摘要IABSTRACTTubefurnaceisarelativelycomplexindustrialcontrolobject.ItisdifficulttoobtainbettercontroleffectbyusingtraditionalcontrolPIDcontrolmethod.Atthesametime,tubefurnaceisusedasahigh-energyheatingequipment,anditsefficiencyisforindustrialproductionorenergysaving.Ithasacertainsignificance.BasedonfuzzymathematicstheoryandcombinedwithPIDcontrol,thispaperchoosesafuzzyPIDcontrolschemetocontrolthetubeheatingfurnace,andusesthematlabsoftwaretobuildthePIDcontrollerandfuzzyPIDcontrollerrespectively.Andcomparedwiththerespectivesimulationeffects,fuzzyPIDcontrolhastheadvantagesofmorerapidresponse,shorteradjustmenttimeandsmallerovershootthantraditionalcontrol.KeyWords:tubularheatingfurnace,PIDcontrol,fuzzyPIDcontrol,matlab目錄 目錄PAGEIVPAGEIII目錄TOC\o"1-1"\h\z\u\t"標(biāo)題2,1,標(biāo)題3,1,標(biāo)題4,1,標(biāo)題5,1,標(biāo)題6,6,標(biāo)題7,7,標(biāo)題8,8,標(biāo)題9,9"第1章引言 11.1研究背景 11.2管式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)研究的意義 11.3加熱爐概況和理論研究現(xiàn)狀 11.3.1加熱爐概況 11.3.2加熱爐理論研究現(xiàn)狀 21.4論文主要內(nèi)容及安排 2第2章管式加熱爐系統(tǒng)的描述 42.1管式加熱爐的一般結(jié)構(gòu) 4第3章管式加熱爐模糊控制器 63.1經(jīng)典PID控制 63.2模糊控制器的概述 73.3模糊控制器的類型 83.3.1單變量模糊控制器 83.3.1.1一維模糊控制器 83.3.1.2二維模糊控制器 83.3.1.3三維模糊控制器 93.3.2多變量模糊控制器 93.4模糊控制器的基本原理 103.5模糊控制器的數(shù)據(jù)庫(kù) 113.5.1模糊控制器的隸屬函數(shù) 113.5.2描述輸入和輸出變量的詞集 123.5.3輸入變量的模糊化 133.6模糊控制規(guī)則庫(kù) 133.7模糊推理過程 133.8模糊控制器的解模糊過程 14第4章模糊PID控制器的設(shè)計(jì) 154.1自適應(yīng)模糊PID控制器 154.2模糊PID控制器模糊部分設(shè)計(jì) 154.2.1模糊分布 154.2.1.1模糊子集個(gè)數(shù)的選定 164.2.1.2確定模糊變量的論域 164.2.1.3定義輸入、輸出的隸屬函數(shù) 164.2.1.4確定相關(guān)模糊規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表 184.2.1.5模糊推理與解模糊 21第5章系統(tǒng)仿真 225.1Matlab/Simulink簡(jiǎn)介 225.2模糊邏輯工具箱的設(shè)置 22第6章分析及結(jié)論 266.1Matlab仿真結(jié)果 266.2仿真結(jié)果分析 286.3結(jié)論 31結(jié)束語 32致謝 32參考文獻(xiàn) 34附錄 36附錄1：模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì) 36外文參考原文 39譯文 41電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文第1章引言PAGE4PAGE1第1章引言1.1研究背景能源在人類社會(huì)中有著極大的重要性，在生產(chǎn)、生活中我們無時(shí)無刻都需要能源。在工業(yè)生產(chǎn)過程中能源的需求也及其巨大，對(duì)于中國(guó)來說，中國(guó)的能源儲(chǔ)備量并不多，日常各類資源的人均占有量遠(yuǎn)沒有達(dá)到世界的平均占有水平。1.2管式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)研究的意義管式加熱爐廣泛用于某些領(lǐng)域，在石油化工和特殊工藝等論域，都是必要的裝置。加熱爐擁有優(yōu)質(zhì)的性能對(duì)生產(chǎn)的發(fā)展是有許多實(shí)際的意義，由于加熱爐的特殊性，在整個(gè)過程中高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣都會(huì)被大量的使用，由此將會(huì)引發(fā)許多安全問題的產(chǎn)生。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的投入，對(duì)于保護(hù)生產(chǎn)過程中現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全以及維保證儀器設(shè)備的正常運(yùn)行由重要的意義。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)下，許多因?yàn)槿藶椴僮鞫霈F(xiàn)的錯(cuò)誤可以規(guī)避，例如人的操作錯(cuò)誤等而引發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量問題。除此之外，在自動(dòng)控制的情況下，可以有效縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率，使企業(yè)的利潤(rùn)和效益得到全面提升。加熱爐的制造費(fèi)用高，能量消耗巨大，例如在整個(gè)行業(yè)中能源消耗比重比較大的冶金行業(yè)，加熱爐這一塊就占據(jù)了整個(gè)鋼鐵行業(yè)能源的25%[1][2]。因此通過什么樣的控制方式提高加熱爐的熱效率，保證加熱爐的溫度控制是一個(gè)值得研究的課題。當(dāng)然保證生產(chǎn)環(huán)境的安全，對(duì)重要系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以保證對(duì)環(huán)境的影響最低，也是作為一個(gè)優(yōu)秀的控制系統(tǒng)的條件。