模糊控制在电炉控温过程中的应用

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.02.032 北京钢铁学院学报 第10卷第2期 Journal of Beijing University Vol,10 No.2 1988年4月 of Iron and steel Technology Apr.1988 模糊控制在电炉控温过程中的应用 刘少民王振声吴业云 (电工教研室) 摘 要 本文对3段分时护温跟踪模糊控制进行了探讨，并给出一种模糊控制简便算 法. 关键词：计算机控制，模糊控制器，语言控制规律，温度控制过程 The Application of Fuzzy Control System to A Tempe- rature Controlling Process of Electric Furnace Liu Shaomin Wang Zhensheng Wu Yeyun Abstract A temperature controlling process of the electric furnace by means cf the fuzzy control is proposed in this paper.The process consists of three stages of temperature by time:Elevated,invariable and cooling ra- pidly.Each stage of temperature can be controlled by the track of tem- perature using toe fuzzy control,A simlifed fuzzy control alogrithms is also put forward. 1987-03-14收稿 220

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 模糊控制在电炉控温过程中的应用 刘少 民 王 振声 吴业云 电工教研室 摘 要 本文对 段分时炉温跟踪模糊控制进行了探讨 ， 并给出一种模糊控制简便算 法 关键词 计算机控制 ， 模糊控制器 ， 语言控制规律 ， 温度控制过程 “ 八 阴 牙 抢 人 夕 附 ‘ 犷 “ ， 了 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．02．032

Key words:computer control,fuzzy controller,temperature controll ing process 前 言 生产中的炉温控制，特别是热处理生产工艺中的炉温控制。不但要求在恒温时控温 要稳定、精确，而且对升温及降温速率也要严格控制。当处理的金属材料不同时，就应 有不同的热处理制度，不同的控温曲线。控温过程是由3部分组成，即升温段、恒温 段、及缓冷段，本文称这种控温曲线为炉温3段式控制。随着微机技术的应用，微机 PID控温已普遍采用，这种控制方法虽然对许多工业控制对象可获得较好的结果，但缺点 是参数调节困难，尤其要求变换控温曲线时，适应性较差。为了较好地解决这些问题，我 们采用了模糊系统控制方法，进行了炉温3段式跟踪控制，并初步取得了令人满意的控 制效果。 1 炉温控制系统框图 炉温控制系统框图见图1。 体emp网-ea8子-Sc-四3 Amplifier Adder A/D DA勾 APPLE-I Main frame Alarm CCRT Printer Keybonr'd 图1炉温控制系统照图 Fig.I Block diagram of a control system of furnace temperature 1.1主机的选择和配置 在现有条件下，我们选用APPLE一Ⅱ微机。配有CRT和8O列打印机各一台，以便 在控温过程中随时监视和打印控温曲线，输出中间及最后结果。采样和输出采用MS一 0804AD/DA板(S一100BUS),为了和主机能交换信息，又采用了MS一2202转换 板，其功能是进行S一100和6502总线间的转换，AD/DA转换位数是8位。 1.2主控回路 如图2所示，其中筒式电阻炉技术数据： 功率：1kW,最高炉温：1100℃ 电源电压：220V(单相) 221

， ， 月 舌 生 产 中的炉 温控制 ， 特别 是 热处理生产工 艺 中的炉 温控 制 。 不 但要求 在恒温 时控温 要稳定 、 精确 ， 而且对升温 及降温速率 也要严 格控 制 。 当处理的金 属材料 不 同 时 ， 就应 有 不 同的 热处理制度 ， 不 同 的控温 曲线 。 控温 过程 是 由 部分组成 ， 即升 温 段 、 恒 温 段 、 及缓 冷段 ， 本文 称 这种 控温 曲线 为炉温 段式控制 。 随着微 机技 术的 应 用 ， 微 机 控温已普遍采用 ， 这种控 制方法 虽 然对许多工业控制对象可获得较 好的 结 果 ， 但缺点 是参数调 节困难 ， 尤 其要求 变换控温 曲线 时 ，适 应性较差 。 为 了较 好地解决这些 问题 ， 我 们采用 了模糊 系统 控 制方法 ， 进行 了炉温 段式 跟踪控制 ， 并 初步取得 了令人 满意 的控 制效果 。 炉温控制系统框图 炉温 控制系统 框 图见 图 。 图 炉温 控 制系 统 框 图 。 主机的选 择和配置 在现有 条件下 ， 我 们选用 一 微机 。 配有 和 列打 印机各 一 台 ， 以便 在控温过程 中随时监视和打 印控温 曲线 ， 输 出 中间及最后 结果 。 采 样和 输 出采用 一 。 板 一 ， 为 了和主机能交换 信 息 ， 又采 用 了 一 转 换 板 ， 其功 能是进行 一 和 总 线 间的转换 ， 转换位数 是 位 。 ， 主控回 路 如 图 所示 ， 其 中筒式 电阻炉 技术数据 功率 ， 最高炉温 ℃ 电源 电压 单相

