反应釜温度智能控制系统设计.docx

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1、中北大学 2023 届毕业设计说明书增益规划的模糊温度掌握器的单向输入系统摘要：在很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格外重要的掌握参数。一般来说，温度掌握系统拥有非线性时变、慢响应、时延、单向输入掌握的特点。一般很难估量它的准确动态模型，因此也很难设计一个通用的温度掌握器去获得好的掌握效果。本文提出了一种不需要特定模型的智能增益规划的模糊掌握策略，设计了一个只有温度输入的封闭的铁室温度掌握器。增益规划的概念是指为了获得较好的掌握性能而在掌握的过程中调整隶属函数的变化范围。试验结果显示，应用这个掌握策略， 阶跃响应的稳态误差总是低 0.2%，而且没有超调。它格外适合工业上

2、的温度掌握系统。关键词：模糊掌握，增益规划，单向输入的温度掌握第 2 页共 21 页1 简介在化工、材料、半导体等生产过程中，温度是一个格外重要的掌握参数。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掌握系统。一些温度掌握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分。只有加热输入的温度掌握系统相比于双输入的掌握系统更难监控，更难获得较好的掌握性能。在掌握领域，怎样去设计一个通用的温度掌握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，开关掌握和PID 掌握策略被应用在商业生产。PID 掌握器诞生于 1936

3、 年。在工业生产的自动掌握系统中被广泛的应用。然而，怎样调整增益是执行PID 掌握器的关键因素。假设系统的准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掌握增益。然而，加热设备拥有时滞和非线性的的特点。因此很难获得一个准确地动态模型，从而难以实现 PID 掌握器设计。一般，为了获得一个较好的掌握响应，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适应这种变化或者换成人工掌握。这就不是一个便利的应用，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掌握策略获得

4、了争论者的亲睐。翻开本模板时，首先会弹出如下对话框错误！未找到引用源。大家选择启用宏即可。假设没有消灭该对话框，则需要首先设置错误！未找到引用源。所示，选择总是信任来自此公布者的宏即可。尤索夫在 1994 年地一篇掌握水浴温度的文章中提出了一种自适应调整的 PID 掌握策略。承受频率变形环技术来调整化学蒸汽沉积集中炉温度掌握器的增益。这种方法的适宜增益主要是通过争论开环延迟掌握的输出响应。此外，由于他拥有不需要特定模型的特征，模糊掌握在很多的工业生产过程得到了成功的应用。最近，模糊掌握原理被用来改善 PID 掌握的自适应性和鲁棒性。Moon 和 Lee 在 2023 年提出了应用模糊和PID

5、的混合掌握方法去掌握电视玻璃溶解炉的温度。模糊规律方案同样应用在自适应PID 掌握器的增益。这种方法的 PID 增益是具有跟踪性能的非线性函数。他能依据输出误差的变化而作出自适应的调整。相比于传统的 PID 掌握器，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掌握规章表。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掌握器被用来设计温度掌握器，但是，这种掌握策略任然不能获得快速的瞬态响应和准确地稳态响应。通常，温度掌握系统拥有非线性时变和时延的特点。对于基于模型的掌握器的设计来说，人们很难去估量一个适宜的动态模型。特别的，只有单输入的温度掌握问

6、题具有时延和不对称性的掌握行为。基于传统的掌握算法，很难获得准确的温度掌握精度和好的瞬态响应。这里承受不需要特定模型的增益规划模糊掌握策略去设计单相的温度掌握器，他能够自动切换增益参数以到达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掌握器。文章将对增益规划模糊掌握器和自整定 PID 掌握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掌握输入的封闭铁室。2 系统构造图一所示的是一个基于计算机的温度监控系统的系统构造。计算机通过数模转换卡将电压信号发送给半导体掌握整流驱动器。一个 12 位的低本钱的ASIO-113AD/DA/8255 接口卡被选来应用于这个掌握系统。半导

