控水平提供了借鉴，值得推广。1.2 本课题研究的内容近年来,随着产品质量要求的提高和工艺复杂性的增大,炉温测量与控制的要求也越来越高，炉温测控技术正在

10、向高精度、智能化、多功能和计算机控制方向发展，为实现对炉温的精确测量,必须采用现代化智能控制系统采用模糊控制节能技术对加热炉进行改造后，工作稳定可靠，操作方便，界面清晰。炉温变化控制在5摄氏度以内，提了加热质量，降低了烧损，延长了炉子寿命。同时，由于对加热炉的风机采取了模糊控制变频调速，防止了因关小阀门减少风量而造成的风机喘振，加之对空燃比的精确控制，减少了能源浪费，节能效果显著。与此同时提高了产品质量，减少了员工的工作量。在钢铁行业，轧钢工序能耗约占钢铁生产企业能源消耗总量的10左右，是钢铁企业降耗的重点目标之一。基于模糊理论形成的模糊控制技术，具有控制精度高、响应快、过渡过程短、对参数变化

11、不敏感等特点。应用该技术后，炉子粘钢现象不再发生，不仅炉子寿命得到提高，而且节能效果显著。1.3 本章小结针对钢铁行业对国民经济发展的影响，介绍了国内外加热炉的发展的情况，从当前实际情况说明了研究此课题的意义。并且简单概括了本论文的结构。2 炉子介绍及控制系统描述2.1加热炉工艺 图2.1 加热炉加热炉图2.1是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属

12、热处理用的加热炉另称为加热炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和加热炉。2.2加热炉结构按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。50-60年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限

13、制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的生产率。用这种炉子加热板坯，炉底的单位面积产量达900-1000公斤（米2时），热耗约为(0.5-0.65)106千卡吨。70年代以来，由于节能需要，又由于新兴的步进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段,最佳的炉底单位面积产量在600-650公斤/(米2时),热耗约为(0.3-0.5)106千卡/吨。加热炉的在锻造和轧制生产中，钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。采用不完全燃烧的还原性火焰(即“自身保护气氛”）来直接加热金属，可以达到无氧化或少氧化的目的。这种加热方式称为明火式或敞焰式无氧化加热，成功

14、地应用于转底式加热炉和室式加热炉。2.3 炉膛压力控制概述在加热炉加热的过程中，炉膛压力的大小对工艺有着重要的影响，如果炉膛压力高于设定的值，会导致火焰外射，炉内火焰会从炉门等地方喷射出来，这样不仅会烧坏外层设施，还会让烟道带走大量的热量；如果炉膛压力小于设定值，会导致烟道空气回收，从炉门附近吸进去冷空气，导致烧结的器件表面发黑，更严重的是很容易让可燃气体在烟道内燃烧，会导致烟道坏掉。所以炉膛内的压力不能高于设定值，也不能低于设定值，只有在允许的范围内，才能烧结出合格的产品。炉膛内部的压力在整个控制过程起着至关重要的作用。理论研究和实验证明，炉内的压力对不同加热工艺的加热质量影响很大的，通过炉

15、内压力的有效控制，可以提高热处理的质量，可获得稳定的炉内温度场，引导热流的方向，因而提高了热处理的质量，并且能有效地节约能源。而且不同的加热曲线需要不同炉膛压力，所以只有采用炉压自动控制技术，才可以充分的利用炉内高温气体的热量，不会过多的排除高温气体的烟气，也不会吸入冷气，能够节约能量，根据实际的能耗测试，采用炉压自动控制技术，能够节约能源4%-9%。2.3 工艺要求系统控制的主要是炉膛温度，根据钢种，预先设定的工艺曲线，如图2.2，让炉膛的温度跟随工艺曲线，从而达到工艺要求。图2.2工艺曲线图为了达到工艺要求，烧嘴用的是高速烧嘴，控制烧嘴的阀是关断阀，即开通就是满负荷的工作，煤气和空气是按照

16、一定的比例混合均匀，使得煤气充分燃烧。为了现场安全需要，在某些造成危险的情况下，系统会自动的强制停炉，例如煤气管压力低于第二象限，空气管压力低于第二象限，电机故障，压缩空气压力低于第二象限等，这时候会强制关断煤气总阀，停炉。3 控制的基本理论3.1常规PID简介PID控制室应用最广泛的一种控制规律，PID控制表示控制比例（proportional）积分(integral)微分(differential)控制。设PID调节器如图3.1所示、图3.1 PID调节器的方框图调节器的输出与输入之间为比例积分微分的关系，即 (3.1)或者 (3.2)若以传递函数的形式表示 (3.3)式中，为积分时间常数