Electric·g urnace 220V Trigger 图2主控制回路 Fig.2 Main control circuit 1.3测温回路 测温元件选用铂佬一铂热电偶，其分度号为LB,测量范围为0~1300℃，可满足 工艺要求，冷端温度补偿采用补偿导线。 毫伏级的热电偶电势，经运算放大器放大，变成0~5V电压信号，输入A/D。 D/A和可控硅触发电路间采用运算放大器进行隔离。 2系统的基本功能 (1)本系统为实时控制系统，根据工艺要求，分3段（升温、恒温和降温）进行 跟踪控制。 升温段：精度误差≤-1.2%，恒温段：精度误差±0.25%， 降温段：在缓冷即高于自然降温情况下，精度误差±0.25%。 (2)在CRT上可显示并能打印出3段给定和实控温度曲线。 (3)本系统当炉温超过极限时，能自动断电。 3模糊控制器 根据人的控制经验及策略，可以得到-一组推理句： ifE isE and C is C.then U is Ux(l≤k≤l)来描述，它们亦可表示为 模糊关系矩阵R R=(E,×C:×U:)y(E2×C2×U2),'…V(EL×CL×Ui)=R,VR2V… VREYR 如把某一采样时刻被控对象的输出偏差e(nT)，偏差变化c(nT)模糊化，就得 到模糊集： E(nT)=F{e(nT)×GE} C(nT)=F{c(nT)×GC} 运用模糊推理，即可求出控制量模糊集U(T): U(nT)=(E(nT)xC(nT))oR U(nT)经模糊判决，得出确定的输出控制量4(T),将其乘GU倍后，输出给 披控对象。整个控制如下图所示： 222

图 主控制回 路 。 测温回 路 测温元件选用 铂铭一铂热 电偶 ， 其分度号为 ， 测 量 范 围为 。 ℃ ， 可满足 工 艺要求 ， 冷端 温度 补偿采用 补偿导线 。 毫伏级 的 热 电偶 电势 ， 经运算放大 器放大 ， 变成 。 一 电压信号 ， 输 入 。 和可控 硅 触发 电路 间采用运算放大 器进行 隔离 。 系统的基本功能 本系统 为实时控 制系统 ， 根据工艺要求 ， 分 段 升温 、 恒温和降温 进行 跟踪控制 。 ‘ 升温 段 精度误差 一 ， 恒温 段 精度误差 士 。 ， 降温 段 在缓 冷 即高 于 自然降温 情况下 ， 精 度误差 士 。 在 上可 显示并能打 印 出 段 给定 和实控 温度 曲线 。 本 系统 当炉温超 过 极限时 ， 能 自动 断 电 。 模糊控制器 根据人 的控 制经验 及策 略 ， 可 以得到一组推理句 、 ， 、 ‘ 寿《 来描 述 ， 它们 亦可表示为 模 糊关 系矩 阵 尽 二 刃 夕 ‘ 耳， 丫 互 又 丫 二 丫 尽 ‘ 夕 二 刀 丫 “ 丫” · 丫 、 一 如把某一采 样时刻被控 对象 的输 出偏差 ， 偏差 变化 模糊 化 ， 就 得 到 模糊集 ， 又 口 运用 模糊推理 ， 即 可 求 出控 制量模糊集 ” 经模糊判决 ， 得 出确 定 的输 出控 制量 。 ， ， 将其乘‘ 倍后 ， 输 出给 被控对象 。 整个控 制如下 图所示 艺

e(nT) E(nT) U(nT) Computer u(nT) Y Convert to deterministic control input ⑦ Proeess uzzy form from fuzzy C(nT) C(nT) value 图3模糊控制器框图 Fig,3 Control system using furzy rules 这样一个模糊控制器，其中R是一个3元关系，即使是在离散论域的情况下，它也 表现为一个三维的矩阵R=(r:j:)。再作合成运算，计算就很复杂，另外所需计算机内 存单元数量也相当庞大，从输人到输出需要较长的计算时间因此，满足不了用微机对高 速采样控制系统进行模糊控制的要求。 为了求得较好的解决，需要作一一些技术性的处理，即： 在已知E·和C·的情况下，根据模糊推理合成规则，输出控制U·应为 U°=(E×C)。R 由此作进一步的推理，即： U(2)=SupE(x)AC(3)((x) 發 AC:(y)AU:(2)]) =Sup{〔E(x)AE(x)∧C(y)ACy)AU:（2)〕} 登k, (((C(AC()) AU.(2)〕} =(S(E(x)AE.(x)A5搜C(y)AC(y)】 ∧Uk(2)} =a6)U(2)} 其中：a=Sup(E*(x)AEs(x))∈〔0,1〕， bs=Sup(C*(y)ACk(y))∈〔0,1)， 由所得结果 U(z)={(aAb:)AW(2)} 223

