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首页 模糊温度控制系统的设计

模糊温度控制系统的设计.pdf

模糊温度控制系统的设计

cuiquancuiquan
2011-11-22 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《模糊温度控制系统的设计pdf》,可适用于高等教育领域

设计应用》》模糊温度控制系统的设计辛峰杰(无锡机电高等职业技术学校江苏 无锡 )【摘要】由于在液体混合反应过程中常常需要一个温度适合的反应条件但是由于温度控制系统的对象具有大惯性、大时滞和非线性等特点因此比较难建立精确的数学模型其控制系统的性能不佳。故设计一套模糊控制的加热系统加热主要由蒸汽来完成在反应容器内部装有一个温度传感变送器把测量得到的数据经过可编程控制器处理后如未达到所需要的温度则继续打开电磁阀通入蒸汽对罐体内液体进行加热如果温度达到的所需要的温度则关闭电磁阀。【关键词】模糊控制温度控制PID控制模糊控制模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。模糊控制的核心部分是模糊控制器模糊控制器的规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如下:微机经中断采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号e一般选误差信号e和误差变化率△e作为模糊控制器输入量对它们进行模糊化生成模糊量。模糊语言集合的子集E和△E再由E和△E以及模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策得到模糊控制量U再将U解模糊便可得到精确的控制量u。模糊控制器的基本组成如图所示它包含有模糊化接口、规则库、模糊推理、清晰化接口等部分。输入变量是过程实测变量与系统设定值的差值输出变量是系统的实时控制修正变量。模糊控制的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理两部分。模糊推理就是一种模糊变换它将输入变量模糊集变换为输出变量的模糊集实现论域的变换。系统设计根据加热的控制要求设计出一种PID控制与模糊控制相结合的智能控制系统。它采用FuzzyPID复合控制算法使其既具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点又具有PID控制精度高的特点因而特别适用于难以用精确数学模型描述的温度控制系统具有较强的稳定性和鲁棒性。该系统采用PLC作为控制系统的核心通过对偏差的智能化处理以及引人最大最小限幅值智能分段控制等概念实现对数学模型不确定的控制对象的满意控制使系统具有可靠性高、使用寿命长等适合实际工业现场的特性。系统的硬件设计系统的组成见图混合装置的侧面安装两支K分度号的嵌装式热电偶(在数学模型中称为双输出)其测量范围在~℃。热电偶测量信号经过温度变送器变换成~V(或~mA)的标准信号和送到PLC的AD模块中控制器根据预先设定好的温升线经控制算法计算输出以s为周期占空比为~的脉冲输出至固态继电器形成~VAC的电压变化加至蒸汽阀门此时的蒸汽阀门需采用电动调节阀形成对液体混合装置内液体温度的闭环控制。日本三菱公司是国际著名的生厂自动化设备制造商工业可编程控制器在国内市场占有率一直保持前列。三菱FXNPLC有小型化、高速度、高性能等特点是FX系列中最高档次的超小型程序装置。FXN可编程控制器指令丰富可以接各种输出输入扩充设备有丰富的特殊扩展设备其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的。为了满足本设计的工艺要求整个控制系统需要可编程序控制器的模拟量输入、输出为点和点根据PLC的IO原理使用原则即留出一定的IO点以做扩展时使用以及系统设计中实际所需的㾘߭ᑧ῵㊞᥼⧚῵㊞࣪᥹ষ⏙᱄࣪᥹ষ䕧ܹ䕧ߎ图模糊控制器功能模块FigFuzzycontrollerfunctionalmodule⛁⬉ي㒻⬉఼⏋ড়㺙㕂FXNPLC⏽ᑺব䗕఼Ҏᴎ⬠䴶㪌≑䯔䮼图系统硬件结构图FigSystemhardwarestructuredrawing设计应用》》IO点数而且系统控制精度要求高所以选用三菱FXNAD型PLC不仅可以满足系统控制的需要而且能够方便地联网通信。温度变送器的选用主要根据测量范围、精度要求、信号接口、结构形式和安装要求选择。