1.3加熱爐概況和理論研究現(xiàn)狀1.3.1加熱爐概況管式加熱爐是一種工業(yè)加熱設(shè)備同時(shí)也是一種重要的能源設(shè)備，在石油化工、鋼鐵冶金和機(jī)械制造等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是作為一種加熱設(shè)備其熱效率不高[3][4][5][6]。加熱爐在一些發(fā)達(dá)國(guó)家有比較高的熱效率，但是在中國(guó)卻相對(duì)較低，如何提高熱效率，有利于減少加熱爐的能源消耗，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。管式加熱爐有各種不同的種類，其中箱式爐、立式爐和圓筒爐這個(gè)三種種類的加熱爐設(shè)備是最常見的三種管式加熱爐。通過管式爐將原料加熱至后續(xù)生產(chǎn)或加工操作所需的較高溫度。1.3.2加熱爐理論研究現(xiàn)狀目前，工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的比例積分微分(PID)控制方法由于調(diào)節(jié)器增益參數(shù)固定不變，很難達(dá)到滿意的動(dòng)態(tài)控制效果。為提高控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度，許亮等人對(duì)管式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了串級(jí)控制系統(tǒng)，用matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，取得了很好的控制效果。近些年來自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)熱議話題，李宏光等人提出了一類多模型的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法通過仿真實(shí)驗(yàn)，其具有達(dá)到了自適應(yīng)能力強(qiáng)，魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)現(xiàn)在也存在許多對(duì)加熱爐溫度控制的研究，例如：基于Dahlin-smith預(yù)估控制的加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，基于前饋一反饋控制的爐膛壓力控制，基于基于遺傳蟻群混合算法的PID來進(jìn)行溫度控制[7]等。1.4論文主要內(nèi)容及安排智能算法的引入能很好解決PID控制由于參數(shù)固定而難以達(dá)到很好的動(dòng)態(tài)效果的問題，為了能使我們對(duì)所控制的管式加熱爐的出口的溫度控制效果能更好的達(dá)到要求，因此本文基于模糊控制理論的相關(guān)知識(shí)，采用自適應(yīng)模糊PID控制方法，通過去動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制器的各個(gè)參變量以達(dá)到控制管式加熱爐的出口溫度的目的。最后通過matlab的simulink進(jìn)行仿真對(duì)比，得出各自的優(yōu)劣性。各章的主要內(nèi)容如下：第一章介紹了當(dāng)前的時(shí)代背景，簡(jiǎn)單描述了近年來的一些有關(guān)管式加熱爐控制的算法，說明了加熱爐良好的自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要性。第二章對(duì)于加熱爐的一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，闡述了每個(gè)結(jié)構(gòu)的功能和作用。第三章詳細(xì)介紹了經(jīng)典PID控制器和模糊控制器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)的數(shù)學(xué)理論，為下一章模糊控制器的設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。第四章主要是設(shè)計(jì)模糊PID控制器，結(jié)合相關(guān)論文和管式加熱爐自生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的模糊控制器，同時(shí)確定模糊控制器的相關(guān)參數(shù)，為第五章的matlab的simulink仿真奠定基礎(chǔ)。第五章對(duì)第四章用matlab建立的模型就行了仿真，按照第四章的控制模型對(duì)，隸書函數(shù)，模糊控制規(guī)則，解模糊方法輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)，連接各個(gè)控制器。第六章主要針對(duì)第五章所產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比PID控制與模糊控制的結(jié)果分析各自的優(yōu)劣性。最后總結(jié)了各自的控制特點(diǎn)PID控制作為一種智能控制，相比傳統(tǒng)控制有更多優(yōu)點(diǎn)。最后對(duì)本次研究的課題進(jìn)行總結(jié)。第2章管式加熱爐系統(tǒng)的描述第2章管式加熱爐系統(tǒng)的描述加熱爐基本工作原理是：通過爐膛內(nèi)的物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的煙氣能夠加熱熱管的材料，使其達(dá)到我們要求的溫度。而加熱過程則，一般是通過爐膛內(nèi)的物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的煙氣來加熱。2.1管式加熱爐的一般結(jié)構(gòu)管式加熱爐主要結(jié)構(gòu)主要包括五部分這五部分是：輻射室、燃燒系統(tǒng)、對(duì)流室、通風(fēng)系統(tǒng)及余熱回收系統(tǒng)[10],其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1管式加熱爐的基本結(jié)構(gòu)四個(gè)主要結(jié)構(gòu)組成了加熱爐，他們作用各不相同，通過彼此協(xié)同工作完成加熱工作，輻射室是與火焰直接接觸的部分，火焰與高溫?zé)煔馑鶐淼牡臉O高溫度，將會(huì)促使兩者之間的輻射換熱，增加爐管溫度，管式加熱爐的輻射室溫度較高，所用材料要求有一定的高溫強(qiáng)度和高溫化學(xué)穩(wěn)定性。