7、体整流驱动器拥有 250 欧姆的内阻，用来将 1到 5 伏的掌握电压转换成 4 到 20 毫安的掌握输入信号。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，它可以调整电流的输入。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。温度掌握算法由 C+程序完成。建立空心金属试验平台是为了评估系统的掌握性能。空心金属试验腔高 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

8、。以下试验的取样频率设置为 40 赫兹。3 自调整 PID 掌握影响一个 PID 掌握器的掌握性能的关键因素是怎样查找最优的比例增益、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阅历或者是有阅历的工程师所，它需要需要反复的修改和调试。那是格外耗时间的，并且动态响应的行为不能得到保证。因此，延迟反响的评估方法被用来查找PID 掌握器的增益参数。首先，一个开关切换掌握了前两个周期。当系统的温度低于给定值的时候，掌握电源就全面翻开去提高系统的温度。当温度到达给定值时，掌握的输入开关就会马上切断。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k= 4dua(3.1)

9、因此，增益的参数可以通过阅历整定公式 Ziegler-Nichols 法则得出。pK= 0.6k ,T = pu ,T=u(3.2)pui2d8图 1 基于计算机的温度掌握系统构造图中北大学 2023 届毕业设计说明书图 2 从开关掌握中估量临界周期和临界增益这说明：第 7 页共 21 页K= 0.6K , KPuiK=P , KTdi= K TPd(3.3)这种 PID 掌握增益可以用来监视系统温度的阶跃变化中北大学 2023 届毕业设计说明书4 增益规划模糊规律掌握器由于这种温度掌握系统拥有明显的延时、单向输入非线性行为，因此对于基于准确模型的掌握起来说，很难去估量一个适合的动态模型。此外

10、，由于系统的延时、单相加热输入等动态特征，温度掌握系统的超调瞬态响应很难去避开和消退。因此，怎样设计一个通用的温度掌握器拥有很小的超调、快速的响应特性将会是一个挑战性的争论课 题。这里给出的不需要特定模型的增益规划的模糊掌握策略将会解决这个问题。掌握模块图如图 3 所示。通常模糊掌握方法的动机是学问的缺乏、动态模型的不确定性。承受模糊集理论来模拟人类的规律推理。模糊掌握器的主要组成局部是一套语言学的模糊掌握规章和用来解释这些模规章的推理机。这种模糊掌握规章供给了语言掌握学问的专家和自动掌握策略的催化剂之间的转 化。每一条掌握规章都由一个前件和一个后件组成；一种通用的规章形式可以表示为：IR :

11、 IF X is A and Y si A ,THEN U is C1AC21其中 R 是指第 i 条规章，X 和 Y 是系统输入变量，U 是输出变量。 A ,和是系统相应的输入输出论域的子集。每一条掌握规章输出的重要性依靠于输出输出语言变量的隶属函数。在这种掌握系统中，模糊掌握器有两种掌握输入，分为误差 e 和误差变化 ce ，输出是掌握电压 u 。为了简化模糊掌握器的计算，输入变量 e 和 ce 的隶属函数都选用七种公平三角形的隶属函数。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转变隶属函数的尺度参数。

12、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掌握电压应当增加,以供给更多的能量来加热温度掌握腔和削减误差。另一方面，当误差接近隶属函数零的子集时，掌握器就应当供给微调以转变温度误差并削减超调的趋势。这些映射参数被指定为 ge, gce 和 gu，分别指误差，误差变化和掌握输出，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 是设计来调整模糊规律掌握电压和简化调试难度的量化因子。这种方法是一种的增益规划模糊掌握构造。这些参数的取值对于增益规划模糊规律掌握器来说不是格外的重要。他们可以通过简洁

13、的试验整定。第 8 页共 21 页然后，一样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。对于这个温度掌握系统，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掩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。掌握软件的程序依据误差反响信号可以自动切换在粗调和微调之间。掌握增益 gu 依靠于稳定的设定值。相应的模糊隶属函数掩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。掌握软件的程序依据误差反响信号可以自动切换在粗调和微调之间。图 3 温度掌握系统的模糊掌握模块图中

