反应釜温度智能控制系统设计——硬件部分 .pdf

毕业设计说明书反应釜温度智能控制系统设计硬件部分学生姓名：潘致堂学号： 0805054142学院：信息与通信工程学院专业：自动化指导教师：孟江2013 年 8 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书反应釜温度智能控制系统设计硬件部分摘要： 温度是生产过程和科学实验中普遍存在的物理参数，化学反应釜的温度控制精度、系统响应速度及稳定度是衡量温控系统性能指标的关键因素，准确控制釜内温度对在不同温度下进行化学反应具有重要的意义。通常的反应釜容量大，其内部化学反应机理复杂，反应系统具有较大的时变性、非线性和时滞性，被控对象繁多，经典控制理论和现代控制理论的最优控制难以应用在反应釜的控制上。本文对反应釜的温度控制进行了分析，给出了冷剂流量对反应釜内温度的传递函数，设计了对反应釜冷热剂控制来实现反应釜温度智能控制系统具体电路。在控制方法上，通过单片机， 采用了模糊控制的方法， 并给出了详细的分析步骤和控制算法。关键词： 反应釜单片机温度控制模糊控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书The reaction kettel temperature intelligent control system design-hardware parts Abstract: The temperature is the production process and scientific experiments are common in the physical parameters, chemical reaction kettle temperature control precision, system response speed and stability of temperature control system is the measure of the performance indexes of key factors, the accurate control of the temperature in different kettle for chemical reaction temperature is of great significance. Usually the reaction kettle capacity, its internal chemical reaction mechanism complex, reaction system has a larger time-varying, nonlinear and time lag, the controlled object is various, classical control theory and modern control theory, the optimal control can not be used in the reaction kettle control. In this paper, the reaction kettle temperature control are analyzed, the cold agent for the reaction kettle flow within the transfer function of temperature, the design of cold and heat reaction kettle agent control to achieve the reaction kettle temperature concrete circuit intelligent control system. In the control method, through the single-chip microcomputer, the fuzzy control method, and gives a detailed analysis of the steps and control algorithm.Key words: Reactor SingleChip Computer Temperature Control Fuzzy-Control名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页目录1 绪论 . 11.1 反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义. 11.2 反应釜温度控制技术的现状. 12 反应釜的过程分析 . 32.1 反应釜的基本结构 . 32.2 反应釜的工作原理 . 42.3 反应釜的控制方案 . 42.4 反应釜的动态特性 . 62.4.1 基本方程 . 62.4.2 基本方程的线性化 . 72.5 论文的研究内容 . 83 控制方案的确定 . 93.1 总体控制方案的确定 . 93.2 模糊控制器设计 . 103.2.1 模糊控制器简述 . 103.2.2 模糊控制器的设计 . 114 硬件电路设计 . 174.1 系统硬件构成 . 174.2 电源电路 . 184.3 过零检测电路 . 194.4 基于 DSL8820的多传感器测温电路 . 194.4.1 DSl8820的性能特点 . 194.4.2 DSl8820内部结构简介 . 