17、，为微分时间常数，称为比例系数，称为积分系数，称为微分系数。在计算机控制系统中使用的是数字PID调节器，就是对上述公式的离散化，离散时令 (3.4)式中T是采样周期，显然，上述离散化工程中，采样周期T必须足够短，才能保证足够的精度，由上式3.1及3.4可得 (3.5)上式称为位置式PID。由Z变换的滞后定理和迭值定理 (3.6)由此式得数字调节器的传递函数 (3.7)式中，称为比例系数，称为积分系数，T为采样周期；称为微分系数，数字PID调节器如图3.2图3.2数字PID调节器的方框图PID控制中，比例作用加大将会减小稳态误差，提高系统的动态响应速度。积分控制可用来消除系统的稳态误差，因为只要

18、有偏差存在，它的积分所产生的信号总是消除稳态误差的，知道偏差为0，积分作用才停止。微分控制的作用，实质上是跟偏差的变化速度有关，也就是微分的控制作用跟偏差的变化率有关系。微分控制能够预测偏差，产生超前校正作用，因此，微分控制可以较好的改善动态性能。3.2数字PID调节器参数的整定模拟PID调节器的整定是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数，这是工程中使用最普遍，最为广大工程技术人员所熟悉的。数字PID调节器参数的整定，除了需要确定，外，还需要确定系统的采样周期。生产过程（对象）通常有较大的惯性时间常数，而大多数情况，采样周期与对象的时间常数相比要小的多，所以数字调节器参数的整定可以仿照模

19、拟PID调节器参数整定的各种方法。3.3 模糊控制概述3.3.1模糊控制的基本原理模糊控制器的结构如图3.3。模糊控制器由以下四部分组成：(1)规则库(If-Then规则集)，它将专家语言描述的成功控制经验量化；(2)推理机(也称模糊推理模块)，它模仿专家的决策，对怎样能最好地控制对象的知识做出解释和应用；(3)模糊化接口，用于将控制器的输入转换成一种信息，推理机能够容易激活、应用一些规则；(4)反模糊化接口，将推理机的推理结果转换成过程的实际输入。图3.3 模糊控制器结构图模糊控制器的一般组成见图3.3，为多输入多输出模糊控制器，通常包括输入量模糊化、数据库、规则库、推理机和输出量反模糊化等

20、五部分。模糊控制器在输入和输出之间起着非线性映射作用，其输入和输出都是确定的实数值，而不是模糊集合。模糊化是指将输入转化为模糊集合，推理机使用规则库中的规则产生模糊结论，反模糊化则将模糊结论转换为去的那个实数输出。图3.4模糊控制器的组成3.3.2模糊化对于模糊控制器的对个输入，每个输入量的模糊化过程都是一样的。为了讲解方便，我们针对其中每一个输入量，分析其模糊化过程，其他的输入以此类推。又为了避免符号的繁琐，设模糊控制器的一个输入为实数，它必须通过模糊化才能进行模糊推理，因此，模糊化实际上就是模糊控制器的输入接口，它的作用就是将确定的实数输入量转换为模糊量，即模糊集合及相应的隶属度。同样的理

21、由，设模糊控制器的一个输出为。(1)论域普通集合和分别被称为和的论域，在实际应用中，大多数的论域就是简单的实数集合，即实数的某个间隔，或实数子集。有时为了方便，将论域中的两点和看作特殊的两点，输入论域最外面的隶属函数在这两点饱和，输出论域不会超出这两点。对于输入还是输出，其论域都是实数，并将称为论域的宽度。(2)语言变量为了建立规则库中的规则，专家使用语言描述。对于输入和输出以及它们的特征，也是需要语言描述的，我们就用语言变量来描述模糊系统的输入和输出。在建立规则库时，我们用和表示模糊控制器的输入、输出语言变量。例如，模糊控制器的输入可以描述为表示“位置偏差”，或表示“速度偏差”；模糊控制器的