14、北大学 2023 届毕业设计说明书图 4 模糊输入输出变量的隶属函数表 1 模糊增益比例因子掌握增益 gu 依靠于稳定的设定值。它需要反复的测试工作去查找适宜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规律掌握规章表。那是一份格外耗时间和无聊的工作。在这争论中，整个隶属函数的论域被分成两局部，微调局部和粗调局部。如图5 所第 12 页共 21 页示。在阶跃响应刚开头的时候，掌握器会自动的选择粗调局部的论域去响应较大的误差。当温度接近

15、给定状态时，掌握器就会切换到隶属函数的微调论域去矫正稳态误差。这种掌握策略可以依据反响的掌握信号 e 和 ce ，通过切换隶属函数的不同论语，自动的在不同的掌握范围之间切换。此外，系统的热量均衡掌握电压包括模糊掌握规章表去代替附加的掌握算法的补偿，简化掌握器的设计问题和掌握法则的计算。在这篇文章中，承受 49 条模糊掌握规章，通过调整掌握整流器的输入电压，去掌握铁室内的温度。这些模糊规章如表 2 中所示。这些规章确实定依靠于 PID 掌握的响应和确定的测试过程。为了平衡系统的的热量，补偿掌握电压直接加到额掌握规章中。图 5 隶属函数分割模糊掌握器源于掌握电压的自动调整，它包括补偿掌握电压的热量

16、均衡，掌握电压的误差校正。然而，PID 掌握器需要认真去设计微分系数，通过对每一个给定值乏味的反复调试来获得适宜的瞬态响应。否则，温度响应的速度在到达给定值之前将会变慢或是将会有一个格外长远的调整阶段。本文使用的隶属函数是三角形的隶属函数。函数以表示为：m (x) = 1 (- x - a + w)w(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。承受高斯解模糊法得出输出电压信号去掌握温度掌握系统的掌握整流器的驱动。相关的方程是：Swy =iSyi , w = m A (x )(4.2)wiijji其中m Aij(x ) 是模糊集合变量的语言

17、值，w 是相应的掌握规章的权值，y为纯粹的模糊控j制行为。从方程计算出来的模糊掌握器的输出打算着掌握整流器的掌握电压的每一个掌握步骤。表 2 加热器的模糊规章表中北大学 2023 届毕业设计说明书5 试验结果为了评估这种自整定 PID 掌握和增益规划模糊掌握的性能，我们建立了一个简洁的温度掌握试验平台。这个试验平台是一个空的铁腔，用煤进展加热，通过热电阻检测腔内温度。铁腔的尺度是 250mm 高，51mm 的直径，然后拥有一个 10mm 的空洞用来安装热电阻和加热棒。平台的延迟时间或许是 20 秒，取样时间设定为 40 赫兹。三种不同的阶跃温度给定值来争论掌握的性能和掌握器的鲁棒性。自整定 P

18、ID 的增益参数的计算是通过 ZieglerNichols 法则得到的。这里这里k p = 0.5 ， ki = 0.0002 ， kd =0.02。5.1 自整定 PID 掌握的空铁圆筒当给定值为 60 度时，温度响应和加热掌握电压分别如图 6(a)和(b)所示。我们可以看到在三分钟以内温度响应就到达了 58 度，然后经过一个慢速的攀爬过程，在将近七分钟的时候就到达了稳定的状态，稳态误差是 0.21 度，没有超调。当给定值是 100 度时，温度响应和加热掌握电压分别如图7(a)和(b)所示。从图可以看到，在八分钟的时候温度响应就到达了 98 度，经过一个慢速的攀爬过程，在12 分钟的时候就到

19、达了稳定的状态，稳态误差为0.17 度，没有超调。当给定值为200 度时，温度的响应和加热掌握电压分别如图 8(a)和(b)所示。从图可以看到，在 25 分钟的时候温度响应就到达了 198 度，之后经过一个慢速的攀爬过程，大约在 27 分钟的时候就到达了稳态，稳态误差为 0.19 度，没有超调。从今，我们可以打出结论，一组 PID 增益参数可以用来监控不同的稳定给定值，并且能够获得低于 0.21 度地稳态误差、没有超调的性能。然而，在到达给定值之前的瞬态响应有一段慢速攀爬的过程。缘由是没有超调和响应速度之间的权衡。假设我们想获得更好的掌握性能，通过冗长的反复测试获得最优PID 掌握增益，以到达

