智能温度控制系统的研究

Study On The Intelligent Temperature Controlling System

                指导教师：  李明秋
             班级：      03331
             姓名：      周洋
摘    要
 温度控制对于小到人民的日常生活、大到钢铁等大型工业生产工程都具有广阔的应用前景，目前我国的温度控制主要以传统的控制方式为主。本课题将新的智能控制理论与经典的控制理论想结合。研究出一种快速性和鲁棒性都较的一种控制手段。为工业控制提供一种新的技术储备。
 在本文中，主要研究对特定空间(电阻炉)的温度进行高精度控制。电阻炉温度控制系统，无论是启动或设定值升降，还是各种扰动影响，我们既希望时间上的快速性，也希望较平稳动态过程和精确的稳态值。由于电阻炉的升温保温是靠电阻丝加热，降温则是靠环境自然冷却，所以当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温。这类电阻炉控制系统具有非线性，时滞以及不确定性。单纯的依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。本文将经典控制与现代智能控制相结合，达到了很好的控制效果。在硬件方面，本文采用PWM(脉宽调制器)控制固态继电器工作，从而实现对电阻炉的连续调节。在软件方面，采用各种不同的控制算法，对温度对象进行控制，进而进行下一步系统仿真和实验。参与比较的控制算法有:经典PID控制；SMITH算法；FUZZY算法。通过测试与分析，本控制系统的对象具有明显的纯滞后和较大的时间常数，为了满足常规给定的升温、保温曲线的条件，不但要求其稳定性好，不产生超调，而且要求跟踪性能和抗干扰性也好。比较控制效果，相对于PID控制器和Smith预估，模糊控制更能符合该系统的要求，本系统采用模糊控制算法法作为控制器。

关键词：温度控制    控制算法    模糊控制器

ABSTRACT
    Key words: Temperature Controlling

  目     录
摘      要
ABSTRACT
第一章  绪论 1
1.1  引言 1
1.2  智能控制概述 1
1.3  课题概述 4
第二章  控制系统硬件实现 5
2.1  系统的组成和基本工作原理 5
2.2  检测部件及执行部件 6
2.3  接口卡HY-8021A 12
第三章  模型辨识 14
3.1  辨识的基本概念 14
3.2  工业控制中常用的几种辨识方法 16
第四章  控制算法研究 19
4.1  PID算法的研究 19
4.2  模糊控制的算法 20
4.3  数字仿真 24
结论 29
致谢 30
参考文献 31