22、输出表示“电压”等。(3)语言值语言变量和的取值为“语言值”，用于描述变量的特征。语言值就是定义在论域及上的模糊集合，令定义为论域上语言变量的第个语言值，若论域上有多个语言值，例如有个值，则语言值的集合为语言变量的取值就是上述集合中的元素。类似地，令定义为论域上语言变量的第个语言值，若论域上有多个语言值，例如有个值，则语言变量的取值为下述集合中的元素。语言值通常用“PL”(positive large),“ZO”(zero),“NL”(negative large)等形容词来表示，也可以用整数，如“-2”，“-1”，“0”，“1”等表示语言变量的数字值。若我们用表示语言变量“速度”，那么它就可

23、以取值表示“慢”，表示“中等”，表示“快”，因而的值由集合中选取。以上的论述说明，模糊化就是对于论域上一个确切的输入值，确定出其相应语言变量在该论域上的语言变量值。的最大数值表示在论域上语言变量所取语言值的个数，或称模糊化的等级数。在实际系统中，模糊化等级不宜划分的过细、过密，否则它不仅会失去某些信息，体现不出模糊量的长处，而且会大大增加运算和推理过程的工作量使得计算机实现更困难。通常，越大，模糊化等级就越密。常用的语言变量值划分有以下几种集合：A=NL，NS，ZO，PS，PL；A= NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL ；A= NL，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PL ；其中NZ及

24、PZ分别表示“零负”和“零正”。上述模糊集合在论域上的分布式以0为中心对称的。为了便于工程实现，通常把输入变量范围人为第定义成离散的若干级（即离散化），定义级的多少取决于输入量的分辨率。例如，将论域上确切的输入值定义为等级域，总等级数。为了标准化设计，玛达尼(Mamdani)提出将论域范围设定为-6,6，将该论域连续变化量离散化，构成含13个整数元素的离散集合：-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6。实际上，如果是非对称型的，也可以用113取代-6+6。如果确切量实际变化变化范围为a，b，将a，b区间的量转换为-6,6区间变化的量，采用如下公式： (3.8)由上式计算的

25、值，如果不是整数，可以把它归于接近的整数。(4)规则库模糊控制器的规则基于专家知识或熟练操作人员长期积累的经验，它是按人的知觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then、else、also、and、or等。关系词必须经过“翻译”，才能将模糊规则数值化，最常用的关系词为if-then、also或者or，对于多变量模糊控制系统还有and。模糊控制器由输入到输出的映射，是用一组“条件作用”的规则来表征的，即前项推理“如果-那么”(if-then)的规则来表征的。模糊控制器的输入为前件，其输出为结论。If-then规则可以表示成多种形式，常用的两种标准形式为：多输入

26、多输出，多输入单输出。 若语言规则为MISO形式，表示模糊控制器的输入语言变量；为其输出的语言变量；分别表示变量的语言值；为输出的模糊子集，则其中第条规则的形式为If is and is and, , and is Then is 。一组这样的规则就表示专家控制系统的经验。注意到，如果表示“速度偏差”并且表示“PS”，那么规则前件中的“ is ”就表示“速度偏差为正小”。从逻辑的角度来看，MIMO形式可以分解为多个MISO，例如，个输入2个输出的模糊控制器，规则为：If is and is and , . , and is Then is and is 。从逻辑上讲，相当于以下两条规则：If

27、is and is and , . , and is Then is If is and is and , . , and is Then is 实现这个模糊控制器，我们可以采用两个模糊控制器，一个输出，另一个输出。值得说明的是，专家在制定控制规则时，其前件并不是要把所有的输入都包进去。可能缺项，同时，规则库中没有两条规则是完全一样的。最后说明的是，如果规则的前件中用到了输入项的所有可能的组合，则控制规则数为。其中，为输入个数，为每个输入变量所取的语言值个数。若，并且每个输入都有7个语言值，即，则有77=49条规则。(5)推理机推理机有两个基本任务：其一为匹配，即确定当前的输入与哪些规则有关；

28、其二为推理，即利用当前的输入和规则库中所激活规则的信息推导出结论。匹配：若在某一时刻模糊控制器有个输入，经模糊化后每隔变量取得模糊值。正如在前面模糊化过程中所论述的那样，每隔输入变量经模糊化后所取得的模糊值可能是一个，也可能是多个，一般不会超过三个，即，。匹配需要完成以下两个步骤。步骤一：将输入用规则前件组合起来。设模糊控制器有两个输入，每个变量取得两个模糊值，及，这些模糊值组合为规则的前件：If is and is ,相当于有以下4条规则的前件组合：规则1：If is and is 规则2：If is and is 规则3：If is and is 规则4：If is and is 然后将规

