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1、分类号一一一一U D C 一中南大学C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y密级编号一硕士学位论文论文题目粉末冶金嘉窑凝结智能耋酶的研究及应用学科、专业。黧劁王程研究生姓名蕙浩导师姓名及专业技术职务。电群蠢f 麴援h 蟪生昱师!中南大学硕士论文摘要摘要粉末冶金烧结是一个非常复杂的过程。其中，烧结炉温度的控制对材料烧结的成功与否起着非常重要的作用。本文以真空烧结炉为研究对象，针对烧结过程中的炉温具有大惯性、时滞、随机性和动态时变等特性，对烧结炉的温度控制系统进行分析，对其在传统控制方式上的不足给予了分析和说明，并提出采用智能控制器取代传统的单纯仪表+继电
2、器型或者P I D控制方案。结合当前智能控制理论发展的现状及其在工业控制中的应用效果，分析了模糊控制的优劣势。利用模糊控制的推理性，使用模糊控制理论构造控制器。并针对采用普通P I D 控制及常规模糊控制算法的系统存在着超调、数值稳定性差及鲁棒性不强等不足，在分析了烧结炉温度工作过程的特性和系统的特殊之处后，提出了基于三段规则的参数自调整模糊控制系统的模型，以对真空烧结炉温度实行有效的控制。共且，对参数自调整模糊控制系统具体的软、硬件组成进行了研究。最后，用M A T L A B 软件对传统的P I D 控制、常规模糊控制及参数自调整模糊控制构造系统模型，进行仿真研究。并将它们的控制性能进行了
3、比较和分析。结果表明，采用参数自调整的模糊控制器达到了一个相对较高的控制精度，系统的响应速度快，稳态超调量几乎为零。因此基于三段规则的参数自调整的模糊控制器在真空烧结炉温度控制中的应用是可行的，它可以极大的改善控制效果，在实践中有着比较理想的应用前景。关键词：真空烧结炉，温度，模糊控制，智能控制生里奎兰堡主堡奎竺!里塑A B S T R A C TT h ep o w d e rm e t a l l u r g ys i n t e r i n gi sav e r yc o m p l e xp r o c e s s A m o n gm a n yk e yf a c t o r s，
4、t h ep r e c i s i o no f t e m p e r a t u r ec o n t r o lc o n t r i b u t e sm u c ht Ot h ef i n a lr e s u l to fs i n t e r i n gm a t e r i a l T h ev a c u u ms i n t e r i n gf u r n a c ei sc o n s i d e r e di nt h i sp a p e r S i n t e r i n gp r o c e s s i o nh a ds u c hc h a r a c
5、t e r i s t i c sa sg r e a ti n e r t i a,t i m e-d e l a y，r a n d o ma n dt i m e v a r i o u s A c c o r d i n gt ot h e s et r a i t s，w es t u d i e dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lS y s t e mi nO U rV a c u u mS i n t e r i n g t h ef l a wo f t r a d i t i o n a lc o n t r o lp a t t
6、 e mi sa n a l y z e da n di n t r o d u c e da n dp u tf o r w a r dt ou s i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rt or e p l a c et r a d i t i o n a lp U r ei n s t r u m e n t+r e l a yo rP I Dc o n t r 0 1 A c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o na n de f e c ti ni n d u s t
7、r yo fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r ya tp r e s e n t t h ea d v a n t a g ea n df l a wo ff u z z yc o n t r o la r ea n a l y z e d T h el o g i c a li n f e r e n c eo f f u z z yc o n t r o la r eu t i l i z e dt oc o n s t r u c tf u z z yc o n t r o l l e r A i m e dt ot h ed e f
