工業(yè)電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王晨豐

(商洛職業(yè)技術學院 機電工程學院，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、慣性和時變性的特點，控制過程較復雜，難以用精確的數(shù)學模型描述出來，并且當其溫度一旦超調就無法用常規(guī)控制手段來使其降溫[1]。針對具有上述特性的電阻爐，模糊控制剛好適合數(shù)學模型未知或多變的控制過程。模糊控制是基于人工操作的經驗，把模糊理論應用到溫度控制系統(tǒng)中，設計模糊控制器對電阻爐爐溫進行控制，并選擇恰當?shù)哪：刂扑惴ㄟM行調節(jié)，使爐溫達到設置溫度的誤差范圍值以內。

本文基于模糊控制原理，依據(jù)其優(yōu)點設計了一個自動調節(jié)的模糊控制器，通過在線調整修正因子來改變模糊控制規(guī)則，修正因子可根據(jù)模糊目標調整大小，從而調整模糊控制規(guī)則的新算法，實現(xiàn)控制過程中參數(shù)的最佳調整。并最終在MATLAB中的模糊邏輯工具箱和Simulink基礎上，對模糊控制系統(tǒng)進行仿真實驗，結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)的相關概述

1.1 電阻爐溫度控制

為了達到較好的控制效果，電阻爐溫度控制系統(tǒng)大多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)。首先，將電阻爐當前的實際溫度值讀取并記錄；其次，通過實際值與設定溫度值的比較，將溫差信號送入控制器中得到控制信號，該信號進一步作用于輸出裝置，最終通過調節(jié)電阻加熱絲的電流或電壓來實現(xiàn)對溫度的控制。

1.2 模糊控制

隨著控制技術快速穩(wěn)步的發(fā)展，模糊控制已成為控制技術中應用范疇最廣泛的一種。針對電阻爐來說，模糊控制是在建立電阻爐模糊模型的基礎上運用模糊推理等方法，實現(xiàn)對電阻爐溫度控制的過程。因此建立恰當?shù)哪：Ｐ褪菍嵤┯行：刂频南葲Q條件，模糊模型的建立需要多個模塊的配合合作，包括系統(tǒng)中模糊關系的處理，模糊語言的規(guī)則以及有關變量，模糊控制器輸入/輸出等相關操作[2]。

模糊控制與傳統(tǒng)的控制方法比較，具有以下優(yōu)點：

(1)可實現(xiàn)非線性控制；

(2)無需電阻爐的精確數(shù)學模型即可實現(xiàn)良好的控制；

(3)可模擬人的模糊推理過程。

2 電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)的設計

2.1 模糊控制器的設計

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，模糊控制有較強的適應對象參數(shù)變化的能力，模糊控制的優(yōu)點在于設計系統(tǒng)時只需已儲備的相關知識和經驗即可，無需建立被控對象的精確數(shù)學模型。本文設計的模糊控制系統(tǒng)主要由模糊控制器、輸入/輸出口、實施機構、被控目標和測試反饋裝置等五個部分組成，如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)組成圖

(1)被控目標：需要實現(xiàn)控制的生產過程、設備或機器裝置等；

(2)實施機構：使用電力、氣體、液體為能源并通過類似電機、氣缸等裝置轉化為驅動作用輸出的一類機構；

(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)中使用的相關轉換單元，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)測試裝置：由不同類別的數(shù)字或模擬的測量儀器、檢測元件或傳感器等組成。該裝置負責將系統(tǒng)中被控目標轉換為電信號，要求其精度高、穩(wěn)定可靠[3]。

2.1.2 模糊控制器的設計

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)設計原理

模糊控制器由輸入口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、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)中輸入的確定值轉換成模糊矢量的接口。