第一章  绪论
 1.1  引言
 在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一；温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。在本文中，主要研究对特定空间(电阻炉)的温度进行高精度控制。电阻炉温度控制系统，无论是启动或设定值升降，还是各种扰动影响，我们既希望时间上的快速性，也希望较平稳动态过程和精确的稳态值。由于电阻炉的升温保温是靠电阻丝加热，降温则是靠环境自然冷却，所以当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温。这类电阻炉控制系统具有非线性，时滞以及不确定性。单纯的依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。本文将经典控制与现代智能控制相结合，达到了很好的控制效果。在硬件方面，本文采用PWM(脉宽调制器)控制固态继电器工作，从而实现对电阻炉的连续调节。
 1.2  智能控制概述
 传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，他们的主要特征是基于模型的控制。由于被控对象越来越复杂，其复杂性表现为高度的非线性，高噪声干扰、动态突变性以及分散的传感元件与执行元件，分层和分散的决策机构，多时间尺度，复杂的信息结构等，这些复杂性都难以用精确的数学模型(微分方程或差分方程)来描述。除了上述复杂性外，往往存在某些不确定性，不确定性也难以用精确数学方法加以描述。然而，对这样复杂系统控制性能的要求越来越高，这样一来，基于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象控制问题。在这样复杂对象的控制问题面前，把人工智能的方法引入控制系统，将控制理论的分析和理论的洞察力与人工智能灵活的框架结合起来，才有可能得到新的认识和新的控制上的突破。经过近20年的研究和发展，尤其是近10年来的研究成果表明，把人工智能的方法和反馈控制理论相结合，解决复杂系统的控制难题是行之有效的。从上面论述可以看出，传统控制和智能控制的主要区别就在于它们控制不确定性和复杂性及达到高的控制性能的能力方面，显然传统控制方法在处理复杂化不确定性方面的能力低且有时甚至丧失了这种能力。相反，智能控制在处理复杂性不确定性方面能力很强。用拟人化的方式来表达，即智能控制系统具有拟人的智能或仿人的智能，这种智能不是智能控制系统中固有的，而是人工赋予的人工智能，这种智能主要表现在智能决策上。这就表明智能控制的核心是去控制复杂性和不确定性，而控制的最有效途径就是采用仿人智能控制决策。传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式，这种方式可谓“模型论”，而智能控制方式相对于“模型论”可称之为“控制论”，这种控制论实际上是智能决策论。两种控制方式的基本出发点不同，导致了不同的控制效果。传统的控制为了控制必须建模，而利用不精确的模型来采用某个固定的控制算法，使整个的控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性，缺乏应变性，因此很难胜任对复杂系统的控制。智能控制的核心是控制决策，采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。传统控制适于解决线性和时不变等相对简单的控制问题，这些问题用智能方法同样也可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，是智能控制的低级阶段，在这个意义上，传统控制和智能控制可以统一在智能控制的框架下。经过长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以奏效。随着计算机尤其是微机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。基于状态变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用。但是，无论使用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象(或生产过程)精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而，在许多情况下被控对象(或生产过程)的精确数学模型很难建立。例如，有些对象难以有一般的物理和化学方面的规律来描述；有的影响因素很多，而且相互间又有交叉祸合，使其模型十分复杂，难于求解以至于没有使用价值；一些生产过程缺乏适当的测试手段，或者测试装置不能进入被测试区域，致使无法建立过程的数学模型;有的工业过程中变量多，各种参数又存在不同程度的时变性，且过程具有非线性强藕合等特点，建立这一类过程的精确数学模型困难很大，甚至是办不到的。对于这类过程和对象难以用经典控制或现代控制方式进行控制。但有经验的操作人员进行手动控制却可以收到令人满意的控制效果。在这样的事实面前，人们重新研究和考虑人的控制行为有什么特点，能否对于无法构造数学模型的对象让计算机模仿人的思维方式进行控制决策。总结人的控制行为，正是遵循反馈控制的思想.人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制规则。运用微机的程序来实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用。于是，利用微机取代人可以对被控对象进行自动控制。
 在智能控制中，模糊控制占有重要地位。在描述控制规则的条件语句中，一些词如“较大”、“稍小”、“偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。1974年英国马丹尼首先设计了模糊控制器，并用于锅炉和蒸汽机的控制，取得了成功。模糊语言控制器、模糊控制论和模糊自动控制等概念于是从此诞生了。模糊控制系统一般可以分为四个组成部分：
 1、模糊控制器：实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要，既可选用系统机又可选用单板机。
 2、输入/输出接口装置：模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。在输入/输出接口装置中，除模/数、数膜转换外，还包括必要的电平转换线路。
 3、广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的定时或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。还必须指出，被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排斥有较精确的数学模型的被控对象，也可以采用模糊控制方案。
 4、传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号(模拟的或数字的)的一类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。
1.3  课题概述
 1.3.1  开发背景
 温度控制对于小到人民的日常生活、大到钢铁等大型工业生产工程都具有广阔的应用前景，目前我国的温度控制主要以传统的控制方式为主。本课题将新的智能控制理论与经典的控制理论想结合。研究出一种快速性和鲁棒性都较的一种控制手段。为工业控制提供一种新的技术储备。
 1.3.2  目的要求
 1.模型建立及控制算法研究
 (1)温度特性分析及建模
 温度是本文研究的对象，具有纯滞后的系统，因此首先要对其特性进行分析，并建立准确的数学模型，这是对系统进行控制分析和数字仿真的必要前提。
 (2)控制算法的研究
 采用各种不同的控制方法，对温度对象进行控制。比较控制效果，选择合适的控制算法作为控制器，进而进行下一步系统仿真和实验。参与比较的控制算法有:经典PID控制；SMITH算法；FUZZY算法。
 2.系统数字仿真和实验
 对控制算法进行数字仿真，及在数字仿真的基础上，设计实际工作环境及硬件设备。并用VC++和MATLAB开发一个友好的人机界面和算法环境，对给出的控制算法和最终选出的控制器进行实物实验，并对结果进行分析。