在對(duì)流室中，有來自輻射室的煙氣，在這里進(jìn)行對(duì)流換熱，傳遞熱量到爐內(nèi)。由輻射室和對(duì)流室出來的高溫氣體到達(dá)余熱回收系統(tǒng)中對(duì)剩這些氣體剩余的熱量可以被回收用在加熱爐的其他環(huán)節(jié)中。余熱回收的方式主要有兩種：一是“空氣預(yù)熱”方式，所謂預(yù)熱是指燃料燃燒所需要的空氣的預(yù)先加熱的過程，這樣可以使熱效率更高，同時(shí)也可以使余熱被再次利用。二是“余熱鍋爐”方式，通過強(qiáng)制循環(huán)的方式,使加熱爐完全無關(guān)的其它介質(zhì)回收熱量，加熱效率較高。在燃燒系統(tǒng)中，越好的燃燒系統(tǒng)熱效率越高，往往也會(huì)有的燃燒質(zhì)量，因此也可以說燃燒器也直接影響加熱爐的質(zhì)量及加熱爐的熱效率。通風(fēng)系統(tǒng)主要作用是將廢棄排出到管式加熱爐外部，通風(fēng)系統(tǒng)種類只要有自然通風(fēng)系統(tǒng)和強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，但是，近年來隨著環(huán)保要求的提高，生產(chǎn)企業(yè)己開始安裝獨(dú)立于爐群的超高型集合煙囪，用來將多個(gè)加熱爐的煙氣集中在一起進(jìn)行排放。隨著管式加熱爐性能的多元化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，爐內(nèi)煙氣側(cè)阻力降增大，以及高效大功率燃燒器的應(yīng)用、提高加熱爐熱效率和節(jié)能降耗工作的需要,強(qiáng)制通風(fēng)方式越來越受到重視和使用。第3章管式加熱爐模糊控制器第3章管式加熱爐模糊控制器3.1經(jīng)典PID控制這里我們對(duì)常見的經(jīng)典控制器進(jìn)行介紹：P(比例)控制：在工業(yè)生產(chǎn)中，其最大優(yōu)點(diǎn)就是能提降低系統(tǒng)的惰性，更快的響應(yīng)，缺點(diǎn)是不能消除剩余誤差。PI控制又叫比例控制與積分控制，通過加入積分控制，將定值與實(shí)際輸出值的差的比例和積分各自乘上一個(gè)標(biāo)量后再相加構(gòu)成控制量，從而來控制被控對(duì)象。由于積分環(huán)節(jié)對(duì)偏差的累積，只要有偏差，輸出就會(huì)不斷增加或減少，一直到偏差不存在為止，因此系統(tǒng)不會(huì)存在剩余誤差。三者綜和得到PID控制器，全稱是比例-積分-微分控制。PID控制據(jù)有比例、積分、微分三種控制的共同特點(diǎn)，因此只要各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的參數(shù)選擇適當(dāng)，就可以得到較為理想的控制效果。圖3-1PID控制系統(tǒng)原理圖其控制規(guī)律為：（3-1）Kp-TI-TD傳遞函數(shù)為：Gs=U(3-2)PID控制環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)規(guī)律如下：PID控制各個(gè)環(huán)節(jié)都有各自的缺點(diǎn)，但是通過各個(gè)變量之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)去完成控制任務(wù)，其中比例環(huán)節(jié)能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，一般單獨(dú)的比例環(huán)節(jié)不能達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，此時(shí)就可以加入積分環(huán)節(jié)，通過累積輸出的偏差的值，就可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)引入積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的特性也得到了提高，而微分環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但是比例系數(shù)過大容易導(dǎo)致超調(diào)，積分系數(shù)過大也容易引起飽和現(xiàn)象過小容易增加系統(tǒng)的超調(diào)，微分環(huán)節(jié)的缺點(diǎn)則是會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。在PID控制算法中，一般情況下通過不斷調(diào)節(jié)比例、積分和微分這個(gè)三個(gè)變量的值，雖然可以達(dá)到比較可觀的控制效果。但是,在復(fù)雜的時(shí)變性控制系統(tǒng)中如果只采用PID控制算法控制被控對(duì)象,則難以達(dá)到較好的控制效果,一般情況下將PID算法結(jié)合其他算法一起使用。3.2模糊控制器的概述過去，對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)往往通過分析系統(tǒng)各部分的運(yùn)作機(jī)理，由其各自的物理化學(xué)特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)方程，根據(jù)其規(guī)律達(dá)到控制效果，或者是人為向系統(tǒng)輸入一個(gè)信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)的輸出結(jié)果，用合適的數(shù)學(xué)方程去近似描述這個(gè)系統(tǒng)，從而得到系統(tǒng)的控制規(guī)律。對(duì)以模糊控制的方法則是，把人的豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或者是大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納總結(jié)成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的自然語言，用計(jì)算機(jī)予以實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制。