20、每一个给定值。第 13 页共 21 页图 6 (a)温度阶跃响应，(b)给定值为 60 度时的自整定PID 掌握的空心铁筒的加热输入电压中北大学 2023 届毕业设计说明书图 7 (a)温度的阶跃响应 (b)给定值为 100 度时，自整定PID 掌握空心铁筒的加热输入电压第 15 页共 21 页图 8 (a) 温度的阶跃响应 (b) 给定值为 200 度时，自整定PID 掌握空心铁筒的加热输入电压5.2 增益规划模糊掌握的空铁圆筒三种不同的温度给定值将用来评估增益规划模糊掌握的性能，模糊掌握算法如前所述，增益规划模糊参数如表 1 所示，模糊掌握规章表如表 2 所示。当给定值为 60 度时的温度

21、响应和加热掌握电压分别如图 9(a)和(b)所示。从图可以看到，在3 分钟以内温度响应就到达了 58 度，在 5 分钟的时候就到达了稳定状态，稳态误差为 0.088 度，没有超调。当给定是 100 度时，温度响应和加热掌握电压分别如图 10(a)和(b)所示，从图可以看到，温度响应在 7.5 分钟时就到达了 98 度，或许在 9.5 分钟左右的时候就到达了稳态， 稳态误差为 0.17 度，没有超调。当给定值是 200 度时，温度响应和加热掌握电压分别如图 11(a)和(b)所示，从图可以看到，温度响应在25 分钟的时候就到达了 198 度，或许在26 分钟左右的时候就到达了稳态，稳态误差为 0

22、.073 度，没有超调。图 9 a温度的阶跃响应 (b)给定值为 60 度时，增益规划模糊掌握空心铁筒的加热输入电压图 10 (a) 温度的阶跃响应 (b) 给定值为 100 度时，增益规划模糊掌握空心铁筒的加热输入电压图 11 (a) 温度的阶跃响应 (b) 给定值为 200 度时，增益规划模糊掌握空心铁筒的加热输入电压从以上的试验结果可以得出：温度阶跃响应的稳态误差为 0.2 度，超调很小或是没有超调，不管是自整定 PID 掌握算法还是增益规划的模糊掌握算法。它们都能够满足工业应用的掌握要求。由于增益规划模糊掌握拥有时变的增益，因此它有更好的瞬态性能， 相比于 PID 掌握。例如，当温度给

23、定值为 60 和 100 度时，增益规划模糊掌握的调整时间就要比自整定 PID 掌握的调整时间少 30%。当温度给定值为 200 度时，他们的动态性中北大学 2023 届毕业设计说明书能没有很大的区分。这就说明 PID 的增益需要对每一个给定值设定一个相应的参数。然而，同样的模糊掌握规章和模糊增益参数可以应用于监控不同的温度给定值。此外，本文提出的增益规划的模糊掌握相比于自整定 PID 掌握，能够同时获得快速的瞬态响应和较小的稳态误差。在实际生产中，这是一个格外大的优势。第 20 页共 21 页6 6 结论只有加热输入的单向温度掌握系统拥有延时和不对称掌握的行为。对于基于模型的掌握设计来说，一般很难去估量一个合理的动态模型。虽然，自整定PID 掌握同样拥有温度设定的依靠，但它仍旧需要反复的测试过程以获得每个事例的PID 增益。然而，本文提出的增益规划模糊掌握系统能够用同样的模糊掌握规章和模糊参数来监控不同的 温度给定值，并且获得了适宜的瞬态响应性能。在智能掌握器中，这是一个格外重要的优势。它能够消退反复测试所需要的时间，并且同时能够获得好的动态和静态的响应。稳态误差总是低于 0.2 度，几乎没有超调。它能够满足工业应用的要求。