第二章  控制系统硬件实现
 2.1  系统的组成和基本工作原理
 具体系统以一台PC微机为核心，其硬件结构如图2.1，数据采集及A/D,D/A转换由HY-8021A数据采集板完成；温度传感器采用铂电阻；调功部分由脉宽调制器PWM及固态继电器完成。
图2.1 硬件结构原理图
 工作过程:反映炉温的热电阻经运算放大器后送HY-8021A板，由HY-8021A完成数据采集及模/数转换。此数字量经数字滤波、线性化处理、标度变换后，经显示器由多种方式显示炉温并将数值存储进文件。当采样周期到达时，与设定温度进行比较。再经软件实现的控制器进行运算。计算机将运算结果输出给HY-8021A板转化为模拟量后，经过脉宽调制器，从而改变固态继电器在一个固定控制周期内的导通时间，即改变电炉平均输入功率，以此来达到控温目的。输出采用电热调功方式控制，执行器件固态继电器是带有光电隔离和过零触发电路的双向可控硅，输入TTL电平信号可控制其导通和截止，在规定周期内控制加入电炉导通的交流周波来实现调节功率的作用。调功控制方式不仅减少对供电电网的非正弦干扰、提高网功率因数，而且，由于该控制方式实质是时间量的离散输出(50Hz交流电量，l0ms为一个单位)，易于实现模糊控制方法。

 2.2  检测部件及执行部件
 2.2.1  检测部件
 目前在温度测量领域，除了广泛使用热电偶外，电阻温度计也得到广泛的应用，尤其工业生产中-120℃～+150℃范围内的温度测量常常使用电阻温度计本实验选用铂电阻温度计(WZP Pt100)，铂在氧化性介质中，甚至在高温下的物理、化学性质都很稳定，因此铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点。本实验使用的陶瓷铂电阻WZP，采用特殊的工艺和材料，因此具有很高的稳定性和耐振动点。其技术参数如下：
 . 分度号：Pt100
 . 使用温度范围：-200℃～+500℃
 . 精度等级：A级
 . 测量精度：±(0.30+0.005)℃ (t为感温元件实测温度绝对值)
 . 外形尺寸：73.2x25
 . 安装形式：任意安装
 测量放大线路如下图，其测量部分为一不平衡电桥，铂电阻与固定电阻、、组成不平衡电桥的四个桥臂。U为他的供电电源。为了保证测量的精度，采用两次稳压。在温度为0℃时，铂电阻的阻值=，电桥平衡，对角线A, B两点没有电压差；当温度变化时，铂电阻的阻值变为，其变化值与温度成正比，温度每升高一度，铂电阻的阻值约增加0.39欧姆，此时电桥不平衡，对角线A, B两点有电压差，此电压差送到运算放大器的输入端，经放大后送到A/D转换芯片

