模糊控制技术在中频感应熔炼炉温度控制系统中的研究应用PPt.pptx

1.选题背景及研究意义选题背景及研究意义1.1选题背景选题背景我国经济的高速发展，能源需求的瓶颈效应越发明显 冶炼行业在整个工业生产的能源消耗中占相当的比重，但是耗能高、效率低、性能差，操作水平基本上停留在手工和简单仪表操作的水平，其重要原因是控制理论与计算术紧密结合的应用较少。模糊控制理论在自动化控制方面已取得了辉煌成就：如1974年Mandeni首先研制成功了世界上第一台模糊控制器、日本仙台的地铁控制系统采用模糊控制取得了良好的效果等。模糊控制技术应用从已实现的控制系统来说，它具有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。我国国内熔炼炉温度的控制起步较晚，水平不高，主要表现在算法简单、粗糙，造成温度控制效果不佳，易产生输出控制量的振荡，系统压力不稳定的现象，而且自动化程度不高。1.2选题研究意义选题研究意义 中频感应熔炼炉作为一种新型的机电一体化产品，是目前较为理想的环保、节能型冶炼钢、铁、铝、铜等熔炉设备，其中的温度自动控制系统的性能，将直接影响该产品的质量和性能，以及用户的满意程度，从而影响了产品的市场竞争能力。开展熔炼行业的计算机模糊控制系统研究是很有必要的。因此为中频感应熔炼炉开发出一种价廉物美的温度自动控制系统具有较大实际意义的课题。2.国内外研究领域的动态及发展趋势国内外研究领域的动态及发展趋势2.1国内外研究领域的动态国内外研究领域的动态 目前，不论是国外还是国内的熔炼炉温度的控制都主要采用PID控制。PID控制效果与控制参数的选择有很大关系，而PID参数的整理是一项十分繁琐的工作。虽然PID参数的整理和优化的方法很多，但是传统的非智能整理方法，不能获得到理想的控制效果。目前智能型整定方法如模糊PID、神经网络PID虽然能较好地实现PID控制参数的优化，但需要在线整理，计算量大，使得控制器的负担很重。熔炼炉温度的控制受到被控对象、环境等诸多因素的影响，很难以建立精确的数学模型，采用传统的控制方式，控制器参数选择将是很困难的事。2.2国内外研究领域发展趋势国内外研究领域发展趋势 如今模糊控制已在诸多领域得到了很多成功的应用。基于模糊控制主要是模仿人的控制经验而不是依赖于控制对象的模型，因此模糊控制能近似地反映人的控制行为，无需建立对象的数学模型，有很强的实用性。是现代工业自动控制发展的一种新型趋势。3.拟采用的研究对象、关键技术、技术路线拟采用的研究对象、关键技术、技术路线 3.1.1中频感应熔炼炉温度控制的原工作原理图中频感应熔炼炉温度控制的原工作原理图如下图所示如下图所示:中频电源柜总线接口固态继电器A/D中频感应熔炼炉热电偶温度变送器温度控制系统的原工作原理图温度控制系统的原工作原理图工作原理：由集成的热电偶变送器对系统温度进行检测，并完成信号标准化、变送功能。再由固态继电器控制大功率发热器电源的导通与断开，从而达到控制温度的目的。3.1.2该设备模糊温度控制的初步设想的工作原理图该设备模糊温度控制的初步设想的工作原理图如下图所示如下图所示:中频电源柜总线接口固态继电器A/D中频感应熔炼炉热电偶温度变送器模糊控制器显示屏模糊温度控制系统的工作原理图模糊温度控制系统的工作原理图工作原理：由集成的热电偶变送器对系统温度进行检测，并完成信号标准化变送功能。单片机执行模糊控制功能、由固态继电器控制大功率发热器电源的导通与断开，从而达到控制温度的目的。3.1.3模糊控制系统的组成模糊控制系统的组成模糊控制器采用的是一台微型计算机，它是整个模糊控制系统的核心部分。它是基于模糊知识的表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。模糊控制系统的组成如图下图所示。D/A执行机 构被控对 象传感器A/D输出给定值模糊化：这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。知识库：由数据库和模糊控制规则库两部分组成，用来保存数据和控制规则。模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。清晰化：清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的数字量。模糊控制器3.1.4模糊控制器设计的内容模糊控制器设计的内容确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量)，包括语言值及其隶属度函数。选择模糊控制器的输入和输出变量的论域。设计模糊控制器的控制规则，确立模糊化和非模糊化(又称清晰化)的方法。确定模糊控制器的参数(如量化因子、比例因子)。编制模糊控制算法的应用程序。3.1.5温度自动控制的原理温度自动控制的原理所谓温度自动控制，就是为了使作为控制对象的温度、压力、和被加热物的成分等物理量，在过程的负荷条件变化以及外部干扰情况下，仍能保持预先的设定值，而自动调节温度，使其处于最佳状态。例如对炉温加热系统，则有如下模糊规则：“若炉温很低，且炉温上升不快，则快速加热”“若炉温很高，且炉温快速上升，则暂停加热”等等。3.2、关键技术、关键技术（1）模糊控制的基本原理和分析方法；（2）测定炉温参数的技术性分析；（3）matlab平台模糊系统技术的建模仿真；（4）模糊系统建模系统的控制技术4.