工業(yè)電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王晨豐

(商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

由于電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有單向性、大滯后、慣性和時(shí)變性的特點(diǎn)，控制過(guò)程較復(fù)雜，難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述出來(lái)，并且當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用常規(guī)控制手段來(lái)使其降溫[1]。針對(duì)具有上述特性的電阻爐，模糊控制剛好適合數(shù)學(xué)模型未知或多變的控制過(guò)程。模糊控制是基于人工操作的經(jīng)驗(yàn)，把模糊理論應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)模糊控制器對(duì)電阻爐爐溫進(jìn)行控制，并選擇恰當(dāng)?shù)哪：刂扑惴ㄟM(jìn)行調(diào)節(jié)，使?fàn)t溫達(dá)到設(shè)置溫度的誤差范圍值以內(nèi)。

本文基于模糊控制原理，依據(jù)其優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)的模糊控制器，通過(guò)在線調(diào)整修正因子來(lái)改變模糊控制規(guī)則，修正因子可根據(jù)模糊目標(biāo)調(diào)整大小，從而調(diào)整模糊控制規(guī)則的新算法，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程中參數(shù)的最佳調(diào)整。并最終在MATLAB中的模糊邏輯工具箱和Simulink基礎(chǔ)上，對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明模糊控制系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性和可控性。

1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的相關(guān)概述

1.1 電阻爐溫度控制

為了達(dá)到較好的控制效果，電阻爐溫度控制系統(tǒng)大多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。首先，將電阻爐當(dāng)前的實(shí)際溫度值讀取并記錄；其次，通過(guò)實(shí)際值與設(shè)定溫度值的比較，將溫差信號(hào)送入控制器中得到控制信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)一步作用于輸出裝置，最終通過(guò)調(diào)節(jié)電阻加熱絲的電流或電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

1.2 模糊控制

隨著控制技術(shù)快速穩(wěn)步的發(fā)展，模糊控制已成為控制技術(shù)中應(yīng)用范疇最廣泛的一種。針對(duì)電阻爐來(lái)說(shuō)，模糊控制是在建立電阻爐模糊模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用模糊推理等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度控制的過(guò)程。因此建立恰當(dāng)?shù)哪：Ｐ褪菍?shí)施有效模糊控制的先決條件，模糊模型的建立需要多個(gè)模塊的配合合作，包括系統(tǒng)中模糊關(guān)系的處理，模糊語(yǔ)言的規(guī)則以及有關(guān)變量，模糊控制器輸入/輸出等相關(guān)操作[2]。

模糊控制與傳統(tǒng)的控制方法比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可實(shí)現(xiàn)非線性控制；

(2)無(wú)需電阻爐的精確數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)良好的控制；

(3)可模擬人的模糊推理過(guò)程。

2 電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1.1 模糊控制系統(tǒng)的組成

與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，模糊控制有較強(qiáng)的適應(yīng)對(duì)象參數(shù)變化的能力，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)只需已儲(chǔ)備的相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)即可，無(wú)需建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。本文設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)主要由模糊控制器、輸入/輸出口、實(shí)施機(jī)構(gòu)、被控目標(biāo)和測(cè)試反饋裝置等五個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)組成圖

(1)被控目標(biāo)：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備或機(jī)器裝置等；

(2)實(shí)施機(jī)構(gòu)：使用電力、氣體、液體為能源并通過(guò)類似電機(jī)、氣缸等裝置轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)作用輸出的一類機(jī)構(gòu)；

(3)模糊控制器：屬于模糊控制系統(tǒng)的核心部分，由五部分組成；

(4)輸入/輸出口：系統(tǒng)中使用的相關(guān)轉(zhuǎn)換單元，或者是適合于模糊邏輯處理的模糊化和清晰化環(huán)節(jié)稱為模糊控制器的輸入/輸出口；

(5)測(cè)試裝置：由不同類別的數(shù)字或模擬的測(cè)量?jī)x器、檢測(cè)元件或傳感器等組成。該裝置負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中被控目標(biāo)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，要求其精度高、穩(wěn)定可靠[3]。