                          
 图2.2铂电阻及其信号放大线路图
 改变R26，W5的数值，可得到不同的放大系数。其中，运放采用LM741CN，LM741CN是单片高性能内补偿运算放大器，8引脚双列直插式封装.具有较宽的共模电压范围，在使用中不会出现闩锁现象。可用作积分器，求和放大器及普通反馈放大器。其特点是：不需要外部频率补偿；具有短路保护；失调电压调到零的能力；较宽的共模和差模电压范围；功耗低；无阻塞现象。其参数如下：
 . 电源电压：±18V
 . 差模输入电压：±30V
 . 共模输入电压：±15V
 . 工作环境温度范围：0～70℃
 贮存温度范围：-65℃～150℃
本放大器整定值如下表

 表2.1 放大器整定表
 温度（C%）   放大器输出（V） 
4.62 101.80 1.93 
17.16 106.70 2.21 
40.00 115.60 2.73 
62.56 124.40 3.22 
89.49 134.90 3.76 
109.49 142.70 4.20 
140.51 154.80 4.84 
164.10 164.00 5.33 
190.77 174.40 5.90 
213.60 183.40 6.36 
241.54 194.20 6.94 
270.51 205.50 7.54 
 2.2.2  执行部件
 执行部分由脉宽调制驱动器为电阻炉提供可调功率的交流电源。主要由三部分电路组成：死区补偿及放大电路(由图2.3中的两级运算放大器等元件组成)，脉宽(PWM)电路和固态继电器(SSR)电路。

图2.3 PWM驱动器原理图
 死区补偿部分如图由两级运算放大器LM1458N及相关元气件组成，脉宽调制及故态继电器分别选用SG3524和CX-1671F，各种元气件的特性及参数如下：LM1458N(单片高性能双运算放大器，八引脚双列直插式封装)，其特点：不需外接频率补偿元件；具有短路保护；失调电压调到零的能力；较宽的共模和差模电压范围；功耗低；无阻塞现象。
 参数极限值：
 . 电源电压：±18V
 . 差模输入电压：±30V
 . 共模输入电压：±15V
 . 工作环境温度范围：0～700℃
 SG3524N(通用型脉宽调制器，16引脚双列直插式封装)，该芯片由频率可在较宽范围内预调的固定频率振荡器、占空比可在0～100%之间调节的脉宽调制器、死区时间校准器、双路功率输出的三极管电路、误差放大器、精密参考电压源以及禁止、缓启动、过流和过压保护电路等组成。具有集成度高、脉冲输出、电源异常保护、价格便宜等特点。
 特性参数：
 . 电压控制脉宽调制技术
 . 数字、模拟混合集成电路
 . 片内含有精确的参考电压源和误差放大器
 . 具有过流和短路保护功能
 .  PWM占空比可任意调节
 . 输入与TTL和CMOS电平兼容
 . 双通道脉宽调制输出，易与微机接口
 . 电源电压：8～40V
 . 电源电流：20mA
 . 输出电流：2×100m A
 . 振荡频率：400kHz
 极限参数 ：
 . 电源电压：+40V
 . 逻辑输入：-0.3V～+5.5V
 . 模拟输入：-0.3V～。
 . 输出电流(源电流或吸电流)：土500mA(峰值)
 . 参考输出电流：50mA
 . 振荡器充电电流：5mA
 . 功耗：1W
 . 结温：+150℃
 . 贮存温度：-65℃～1500℃
 . 引线焊接温度：+300℃

