反应釜温度智能控制系统设计 3.docx

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反应釜温度智能控制系统设计3

增益规划的模糊温度控制器的单向输入系统

摘要：

在许多化工和半导体的生产过程中，温度是获得所需产品质量的一个非常重要的控制参数。

一般来说，温度控制系统拥有非线性时变、慢响应、时延、单向输入控制的特点。

一般很难估计它的精确动态模型，因此也很难设计一个通用的温度控制器去获得好的控制效果。

本文提出了一种不需要特定模型的智能增益规划的模糊控制策略，设计了一个只有温度输入的封闭的铁室温度控制器。

增益规划的概念是指为了获得较好的控制性能而在控制的过程中调整隶属函数的变化范围。

实验结果显示，应用这个控制策略，阶跃响应的稳态误差总是低0.2%，而且没有超调。

它非常适合工业上的温度控制系统。

关键词：

模糊控制，增益规划，单向输入的温度控制

1简介

在化工、材料、半导体等生产过程中，温度是一个非常重要的控制参数。

例如，材料的热处理、薄膜沉积、电视玻璃熔炉等都需要适当的温度控制系统。

一些温度控制系统需要加热和冷却阶段，其他的就只需要加热阶段。

他们的动态表现拥有明显的区别。

只有加热输入的温度控制系统相比于双输入的控制系统更难监控，更难获得较好的控制性能。

在控制领域，怎样去设计一个通用的温度控制器使之在工业应用中拥有较好的响应速度、较小的稳态误差、没有超调，这任然是一个挑战。

目前，开关控制和PID控制策略被应用在商业生产。

PID控制器诞生于1936年。

在工业生产的自动控制系统中被广泛的应用。

然而，怎样调整增益是执行PID控制器的关键因素。

如果系统的精确模型是可以获得的，那么可以应用Zigler-Nichols和IMC整定方法得到适当的控制增益。

然而，加热设备拥有时滞和非线性的的特点。

因此很难获得一个精确地动态模型，从而难以实现PID控制器设计。

一般，为了获得一个较好的控制响应，它需要反复的测试过程。

当系统遇到外加干扰或者是设定值时，系统的瞬态响应将会变坏。

这就需要在线的调整去重新适应这种变化或者换成人工控制。

这就不是一个方便的应用，并且在生品产品过程中产品的参数可能就不会保持好的水平。

因此，不需要特定模型的模糊控制策略获得了研究者的亲睐。

打开本模板时，首先会弹出如下对话框（图1.1）。

大家选择启用宏即可。

如果没有出现该对话框，则需要首先设置图1.2所示，选择总是相信来自此发布者的宏即可。

尤索夫在1994年地一篇控制水浴温度的文章中提出了一种自适应调节的PID控制策略。

采用频率变形环技术来调整化学蒸汽沉积扩散炉温度控制器的增益。

这种方法的合适增益主要是通过研究开环延迟控制的输出响应。

此外，由于他拥有不需要特定模型的特征，模糊控制在许多的工业生产过程得到了成功的应用。

最近，模糊控制原理被用来改善PID控制的自适应性和鲁棒性。

Moon和Lee在2003年提出了应用模糊和PID的混合控制方法去控制电视玻璃溶解炉的温度。

模糊逻辑方案同样应用在自适应PID控制器的增益。

这种方法的PID增益是具有跟踪性能的非线性函数。

他能根据输出误差的变化而作出自适应的调整。

相比于传统的PID控制器，它能够获得更好的鲁棒性、快速响应性、低超调性。

然而，问题是很难设计一个相应参数的模糊控制规则表。

因此，为了获得稳定的自适应性能，一种自组织和自适应的模糊控制器被用来设计温度控制器，但是，这种控制策略任然不能获得快速的瞬态响应和精确地稳态响应。

通常，温度控制系统拥有非线性时变和时延的特点。

对于基于模型的控制器的设计来说，人们很难去估计一个合适的动态模型。

特别的，只有单输入的温度控制问题具有时延和不对称性的控制行为。

基于传统的控制算法，很难获得精确的温度控制精度和好的瞬态响应。

这里采用不需要特定模型的增益规划模糊控制策略去设计单相的温度控制器，他能够自动切换增益参数以达到更好的瞬态响应和小的稳态误差。

本文的目的是设一个通用的智能温度控制器。

文章将对增益规划模糊控制器和自整定PID控制器的温度动态响应行为作出比较。

试验平台是一个只有加热控制输入的封闭铁室。

2系统结构

图一所示的是一个基于计算机的温度监控系统的系统结构。

计算机通过数模转换卡将电压信号发送给半导体控制整流驱动器。

一个12位的低成本的ASIO-113AD/DA/8255接口卡被选来应用于这个控制系统。

半导体整流驱动器拥有250欧姆的内阻，用来将1到5伏的控制电压转换成4到20毫安的控制输入信号。

这个半导体整流能够监视单相的110伏和20安的电源输出。

为进一步提高空心金属腔的温度，它可以调节电流的输入。

金属腔内部的介质是空气。

热电阻将空金属腔内的温度通过模数转化传递给计算机。

温度控制算法由C++程序完成。

建立空心金属实验平台是为了评估系统的控制性能。

空心金属实验腔高250毫米，直径是51毫米，为了安装加热棒和热电阻，里面有一个直径为10毫米的空心孔。

.所选的铂金传感器的精度是0.2度，测量范围是300度。

这个热电传感器的的灵敏度是0.0015每度。

以下实验的取样频率设置为40赫兹。

3自调整PID控制

影响一个PID控制器的控制性能的关键因素是怎样寻找最优的比例增益、积分时间、微分时间常数。