8、 e c to f s y s t e m sb yn o r m a lP I Da n df u z z ya l g o r i t h mw h i c hh a st h ef l a wo f o v e r s h o o t，n u m e r i c a ls t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s，w ep r o p o s eab a s e do nt h er u l eo f t h r e es t e p sp a r a m e t e rs e l f-r e g u l a t i n gf u z z yc o
9、n t r o lm o d e la f I e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r eo f s i n t e r i n gf u r n a c ea n dt h es p e c i a l t yo f t h i ss y s t e m M o r e o v e r,w es t u d i e dt h ec o m p o n e n to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h ep a r a m e t e rs e l f-r e g u l a t i n gf u z z
10、yc o n t r o ls y s t e m A tl a s t,b yu s i n go f M A T L A Bs i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rt h em o d e lo fp o w d e rm e t a l l u r g yf u r n a c e sc o n t r o ls y s t e mb yt r a d i t i o n a lP I Da l g o r i t h m,n o r m a lf u z z ya l g o r i t h ma n dp a r a m e t e rs e l
11、 f-r e g u l a t i n gf u z z ya l g o r i t h ms i m u l a t i o n,w ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt h e i rc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dh a v et h en中南大学硕士论文A B S T R A C Tc o n c l u s i o nt h a tt h ep a r a m e t e rs e l f-r e g u l a t i n gf u z z yc o n t r o l l e rh a sah
12、 i g h e ri n t e l l i g e n tl e v e lw h o s es p e e do f r e s p o n s ei sf a s ta n do v e r s h o o ti sa l m o s tz e r o T h u s，t h i sb a s e do nt h er u l eo f t h r e es t e p sf 也刁c o n t r o l l e ri ss u i t a b l et ob eu s e di nt h es y s t e mo f v a c u u ms i n t e r i n gf u
13、 r n a c e I tc a r li m p r o v et h ee f f e c to fc o n t r o ls y s t e mg r e a t l ya n dh a sg r e a tp o t e n t i a li nf u t u r ea p p l i c a t i o n K E Y W O R D S：v a c u u ms i n t e r i n gf u r n a c e，t e m p e r a t u r e，p a r a m e t e rs e l f-r e g u l a t i n g，f u z z yc o
14、n t r o l，i n t e l l i g e n t c o n t r o lI I I中南大学硕十论文原刨性声明原创性声明本人声明。所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：舌涪日期；叠塑年羔月三生日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布
15、学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。羔，妒本人签名：飞、淮导师签名：日期：屈缸学中南大学硕士论文第一章绪论第一章绪论在我们人类的生产和生活中都离不开金属。特别在现代科学技术迅速发展的今天，使用了品种越来越多的有色金属及其材料，如核电站中使用铀、锆；航天工业要用钛、钽、铌、钨、钼；集成电路需要单晶硅；超导技术要用钇、铌、钒等等。可见，有色金属在现代科学技术中处于举足轻重的地位。而这些金属是通过冶金技术获得的。近二十年来，用金属及其化合物的超纯超细粉末材料(其粒度小于O 1 t J m)，按需要混合经成形和烧结，制造成