厅 见 ，八一 八 ， 卜 四 ‘ ， 口 图 模糊控制器 框图 这样一 个模糊控制器 ， 其 中双是一个 元关 系 ， 即使是在 离散论域的 情况下 ， 它也 表现为一个三维的矩阵 、 。 再作合成运 算 ，计 算就很复杂 ， 另 外所需计算机 内 存单元数量也相 当庞大 ， 从输入到 输 出需要较长的计 算时 间因此 ， 满 足 不 了用 微机对高 速采样控制系统进行模糊控 制的要求 。 为了求得较好的解决 ， 需要作一些技术性的 处理 ， 即 在 已 知互 和 的情况下 ， 根据模糊推理合成规则 ， 输 出控制蟹应 为 。 由此作进一步 的推理 ， 即 互 二 八 少 八 〔 、 戈 手是夺 八 、 夕 八 、 〕 手芝夺 今〔 “ 八划 ‘ ’八 ‘ 八夕 、 ’少 、 “ 〕 一 务 〔 · 二 八 、 二 八 全 ， 八 ， 八互 、 〕 咨 〔 二 ， 二 八二 、 二 八 七 一 〔 一 夕 八 、 〕 〔 一 八 、 ‘ 八 、 八 、 其 中 、 是赞 尽 ‘ 八尽 ‘ 〔 〔 ” ， 〕 ， 。 犷 ’ 八 〔 〔 ” ， 〕 ， 由所得结果 梦 ’ “ 汀 、 八 、 ’ 八价 ‘

可以着出，此即不必求R亦不需作关系合成运算，使得推理计算大为简化，其计算程序 如下： (1)根据模糊变量E、C、U赋值表绘出各自相应的曲线图 (2)按照语言控制规则，将其顺序号 ur山‘a山L 标在各自相应的赋值曲线上。 06 019 (3)将偏差量及其变化堂按它们各自 P0C iod tes 值的大小归入相应等级，并作为模糊量看 0g9 ture 8"105 待。这样可以得到许多对，对数为两等级个 1o0u5 数的相乘积。 utu‘CuIL 0'09 0'00 (4)用作图的办法，利用上边所推得 IL 的简化计算公式，将(3)中每对画在各自 (35 0c是 0053 相应赋值曲线上，就可求得与其对应的控制 iwod 1es 值来。其整个的个数亦为(3)中两等级个 数的相乘积。 0'08 4W·3山1 利用以上方法，就可得到一张控制表， (RnIov ynod tas 再将其存人计算机，就可完成控制任务。 整个的升温、恒温、降温3段跟踪控制 实现效果如图所示。 图.43：设跟踪炉温控制响应 Fig.4 Response of furnace temperature to set point changes with three parts 5几点讨论 上图中的一组控温曲线是在恒温区一定，且升温和降温的斜率也一定的条件下得出 的。实验中，我们还对不同温度的3段式控温进行了研究。发现当给定温度发生较大变 化时，只需对模糊控制量的一个参数稍做修正，即可达到上述精度。由此可见，模糊控 制方法参数易于调节，因为是单参数调节，这就比PID控制方法的3个参数调节要容易 进行的多，而且参数调节方向明确，容易进行，适应性也大大得到提高。有关这方面的对 比情况，将另文讨论。 6结束语 3段式炉温模糊系统控制，由于可结合操作人员的控温经验而实现控制，这就有可 能把最有效的经验存人微机中，使其3段跟踪控温接近于最优状态。同时由于不需要被 控对象的精确数学模型，加之有较好的鲁棒性以及参数调节方便等优点，与经典PID相 比，使用单位更易于接受。至于精度，如果采用AD/DA板不是8位而是12位，效果将 会更好。 另外，本文在求得模糊控制表时，提出了-一种行之有效的简便算法，整个算法由 224