194.5 D/A 转换及输出电路 . 214.5.1 MAX518 与 I2C 总线 . 214.5.2 电压放大电路13. 214.5.3 V/I 转换电路 . 224.6 单片机人机交互 . 244.6.1 键盘接口电路 . 244.6.2 显示接口电路 . 265 控制系统的软件设计 . 28名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 II 页 共 II 页5.1 主程序设计 . 285.2 键盘中断服务子程序 . 295.3 定时器 1 中断服务子程序 . 305.4 温度采集子程序 . 305.4.1 DSl8820温度转换子程序 . 305.4.2 读 DSl8820 温度子程序 . 315.5 控制量输出子程序 . 325.6 模糊控制算法子程序21. 326 结论 . 35参考文献 . 36附录 A 反应釜温度智能控制系统设计总电路图 . 38致谢 . 39名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 39 页1 绪论1.1反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义反应釜是化工生产过程中的关键设备之一，同时也是主要的能耗设备，它具有非线性、时变、大滞后等特性，是一个涉及多种因素的复杂系统。产品的质量在很大程度上取决于工艺参数 (主要是温度、压力 )的控制。因此，设计在线控制手段，保证物料在加工过程中的温度和压力变化符合理想的工艺曲线，将大大提高产品的质量和产量，达到优质、稳定、可靠和节能降耗的目的。从而提高生产率，增加企业的经济效益。在我国，由于大中城市科学技术和工业自动化的发展步伐较快，近年来一些生产规模不大，技术相对落后，而具有一定危险性的化工生产项目转移到农村和小城市，并常有反应釜爆炸、起火等安全事故发生，因此对反应釜智能化检测和控制装置的呼声日益增高。从长远来说，由于许多化学工业、生物制药工业又有规模小、产品更新换代快的特点，使得多数小规模反应釜生产方式将长期存在下去。由于各种化学反应过程差异大，对现在的多数的反应釜而言，缺少成熟、通用、制式化的智能控制设备。因此有必要研制适合于小规模反应釜的低成本、控制简便的温度智能控制器。1.2反应釜温度控制技术的现状自上世纪 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用1。它们主要具有如下的特点：(1)适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。(2)能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。(3)能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。(4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、 人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。(5)普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术， 温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 39 页控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。6)温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前国内外较先进的化工过程监控装置基本上是应用各类传感器为检测敏感元件，以单片微处理器为控制器件，通过控制搅拌器、电磁阀等执行器件实现容器内的温度、压强调节等目的2。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 39 页2反应釜的过程分析所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转变为基础(即过程工业 )的生产过程，研究这类过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。过程控制的任务是在了解掌握工艺流程和生产过程动态特性的基础上，根据生产对控制提出的要求，应用控制制理论，设计出包括被控对象、调节器、检测装置和执行器在内的过程控制系统，并对它进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。也就是说，过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的5 。2.1反应釜的基本结构反应釜有间歇式和连续式之分。间歇反应釜通常用于液相反应，如多品种、小批量的制药、燃料等反应。连续反应釜用于均相和非均相的液相反应，如聚合反应等。本文使用的是间歇式反应釜。图 2.1 反应釜结构示意图反应釜的基本结构如图2.1 所示。反应釜由搅拌容器和搅拌机两人部分组成。搅拌容器包括简体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。简体为一个钢罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了维持反应釜内的反应温度，需要设置换热元件。