16、各种类型的金属制品和材料，如精细陶瓷、金属陶瓷、机器零件、电子元件、磁性材料等，又形成了冶金技术上一个新的方面，称为粉末冶金技术。在机械制造中，切削加工所使用的硬质合金刀具，其寿命比一般的工具钢刀高几十倍；在日常生活中，如照明电灯泡中的钨丝等，这些具有特殊性能的材料只有用粉末冶金方法才能制造出来。粉末冶金既是一种制取特殊金属材料的技术，又是一种制造优质廉价机械零件的少切削、无切削加工工艺，可以制造各种精密的机械零件。如机械制造工业中的一大类通用性基础零件，一般包括结构零件，减摩零件和摩擦零件等。据统计，汽车工业使用的各类粉末冶金零件已占粉末冶金总产量的7 0 一8 0，每辆轿车及轻型车平均使用
17、5-8 k g，每辆载货汽车平均使用8 1 5k g。由于零部件的高强度化、高精度化及低成本化，粉末冶金结构零件在每辆汽车上的使用量会越来越多，如发动机的双顶置凸轮轴，气门座，皮带轮，链轮等。i l l 2 烧结是粉末冶金生产过程中的一道关键工序，对最终产品的性能起着决定性作用。目前所采用的真空烧结技术具有对环境污染少，流程短，金属回收率高，占地少，节能，效益高等优点，能完成一些常压冶金解决不了的问题。烧结过程中真空炉温度的控制直接影响到成品的质量。【3】1 1 真空烧结工艺过程烧结是在低于粉末体或压坯中主要组分熔点的温度下进行加热，使它们之中毗连的颗粒相互间形成冶金结合。因此，除了在高温下不
18、怕氧化的金属外，所有金属的烧结都是在真空或保护气氛炉中进行的。其基本过程是将压坯装舟或放在传送带上，送入烧结炉中，按一定时间加热到烧结温度，并在烧结温度下保温若干时间，然后将制品冷却后出炉。在工业生产中，上述过程是在连续式烧结炉中完成的。烧结温度和保中南大学硕士论文第一章绪论温时间要按制品的化学成分合理的确定。同时，升温和降温的速度也要由制品尺寸和性能要求而定。通常为了提高生产率，希望升温和降温速度快一些。但在实际生产中，如果升温太快，可能使坯块中的成型剂、水分以及某些杂质剧烈挥发，导致坯块产生裂纹。降温速度对制品性能同样有很大影响，不能过快，要视具体情况来定。用于粉末冶金制品生产的连续式真空
19、烧结炉由烧除一预热带(室)、烧结带、缓冷带及最终冷却带组成。如图卜l 所示图I-I 连续式真空烧结炉示意图(1)烧除一预热带它是连续式烧结炉的第一个加热区。其功能在于将粉末压坯加热，清除压制时添加于原料粉末中的润滑剂。考虑压坯密度的因素，使烧除带连续工作的最高温度范围处于6 0 0 9 8 0 0，而且为避免热应力断裂，必须控制加热速率。因此，烧除带通常要有足够的长度和可控加热区。(2)高温烧结带为使零件在要求的时间内升温到烧结温度，高温烧结带的热量集中在进口一端，并且须有一合适的长度，才能保证制品的强度和密度。(3)缓冷带它使烧结件进入最终冷却带之前，从高的烧结温度以较慢的速率冷却到较低的温
20、度，以防止产生热震，从而保护了设备。(4)最终冷却带它的功能是使烧结件冷却到足够低的温度，从而保证了制品出炉后在空气中不会被氧化。最常用的是水套冷却，其长度一般为高温烧结带有效长度的2 3 倍。烧结过程中影响制品质量的基本因素主要是烧结温度和烧结时间，因此必须加以严格控制。l a l1 2 烧结温度控制研究的现状现代粉末冶金是从1 9 0 9 年制造电灯钨丝开始的。粉末冶金材料及其制品因其在技术和经济上的优越性，已广泛应用于机械、电子、交通、航天、航空、国防军工等2中南大学硕士论文第一章绪论各个行业，在国民经济中起着越来越重要的作用。烧结作为致关重要的工序，其工作过程中的温度控制对产品的质量起
21、决定性作用。传统的温度控制系统大多采用手工控制、温度仪表+继电器型的位式控制或一般的P I D 连续控制方法I s 。按照系统的结构分类，分为由各类仪表组成的单回路、多回路调节系统和计算机控制系统。随着电子技术的发展，数字式调节仪表(或装置)以及数字式控制计算机逐步广泛应用于控制生产过程，这是因为数字式调节器有P I D 参数设定范围广、程序灵活、能实现P I D 以外的特殊控制规律等模拟调节器不可比拟的优点。采用数字P I D 调节器的实例很多，如文献 6】就是探讨的对P I D 调节参数实施修正的问题。近年来智能化技术逐渐成为工业过程控制研究的热点。智能化技术能对复杂系统(如非线性、快时变
22、、复杂多变量、环境扰动等)进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。智能化技术主要包括：人工智能、神经网络、专家系统、模糊控制、软测量技术、预测技术、进化算法等，已广泛应用在工业过程控制的多个领域。模糊控制是智能控制最为活跃的领域之一。它是人们在智能控制的研究中最初实现的一类控制器。它的基本原理是把人类的控制经验、策略和知识总结成一系列以“i f(状态)t h e n(作用)”形式表达的控制规则，通过模糊推理得到控制集，作用于被控对象。在模糊理论应用上最早取得成果的是英国伦敦大学教授E H M a m d a n i，1 9 7 4 年他利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于