29、则库中所有规则的前件和以上前件组合进行匹配，匹配上的规则即为当前激活的规则。步骤2：确定每条激活规则前件的确信度。对于第条规则，用表示规则前件确信度，则对于逻辑“and”，上述中的“*”通常有“取小”及“乘”两种运算：（1）“取小”，则有（2）“乘”，则有为的函数。因为每个模糊集合的隶属函数值，所以，并且，表明规则前件的确信度小于等于前件中各项的确信度。推理：英国伦敦大学的玛达尼教授首先使用的是一种常用的模糊推理方法。模糊推理需要确定出每条激活规则所推荐的蕴涵推理模糊集合，推理方法如下：由匹配激活的每条规则，都会产生相应的模糊集合，以模糊控制器一个输出为例说明规则所产生的蕴涵模糊集合。若第条规

30、则产生一个结论，即模糊集合，表示输出论域上的一个模糊集合，上标表示第个值，例如可能是NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PB中的某个值，亦即输出语言变量的一个语言值。该规则前件确信度为：则规则蕴涵模糊集合的隶属函数为：上式中的“*”通常有“取小”和“乘”两种运算。图3.5中（a）表示由规则后件所推荐的输出模糊集合为“ZO”，设规则前件隶属度为0.4；（b）为用前件隶属度截取规则所推荐的模糊集合“ZO”，图中阴影部分即为规则的蕴涵模糊集合，其隶属函数为；（c）表示用规则前件确信度乘规则后件所推荐的模糊集合“ZO”，图中阴影部分即为规则的蕴涵模糊集合，隶属度为0.4。图3.5蕴涵模糊集合图形表示(

31、a) 规则推荐模糊集合“ZO”；(b) 用截取“ZO”；(c) 用乘“ZO”N条激活规则推荐出N个蕴涵模糊集合，综合N个蕴涵模糊集合，可以求出模糊控制去的确切输出值。（6）反模糊化模糊推理的结果一般都是模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需要将其转换成一个可以为执行机构所实现的精确量。这个过程成为反模糊化或者解模糊化过程。或称为解模糊判决，它可以看作由模糊空间到清晰空间的一种映射。解模糊的目的根据模糊推理的结果，求得能反映控制量的实际分布。一个模糊推理或模糊决策的输出，往往是两个或多个模糊隶属函数的逻辑并集。目前，反模糊化的方法很多.3.4本章小结本章节介绍了传统的控制的方法及原理，并在

32、此基础上介绍了模糊控制的原理4 离线式模糊PID参数自调节控制思想目前，常规PID调节器大量应用与工业过程控制，并取得了较好的控制效果。其控制作用的一般形式为。，分别为其输入偏差和偏差变化率；，分别为表征其比例（）、积分（）和微分（）作用的参数。但由于常规PID调节器不具有在在线整定参数的功能，因此不能满足在不同工况下系统对参数的自整定的要求，从而影响其控制效果的进一步提高。而模糊PID能够实现参数自整定功能。PID参数Fuzzy自整定控制器是一种常规PID调节器的基础上，应用Fuzzy集合理论简历参数，和与偏差绝对值和偏差变化绝对值间的二元连续函数关系为: 并根据不同的和在线自整定参数，和。

33、一般情况下，在不同的和下，被控过程对参数，的自整定要求归结如下：当较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能，应取较大的与较小的，同时，为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取。当处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，应取的小些，在这种情况下，的取值对系统响应较大，的取值适当。当较小时，为使系统有较好的稳定性能，与应取的大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，值选择是很关键的。Fuzzy自整定PID参数控制器的结构如图4.1图4.1 PID参数Fuzzy自整定系统结构图控制对象为输入和输出，控制目标为使对象输出达到指定的R，该系统由一个标准PID控制器和一个模糊PID参数

34、调节器组成。PID控制器根据闭环误差产生控制信号，模糊参数调节器调节PID控制器的参数，即 (4.1)4.1离线式模糊PID参数自整定控制器的设计模糊自整定PID参数是以模糊规则调节PID参数的一种自适应控制系统，以传统PID为基础，根据检测的误差和误差变化率，按照模糊规则对PID参数进行在线整定，从而使被控对象具有良好的动，静态性能。为了保证系统的稳定性，改善其动态品质，炉温控制系统采用二维模糊控制器。即在控制过程中，不仅要对控制量偏差做出反馈，还要对控制量的偏差变化率做出反馈，控制器通过这两个信号去控制被控量，这种控制器是二个输入一个输出的系统，统称为二维控制器。4.1.1确定模糊控制器的