常用的换热元件为夹套，它包围在筒名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 39 页体的外部，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。在此空间通入冷却或加热介质，通过夹套内壁传热，可冷却或加热容器内的物料，介质的每秒流量受电磁阀的控制。由于化学反应对反应物的纯度有一定的要求，并且反应过程有可能产生剧毒、易燃、易爆的气体和物料，所以密封装置是反应釜必不可少的一部分。传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。通过电机驱动搅拌轴，带动搅拌器旋转，为物料的循环提供动力。罐顶和罐底分别装有加料口和出料口，分别用于往罐中加入物料和从罐中取走物料。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。为了满足工艺的需要，还可以外接附件装置3。2.2反应釜的工作原理在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套中通以一定的高压蒸汽，高压蒸汽通过反应釜的夹套提高釜内物料的温度，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。为了使釜温稳定，在夹套中通以一定的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求4。2.3反应釜的控制方案在设计反应釜智能控制器时有必要弄清反应釜的控制目标和可能的控制手段。关于控制指标可以从下列几个方面考虑。（1）控制指标根据反应釜及其内在进行的反应的不同，其控制指标可以选择反心转化率、产品的质量、产量等直接指标，或与它们有关的间接工艺指标，如温度、压力、粘度等。（2）物料平衡名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 39 页对于反应釜来说，从稳定角度出发，流入量等于流出量，如属可能需常常对主要物料进行流量控制。另外，在有一部分物料循环系统内应定时排放或放空系统中的惰性材料。（3）能量平衡要保持反应釜的热量平衡， 应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。能量平衡控制对反应釜来说至关重要，他决定了反应釜的安全生产，也间接保证反应釜的产品质量达到工艺要求。（4）约束条件与其它化工操作设备相比，反应釜操作的安全性具有更重要的意义，这样就构成了反应釜控制中的一系列约束条件。例如，不少具有催化剂的反应中，一旦温度过高或反应物中含有杂质，将会导致催化剂的破损和中毒：在有些氧化反应中，反应物的配比不当会引起爆炸等等。因此，在设计中经常配置报警或自动选择性控制系统。（5）质量控制通过上述控制，保证反应过程平稳安全进行的同时，还应使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分，因此必须对反应进行质量控制。质量指标的选取，即被控变量的选择可分为两类：取出料的成分或反应的转化率等指标作为被控变量；取反应过程的工艺状态参数（间接质量指标）作为被控产量6。反应釜控制指标的选择是反应釜控制方案设计中的一个关键问题。反应釜的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。如果直接把这些指标作为被控对象，反应要求就得到了保证。但是，这些指标人多是综合性指标，无法测量，有些是成分指标，但也缺少测量手段，或者测量滞后大，精度差，不宜作为被控变量。在反应过程中，温度和上述指标密切相关，又便于测量。所以，本文将温度作为被控量。冷却剂的变化影响热量移走的大小，因此，常需稳定其流量或压力。由于冷却剂往往作为温度控制的操纵变量，因此，一般对它们的流量进行控制。本文就是采用这样的控制方案。前面已提到了，在恒温过程中，通过在夹套中通以冷却介质来吸收多余的反应热，冷却介质的流量是通过调节阀的开度来控制的，方案如图2.1 所示。由于冷却介质的流量相对较少，釜温与冷剂温差较大，当内部温度不均匀时，易造名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 39 页成局部过热或过冷。为了解决这个问题，本文在反应釜内部不同位置放置多个数字温度计来测量反应釜内部的温度，通过釜内各点温差来调节搅拌速度。在局部温差较大时，通过提高搅拌速度来加快传热，以保证釜内温度的均匀。本文设计了一个相对独立的控制回路。回路以釜内平均温度为输入量以冷却介质阀门的开度为输出量。2.4反应釜的动态特性2.4.1 基本方程对间歇式反应釜，化学反应中热量平衡关系为：(反应系统内累积热量 )=(反应系统内反应放出热量 )+(通过间壁传入反应系统热量)。假设反应釜和夹套的容积和密度都保持不变，忽略热交换过程中的热量损失，可得下列方程反应釜内温度与热量平衡方程为6TTUATCrHVdtdTMCCRARP),(12) 式中，pC反应釜内反应物比热；AC反应釜内反应物浓度；M 反应物总质量；RV反应器容积；U反应釜间壁的总传热系数；RA反应釜间壁的传热面积；T反应釜内温度；CT冷却介质出口温度；H摩尔反应热 (吸热为正，放热为负 )。夹套内温度与热量平衡方程为8)(TCTUATTCWdtdTCVRCHPCCCPCCC(13) 式中，CV夹套内冷却介质的容积；C夹套内冷却介质的密度；PCC夹套内冷却介质的比热；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 39 页W冷却介质的流量；HT 冷却介质的入口温度。