模糊控制傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制相比具有以下突出優(yōu)點(diǎn):(1)、不需要建立關(guān)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，模糊控制完全是在操作人員經(jīng)驗(yàn)控制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制；(2)、使用自然語言方法，控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，由離散計(jì)算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、快速性；(3)、魯棒性好，能夠較大范圍的適應(yīng)參數(shù)變化，且與常規(guī)PID控制相比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)良。其原理如圖3-2所示：圖3-2模糊控制原理圖3.3模糊控制器的類型在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器的類型一般分為單變量模糊控制系統(tǒng)和多變量模糊控制系統(tǒng)[9]。3.3.1單變量模糊控制器只有一個(gè)變量輸入或者是一類輸入變量且輸出只有一個(gè)的控制器叫單變量模糊控制器，單模糊變量控制器可以是一維、二維和三維的，一般這種這種單變量模糊控制器結(jié)構(gòu)又被稱作常規(guī)模糊控制器或基本模糊控制器[10][11]。3.3.1.1一維模糊控制器其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，其輸入語言變量通常被選擇為受控變量和輸入給定值之間的偏差e。由于僅由一個(gè)偏差量控制，因此難以完全反映受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)質(zhì)量，因此控制通常難以實(shí)現(xiàn)。常用于一階被控對(duì)象。圖3-3一維模糊控制器3.3.1.2二維模糊控制器其結(jié)構(gòu)見圖3-4，其模糊控制器輸入部分有兩個(gè)變量分別是e、ec相比僅僅單個(gè)變量輸入的一維度控制器，能夠嚴(yán)格地反映受控過程中輸出量的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)增加的偏差變化ec將會(huì)帶來更好的控制效果。圖3-4二維模糊控制器3.3.1.3三維模糊控制器其結(jié)構(gòu)見圖3-5，其模糊控制器的輸入部分有三個(gè)變量分別是：系統(tǒng)偏差量e、偏差微分ec和偏差的二階微分ecc。由于相比二維模糊控制增加了偏差的二階微分，其理論控制效果更好常常用于動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，一般較少使用。圖3-5三維模糊控制器3.3.2多變量模糊控制器多變量模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，其輸入可以任意是U1到Un，輸出可以是任意Y1到Y(jié)n。一般情況下多變量模糊控制器的設(shè)計(jì)是較為復(fù)雜的，其主要原因是本身的強(qiáng)耦合的性質(zhì)。多變量模糊控制器的基本模型：圖3-6多變量模糊控制器模糊控制器的原理同人的思考決策相似，對(duì)于模糊控制器更高的維數(shù)越高往往會(huì)帶來更高的精度。但是維數(shù)太高，模糊控制律就越復(fù)雜，相應(yīng)的控制算法也就越難設(shè)計(jì)，一維模糊控制器由于其動(dòng)態(tài)性能不佳，因此在實(shí)際應(yīng)用二維模糊控制器進(jìn)行控制更加常用。3.4模糊控制器的基本原理模糊控制器的原理框圖如圖3-7所示：圖3-7模糊控制器原理框圖模糊控制器是模糊控制的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法及模糊決策的方法等因素[12][13]。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-8所示：圖3-8模糊控制器基本結(jié)構(gòu)其中，模糊控制器一般由如下四部分組成[14]模糊控制器四部分：表3-4模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成1.模糊化由于系統(tǒng)輸入的量是精確的數(shù)值，因此通過模糊化將輸入到控制系統(tǒng)的實(shí)際精確值轉(zhuǎn)化成模糊控制所需要的模糊量。2.知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)包含模糊控制規(guī)則和數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分，概括了生產(chǎn)中所需要的常識(shí)和要求的目標(biāo)。數(shù)據(jù)庫(kù)中基本上包括了隸屬函數(shù)需要的語言變量、量化因子和分級(jí)數(shù)等一些內(nèi)容；模糊控制規(guī)則庫(kù)包含了一些控制規(guī)則，其是用模糊語言變量描述的，在一定程度上將專家的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知表達(dá)出來。3.模糊邏輯推理模糊推理是模糊控制器最重要的部分，模糊推理的規(guī)則和模糊邏輯中的包含關(guān)系為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)推理的功能4.去模糊化去模糊化是將最終得到模糊量轉(zhuǎn)換成滿足實(shí)際控制所需要的精確量。3.5模糊控制器的數(shù)據(jù)庫(kù)輸入、輸出變量模糊子集的隸屬函數(shù)的定義以及隸屬函數(shù)的矢量值都存放于模糊控制器的數(shù)據(jù)庫(kù)中[9]。3.5.1模糊控制器的隸屬函數(shù)典型的隸屬函數(shù)一共有11種，分別是雙S形隸屬函數(shù)、雙S形乘積隸屬函數(shù)、S狀隸屬函數(shù)、Z形隸屬函數(shù)、聯(lián)合高斯型隸屬函數(shù)、高斯型隸屬函數(shù)、廣義鐘形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)三角隸屬函數(shù)[18]。在matlab中提供了5種基本的隸屬函數(shù)分別是：三角形、梯形、鐘形、高斯型和sigmoid型[18],其具體的數(shù)學(xué)模型如3.3中的公式所示。(1)、三角形隸屬函數(shù)：f(x,a,b,c)=(3-3)其中a≤(2)、梯形隸屬函數(shù)：f(3-4)其中a≤b(3)、鐘形隸屬函數(shù)：(3-5)(4)、高斯型隸屬函數(shù)：(3-6)(5)、S形隸屬函數(shù)：(3-7)其中所有11個(gè)隸屬函數(shù)都可以在matlab的模糊邏輯控制器中找到對(duì)應(yīng)的函數(shù)選項(xiàng)。