2.1.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制系統(tǒng)的基本原理圖如2所示，其核心部分為模糊控制器，如圖2中虛線框中部分所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

模糊控制器由輸入口、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、模糊推理和輸出量清晰化五大功能模塊組成。

(1)輸入口：是將系統(tǒng)中輸入的確定值轉(zhuǎn)換成模糊矢量的接口。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立：數(shù)據(jù)庫(kù)的建立即確定輸入變量(E和EC)和輸出變量(U)所對(duì)應(yīng)的模糊子集的模糊分布，它是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的基礎(chǔ)，為建立良好的模糊控制系統(tǒng)做鋪墊。通常狀況下，電阻爐熱工過(guò)程中產(chǎn)生的溫度偏差和偏差變化率所處的模糊子集相互組合會(huì)發(fā)起多個(gè)模糊控制規(guī)則。

(3)規(guī)則庫(kù)的建立：對(duì)電阻爐在溫度控制下輸出的集中描述稱為模糊控制規(guī)則，一系列的規(guī)則和規(guī)則表構(gòu)成了相關(guān)聯(lián)的規(guī)則庫(kù)。模糊控制規(guī)則表的范圍由條件判斷語(yǔ)句的數(shù)量決定，規(guī)則表中模糊子集的輸出是通過(guò)專家豐富的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)多次調(diào)試后總結(jié)得出的，而本文設(shè)計(jì)的電阻爐模糊控制系統(tǒng)中涉及的模糊子集是通過(guò)在電阻爐加熱或冷卻設(shè)備上施加的控制信號(hào)得到的。

(4)模糊推理：是指將已建成的控制規(guī)則庫(kù)和輸入的變量轉(zhuǎn)換成模糊矢量的過(guò)程。

(5)輸出量清晰化：是將模糊推理所得的模糊量轉(zhuǎn)換為清晰的數(shù)字量的過(guò)程。

2.2 模糊模型的設(shè)計(jì)

本文將小型高溫電阻爐當(dāng)作具有平衡能力且存在滯后的被控對(duì)象，其近似數(shù)學(xué)模型可用一階慣性和純滯后兩個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)描述。采用階躍響應(yīng)曲線法求取其參數(shù)，得到電爐系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益約為83，慣性時(shí)間常數(shù)約為118，純滯后時(shí)間常數(shù)約為100，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式(1)所示[4]：

(1)

2.3 溫度控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電路采用交流型固態(tài)繼電器，它是一種非接觸開(kāi)關(guān)部件，與普通繼電器相比，無(wú)觸點(diǎn)，在接通和斷開(kāi)電路的時(shí)候無(wú)火花出現(xiàn)，還具備控制端和負(fù)載端相互隔離的功能。工作原理如圖3所示。

圖3 固態(tài)繼電器工作原理

其中各個(gè)電路系統(tǒng)作用如下：

耦合電路：防止輸出對(duì)輸入的影響，引起不必要的錯(cuò)誤。

觸發(fā)電路：發(fā)生符合要求的觸發(fā)信號(hào)，控制④的通斷操作。

過(guò)零電路：防止固體繼電器開(kāi)關(guān)通斷對(duì)電網(wǎng)造成的損害污染。

吸收電路：用來(lái)吸收電網(wǎng)的尖峰、浪涌電壓。

3 電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模擬量輸入通道主要由K型熱電偶和MAX6675芯片構(gòu)成，通過(guò)上述通道將保證該電路運(yùn)行可靠，測(cè)溫結(jié)果穩(wěn)定性和線性度良好，測(cè)溫范圍基本能滿足電阻爐安全生產(chǎn)的需求。模擬量輸出通道主要由智能溫度控制器、交流型固態(tài)繼電器和加熱裝置組成，具有較強(qiáng)的抗干擾和電磁兼容性能，為順利完成溫度控制工作打下良好的基礎(chǔ)[5]。