35、输入变量输出变量模糊控制器的输出为控制量，但是输入变量可以很多，在炉温控制中，根据现场的实际情况，模糊控制器的输入变量选择误差和误差变化率作为二维控制器的输入量。由于检测值是每隔一段时间检测一次，所以检测值都是离散量假设炉温的设定值为，是一个跟随温度曲线变化的值，炉膛实际温度为，温度误差，误差变化率为。计算公式如下 (4.2) (4.3)模糊控制器的输出为P、I、D参数的变化，分别为、。4.1.2输入输出量语言描述和论域输入变量的语言值的模糊子集通常记为NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB八个。误差和误差变化率论域都取为-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，1,2,3,4,5,6，

36、共13个等级。由于PID三个参数需要整定，分别为、。所以取、的论域都取为-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，1,2,3,4,5,6，共13等级。实际工程中，等很难在论域-6,6中，通过下面公式转化到-6,6的范围内。 (4.4)其中，为输入量的论域，A,B是输入量的范围。此项目中的范围-36,28，的范围-7,6，的范围为-5,5，通过公式5.5，把范围都转化模糊论域-6,6，这样便于控制。4.1.3确定模糊控制规则模糊规则是现场专家是经过经验和多次的实验数据得到的，通过这些规则，模拟人的思维，达到控制要求。模糊规则确定可以根据图4.2得出。图4.2分段控制图在段，当，当前温度值低于给定值

37、，且误差的绝对值朝减小的方向变化。设a点对应的误差为，假设控制器的输出为，若，则输出= ，否则输出= 。在aB段此时，若，则输出=，否则输出= 。段的控制策略中和是很重要的控制参数。由于温控系统被控对象的时变特性，随着温度的升高，烧结炉保温材料的内外壁温度梯度将逐步增大，使得烧结炉温度越高热能损失越厉害。偏差为正，偏差变化为负，系统输出朝着给定值的方向变化。通过图4.2可以看出，偏差和偏差变化率不会同时获得极值。但是从系统动态过程分析看，如果偏差为“PL”，且偏差变化为“NL”，则说明尽管偏差较大，但在迅速的减小，系统输出朝给定值的方向变化快，如果控制量为“P”，则系统就会超调，因而在这种情况

38、下，控制器输出可以为“ZO”,其规则为：If is PL and is NL Then is ZO。当偏差减小，如为“PS”，而偏差变化率为“NL”时，说明在小的正偏差下，系统输出朝给定值的方向变化快，为了抑制系统可能的超调的趋势，不仅控制量不为不为“P”，而且应为“N”，其规则为：If is PS and is NL Then is NS。段，。当前温度值大于给定值，误差绝对值朝增大的方向变化。采用零输出控制策略，使温度迅速下降。系统超调，且继续朝背离给定值方向变化，为了使系统输出尽快靠拢给定值，模糊控制器的输出为“N”，且绝对值较大。例如当为“NS”，为“NL”时，其控制规则可以是：If

39、is NS and is NL Then is NL。该规则说明，虽然不大，但是偏差变化率速度较快，因而为被控对象施加一个较大的负向控制量。段，。，当前温度值仍大于给定值，但误差变化的趋势是渐小的。系统的输出朝着给定值方向变化。为了防止系统失调，在偏差较大时，若偏差变化较大，系统输出朝着给定值方向变化快，控制规则可以是SIf is NL and is PL Then is ZOIf is NS and is PL Then is PS上述两条规则说明，当偏差为“NL”，偏差变化为“PL”时，可以使控制量为零，使系统输出向着给定值的方向变化；而当偏差为“NS”，偏差变化为“PL”时，虽然偏差数量

40、不大，但是系统输出向着给定值方向变化快。因而模糊控制器可以提供一个较小的正控制量“PS”，用以控制系统失调的劲头。段，当前温度值小于设定值，误差变化趋势变大，在此阶段，应该让作为控制器的输出。此时控制规则可以为：If is PS and is PL Then is PLIf is PS and is PS Then is PM4.2 PID参数自调节的理论实现鉴于以前的通过模糊调节PID的参数，,通过模糊调节的是，的值。，必须预设一个合理的值，是小范围内的调节，小范围内能够实现PID的参数的整定，为了控制精度。而针对此工程的所遇到的困难，这种方法是实现不了的。为了实现大范围内的PID参数自整定