化学反应速度 r(CA，T)为AAACRTEkkCTCrexp,0（1.4）将式(17)代入(15)，可得TTMCUACRTEkMCVHdtdTCPRAPRexp)(0(15) 由式(16)得CPCCCCHCTTCVUARTTVWdtdT(16) 2.4.2 基本方程的线性化式(18)和式 (19)是表示反应釜温度动态特性的基本方程，均为非线性方程。为了便于应用线性控制理论来分析小扰动下的动态特性，对式(17)和式(18)进行线性化(在写增量方程时，为简化写法,一律从简，各变量上方的“”表示稳态值)，可得以下矩阵形式的线性方程BuAxx(17) 式中，CTxT1 11 22 12 2aaAaa2 12 200Bbb(2.1) HTuW其中，112PARPCRHMC kEUAaMCV CRT名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 39 页21RPUAaMC1 2RCCP CUAaVC22RCCCPCWUAaVVC21CWbV22HCCTTbV2.5论文的研究内容反应釜的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定的质量和控制要求，并确保反应的安全进行。反应器的工艺指标多为转化率以及产品的质量、产量等，其值主要取决于产品混合物中各组成部分的量的浓度，所以最直接的控制系统是以产物浓度为被控变量。但由于无实用的在线分析仪和采样问题不易解决，所以选用温度为间接参数是最有效的办法19。 因此本课题的主要任务之一就是要实现反应釜温度的智能控制。要实现温度的精确控制， 就要有精确的温度传感器， 本文采用单线芯片DSl8820 数字温度计实现多点温度采集，其测温精度可达到0.0625。控制方法上采用模糊控制。反应釜内的温度有一定的限制，在开始阶段，由于温度低于设定的反应温度，需要通过电磁阀给反应釜的夹套通以蒸汽，当温度接近给定值时，釜内的原料进行反应，并释放出反应热， 使釜内的温度上升较快。 当温度超过给定值时， 化学反应速度迅速提高，釜内的温度急剧上升，此时，需要通过阀对反应釜的夹套通以冷却介质，对反应釜进行降温，从而使釜内温度稳定存给定值，保证生产的顺利进行。作为智能控制器，人机交互即人机界面是必不可少的。本控制器通过LED 显示屏来实现显示功能，同时可以通过键盘来实现工况、反应釜内要达到的温度和定时时间的设定。系统的软件设计采用了结构化的设计方法，主要有主程序模块、温度采集模块、键盘中断处理模块、定时器中断处理模块、输出控制模块、控制算法模块以及相应的显示模块，同时还运用了一些软件抗干扰措施。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 39 页3 控制方案的确定3.1总体控制方案的确定根据对反应釜的特性分析可知，反应釜的温度对化学反应有很大的影响。我们在分析对象特性时，做了很多的假设，对方程进行了近似处理。事实上，反应釜反应过程复杂，控制难度大，系统中存在着随机性和时变性，求取其数学模型十分困难。本文采用反应釜的温度作为被控对象，反应釜的温度控制与一般的过程工业相比，主要有以下几个方面的特点：(1)时滞性和惯性很大。 由于反应釜的热容量大， 且反应釜与外界热交换主要靠反应釜的夹套进行传热，釜内物料与夹套内的冷却介质的热交换也需要时问，导致系统表现出很大的时滞性和惯性。(2)时变性。反应釜内的温控特性主要取决于化学反应的激烈程度，而整个生产过程从起始升温、中间恒温到最后的降温，对象具有明显的时变性。并且，就某一个具体的阶段而苦，由于化学反应的速度不稳定，导致过程的增益、惯性时间和滞后也会发生相应的变化。(3)过程不稳定。本反应釜内的化学反应为放热反应，温度越高反应越剧烈，放热也越多，存在正反馈，是不稳定过程。(4)干扰因素很多，主要有：a总管蒸汽压力和冷却水压力不稳定，而不同压力时的加热或冷却效果相差很大，给温度控制带来很大的扰动。b每批物料的成分和质量不可能完全一样，在反应过程中表现出的特性也就有所区别，有时甚至差别很大。针对被控对象的上述特点，应选择合理的控制方案，针对被控对象的时变性和大时滞性，应综合考虑系统的鲁棒性和快速性的要求，提高测量精度和测量稳定性，最终设计和开发出可靠性、稳定性好、系统性价比高的控制器。我们知道，无论是以传递函数为核心的经典控制理论，还是以最优控制理论为核心的现代控制理论，应用它们解决自动控制的实际问题时，都先假设被控对象的特性是线性的或近似线性的，并且己知描述被控对象特性的某种形式的数学模型，如微分方程、传递函数、状态方程等9。由前述可知，本系统的传递函数是由反应釜内的物料、状态名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 39 页以及反应釜的各个参数决定的，随着物料或者反应釜参数的变化，传递函数也会发生变化，即其传递函数是多变的。所以经典控制理论和现代控制理论的最优控制难以应用在反应釜内的化学反应上，而模糊控制的优点是不需要掌握受控对象的精确数学模型，根据人工控制规则组织控制决策表，并且规则可以通过学习不断更新，对被控对象参数的变化和干扰具有较强的鲁棒性，对噪声干扰具有较强的抑制能力，正适合于这种模型未知或多变的控制系统。本文采用了模糊控制方法，使系统具有模糊控制灵活而适应性强的优点，使被控变量具有良好的动态特性和静态特性。