23、蒸气机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制效果。随后，荷兰、丹麦、美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功地应用在温度、热水装置、压力与液面、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。N 8 0 年代末，模糊控制技术已在国际上得到广泛应用。而我国也有人相继将模糊控制方法成功的应用在九管还原炉、锅炉、玻璃窑炉等的控制系统中1 7】。在文献 6 中介绍了将三种智能控制方式引入鼓风炉系统。基本模糊控制器的控制规则不受任何约束，便于有实践经验的操作者一起讨论和修改，定性地采纳各种控制思想。但是，也存在稳态性能较差的问题。所以，常常将基本模糊控制器与P I D 调节器结合，以改善模糊控制性能。尽管各项
24、控制技术各具特色，但要实现对实际工业过程尤其是复杂工业过程的有效控制是相当困难的。各种智能化技术，如模糊逻辑、神经网络、专家系统等本身都具有一定的适应面和局限性，很难用一种技术来实现复杂工业过程中的优化控制问题。采用集成化思想综合多种智能化技术优点的智能集成控制技术已经成为复杂工业过程控制研究和发展的方向。嘲本论文研究的参数自调整模糊控制器，就是通过采用在线自行整定模糊控制器的比例因子K e、K e c，K u 来达到一个良好的控制效果。中南大学硕士论文第一章绪论1 3 研究背景及意义烧结炉作为粉末冶金生产的关键设备，是一种典型的非线性、大滞后加热系统，使用手工或传统的P I D 控制器，控制
25、精度和可靠性都较差，若升温速度过低，则可能满足不了工艺的要求；若升温速度要求快，则会产生严重的超调，影响烧结的效果，生产出来的烧结品出现次品、废品的概率高。适用于时滞系统的大林算法却依赖于控制对象的数学模型。而烧结生产现场环境复杂，影响其生产指标的因素众多，加之仪表检测数据的误差及滞后性较大，系统的时变性和非线性及某些客观量难以测量等原因，使得建立精确的数学模型非常困难。因此，需要研究新的方法和技术来提高烧结炉加热过程的控制精度。株洲硬质合金集团有限公司是由国家“一五”期间1 5 6 项重点工程之一的原株洲硬质合金厂整体改制而成。经过5 1 年持续稳定的发展，已成为国内最大的硬质合金生产、科研
26、、经营和出口基地。株硬集团十分重视科研攻关和技术改造，本文以其下属的钻石硬质合金工具有限公司的连续式真空烧结炉为研究对象，针对其生产工艺特点，为有效解决目前烧结炉普遍存在的工艺参数波动严重、温度控制精度差等问题，提出了烧结炉加热过程的温度智能控制策略。1 4 论文主要研究内容针对目前粉末冶金烧结炉温控制系统广泛采用目测一手动、传统P I D 控制的现状，主要研究了模糊控制方案在其中的应用，其基本思想是充分利用模糊逻辑的推理功能构造一种具有参数自调整的模糊温度控制器，用于取代现行的控制系统，对烧结炉这种具有大惯性、纯滞后和分布参数的高度非线性系统实现更为有效的控制，以提高产品质量的稳定性和电能的
27、利用率。本设计的研究内容及方法：(1)，对粉末冶金烧结炉的控制系统进行分析，对其在控制方式上的不足给予分析和说明，并提出采用智能控制器取代传统的单纯仪表+继电器型或者P I D 控制方案。(2)根据当前智能控制理论发展的现状及其在工业控制中的应用效果，分析了一般P I D 控制和模糊控制的优劣势。并针对采用常规算法的模糊控制系统存在着数值稳定性和鲁棒性不强的缺陷，提出了基于三段规则的参数自调整模糊控制模型。(3)研究了基于三段规则的参数自调整模糊控制器的软、硬件设计。(4)用M A T L A B 软件对参数自调整模糊控制器的炉温控制系统模型进行仿真研究。并将其与传统的P I D 控制、常规模
28、糊控制在其上应用的控制性能进行比较和分析。(5)将基于三段规则的参数自调整模糊控制系统应用到粉末冶金烧结炉的温度控制上，考察其实际运行的效果。4中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法第二章传统烧结炉温度控制方法2 1烧结温度控制过程分析粉末冶金烧结具有复杂的工艺过程。对于连续式真空烧结炉，首先，要将烧结室及真空缓冷带内的空气用真空泵抽至一定的真空值，同时在烧除一预热带通入保护气氛气体至一定的气压，之后才开始加热。对于材料在不同时刻出现的不同的物理和化学特性，需要不同的温度。图2-1 给出了烧结温度的控制要求的示意图。烧结过程大致包括：(1)自由升温段(o a)，在烧除-预热带完成；(2
29、)恒速升温段(a b 和c d)，即要求烧结温度上升的速度按照某一斜率进行，在高温烧结带完成；(3)保温段(b c、d f 和g h)，即要求在这一过程中温度基本保持不变；(4)恒速降温段(f g)，即要求温度下降的速度按某一斜率进行，在缓冷带完成；(5)自由降温段(h i)，在最终冷却带完成。在实际加热过程中，控温段数会随着烧结材料不同而不同。图2-1 烧结温度控制要求示意图从图中可以看到，除了O a，h i 是自由升降温段，不需要精确的温度控制以外。其它各段都必须按具体烧结材料的要求，进行精确的温度控制以保证制品的质量。2 2 传统仪表控制长期以来，粉末冶金烧结炉大都是采用温控器、继电器、
30、接触器进行控制，即二位式调节，其控制系统原理如图2 2 所示5中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法三相电源ABC图2-2 传统单纯仪表控制系统原理图热电偶为一热一电传感器，它可以将温度信号转换为电信号，用来测量烧结炉温度，与温控器相连。温控器为一具有温度判定、输出控制信号、数字显示温度功能的仪表。当温控器T c 置于“自动”位置时，温度控制器进行自动温度控制。例如：若炉温低于给定温度，温控器使T C 常开触点闭合，将接触器K A 得电，主电路中的接触器常开触点导通，烧结炉接上电源升温：当炉温到达给定温度后，温控器T C 常开触点断开，接触器I(A 失电，主电路中的接触器触点关断，烧结