3.5.2描述輸入和輸出變量的詞集在這里我們變量的描述可以用“大、中、小”這三個(gè)詞匯進(jìn)行描述。常見的取詞為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}七個(gè)語言變量，其英文縮寫為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}[9]。通常情況下，選取以上七個(gè)詞匯即可很好的對(duì)輸入輸出變量的模糊子集進(jìn)行描述，但實(shí)際中也可依據(jù)控制需要來適當(dāng)增減變量。詞匯量選取的個(gè)數(shù)對(duì)控制結(jié)果具有一定影響，選詞過少，描述變量將十分粗造，影響控制器效果，選詞過多，相應(yīng)的描述變量更為精確，但增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。因此根據(jù)需要，本文選擇“大、中、小”三個(gè)詞匯加上正方向、負(fù)方向和為零的狀態(tài)，用7個(gè)詞匯對(duì)輸入輸出變量的模糊子集進(jìn)行描述。分別是：{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}其縮寫為：{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}3.5.3輸入變量的模糊化輸入控制器的值是一個(gè)確定的數(shù)值，但模糊控制器內(nèi)用于推理的量均為模糊量，故首先需要對(duì)精確量做模糊化處理，因此需要規(guī)定量程轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)定義，它是指把輸入值所有可能的取值范圍映射到相應(yīng)的輸入論域上的模糊子集上。假設(shè)精確量x的變化范圍為：[m,n]，其映射區(qū)間為的變化范圍為：[-l,l]，設(shè)x和映射區(qū)間之間的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系公式如式(3.8)所示：(3-8)本文中e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊控制論域均為{-3,-2,-1,0,1,2,3}。3.6模糊控制規(guī)則庫(kù)輸入的值帶入對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)后我們可以得到該值對(duì)于各個(gè)模糊子集隸屬度的值，這是要把它轉(zhuǎn)化為模糊量則就需要通過一定的規(guī)則確定其所屬的模糊子集，規(guī)則庫(kù)中就存放著這些規(guī)則，模糊控制規(guī)則的來源主要有，專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，一些操作員的控制經(jīng)驗(yàn)，也可以通過控制系統(tǒng)自身學(xué)習(xí)修正得到。3.7模糊推理過程模糊推理的控制過程和在現(xiàn)實(shí)中人們思考問題的一些流程是相類似的。在現(xiàn)實(shí)生活中我們遇到的很多問題是模糊的，例如：“水溫是冷還是熱”這種問題，人們往往不會(huì)在意精確的水溫?cái)?shù)值的得到自己的結(jié)論。模糊推理過程也有一定的相似性，把已知的結(jié)論、事實(shí)或者是經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為一種數(shù)學(xué)語言，用數(shù)學(xué)理論，把我們輸入的命題，通過計(jì)算分析，得到明確的結(jié)論。Mamdani推理法往往更加容易被人們用到模糊推理中。常見形式為如下3種：1、“ifAthenB”的推理。即輸入A則輸出B，它的蘊(yùn)涵關(guān)系為A→B。2、“ifAthenBelseC”的推理。輸入A時(shí)，則輸出B，如果輸入為CuA(這里用A的補(bǔ)集表示)時(shí)，則有輸出為C，表示為(A→B)(CuA→C)。3、“ifAandBthenC”的推理。只有輸入A和B時(shí)才能輸出C，關(guān)系可以表示為(A∧B)→C。其中使用最多的語句就是“ifAandBthenC”，這是因?yàn)樵诖罅康哪：刂浦校坏紤]給定值和實(shí)際值所形成的誤差，同時(shí)還要考慮誤差的變化率[15][16]。3.8模糊控制器的解模糊過程常見的解模糊方法一共有三種分別是面積重心法(centroid)、面積平分法(bisector)和最大隸屬法(maximum)其中最大隸屬法又分為三種分別是最大隸屬度平均值法(mom)、最大隸屬度最大值法(lom)和最大隸屬度最小值法(som)。1、面積重心法(centroid)：面積中心法利用的是面積的中心，通過計(jì)算隸屬函數(shù)和橫坐標(biāo)包為面積的中心，把這個(gè)值作為模糊集合的代表值其定義為：(3-9)2、面積平分法(bisector)：面積平分法是通過等分面積來解模糊，面積的構(gòu)成是由模糊集合的隸屬函數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線和這一點(diǎn)的橫坐標(biāo)會(huì)圍城一個(gè)區(qū)域，找出可以把這個(gè)區(qū)域等分為兩個(gè)相同面積的橫坐標(biāo)的值，輸出即為該點(diǎn)解模糊的值。3、最大隸屬法：用隸屬值最大代表這個(gè)模糊集合的一種簡(jiǎn)單方法方法稱為最大隸屬法。第4章模糊PID控制器的設(shè)計(jì)第4章模糊PID控制器的設(shè)計(jì)4.1自適應(yīng)模糊PID控制器自適應(yīng)模糊PID控制器主要分為兩個(gè)部分分別如下：模糊控制器：本文中設(shè)計(jì)的控制器共溫度的誤差、溫度的變化率，我們分別用數(shù)學(xué)符號(hào)定義他們，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)符號(hào)分別是：e、ec，通過模糊控制器后最終輸出為ΔKP、ΔKD、ΔKI。PID控制器：這部分與傳統(tǒng)PID控制相同。這兩部分組合構(gòu)成模糊PID控制器，其相比傳統(tǒng)的PID控制更加的靈活穩(wěn)定，特別是對(duì)于時(shí)變性和非線性較大的被控對(duì)象[18]，下圖給出了這個(gè)控制器的最核心的幾個(gè)模塊。圖4-1自適應(yīng)模糊PID控制器4.2模糊PID控制器模糊部分設(shè)計(jì)4.2.1模糊分布首先輸入的變量是清晰值，為保證每個(gè)變量都能清晰化，先確定模糊子集個(gè)數(shù)，然后確定出每個(gè)模糊子集的隸屬函數(shù)，這個(gè)個(gè)過程稱為模糊分布4.2.1.1模糊子集個(gè)數(shù)的選定模糊子集增加往往伴隨著系統(tǒng)精度的增加，但是如果過分的增加模糊子集的個(gè)數(shù)，會(huì)帶來更大的運(yùn)算量，適當(dāng)?shù)膫€(gè)數(shù)不僅可以減少運(yùn)算量也可以保證控制系統(tǒng)的精度要求。