可 以看 出 ， 此 即 不 必求匆亦不需作 关 系合成运算 ， 使得推理计算大为简化 ， 其计算程序 如下 根据模糊 变量易 理赋值表绘 出各 自相应 的 曲线 图 。日。侧已﹃︵ 丁山 ‘ 山 百工 匹 一 － 一咒 。 ，二﹄工‘月个习︶︺﹃︸。 户份︸自， 叨忱即 一 一一一心先钊 以 七气 川 ， 廿 按照语言 控制规则 ， 将 其顺序号 标在各 自相应 的 赋值 曲线上 。 将偏 差量 及其变化量 按它们 各 自 值的 大小 归 入相应 等级 ， 并作 为模 糊 量 看 待 。 这样可 以得到 许 多对 ， 其对 数 为两 等级个 数 的相 乘积 。 用 作 图的办 法 ， 利用 上 边所 推得 的 简化 计 算公式 ， 将 中每对 画 在各 自 相应 赋 值 曲线上 ， 就可求得与 其对应 的控 制 值来 。 其 整个的 个数亦 为 中两等级个 数的相 乘积 。 利 用 以上 方法 ， 就可得到 一张控制表 ， 再将 其 存人 计算机 ， 就可完成控制任务 。 整 个的 升温 、 恒温 、 降温 段跟踪控 制 实 现效 果如 图晰示 。 纯 一二 一 十书 笠鲜二兰衬 乞 图 。 没跟踪炉温控制响应 盆 几点讨论 上 图 中的 一组控 温 曲线 是 在恒温区一定 ， 且升温和 降温 的斜率也一 定 的 条件下得 出 的 。 实 验 中 ， 我们还对不同温度的 段式控 温进行 了研究 。 发现当给定温 度 发生 较大变 化时 ， 只 需对 模糊控 制量 的一 个参数稍做修正 ， 即可达到上述精度 。 由此可 见 ， 模糊控 制方法 参数 易于调节 。 因 为是单参数调 节 ， 这 就 比 工 控制 方法 的 个参 数调 节 要 容易 进行 的 多 ， 而且参数调 节方向 明确 ， 容 易进行 ，适应性也 大 大得到提 高 。 有关 这 方 面的对 比情况 ， 将 另文讨 论 。 结束语 段式炉 温模 糊系统控 制 ， 由于 可结 合 操作 人 员的控 温经 验而 实 现控 制 ， 这就有可 能把最 有效 的经 验存人 微机 中 ， 使其 段跟踪控 温接近于最 优状态 。 同时 由于不需要被 控 对 象 的精确 数学模 型 ， 加之 有较好的 鲁 棒性以及参数调 节方便等优 点 ， 与经 典 相 比 ， 使用 单位更 易于接受 。 至 于精 度 ， 如 果采用 板不 是 位而 是 位 ， 效 果将 会 更好 。 另 外 ， 本 文在求 得 模 糊控 制表时 ， 提 出 了一种行 之有 效的简便算法 ， 整 个算 法 可 由

计算机来完成，这种算法进一步推广，可适用于专家系统。 参考文献 1 )L A Zadeh,Outline of a new approach to the analysis of .com- plex systems and decision processes.IEEE Trams.Systems,Man and Cybeynet,1973;(1 )28-44 〔2〕陈永义、陈图云.辽宁师范大学学报，1984；(13)：1~7 〔3〕李宝绶，刘志俊.自动化学报，1980；6(1) F型油压自动比例燃油喷嘴 一荣获1983年国家科委创造发明三等奖 由北京钢铁学院负责，上海机电设计院和常熟喷嘴厂参加协作，试制成功了新型油 压自动比例燃油喷嘴。经过设计、制造、冷态试验、热态试验和实际使用，证明其结构 原理、使用性能、操作维护、以及加工制造等方面，均较引进日本的R型喷嘴为优，受 到各使用单位的欢迎。并在1979年7月召开鉴定会，由机械工业部正式定型为F型喷嘴。 目前已成批生产，推广使用，取得良好的效果。 225

‘ 计算机来完成 ， 这种算法进一步推广 ， 可适用于专家系统 。 参 考 文 献 〔 卜 〕 。 。 夕 优 ， ” ， 多 一 〔 〕 陈永义 、 陈 图云 。 辽宁 师 范 大学 学 报 ， 〔 〕 李宝 缓 ， 刘志俊 。 自动化学报 ， 型油压 自动 比例燃油喷嘴 一荣获 年国 家科委创造发明三等奖 由北京钢铁学院负责 ， 上海机电设计院和常 熟喷 嘴厂参加 协作 ， 试制 成功 了新型油 压 自动 比例燃油喷嘴 。 经 过设计 、 制造 、 冷态试验 、 热态试验 和实际使用 ， 证明其结构 原理 、 使用性能 、 操作 维护 、 以及加工 制造等方面 ， 均较引进 日本的 型喷嘴为优 ， 受 到各使用单位的欢迎 。 并在 留 年 月召开鉴定会 ， 由机械工 业部正式定型为 型喷嘴 。 目前已成批生产 ， 推广使用 ， 取得良好的效果