本装置采用SBWR、SBWZ系列热电偶、热电阻温度变送器。SBWR、SBWZ系列热电偶、热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送器单元与工业热电偶、热电阻配套使用它采用二线制传输方式(两根导线作为电源输入和信号输出的公用传输线)。将工业热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性的~mA、~mA的输出信号。该温度变送器可直接安装在热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用与冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。变送器电路模块由放大单元、线性校正单元、电压电流转换、自校正电路、电压调整单元和反向保护电路等组成、对以热电偶为测温元件的变送器还包括有冷端补偿器、以热电阻为测温元件的还包括有RV变换单元。电压调整电路将输入电压经稳压后给各部分供电感温元件(热电偶、热电阻)传出的信号经过放大由线性化器对信号与温度的非线性关系进行精确补偿处理后的信号经VI变换成~mA电流输出。通过确认变送器输出的电流大小就可以知道当前的温度值。系统的控制方案在本系统中我们采用对输入偏差和偏差变化率的模糊化处理通过查询模糊规则表得到PID控制参数进行整定的方法来设计FuzzyPID控制模块再结合本系统的控制实际利用经验参数最大输出Kmax、最小输出Kmin和FuzzyPID控制模块之间的比较通过分阶段控制的策略实现控制算法。图为模糊控制结构图。其中E和△E是经过模糊量化后得到的e和△e的量化输入而U是模糊控制算法得出的模糊控制输出量U经过模糊量化得到实际输出u。针对单变量温度控制系统模糊控制器由两个输入和两个输出变量组成输入变量分别为温度的误差E和误差变化率△E误差E取值为NB、NS、ZO、PS、PB其中NB=NegativeBig(负大)NS=NegativeSmall(负小)ZO=Zero(零)PB=PositiveBig(正大)PS=PositiveSmall(正小)。误差变化率△E取值为NB、NS、ZO、PS、PB输出语言变量为PID整定参数KP和KI它的取值为ZO、PS、PM、PB系统的模糊规则如表所示。当温度误差E为最大温度误差变化率△E为最小时系统全功率加热即蒸汽阀门完全打开通入蒸汽当温度误差E为最小温度误差变化率△E也为最小时系统停止加热即完全关闭蒸汽阀门当温度误差E为最小温度误差变化率△E为最大即系统温度不高但系统的温升很快时为防止系统温度的超调采用较小功率加热即蒸汽阀门部分打开。另外当控制温度达到预定温度时理论上系统应停止加热但考虑到系统在环境中的热量损失仍采用小功率加热以保证系统的稳态控制精度。由于在本温控系统中被控对象温度是一个连续变化的温升曲线具有纯滞后、延迟比较大的特性。所以将温控系统的误差情况分成四个阶段通过对各阶段实行不同的智能化控制策略来实现对温度跟踪的满意控制。当e(k)>△e(k)<时当前的温度值低于给定值且误差的绝对值是朝减小的方向变化。此时打开蒸汽阀门进行加热。在这一阶段的控制策略中Kmax和Kmin是很重要的控制参数。由于温控系统表系统的模糊规则表TabSystem'sfuzzyregulartableKPENBNSZOPSPB△ENBZOPMPBPBPBNSZOPSPMPBPBZOZOZOPSPMPBPSZOZOZOPSPMPBZOZOZOZOPSKIENBNSZOPSPB△ENBZONMNBNBNBNSZONSNMNBNBZOZOZONSNMNBPSZOZOZONSNMPBZOZOZOZONS图系统实际监控曲线FigSystemactualmonitoringcurve图系统模糊控制结构图FigSystemfuzzycontrolstructuredrawing设计应用》》被控对象的时变特性随着温度的升高液体混合装置保温材料的内外壁温度梯度将逐步增大使得液体混合装置温度越高热能损失越厉害因此在实际系统中随着温度的升高应当逐步增大Kmax和Kmin以达到更佳的温度控制效果。当e(k)<△e(k)<时当前温度值大于给定值且误差绝对值朝增大的方向变化。由于本液体混合装置系统无制冷装置采用零输入控制策略即完全关闭蒸汽阀门停止加热使温度迅速下降。当e(k)<△e(k)>时当前温度值仍大于给定值但误差变化的趋势是逐渐减小的。采用模糊分级预热智能控制策略其预热输出值根据开环试验和经验参数得出。