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

(3)規(guī)則庫的建立：對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)則表構成了相關聯(lián)的規(guī)則庫。模糊控制規(guī)則表的范圍由條件判斷語句的數(shù)量決定，規(guī)則表中模糊子集的輸出是通過專家豐富的經驗和現(xiàn)場多次調試后總結得出的，而本文設計的電阻爐模糊控制系統(tǒng)中涉及的模糊子集是通過在電阻爐加熱或冷卻設備上施加的控制信號得到的。

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

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

2.2 模糊模型的設計

本文將小型高溫電阻爐當作具有平衡能力且存在滯后的被控對象，其近似數(shù)學模型可用一階慣性和純滯后兩個環(huán)節(jié)來描述。采用階躍響應曲線法求取其參數(shù)，得到電爐系統(tǒng)的開環(huán)增益約為83，慣性時間常數(shù)約為118，純滯后時間常數(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)的電路設計

本文設計的電路采用交流型固態(tài)繼電器，它是一種非接觸開關部件，與普通繼電器相比，無觸點，在接通和斷開電路的時候無火花出現(xiàn)，還具備控制端和負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

其中各個電路系統(tǒng)作用如下：

耦合電路：防止輸出對輸入的影響，引起不必要的錯誤。

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

過零電路：防止固體繼電器開關通斷對電網造成的損害污染。

吸收電路：用來吸收電網的尖峰、浪涌電壓。

3 電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)的仿真實驗

3.1 實驗條件

本文設計的系統(tǒng)模擬量輸入通道主要由K型熱電偶和MAX6675芯片構成，通過上述通道將保證該電路運行可靠，測溫結果穩(wěn)定性和線性度良好，測溫范圍基本能滿足電阻爐安全生產的需求。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[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，進行的仿真實驗如下：

(1)打開MATLAB軟件，進入Simulink界面，開始搭建系統(tǒng)模型。

(2)在Simulink中，用戶根據(jù)自己設計系統(tǒng)的需要選擇所需模塊，用鼠標將其拖動到所設計的系統(tǒng)模型中，在仿真模型結構圖中布置好位置并連線，最后可通過信號接收與輸出示波器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仿真結構圖

(3)對模糊控制模塊進行設置。在MATLAB 主窗口輸入“fuzzy”后回車，即進入模糊推理系統(tǒng)編輯器界面(FIS)。先增加一個輸入變量，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，對應模糊子集為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},其中的N為負，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，組合搭配后產生49條模糊控制規(guī)則，對應輸出模糊變量U的子集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。逐次單擊相應的模糊子集名稱編輯，再點擊編輯功能中的“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，即可進行仿真。待仿真模型連線完畢，檢查無誤后就可以按下[Run]按鈕，運行仿真程序，進行仿真實驗，在示波器中觀察仿真實驗結果，對照模糊規(guī)則觀測窗和輸出曲面觀測窗的內容，不斷對模型進行調整與修改，直至將模糊控制參數(shù)設置好。

圖7 爐溫控制的模糊控制規(guī)則編輯器界面

3.3 仿真實驗結果

采用模糊控制算法，得出階躍響應仿真結果如圖8所示。

圖8 模糊控制下爐溫控制系統(tǒng)的響應結果

通過仿真實驗可知，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，溫度控制過程超調量幾乎為零，過渡過程時間短，耗能低。通過MATLAB仿真，還可以得出，對于不同的被控對象可適當?shù)恼{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果[6]。

4 總 結

本文是針對電阻爐滯后性和調節(jié)時間長等特點設計和研究的溫度模糊控制系統(tǒng)。研究中采用了模糊控制器，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的自適應控制，當采用該模糊控制時，整個系統(tǒng)的調節(jié)時間短，且基本未出現(xiàn)超調現(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仿真實驗完成了對電阻爐溫度控制的目標，實現(xiàn)了電阻爐熱工生產過程中高溫控制段的高效、安全、快速的控制過程要求。此外，模糊控制器的完善是今后研究的重點內容，可進一步提高系統(tǒng)的實際溫度控制效果。