对于实际的应用，这种参数的获得是通过经验或者是有经验的工程师所，它需要需要反复的修改和调试。

那是非常耗时间的，并且动态响应的行为不能得到保证。

因此，延迟反馈的评估方法被用来寻找PID控制器的增益参数。

首先，一个开关切换控制了前两个周期。

当系统的温度低于给定值的时候，控制电源就全面打开去提高系统的温度。

当温度达到给定值时，控制的输入开关就会立即切断。

之后，系统的临界增益和周期就可以从图2的输入输出相应得到。

其中

（3.1）

因此，增益的参数可以通过经验整定公式Ziegler-Nichols法则得出。

（3.2）

图1

图2

这说明：

（3.3）

这种PID控制增益可以用来监视系统温度的阶跃变化

4增益规划模糊逻辑控制器

因为这种温度控制系统拥有明显的延时、单向输入非线性行为，因此对于基于精确模型的控制起来说，很难去估计一个适合的动态模型。

此外，由于系统的延时、单相加热输入等动态特征，温度控制系统的超调瞬态响应很难去避免和消除。

因此，怎样设计一个通用的温度控制器拥有很小的超调、快速的响应特性将会是一个挑战性的研究课题。

这里给出的不需要特定模型的增益规划的模糊控制策略将会解决这个问题。

控制模块图如图3所示。

通常模糊控制方法的动机是知识的不足、动态模型的不确定性。

采用模糊集理论来模拟人类的逻辑推理。

模糊控制器的主要组成部分是一套语言学的模糊控制规则和用来解释这些模规则的推理机。

这种模糊控制规则提供了语言控制知识的专家和自动控制策略的催化剂之间的转化。

每一条控制规则都由一个前件和一个后件组成；一种通用的规则形式可以表示为：

IFXisAandYsiA,THENUisCI

其中R是指第i条规则，X和Y是系统输入变量，U是输出变量。

1A,2A和1C是系统相应的输入输出论域的子集。

每一条控制规则输出的重要性依赖于输出输出语言变量的隶属函数。

在这种控制系统中，模糊控制器有两种控制输入，分为误差e和误差变化ce，输出是控制电压u。

为了简化模糊控制器的计算，输入变量e和ce的隶属函数都选用七种平等三角形的隶属函数。

分别为NB,NM,NS,ZO,PS,PM和PB。

这种模糊变量的隶属函数如图4所示。

这些隶属函数的分部可以放大或者缩小通过改变隶属函数的尺度参数。

增益的制度参数一般是和相应的输入变量的标称范围相匹配。

人类的直觉,当温度误差大增大时控制电压应该增加,以提供更多的能量来加热温度控制腔和减少误差。

另一方面，当误差接近隶属函数零的子集时，控制器就应该提供微调以改变温度误差并减少超调的趋势。

这些映射参数被指定为ge,gce和gu，分别指误差，误差变化和控制输出，这些可在表1中查阅。

参数ge和gce是分别指输入变量温度误差和误差变化的变化范围的比例因子。

参数gu是设计来调整模糊逻辑控制电压和简化调试难度的量化因子。

这种方法是一种新的增益规划模糊控制结构。

这些参数的取值对于增益规划模糊逻辑控制器来说不是非常的重要。

他们可以通过简单的实验整定。

然后，相同的价值可以应用到不同的温度设定阶跃响应和适当的稳态精度。

对于这个温度控制系统，粗调的话ge=5，gce=2，微调ge=2，gce=1可以被应用到不同的温度设定值。

相应的模糊隶属函数覆盖的温度误差变化范围是粗调6度，微调2.4度，如图5所示。

控制软件的程序根据误差反馈信号可以自动切换在粗调和微调之间。

控制增益gu依赖于稳定的设定值。

相应的模糊隶属函数覆盖的温度误差变化范围是粗调6度，微调2.4度，如图5所示。

控制软件的程序根据误差反馈信号可以自动切换在粗调和微调之间。

图3

图4

表1

控制增益gu依赖于稳定的设定值。

它需要反复的测试工作去寻找合适的给定的温度的增益变化范围，例如，50-80度，80-120度，120-150度，等等，这些参数的取值不是很重要。

每一个增益参数都有确定的动态响应的变化范围。

否则，我们对于每一个设定的温度设计不同的模糊逻辑控制规则表。

那是一份非常耗时间和无聊的工作。

在这研究中，整个隶属函数的论域被分成两部分，微调部分和粗调部分。

如图5所示。

在阶跃响应刚开始的时候，控制器会自动的选择粗调部分的论域去响应较大的误差。

当温度接近给定状态时，控制器就会切换到隶属函数的微调论域去矫正稳态误差。

这种控制策略可以根据反馈的控制信号e和ce，通过切换隶属函数的不同论语，自动的在不同的控制范围之间切换。

此外，系统的热量均衡控制电压包括模糊控制规则表去代替附加的控制算法的补偿，简化控制器的设计问题和控制法则的计算。

在这篇文章中，采用49条模糊控制规则，通过调整控制整流器的输入电压，去控制铁室内的温度。

这些模糊规则如表2中所示。

这些规则的确定依赖于PID控制的响应和确定的测试过程。

为了平衡系统的的热量，补偿控制电压直接加到额控制规则中。

图5

模糊控制器源于控制电压的自动调节，它包括补偿控制电压的热量均衡，控制电压的误差校正。

然而，PID控制器需要仔细去设计微分系数，通过对每一个给定值乏味的反复调试来获得合适的瞬态响应。

否则，温度响应的速度在达到给定值之前将会变慢或是将会有一个非常长远的调节阶段。

本文使用的隶属函数是三角形的隶属函数。

函数

以表示为：

（4.1）

其中w是隶属函数的分布跨度，x是模糊输入变量，a是值1隶属函数相应的参数。

采用高斯解模糊法得出输出电压信号去控制温度控制系统的控制整流器的驱动。