3.2模糊控制器设计3.2.1 模糊控制器简述模糊自动控制是以模糊集合化，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。 本节主要研究模糊控制系统的组成，模糊控制基本原理和设计方法。模糊量化模糊推理清晰化执行器对象de/dt检测装置EECUuy+-reec语言规则图 31 模糊控制原理框图模糊控制原理框图如图3.1 所示，它的核心部分为模糊控制器， 如图中虚线框所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控量的精确值，然后将此值与给定值比较得到偏差e 和偏差变化 ec。然后把偏差 e 和偏差变化 ec 进行模糊化变成模糊量E 和 EC，E 和 EC 可用相应的模糊语言变量表示。至此，得到了偏差e和偏差变化 ec的模糊语言集合的子集E 和 EC。再由 E、EC、和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理合成规则进行决策，得到输出量的模糊控制量U。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 39 页为了对被控对象施加精确的控制，还需将模糊量 U 转换为精确量， 这一步在图上称为解模糊 (亦称为去模糊化或清晰化)，得到精确的数字量。得到精确的数字量后，经过数模转换 (上图中未画出 )，变为精确的模拟量后送给执行器，对被控对象进行控制。综上所述，模糊控制器的设计包括以下几项内容：(1)确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量 )。(2)设计模糊控制器的控制规则。(3)进行模糊化和去模糊化（又称清晰化的方法）。(4)选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（量化因子，比例因子）。(5)编制模糊控制算法的应用程序。(6)合理选择模糊控制算法的采样时间。下面将详细介绍一下本论文模糊控制器的设计10。3.2.2 模糊控制器的设计3221 模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器输入和输出变量的选择在很大程度上受手动控制的影响。根据输入变量的个数，模糊控制器有一维、二维和多维之分。一维模糊控制器的输入变量只选一个误差，它的动态控制性能不佳。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。因此，人们广泛设计和应用一维模糊控制器。本文也采用二维模糊控制器，将设定温度和实际温度的偏差e 和偏差的变化 ec 作为输入变量， e 和 ec可按 F 式求得n- yPnrH(21) ()()(1 )e c ne ne n(22) 式中,r(n)设定温度 ; y(n)实际温度 ; e(n)第 n 次采样时刻温度偏差的精确值；ec(n)第 n 次采样时刻偏差变化的精确值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 39 页e 和 ec 经过模糊化后分别为模糊变量E 和 EC。经模糊推理后的输出量为u，解模糊后对应的精确量为冷却介质阀门开度的变化量u。由此，本论文中的模糊控制器设计可分为三个步骤：精确量的模糊化、模糊控制规则的设计和输出量的模糊判决11。3222 精确量的模糊化在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输入量进行采样、量化并模糊化。将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化(Fuzzification)，或称为模糊量化 14。计算机输出的控制量均为精确量，需经过模糊化处理，变为模糊量，以便实现模糊控制。模糊控制器的输入变量e、ec 的实际变化范围以及被控对象实际所要求的控制量u的变化范围称为这些变量的基本论域。而模糊控制器的输入变量e、ec 以及输出控制u所取模糊子集的范围称为这些变量的论域。设偏差 e 的基本论域为 -xe, +xe，偏差变化 ec的基本论域为 -xec，+xec。设偏差变量所取的模糊了集的论域为-n ，-n+1，, ， 0，, ， n-l，n ，偏差变化所取的模糊了集论域为 -m ，-m+1，, ， 0，, ， m-l，m。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，这需将输入变量乘以相应的量化因了。偏差的量化因子K，及偏差变化的量化因子Ke，分别由下面两个公式来确定eeKn x(23) e ce cKm x(24) 量化因予 Ke及 Kec的大小对控制系统的动态性能影响很大。从理论上讲，Ke增大，相当于缩小了偏差的基本论域，增大了偏差变量的控制作用，虽然能使上升时间变短，但由于超调大， 使得系统的过渡过程变长。 Kec对超调的遏制作用十分明显， Kec选择越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。n 和 m 的取值与控制精度有关，它们的值取得越大，意味着控制精度越高，但如果取得过大，会增加控制器的复杂程度。经综合考虑后，本文取n=6，m=6。偏差变化采用限幅的办法， 设定偏差 e的变化范围为 -15，+15，即偏筹绝对值超过15 的按照 15计算，即|xe| =15， 取偏差变化 ec的变化范围为 -3， +3， 即 xec=3。 