可能遇到的困难和问题以及将要解决问题的方法可能遇到的困难和问题以及将要解决问题的方法由于对熔炼炉温度的控制过程具有非线性、时滞、时变和难以用建立数学建模的控制方法以及装置实现进行了研究。该问题的难点和需要解决的问题主要是：（1）控制对象比较复杂而且难以建立数学模型。（2）在控制温度上具有非线性、时间上具有滞后性和时变性。（3）受现有条件限制，例如人、环境、测量工具和方法等因素的影响，所得到数据跟实际存在较大的差别。希望在原有设备及技术条件下进行低成本的技术改造。3.3、技术路线、技术路线基于以上研究内容和关键技术的分析制定出模糊基于以上研究内容和关键技术的分析制定出模糊控制技术在中频熔炼炉中温度的控制的研究路线控制技术在中频熔炼炉中温度的控制的研究路线方法如下图所示的分析技术路线原理方框图。方法如下图所示的分析技术路线原理方框图。检定炉温系 统 建 模 分析建模实验建模实验设计炉温特性分析检定炉温控制系统实现 硬 件 软 件 检定炉温控制 系统实验分析 实验方案、参数分析实验研究结果分析优选合理的模糊温度 控制系统设计方案针对以上述问题主要对如下进行研究和讨论：针对以上述问题主要对如下进行研究和讨论：1）由于控制对象具有建模困难，存在时间上滞后及非线性特性等复杂特征，通过对模糊控制进行了研究和数值仿真来进行解决。这就需要熟练掌握模糊控制理论的基本原理和mathworks.matlab开发平台这个开发工具。2）可通过改进控制技术(特别是控制算法)，尽可能采用先进的测量工具来消除测量误差，多进行参数的比较和分析来提高控制水平。3）在硬件上不需要大的投入，主要软件上进行模拟仿真，从而实现低成本下的自动化控制。5.预期目标预期目标(1)对于目前在冶炼工业温度难于控制的现象，希望能提出一种有效的控制方法对其进行实际控制。(2)完成温度模糊控制器的设计：在掌握了模糊控制的基本理论的基础上，针对熔炼炉温度的动态性分析，考虑其可行性和有效性的情况下，设计出温度模糊控制器。(3)通过对熔炼炉温度模型的辨识，提出了一种有效的建模方法。（4）完成对熔炼炉温度系统的有效控制：通过仿真和实际运行结果的比较，表明模糊控制的可行性和有效性。实现对熔炼炉温度控制系统的有效平稳控制，达到对检定炉温度控制误差10。（5）通过对熔炼炉温度系统的有效控制，能够减少人力资源，提高产品质量和性能，基本上实现自动化控制。6.可行性分析可行性分析 1.操作人员在长期的操作实践中积累了宝贵的控操作人员在长期的操作实践中积累了宝贵的控制经验，摸到被空对象的一些制经验，摸到被空对象的一些“脾气脾气”，在他们，在他们实际操作行为中，有意识地或无意识地用一些具实际操作行为中，有意识地或无意识地用一些具有模糊性的操作规则来操作。有模糊性的操作规则来操作。2.领域专家在被控过程的专业领域方面有着专业理领域专家在被控过程的专业领域方面有着专业理论知识和该领域的工作经验，对被控过程的机理论知识和该领域的工作经验，对被控过程的机理（物理的、化学的、生化的等等）有着深刻的是（物理的、化学的、生化的等等）有着深刻的是认识，对过程的行为及对外部作用的反应也给出认识，对过程的行为及对外部作用的反应也给出了理论分析和解释了理论分析和解释 3.有关的控制工程师具备控制理论知识而且对具体被控过程有相当的了解和经验，他们可能把控制理论在这个具体被控对象上的应用进行过多次的尝试和总结，他们的经验也是很宝贵的。归纳整理这些有关人员的经验和知识而形成规则归纳整理这些有关人员的经验和知识而形成规则库可以采取以下的措施：库可以采取以下的措施：（1）通过各种途径搜集这些人员的经验和知识，他们的经验和知识有时用经过思考的语言形式来表达。（2）可以采用问答的方式，认真地组织一系列的问题，请有关人员进行回答，挖掘他们的经验。（3）观察操作人员的控制动作，通过观察进行总结。提出这一课题还必须得到以下的帮助：提出这一课题还必须得到以下的帮助：1、本研究项目的指导老师长期从事工程管理、模糊数学分析、自动控制技术等方面的研究，取得过多项重要研究成果，有丰富的研究经验。2、国内外很多学者利用模糊数学理论进行模糊推理、模糊控制、模糊线性规划、模糊决策、模糊识别等，这些成功结果为本课题的研究提供了大量的可行性分析。7.本论文工作量与经费来源本论文工作量与经费来源 完成本课题，首先必须熟悉模糊控制的基本技术原理。由于本课题是由mathworks.matlab作为开发平台和visual c+进行编程，所以必须能够熟练运用这种开发工具，具有较高的难度和创新性。本课题研究的经费来源主要是国家拨给研究生的研究经费和陕西海意机电制造有限公司的资助。8.本课题研究的进度安排本课题研究的进度安排本课题计划从2007年9月开始到2009年3月结束，具体安排如下：2007.92007.11 收集相关资料，了解本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势，并对本课题进行初步的设想，确定本课题拟采取的研究方案及技术路线，在此基础上完成开题报告的撰写及开题答辩。2007.112008.6 深入现场，并参与陕西海意机电制造有限公司的中频熔炼炉的温度控制系统的设计，在此过程中不断的学习和查阅相关资料，彻底搞清楚该温度控制系统的各部分结构及功能，及它们是如何协调一致的工作的。2008.62008.9 进行工作总结，撰写论文，完成初稿，并交导师预审。2008.92009.3 进一步整理和修改论文，准备毕业答辩。谢 谢！