31、炉停止加热。于是烧结炉降温凹。从其工作原理不难看出：(I)由于该系统无论炉况怎样，都将消耗同样电能，因此电能利用率低。(I I)由于是位式控制，在实现两个恒温段控制时，接触器频繁接通、断开，机械易卡阻，触点易损坏，噪声大，存在触点电弧放电现象；严重时短路，使接触器损坏，对操作人员和设备安全带来不利影响，常造成控制失败，因此该系统控制精度低、产品质量低且不稳定。2 2P I D 控制随着控制技术和电子技术的发展，P I D 自动控制系统目前在粉末冶金烧结炉的温度控制中得到大量采用。P I D 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用
32、于可建立精确数学模型的确定性控制系统【1 4 1。6中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法2 3 1P l D 控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是P I D 控制。常规P I D 控制系统原理如m 2-3 所示。系统由模拟P I D 控制器和被控对象组成【1 5】。P l D 控铡嚣图2 3 模拟P I D 控制系统原理图P I D 控制器是一种线性控制器，它根据给定值啡)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(O=r(t)一y(t)(2-1)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称P I D 控制器。其控制规律为删=州卅去
33、f P(o a t+而挚(2-2)或写成传递函数形式G(沪器=聊+去+麟)(2 _ 3)式中K p 比例系数：T l 积分时间常数：T D 微分时间常数。P I D 控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2)积分环节：主要用于消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T I。T I 越大，系统超调量变小，响应速度变慢。(3)微分环节：主要作用是提高系统的响应速度，同时减小系统超调量，抵消系统惯7中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法性环节的相位滞后不良作用，
34、使系统稳定性明显改善。T D 偏大或偏小，都会使超调量增大，调整时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速率有关，故对于信号无变化或变化缓慢的系统微分环节不起作用。2 3 2 数字P I D 控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字P I D 控制器，数字P I D 控制算法通常又分为位置式P I D 控制算法和增量式P I D 控制算法。1 位置式P I D 控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(2-2)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟P I D 控制算法的算式(2-2)，现以一系列的采样时刻点k T 代表时间t，以和
35、式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换：t=k T(k=l，2，K)f 砸ar 妻e(，D=r 妻e(-，)d e(t)。e(k r)-e (k-1)T ：e(k)-e(k-1)t i tTT式中T-采样周期。上述离散化过程中，采样周期T 必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(k T)简化为e(k)等，即省去T。将式(2 4)代入式(2 2)，可得离散的P I D 表达式“(J j )：局 P(|j )+i r i 2 k：P(D+T 爿oe(七)-e(k 一1)】)(2-5)-e(k“(J j )=局 P(|j )+而P+爿e(七)一1)】)j 11=01或Iu(k)=
36、K r e(k)+I G y e(j)+I 研e(k)-e(k-1)1j=o式中K 采样序号，K=0，1，2，；u 0 0 第k 次采样时刻的计算机输出值；e(k)第k 次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)第(k 一1)次采样时刻输入的偏差值；K I 积分系数，K I=K p T IK D 微分系数，K D：K p T D T8中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法由Z 变换的性质z e(k-1)】-z。E(z)z4 套酬=器J O式(2 喝)的z 变换式为u(z)=K p E(z)+局芒譬+K o E(z)-z-E】(2-7)由式(2 7)可得数字P I D 控制器的z 传递函数为G