3.2 仿真模型的建立

根據(jù)上述2.2中已知的模糊模型，進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)如下：

(1)打開(kāi)MATLAB軟件，進(jìn)入Simulink界面，開(kāi)始搭建系統(tǒng)模型。

(2)在Simulink中，用戶根據(jù)自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需要選擇所需模塊，用鼠標(biāo)將其拖動(dòng)到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型中，在仿真模型結(jié)構(gòu)圖中布置好位置并連線，最后可通過(guò)信號(hào)接收與輸出示波器Scope觀察系統(tǒng)的仿真輸出。按照同樣的方法選擇模糊控制模塊并接入，如圖4所示。

圖4 電阻爐MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖

(3)對(duì)模糊控制模塊進(jìn)行設(shè)置。在MATLAB 主窗口輸入“fuzzy”后回車，即進(jìn)入模糊推理系統(tǒng)編輯器界面(FIS)。先增加一個(gè)輸入變量，將輸入及輸出變量分別命名為E、EC及U,其中E為溫度偏差模糊變量，EC為溫度偏差變化率模糊變量，U為輸出模糊變量。再將這個(gè)FIS文件命名為“l(fā)wkz”，即爐溫控制。最后得到如圖5所示的雙輸入-單輸出的FIS編輯器界面。

圖5 爐溫控制的FIS編輯器界面

(4)模糊變量E及EC的模糊論域用N={-6，-4，-2,0,2,4,6}表示，對(duì)應(yīng)模糊子集為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},其中的N為負(fù)，P為正，B為大，M為中，S為小，Z為零。在圖5的FIS編輯器界面上單擊輸入、輸出變量，編輯取值范圍、顯示范圍、模糊子集的個(gè)數(shù)及分布、隸屬函數(shù)類型等，得到隸屬函數(shù)編輯器(MF)界面如圖6所示。

圖6 爐溫控制的MF編輯器界面

(5)在圖6的爐溫控制隸屬函數(shù)編輯器界面上，點(diǎn)擊Edit|Rules…，彈出模糊控制規(guī)則編輯器(Rule)界面如圖7所示。模糊變量E及EC的模糊子集數(shù)均為7，組合搭配后產(chǎn)生49條模糊控制規(guī)則，對(duì)應(yīng)輸出模糊變量U的子集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。逐次單擊相應(yīng)的模糊子集名稱編輯，再點(diǎn)擊編輯功能中的“Add rule”按鈕，最終得到全部的模糊控制規(guī)則如圖7所示。

(6)將完成的“Fuzzy Logic Controller ”模塊嵌入到名為“l(fā)wkz”的FIS文件中，使該模塊與Sumulink成功連接，即可進(jìn)行仿真。待仿真模型連線完畢，檢查無(wú)誤后就可以按下[Run]按鈕，運(yùn)行仿真程序，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在示波器中觀察仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照模糊規(guī)則觀測(cè)窗和輸出曲面觀測(cè)窗的內(nèi)容，不斷對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整與修改，直至將模糊控制參數(shù)設(shè)置好。

圖7 爐溫控制的模糊控制規(guī)則編輯器界面

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用模糊控制算法，得出階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 模糊控制下?tīng)t溫控制系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可知，該小型高溫電阻爐要求爐溫控制為(560±10) ℃，正常工作爐膛溫度上升速率為3 ℃/s。采用該模糊控制規(guī)則能保證小型電阻爐控制精度在給定值±3 ℃誤差范圍之內(nèi)，溫度控制過(guò)程超調(diào)量幾乎為零，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，耗能低。通過(guò)MATLAB仿真，還可以得出，對(duì)于不同的被控對(duì)象可適當(dāng)?shù)恼{(diào)整模糊控制器的各種參數(shù)，最終都可以得到較為滿意的結(jié)果[6]。

4 總 結(jié)

本文是針對(duì)電阻爐滯后性和調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)設(shè)計(jì)和研究的溫度模糊控制系統(tǒng)。研究中采用了模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，當(dāng)采用該模糊控制時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間短，且基本未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)穩(wěn)定且精度高。系統(tǒng)基于模糊控制算法和MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)完成了對(duì)電阻爐溫度控制的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了電阻爐熱工生產(chǎn)過(guò)程中高溫控制段的高效、安全、快速的控制過(guò)程要求。此外，模糊控制器的完善是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)際溫度控制效果。