推荐工作状态如下表
 表2.2 SG3524工作状态表
参数名称 符号 最小值 典型值 最大值 单位 
电源电压  +8  +35 V 
电源电流    20 mA 
输出电流（源或吸）  0  ±100 mA 
参考输出电压  5.00 5.10 5.20 V 
参考输出电流  0  20 Ma 
震荡频率范围  0.1  400 KHz 
震荡器定时电阻  2.0  150  
震荡器定时电容  0.001  0.2  
工作温度  0  +70 ℃ 
 SG3524输出频率主要通过调节,,所确定，其计算公式如下：
                           （2.1）
 其中，为振荡器定时电阻，单位为，在图由和共同组成。为振荡器定时电容，单位为，在图2.3中为振荡频率，的单位为KHz。此实验中调节、和使振荡器振荡频率为0.98KHz。
 CX-1671F (固态继电器)：由各种半导体元件(或称晶体管)构成的半导体无接点继电器是一种新型的继电器，它克服了有接点继电器的许多缺点，能较好地适应生产自动化提出的快速操作和特殊场合的要求，在技术改造、技术革新以及各种自动化装置中得到十分广泛的应用。
 固态继电器优点：
 . 由于没有接点，就不会出现有接点中的火花或电弧，也不会产生接点的抖动和磨损，因此特别适用于石油、化工、煤炭等工业要求无火花切换电路以及存在严重振动与冲击等场合中。
 . 动作异常迅速，动作时间可达到～秒，特别适用于要求快速操作的自动化系统中，大大有利于提高生产效率。这一点是有接点继电器无法比拟的，即使是动作较快的铁簧继电器，其动作时间最快也不过秒。
 . 灵敏度高，可达～瓦，故能反应非常微弱的信号，而电磁式继电器仅达瓦 ，极化继电器与磁电式继电器虽然也具有较高的灵敏度，但结构复杂、制造困难、工作可靠性差，使应用范围受到了限制。
 . 体积小，重量轻，寿命长，消耗功率小，控制系数大，便于制造生产，无需大量的机械加工等。
 CX-1671F固态继电器参数：
 . IN：3～14VDC
 . OUT：220V/10AAC
 实验测得此脉宽调制器死区电压为0.80伏，过压保护电压为4.41伏，调节W2，W3补偿死区电压，并使系统输入为0～5V时，脉宽从0%～100%之间变化。在实际实验中，输入电压最大不超过4.8V，以免发生过压置零现象，得到相反的控制效果。
2.3  接口卡HY-8021A
 由于计算机处理的数据为数字量，对于模拟量的处理只能通过模数/数模转换后才能实现。温度控制中温度表现为模拟量，经过传感器转换为电压信号后，依然是模拟量，只有通过模数转换成数字量后，才能输入计算机进行处理。计算机的输出为数字量，而对于可控硅之类的执行机构，一般采用模拟t来驱动，就要把计算机输出的数字量进行数模转换。这样模数/数模转换(AD/DA)卡在计算机控制中是必不可少的转换部件。
 2.3.1  选择 AD/DA 卡的原则
 1.通过率和精度：
 信号的A D/DA转换主要有8bit，12bit，14bit，16bit等几种规格，性能越好的价钱越贵，较为常用的是12bit，即输入的整个量程可分为4096份的。假定12bit的AD板选取量程范围为0～10V，则一个台阶(1LSB)等于2.4414mV(10V/4096)，理想的最大量化误差为0.5LSB。转换精度还受工艺、材料、温度、电气噪声、转换元件等多方面的影响，会产生失调、非线性等，其中一些可通过调整消除。
 2.输入量程范围：
 对于AD/DA转换卡的选择，输入量的变化范围也是较为重要的一点。如果输入量程小于输入量的变化范围，则AD/DA卡的输出会产生限幅失真，即当输入量变化范围超出板卡的输入量程时，AD/DA卡的输出不能正确反映输入值，而是输出它能输出的最大值。如输入量程太大，远远大于输入量的变化范围，则仅有较小的一部分量程有效，一则造成浪费，二则输入信号较小时，输出精度可能达不到要求。
 3.A/D的测量速度—通过率
 实际过程中，信号通过接口板，将转换完的数据送到计算机中存放后才能算转换过程结束，这个时间包括硬件花费时间及软件花费的时间，我们用通过率来衡量这个时间。例如：50KHz的信号，根据香农采样定理，A/D的通过率不低于100KHz，才能不失真地恢复信号，这就要求整个AD转换和数据传输过程花费的时间(包括所有硬件花费的时间及软件花费的时间)必须在10内完成。