根据式 (2 3)和式(2 4)可得 Ke=0.4，Kec=2。对于第 n 次采样时刻温度偏差的精确值e(n)和第 n 次采样时刻偏差变化的精确值ec(n)，分别乘以相应的量化因子即可转换为对应的模糊论域中，如果转化后的值不是整名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 39 页数，采用四舍五入的办法就近取整12。3223 模糊控制规则的设计控制规则的设计一般包括三部分内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。32231 输入输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇 (如“正大”、“负小”等 )的集合，称为这些变量的词集(也称变量的模糊状态 )。实际应用中，一般都选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。选择的较多的词汇描述输入.输出变量，可以是制定的控制规则方便，但是控制规则相应变得复杂。相反，如果词汇选的过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器性能变坏。本文把偏差E、偏差变化量 EC 和输出量 U 的模糊状态选为以下七个词汇，即 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 NB，NM，NS，O，PS，PM，PB其中 N=Negative，B=Big，M=Middle ，S=Small，0=0，P=Positive。描述输入、输出的词汇都具有模糊性，可用模糊集合来表示，因此，模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。3222 输出量的模糊判决模糊控制器的输出是一个模糊集，他包含控制量的各种信息，但被控对象仅能接受一个精确的控制量， 应从中选择那一个控制量施加到被控对象中去呢？这就要进行模糊判决，把模糊两转化为精确量。把模糊量转化为精确量的过程称为清晰化，又称为去模糊化，或称为模糊判决。模糊判决的方法有很多， 常用的方法有重心法、 最大隶属度法、 系数加权平均法、以及中位数法等。最大隶属度法简单易行，使用方便，算法实时性好，具体做法是在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控制量。由前述己知，模糊关系R 是一个庞大的矩阵。对于实时控制系统，要求实时性好，不允许过长的计算时间。如果对于每一次输入，部按照U=(E-EC)oR 计算输出量的模糊子集，在实时控制系统中是不可行的。为了解决上述问题，可以采用查表的方法，即事先把模糊关系矩阵R 离线计算好，写成模糊控制表3.1。在实际使用时，只要根据输入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 39 页量查表就可以得到精确的输出量。表 3.1 模糊控制表-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 6 6 6 6 6 6 6 4 4 2 0 0 0 -5 6 6 6 6 6 6 6 4 4 2 0 0 0 -4 6 6 6 6 6 5 4 4 3 3 0 0 0 -3 6 6 6 6 5 5 5 3 2 0 -1 -1 -1 -2 4 4 4 4 4 3 2 1 0 0 -1 -1 -1 -1 4 4 4 4 3 2 1 0 0 0 -2 -2 -2 0 4 4 4 3 3 2 0 -1 -1 -1 -3 -3 -3 1 1 1 1 1 0 0 -1 -1 -3 -3 -3 -3 -3 2 1 1 1 0 -1 -1 -3 -3 -4 -4 -4 -4 -4 3 0 0 0 0 -2 -2 -2 -6 -6 -6 -6 -6 -6 4 0 0 0 -3 -3 -4 -4 -5 -6 -6 -6 -6 -6 5 0 0 0 -2 -4 -4 -5 -5 -6 -6 -6 -6 -6 6 0 0 0 -2 -4 -4 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 对于上述的模糊控制器的模糊控制表由输入输出变量及其论域和模糊变量的赋值表决定 ,一旦模糊控制表确定之后， 模糊控制器的控制规则就确定下来了。为了使本控制器能适应不同控制系统的要求，本文在上述基础上采用了基于规则修改的自适应模糊控制。3223 基于规则修改的自适应模糊控制器基于规则修改的自适应模糊控制器指的是，它的控制规则可以随它所控制的运行和环境的变化而自动地修改。基于规则修改的自适应模糊控制器由多种类型，本文采用的是带自调整函数的模糊控制器14。首先引入一个算子 ，表示取一个与 n 同号且最接近于 n 的整数，即：i n t ()1i n t ()1aaaaaaa为大于零的非整数时为整数时为小于零的非整数时(2.5) EC U E 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 44 页 - - - - - - - - - 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 39 页基于规则修改的自适应模糊控制器是通过在控制中给偏差E 和偏差变化 EC 加上一定的权系数来对