本文將輸入的誤差(e)和誤差微分(ec)劃分為7個(gè)模糊集，一般設(shè)定7個(gè)模糊集個(gè)的術(shù)語如下：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS（正?。?，PM(正中)，PB(正大)[8]即：e，ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}我們把通過了模糊控制器的輸出變量用數(shù)學(xué)語言表示分別是：ΔKP，ΔKD，ΔKI。輸出部分依然采用與輸入部分相同的術(shù)語。即：ΔKP，ΔKD，ΔKI={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}4.2.1.2確定模糊變量的論域根據(jù)控制要求，設(shè)定模糊控制器輸入輸出變量的論域?yàn)椋篹，ec論域：{-3，-2，-1，0，1，2，3}ΔKP，ΔKD，ΔKI論域：{-3，-2，-1，0，1，2，3}由相關(guān)資料，經(jīng)過多次調(diào)整后，我們確定：模糊化因子為：ke=0.5,kec=10解模糊因子為：K1=8,K2=1,K3=0.1。4.2.1.3定義輸入、輸出的隸屬函數(shù)接下里我們需要確定已經(jīng)設(shè)定的溫度的模糊子集的隸屬函數(shù)，通過對(duì)比不同的輸入、輸出的變量所得到的變化規(guī)律，由第三章中3.5.1節(jié)相關(guān)內(nèi)容，通過試湊、不斷嘗試，作的選擇如下：對(duì)于輸入量誤差(e)，誤差微分(ec)：輸入變量e：圖4-2e的隸屬函數(shù)輸入變量ec：圖4-3ec的隸屬函數(shù)對(duì)于輸出量KP變化量（ΔKP），KD變化量(ΔKD)，KI變化量(ΔKI)如圖：圖4-4KP變化量隸屬函數(shù)輸出變量Kd：圖4-5KD變化量隸屬函數(shù)輸出變量Ki：圖4-6KI變化量隸屬函數(shù)4.2.1.4確定相關(guān)模糊規(guī)則并建立模糊控制規(guī)則表根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以歸納出系統(tǒng)在被控過程中對(duì)于不同的偏差和偏差變化率參數(shù)KP、KI、KD的自整定原則，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在不同的e和ec下，參數(shù)Kp、Ki、Kd自調(diào)整應(yīng)滿足以下三條規(guī)律：規(guī)律1：當(dāng)|e|較大時(shí)，為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使之具備快速的跟蹤性能，且不必考慮偏差的變化趨勢(shì)，應(yīng)選取較大Kp和較小Kd，此外為規(guī)避積分飽和，防止系統(tǒng)相應(yīng)產(chǎn)生過大超調(diào)，應(yīng)抑制積分作用，故令Ki為零。規(guī)律2：當(dāng)|e|和|ec|大小適中時(shí)，要得到更小的超調(diào)量，就應(yīng)該有更小的Ki值，但是Kp和Kd的大小應(yīng)該適當(dāng)，以確保系統(tǒng)的響應(yīng)效率，其中Kd值的選取對(duì)系統(tǒng)有很大的影響。規(guī)律3：當(dāng)|e|較小時(shí)，為保證系統(tǒng)具備優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)特性，需要選取較大的Kp和Kd，此外為了防止系統(tǒng)在目標(biāo)值周圍振蕩，并將系統(tǒng)抗干擾能力計(jì)算在內(nèi)，需對(duì)Kd進(jìn)行合適取值，其原則是:|ec|較小時(shí)，Kd可取偏大值；反之Kd應(yīng)取偏小值。參考以上自整定原則，根據(jù)輸入模糊子集的個(gè)數(shù)可以確定模糊規(guī)則共7x7=49條，總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的關(guān)于e、ec、ΔKP、ΔKD、ΔKI的模糊規(guī)則(詳細(xì)規(guī)則見附錄)，如下：1.If(eisNB)and(ecisNB)then(KPisPB)(KIisNB)(KDisPS)2.If(eisNB)and(ecisNM)then(KPisPB)(KIisNB)(KDisNS)3.If(eisNB)and(ecisNS)then(KPisPM)(KIisNM)(KDisNB)4.If(eisNB)and(ecisZ)then(kpisPM)(kiisNM)(kdisNB)5.If(eisNB)and(ecisPS)then(kpisPS)(kiisNS)(kdisNB)47.If(eisPB)and(ecisPS)then(kpisNM)(kiisPM)(kdisPS)48.If(eisPB)and(ecisPM)then(kpisNB)(kiisPB)(kdisPS)49.If(eisPB)and(ecisPB)then(KPisNB)(KIisPB)(KDisPB)以上規(guī)律用圖表示見：表4-1，4-2，4-3。ΔKP模糊規(guī)則表：表4-1ΔKP模糊規(guī)則表 ecΔKPeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPBPBPMPMPSPSZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPMPSZONSNMPMPSPSZONSNMNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNMNBZONSNSNMNMNBNBKI模糊規(guī)則表：表4-2ΔKI模糊規(guī)則表 ecΔKIeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMZOZONBNBNMNMNSZOZONMNMNSNSZOPSPSNMNSNSZOPSPSPMNSNSZOPSPSPMPMZOZOPSPMPMPBPBZOZOPSPMPBPBPBΔKD模糊規(guī)則：表4-3ΔKD模糊規(guī)則表 ecΔKDeNBNMNSZOPSPMPBNBNMNSZOPSPMPBPSPSZOZOZOPBPBNSNSNSNSZONSPMNBNBNMNSZOPSPMNBNMNMNSZOPSPMNBNMNSNSZOPSPSNMNSNSNSZOPSPSPSZOZOZOZOPBPB其對(duì)應(yīng)的管式加熱爐結(jié)構(gòu)圖為：圖4-7管式加熱爐結(jié)構(gòu)圖4.2.1.5模糊推理與解模糊(1)、選擇模糊推理方法：論文中，選用的是Mamdani型的模糊推理辦法。