37、=豁=群+占+州)数字P I D 控制器如图2 4 所示图2 4 数字P I D 控制系统原理图由于计算机输出的u(1【)直接去控制执行机构(如阀门)，u(1【)的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以通常称(2-5)或(2-6)为位置式P I D 控制算法【1 0 l这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。2
38、增量式P I D 控制算法所谓增量式P I D 控制是指数字控制器的输出只是控制量的增量u(k)。当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电动机)时，可由式(2 6)导出提供增量的P I D 控制算式。根据递推原理可得9中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方珐u(k-1)=K，e(k-1)+巧乏：P U)+K 0【P(尼一1)一e(k 一2)】(2-9)j=O用式(2-6)减式(2-9)，可得z f(i )=K e(后)一P(后一1)】+磊，P(尼)+如 e(k)-2 e(k-1)+e(k 一2)】=K e A e(k)+矗0 e(露)+点，D【e(|)一“七一1)】(2 一l O)
39、式中A e(k)=e(k)-e(k-1)式(2 1 0)称为增量式P I D 控制算法，可以将式(2-1 0)进一步改写为幽(七)=A e(k)-B e(k 一1)+C e(k 一2)(2-1 1)式中彳=髟o+；+争；口=群o+争；c=与可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了K P、K I K D，只要使用前后3 次测量值的偏差，即可求出控制增量。增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规P I D 控制器不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定
40、方法烦杂的困扰，常规P I D 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很一一2 3 3 纯滞后补偿控制器(S m i t h 预估器)针对常规P I D 控制器存在的缺陷，人们一直在寻求P I D 控制参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微机技术的发展，一些原来在模拟P I D控制器中无法实现的问题得到了解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的要求。在工业过程控制中，许多被控对象具有纯滞后性质。对象的纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或者振荡。S m i t h 提出了一种纯滞后补偿模型，利用计算机可方便地实现滞后补偿。S m
41、 i t h 预估器原理如图(2 5)所示。在图中，睇0)为控制器，一般采用P I D 控制方式；G(s)e-”为工业生产对象，与之并接一补偿环节G，(s)矿f，5 称为S m i t h 预估模型；R 为定值输入；Y 为系统输出。1 0中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法图2-5S m i t h 预估器控制系统原理图Y在图(2-5)中。等效对象为：G o(s)=G(s)e-稻+G,(s X l 一一l s、(2-1 2)系统输出为：，r(s)=雨丽丽雨G c(s 丽)G(s 而)e-r 尹S R(s 巧)丽2 一1 3)7l+6-c(s)G，(s)+6-c(s)【G(s)P 一
42、一G，(s)P 一p】。当预估模型精确地与对象参数相匹配时，即，G(J)=q(s)，f=巧时，则有G-D(J)=G(s)(2-1 4)=踹删(2-1 5)成立，在式(2-1 5)的分母中，不包含延迟环节，因此利用常规P I D 控制器来对其进行参数控制可获得满意的控制效果。但是s m i t I l 预估器控制方法的前提是必须知道被控对象的数学模型，在此基础上才能建立精确的预估模型。因此，对于一些复杂而难以用数学模型描述的系统，此法则无能为力【1 1】。综上所述，在控制系统性能要求不是很严格的场合，经典控制理论解决线性定常系统的控制问题是非常有效的。这种传统的控制策略基本上可以满足控制系统的要
43、求。但是对烧结炉这样一个大滞后、多因素、系统模型难以精确建立的系统，其温度的控制精度要求较高，则无论是常规P I D 还是改进的数字P I D 控制因其本身的局限性，往往难以满足要求。它们的缺点主要包括：(1)传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精确数学模型的基础上，而中南大学硕士论文第二章传统的烧结炉温度控制方法实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型；(2)研究这类系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不相符；(3)对于某些复杂的包含不确定性的对象，根本无法以传统数学模型来表示，即无法解决建模问题；(4)为