当e(k)>△e(k)>时当前温度值小于给定值误差变化趋势渐大。在此阶段采取最大输出Kmax作为控制输出的控制策略即完全打开蒸汽阀门进行加热。这里应用Kmax作为输出是为了使系统响应达到最快。控制效果分析图为实际控制曲线图给定温升曲线与实际温升曲线几乎重叠在一起说明控制效果良好。超调最大为℃误差最大为℃满足系统要求。通过监测可以看到本系统的控制算法极大地提高了控制精度采取了多种基于经验的智能化处理方法对于被控对象数学模型不确定、大延迟、纯滞后的系统本算法具有相当的适用性。结论与展望本文主要对温度控制系统模糊PID控制算法进行了研究对混合装置温度控制系统进行优化设计。人们在对PID应用的同时也对其进行了各种改进。主要体现在两个方面:一是对常规本身结构的改进即变结构PID控制另一方面模糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制中最为活跃的领域它与常规PID控制相结合扬长避短发挥各自的优势形成所谓智能PID控制。这种新型控制器已引起人们的普遍关注和极大的兴趣并已得到较为广泛的应用。它具有不依赖系统精确数学模型的特点对系统参数变化具有较好的鲁棒性。参考文献王宇炎基于PLC的多种液体混合控制系统设计J电脑开发与应用,():雷霞基于MCGS和PLC自动混料系统的应用J仪器仪表用户,,():郭燕,韩京海PLC在液体混合加热系统中的应用J机械管理开发,():作者简介:辛峰杰()男江苏无锡人工程硕士无锡机电高等职业技术学校讲师研究方向:电子信息与自动化。(上接第页)形式但这些形式对于工学类课程的运用往往显得黯然失色。教师可以将flash、moviemaker、authorware等多种容易获得和安装且运行比较顺畅的软件相结合综合各个软件的优点并结合所授课程的学科特点设计一份合适的教学课件。完善PPT应用技术需注意的问题避免缺少及时更新一劳永逸要利用多媒体课件资源丰富信息量巨大的优势在制作课件的过程中一定要及时掌握前沿知识和新兴学科。当今社会知识的淘汰周期和速度很快要培养出具有竞争力的人才要充分注意到教学内容的动态变化不仅要使学生深刻理解和掌握专业的知识结构而且要了解本专业领域最新的研究成果和发展趋势等要使学生在学习上具有自主性在专业上要有探索性。所以在多媒体课件设计过程中教师应认真研究与本学科知识点有关的最新文献资料用最佳的方法把最新成果融入在多媒体系统中切忌一个课件用3到5年制作完成后就一劳永逸这样的教学内容无法达到为社会培养合格人才的目的。杜绝照搬教材缺乏创意许多多媒体课件制作者将课本的内容大段照搬将原本用实验或实物演示更直观、更形象的教学内容用课件来演示甚至课件内容就是大段课本内容的翻版。这样的多媒体课件是把屏幕当成了电子黑版多媒体课件的众多优势得不到体现。有的教师讲课只是照屏幕宣科忽视了师生之间的情感交流学生成了“观光者”对所学内容印象不深甚至形成了课堂看热闹的现象以前的“人灌”变成了现代化的“机灌”。这样形式呆板的多媒体课件与黑板加粉笔的教学方式没有什么区别它所获得的教学效果自然就不会显著。禁止生硬拼接、哗众取宠多媒体教学就是以文字为基础配合图像、声音、动画等手段从多方面刺激学生的感官引起学生的兴趣从而提高教学效率和教育效果。所以多媒体课件需要借助一定的艺术形式但不能单纯地为艺术而艺术仅仅停留于作表面文章。一些教师在设计课件时盲目使用相关软件画面背景复杂按钮繁多令人目不暇接。其实这样片面追求“技术含量”的结果表面上看能激发学生的兴趣实际上却难以实现教学目标提高教学效果。因为过于花哨的课件最容易分散学生的注意力影响听课效果。只有充实的内容与完美的外在形式的有机结合才能真正达到传授知识、调动学生积极性、改善教学环境的目的。一个好的多媒体课件应该以充分发挥学习者的潜能、强化教学效果、提高教学质量为重心不能因为教学手段提高了反而使教师的教学水平下降了。在今后一段相当长的时间里PPT仍将是多媒体课件的主流。因此教师应该不断积累经验努力探索制作技巧在制作出更多图文并茂、形声俱佳的优秀多媒体课件的同时切莫忘记课堂教学的灵魂让PPT真正成为活跃课堂气氛的有效工具而不是成为摆设或者教师偷懒的手段避免产生“PPT依赖症”让PPT更好的服务于课堂教学。参考文献熊丙奇大学教师为何患上“PPT依赖症”J高等教育,,作者简介:宋春雪()女辽宁人硕士江苏海事职业技术学院港航物流系教师研究方向:国际航运、港口物流。

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