(2)、解模糊：在3.4中，提出了常見的解模糊的方法，其中，重心平均法可以全面的放映模糊推理中所得到的數(shù)據(jù)，使最終得到的清晰值較為可靠，因此這里我們選擇重心平均法進(jìn)行解模糊操作。在原本PID控制器的值上加上解模糊的結(jié)果得到最后輸入到PID控制器的值，關(guān)系如下。(4-1)第5章系統(tǒng)仿真第5章系統(tǒng)仿真5.1Matlab/Simulink簡(jiǎn)介Simulink主要來做仿真，是matlab下的一個(gè)很好的平臺(tái)，其人機(jī)交互的界面比較友好，通過很輕松的將元器件拖入到操作界面，設(shè)置好對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，就可以直觀的搭建一個(gè)較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)。其適用于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的仿真，因此本論文選擇matlab對(duì)管式加熱爐的模糊PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。5.2模糊邏輯工具箱的設(shè)置打開matlab軟件，在主控制界面輸入fuzzy即可打開模糊邏輯控制器的操作界面，首先設(shè)置輸入何輸出變量個(gè)數(shù)，并根據(jù)前面的分析分別輸入e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd的量化區(qū)間，在反模糊化對(duì)話窗口中選擇系統(tǒng)默認(rèn)的重心法“centroid”進(jìn)行解模糊化，配置好的效果如圖5-1所示。模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)：圖5-1模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)接著再對(duì)e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd隸屬度函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的隸屬函數(shù)，其中誤差e的隸屬函數(shù)的編輯效果如圖5-2所示。隸屬函數(shù)的編輯效果:圖5-2e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)在第四章我們已經(jīng)設(shè)定好相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，點(diǎn)擊Edit菜單，根據(jù)表4.1中的模糊控制規(guī)則依次添加到Rules中，最后結(jié)果如圖5-3所示，其中共包含7*7=49條模糊規(guī)則。圖5-3模糊規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)在模糊邏輯控制器界面，點(diǎn)擊View->Surface打開Surface->Viewer既可以對(duì)可以對(duì)ΔKp、ΔKi和ΔKd的控制曲面進(jìn)行查看，圖5-4是ΔKp的控制曲面。ΔKp的控制曲面：圖5-4ΔKp控制曲面以圖中為例進(jìn)行解模糊運(yùn)算，結(jié)果如圖5-5所示，解得并輸出的清晰化結(jié)果為：表5-1清晰化結(jié)果參數(shù)項(xiàng)目eEcΔKpΔKiΔKd輸入（輸出）值-0.733-0.9230.195-0.0198-1.95圖5-5解模糊示例打開MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并按照所設(shè)計(jì)的的控制系統(tǒng)相連。建立如圖5-6所示的對(duì)比仿真模型。圖5-6模糊PID和PID控制器仿真模型第6章分析及結(jié)論第6章分析及結(jié)論6.1Matlab仿真結(jié)果加熱爐是一個(gè)具有大滯后、大延遲特性的高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)頓號(hào)而且運(yùn)行過程中涉及到很多參數(shù)。對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)要建立其精確的數(shù)學(xué)模型在現(xiàn)階段來說很難。從加熱爐爐膛內(nèi)的燃料燃燒到熱量的最終傳遞給被加熱的原油會(huì)產(chǎn)生很大的延遲，因此我們將加熱爐出口溫度的動(dòng)態(tài)變化等效為下面的傳遞函數(shù)。設(shè)控制函數(shù)為：G(6.1)將各元件封裝后我們得到更直觀的PID模糊控制仿真模型如圖所示的控制仿真圖我們分3部分，其分別如下：對(duì)比仿真部分：圖6-1對(duì)比仿真可以直觀看到本文所涉及的的是一個(gè)二維的模糊控制器，模糊PID控制器分為模糊由兩個(gè)主要部分構(gòu)成。模糊控制器部分的封裝1：圖6-2封裝1模糊控制器封裝2-FUZZY部分：圖6-3fuzzy控制器及其輸入輸出模糊控制器封裝3-PID控制部分：圖6-4PID部分將各器件鏈接好后開始仿真得到的波形圖如圖6-5所示：算法選擇ode14x，選擇好對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間，開始仿真。圖6-5matlab仿真波形圖6.2仿真結(jié)果分析(1)、超調(diào)量：通過matlab查看各自的左邊，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果為：圖6-6模糊PID調(diào)節(jié)圖6-7PID調(diào)節(jié)結(jié)果為：表6-2超調(diào)量對(duì)比對(duì)象項(xiàng)目模糊PID控制PID控制超調(diào)量20.5%3.9%PID系統(tǒng)的超調(diào)量為：20.5%，而通過模糊控器輸出得到的結(jié)果超調(diào)量為：3.9%。傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制相比，都可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)傳統(tǒng)相比傳統(tǒng)PID控制而言模糊PID控制超調(diào)量較小，反應(yīng)迅速。