44、了提高性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初始投资和维修费用，降低系统的可靠性。在这样一种情况下，我们必须考虑用智能算法来对传统的控制策略缺点进行弥补，将人工智能的方法引入控制系统，即采用仿人智能控制决策，迫使系统朝着期望的目标逼近。这也是温度控制发展的主要趋势。中南大学硕士论文第三章真空烧结炉温度智能控制系统第三章真空烧结炉温度智能控制系统株洲硬质合金集团钻石硬质合金工具有限公司的连续式真空烧结炉的加热控温区主要在预热带和高温烧结带。整个烧结工艺过程工况复杂，对设备的真空度、温度等参数要求较高，特别是对温度控制的要求十分苛刻，最大温差一般不允许超过给定值的5，应该采用智能控制技
45、术。3 1 智能控制算法随着科学技术的发展和进步，尤其是自动化技术、计算机技术、人工智能技术以及模糊数学、人体科学、仿生学的迅速发展，以及不同学科、领域的相互交叉和渗透，极大地促进了继占典控制、现代控制之后的第三代控制理论一智能控制的产生，它是自动控制与人工智能及运筹学的交叉。从上世纪6 0 年代起，由于空间技术、计算机技术以及人工智能的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制系统。6 0 年代初期，F W S m i t h 提出采用性能模式识别器来学习最优控制方法的新思想，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的控制
46、问题。1 9 6 5 年，美国著名控制论专家Z a d e h 创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具；同年，美国著名科学家F e i g e n b a u m 着手研制世界上第一个专家系统；就在同年，付京逊首先提出把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统，1 9 6 6 年，M e n d e l 进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。直至1 1 9 6 7 年L e o n d e s 和M e n d e l 才首先正式使用“智能控制”一词。1 2 1智能控制与人的思维、行动一样，具有三个要素：信息、反馈和决策
47、。信息是知识的载体，为了获得智能信息，必须进行信息特征的识别、加工处理，以获得有用的信息克服系统的不确定性；为了获得信息进行控制决策，反馈是不可缺少的环节，智能反馈可以根据系统控制的需要，采用灵活的方式；智能决策是模仿人脑的决策方式，做决策的过程也就是智能推理的过程【1 3 1 智能控制的基本控制结构如图3-1 所示智能控制系统的类型很多，但大体可以归纳为以下几种类型：【1 6 l(1)分级递阶智能控制系统(2)专家控制系统(3)模糊控制系统(4)神经网络控制系统中南大学硕士论文第三章真宅烧结炉温度智能拧制系统(5)基于规则的仿人智能控制(6)集成智能控制系统(7)组合智能控制系统图3-1 智
48、能控制系统的基本结构本文采用的是基于模糊逻辑的智能控制模糊控制系统。3 2 模糊控制技术在实际生产过程中，人们发现，有经验的操作人员虽然不懂被控对象的数学模型，却能凭借经验采取相应的措施，很好地完成控制工作。模糊控制技术就是用一系列具有模糊性的语占来表述人的经验，即模糊条件语句，再用模糊逻辑推理对系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决策，加到被控对象上获得精确的控制效果【1 7 1。3 2 1 基本模糊控制器的结构对于本系统，在总结手动控制策略基础上采用基本模糊控制器，以实现整个系统的模糊控温方案。考虑到控制目标是温度，因此模糊控制器的输入语言变量选为实际温度与温度给定值之间的
49、温度偏差e 及其变化率e c，而输出变量选为系统控制通过加热装置的电流的可控硅导通角的变化量g，这样得到了如图3 2 所示的一个双输入单输出的二维模糊控制器。它包括模糊化，模糊推理，解模糊三个过程。1 4中南大学硕士论文第三章真空烧结炉温度智能控制系统图3 屹温度模糊控制器框图模糊化是将输入的温度偏差和温度偏差变化率值匹配成语言值(如最大、最小等)的过程，其输出为与输入值相应的各语言值的隶属度；规则库则由与操作有关的控制规则组成，这些规则以语言规则(类似专家系统中的产生式规则)或矩阵表的形式给出；模糊推理根据输入语言变量，激活相应规则，得出输出语言变量；解模糊将输出语言变量转换为清晰的控制量。
50、那么模糊控制算法就是这样一个过程：检测系统采集温度值，然后将它与设定值比较得到温度偏差e，与前一控制周期的偏差计算得到温度偏差的变化率e c。将偏差e 和偏差变化率e c 作为模糊控制器的输入量，输入量经过模糊化变成模糊量，用相应的模糊语言表示，得到了温度偏差的模糊语言集合的一个子集皂和温度偏差变化率的模糊语言集合的一个子集舭，再由E、&和模糊控制规则R 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量O 为：O=e e c o R(3 1)综上所述，该模糊控制器工作步骤可概括为下述三个步骤：(1)根据本次采样得到的系统的输出值，计算系统的输入变量；(2)将输入变量的精确值变为模糊量：(3)根据