41、。必须对传统的模糊PID控制进行修正，才能完全实现PID参数的自动的调节，整定到合适的值。由模糊控制器得出现场每个参数需要整定的值，刚开始调节时，由于差值很大，溢出模糊论域，所以在程序中加以限制，当溢出范围时，赋值于某一个值。每一次整定达不到合适的值，可能离合适的值很远，但是通过公式 (4.5)实现迭代，无论初值刚开始是何值，通过公式的迭代，PID的三个参数的值慢慢的趋近于合理值。当调节到误差时，使用此时的PID参数的值进行控制。最终实现PID参数的整定。现场调试参数时使用阶跃曲线作为输入曲线，以300C为阶跃尺度，调试时刚开始设定值和现场的实际反馈值的差很大，这样调节的时间比较长，而且模糊化

42、处理时会溢出模糊论域，所以这段时间需要另行控制，调试时需要加入限幅，需要另外的一个控制规则表进行控制。这样就需要两个控制规则来控制PID参数的自整定，当时，通过调用控制规则一就行控制，当时，通过调用模糊查询表进行控制。实现流程图4.3如下。图4.3程序运行流程图通过图4.3，在设计程序的时候可以防止程序在运行的时候PID参数值的溢出，通过限幅，可以让程序运行效果更好，这样可以节约调节时间，也可以说是优化的一种方法，使之控制效果更好。4.3离线式模糊PID参数自调节的软件编程实现4.3.1程序设计流程图图4.4模糊程序设计流程图由于采用离线模糊PID参数整定，模糊查询表是用MATLAB做好的，需

43、要把模糊查询表导入到程序中。模糊查询表是模糊控制的核心。通过MATLAB做的模糊查询表是二维表，step7中提供了Array变量类型，可以在共享数据块中定义。定义三个共享数据块DB20、DB21、DB22分别放，的二维模糊查询表，如图图4.5的模糊查询表图4.6的模糊查询表图4.7的模糊查询表上面三个数据块只是开辟一个存放数组的一个单元。功能块FC20、FC21、FC22是把，模糊查询表中的值导入到数组中，图4.7、图4.8、图4.9分别是，的数值导入功能块。图4.8模糊查询表中的值的导入图4.9模糊查询表中的值的导入图4.10的模糊查询表中的值的导入然后在OB100中调用FC20、FC21、

44、FC22三个功能块，使得，的模糊查询表能够在系统启动时间就全部赋值进去。这样三张模糊查询二维表就存放到程序中了。图4.11调用功能块FC10其中sharedb23.EX1和sharedb23.EY1分别是代表烧嘴1的误差和误差变化率，其它的烧嘴调用类似；FC10中的内容如图4.12，通过调用FC10，将此时刻PID参数需要改变的值从模糊查询表中调出来，进行数值运算。图4.12.模糊查询表的调用然后将从模糊查询表中得到的，的值经过数值运算处理送到“sharedb1”.gain，“sharedb1”.ti，“sharedb1”td这三个变量，这三个变量分别对应着FB41模块的Gain，Ti，Td引

45、脚上。图4.13是以数字脉冲燃烧控制技术燃烧方式的PID参数自整定的PID模块的调用。图4.13. PID模块的调用此时PID的输出送给变量“sharedb1”.pid_out，此变量中的值控制烧嘴关断阀的开通时间长短，进而控制炉膛内部温度；炉膛内部通过热电偶回馈温度和设定值作比较，形成闭环控制不断的纠正PID参数，直至PID参数达到控制要求4.4本章小结本章节介绍了离线式模糊PID参数自整定的方法，和在PLC中的实现，通过MATLAB仿真实现传统PID控制和模糊PID参数自整定的仿真，并且比较得出差别；同时把离线式模糊PID参数自整定应用在现场，通过实际的图像得出离线式模糊PID参数自整定的优势。5 离线式模糊PID自整定与传统PID的比较与传统PID相比，离线式模糊PID参数自整定有很多优势，不仅实现了参数自动的整定，对炉膛温度曲线在任何时刻都能有合适的PID参数对控制炉膛温度，更重要的是不需要花费大量的时间去调试参数。这是传统PID调试没有的，