同時(shí)模糊PID的上升時(shí)間要優(yōu)于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)。(2)、快速性：圖6-8PID調(diào)節(jié)模糊PID調(diào)節(jié)圖6-9模糊PID調(diào)節(jié)結(jié)果為：表6-3調(diào)節(jié)時(shí)間對(duì)比對(duì)象項(xiàng)目傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)模糊PID在調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)時(shí)間16.67S9.01s(3)、抗擾動(dòng)分析當(dāng)定值為0時(shí)，施加幅值為30%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)得到對(duì)應(yīng)函數(shù)的仿真波形如圖6-10、6-11所示：圖6-10模糊PID仿真結(jié)果給PID控制器施加幅值為30%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)：圖6-11PID控制仿真結(jié)果(4)、系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：在matlab主界面中依次輸入：symssGc=1/(s*s+2*s+1);g=ilaplace(Gc/s)ezplot(g,[010])即可求出控制函數(shù)的階躍響應(yīng)曲線，其圖像如圖6-12所示：圖6-12系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線6.3結(jié)論綜上所述，我們得到了以下結(jié)論，相比傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)而言，模糊PID控制反應(yīng)更加快速，調(diào)節(jié)時(shí)間更加小，超調(diào)量小，可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其抗負(fù)載能力與PID調(diào)節(jié)相當(dāng)，同時(shí)具有更多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)二維模糊PID的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)相比具有更大的優(yōu)勢(shì)。結(jié)束語經(jīng)歷兩個(gè)月的時(shí)間自己的論文也基本完成了，論文從無到有，幾經(jīng)挫折，過程中遇到了許多困難，對(duì)matlab使用不熟練，以及完全陌生的控制模糊數(shù)學(xué)的理論，模糊控制的相關(guān)知識(shí)，第一次接觸到管式加熱爐這種工業(yè)設(shè)備，最后通過不斷查閱資料，論文，與一些前輩交流，最終達(dá)到了預(yù)期的目的，本論文中主要從管式加熱爐的基本結(jié)構(gòu)開始，介紹了傳統(tǒng)控制理論和模糊控制理論，同時(shí)結(jié)合了MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，對(duì)管式加熱爐的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，參數(shù)調(diào)整，達(dá)到了良好的控制效果，最后對(duì)兩者之間進(jìn)行了對(duì)比。畢業(yè)設(shè)計(jì)也許是我大學(xué)生涯上交的的最后一份作業(yè)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我由頗多的收獲，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也讓我深切的感受到了，自己所認(rèn)識(shí)到的知識(shí)是渺小的，學(xué)習(xí)永無止境。致謝致謝在論文完成之際，首先要向指導(dǎo)我的岳萍老師表示衷心感謝，岳萍老師在我的書寫論文方面悉心指導(dǎo)我們給我很好的建議，以及在我們小組內(nèi)部出現(xiàn)的分歧時(shí)，給我們了建議，這對(duì)我能夠完成這篇論文有很大幫助。同時(shí)我還要感謝同一小組的兩位朋友，在這個(gè)課程設(shè)計(jì)上，一起交流了許多相關(guān)知識(shí)和各自的看法，這讓我了解到了自己對(duì)于相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)不足，讓我加深了對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的課題的理解。最后我也要感謝我實(shí)習(xí)期間認(rèn)識(shí)到的朋友們，他們對(duì)我論文設(shè)計(jì)，matlab仿真方面悉心指導(dǎo)，給了我很多建議，他們指導(dǎo)了我模糊控制和自動(dòng)控制的相關(guān)知識(shí)，讓我對(duì)智能控制算法有了初步的認(rèn)識(shí)和了解。因畢業(yè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備時(shí)間與本科階段自身知識(shí)儲(chǔ)備不足等原因，在論文中難免有不盡人意的地方，文中不足之處，還請(qǐng)?jiān)?，本人愿意虛心接受來自各方的批評(píng)指導(dǎo)意見。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]王鴻雁.雙蓄熱式加熱爐的爐溫控制策略[J].煤炭技術(shù).2010,29(7):171-172[2]蔡喬方.加熱爐[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996[3]李宏光，臧灝.管式加熱爐多模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制[J].控制工程，2012，19(4)：650-653[4]RasulMG，TantyBS，MohantyB.Modelingandanalysisofblastfurnaceperformanceforefficientutilizationofenergy[J].ApplThermEng，2007，27(1)：78-88[5]陳在平，李興軍，董恩增，等.基于改進(jìn)ARMA模型的管式加熱爐氧含量辨識(shí)與建模[J].儀器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