工业电阻炉温度模糊控制系统设计与实现

王晨丰

(商洛职业技术学院 机电工程学院，陕西 商洛 726000)

由于电阻炉温度控制系统具有单向性、大滞后、惯性和时变性的特点，控制过程较复杂，难以用精确的数学模型描述出来，并且当其温度一旦超调就无法用常规控制手段来使其降温[1]。针对具有上述特性的电阻炉，模糊控制刚好适合数学模型未知或多变的控制过程。模糊控制是基于人工操作的经验，把模糊理论应用到温度控制系统中，设计模糊控制器对电阻炉炉温进行控制，并选择恰当的模糊控制算法进行调节，使炉温达到设置温度的误差范围值以内。

本文基于模糊控制原理，依据其优点设计了一个自动调节的模糊控制器，通过在线调整修正因子来改变模糊控制规则，修正因子可根据模糊目标调整大小，从而调整模糊控制规则的新算法，实现控制过程中参数的最佳调整。并最终在MATLAB中的模糊逻辑工具箱和Simulink基础上，对模糊控制系统进行仿真实验，结果表明模糊控制系统具有一定的优越性和可控性。

1 电阻炉温度控制系统的相关概述

1.1 电阻炉温度控制

为了达到较好的控制效果，电阻炉温度控制系统大多采用闭环控制系统实现。首先，将电阻炉当前的实际温度值读取并记录；其次，通过实际值与设定温度值的比较，将温差信号送入控制器中得到控制信号，该信号进一步作用于输出装置，最终通过调节电阻加热丝的电流或电压来实现对温度的控制。

1.2 模糊控制

随着控制技术快速稳步的发展，模糊控制已成为控制技术中应用范畴最广泛的一种。针对电阻炉来说，模糊控制是在建立电阻炉模糊模型的基础上运用模糊推理等方法，实现对电阻炉温度控制的过程。因此建立恰当的模糊模型是实施有效模糊控制的先决条件，模糊模型的建立需要多个模块的配合合作，包括系统中模糊关系的处理，模糊语言的规则以及有关变量，模糊控制器输入/输出等相关操作[2]。

模糊控制与传统的控制方法比较，具有以下优点：

(1)可实现非线性控制；

(2)无需电阻炉的精确数学模型即可实现良好的控制；

(3)可模拟人的模糊推理过程。

2 电阻炉温度模糊控制系统的设计

2.1 模糊控制器的设计

2.1.1 模糊控制系统的组成

与传统的控制系统相比，模糊控制有较强的适应对象参数变化的能力，模糊控制的优点在于设计系统时只需已储备的相关知识和经验即可，无需建立被控对象的精确数学模型。本文设计的模糊控制系统主要由模糊控制器、输入/输出口、实施机构、被控目标和测试反馈装置等五个部分组成，如图1所示。

图1 模糊控制系统组成图

(1)被控目标：需要实现控制的生产过程、设备或机器装置等；

(2)实施机构：使用电力、气体、液体为能源并通过类似电机、气缸等装置转化为驱动作用输出的一类机构；

(3)模糊控制器：属于模糊控制系统的核心部分，由五部分组成；

(4)输入/输出口：系统中使用的相关转换单元，或者是适合于模糊逻辑处理的模糊化和清晰化环节称为模糊控制器的输入/输出口；

(5)测试装置：由不同类别的数字或模拟的测量仪器、检测元件或传感器等组成。该装置负责将系统中被控目标转换为电信号，要求其精度高、稳定可靠[3]。

2.1.2 模糊控制器的设计

模糊控制系统的基本原理图如2所示，其核心部分为模糊控制器，如图2中虚线框中部分所示。

图2 模糊控制系统设计原理

模糊控制器由输入口、数据库、规则库、模糊推理和输出量清晰化五大功能模块组成。

(1)输入口：是将系统中输入的确定值转换成模糊矢量的接口。

(2)数据库的建立：数据库的建立即确定输入变量(E和EC)和输出变量(U)所对应的模糊子集的模糊分布，它是实现模糊控制算法的基础，为建立良好的模糊控制系统做铺垫。通常状况下，电阻炉热工过程中产生的温度偏差和偏差变化率所处的模糊子集相互组合会发起多个模糊控制规则。

(3)规则库的建立：对电阻炉在温度控制下输出的集中描述称为模糊控制规则，一系列的规则和规则表构成了相关联的规则库。模糊控制规则表的范围由条件判断语句的数量决定，规则表中模糊子集的输出是通过专家丰富的经验和现场多次调试后总结得出的，而本文设计的电阻炉模糊控制系统中涉及的模糊子集是通过在电阻炉加热或冷却设备上施加的控制信号得到的。

(4)模糊推理：是指将已建成的控制规则库和输入的变量转换成模糊矢量的过程。

(5)输出量清晰化：是将模糊推理所得的模糊量转换为清晰的数字量的过程。

2.2 模糊模型的设计

本文将小型高温电阻炉当作具有平衡能力且存在滞后的被控对象，其近似数学模型可用一阶惯性和纯滞后两个环节来描述。采用阶跃响应曲线法求取其参数，得到电炉系统的开环增益约为83，惯性时间常数约为118，纯滞后时间常数约为100，则系统的传递函数如式(1)所示[4]：

(1)

2.3 温度控制系统的电路设计

本文设计的电路采用交流型固态继电器，它是一种非接触开关部件，与普通继电器相比，无触点，在接通和断开电路的时候无火花出现，还具备控制端和负载端相互隔离的功能。工作原理如图3所示。

图3 固态继电器工作原理

其中各个电路系统作用如下：

耦合电路：防止输出对输入的影响，引起不必要的错误。

触发电路：发生符合要求的触发信号，控制④的通断操作。

过零电路：防止固体继电器开关通断对电网造成的损害污染。

吸收电路：用来吸收电网的尖峰、浪涌电压。

3 电阻炉温度模糊控制系统的仿真实验

3.1 实验条件

本文设计的系统模拟量输入通道主要由K型热电偶和MAX6675芯片构成，通过上述通道将保证该电路运行可靠，测温结果稳定性和线性度良好，测温范围基本能满足电阻炉安全生产的需求。模拟量输出通道主要由智能温度控制器、交流型固态继电器和加热装置组成，具有较强的抗干扰和电磁兼容性能，为顺利完成温度控制工作打下良好的基础[5]。

3.2 仿真模型的建立

根据上述2.2中已知的模糊模型，进行的仿真实验如下：

(1)打开MATLAB软件，进入Simulink界面，开始搭建系统模型。

(2)在Simulink中，用户根据自己设计系统的需要选择所需模块，用鼠标将其拖动到所设计的系统模型中，在仿真模型结构图中布置好位置并连线，最后可通过信号接收与输出示波器Scope观察系统的仿真输出。按照同样的方法选择模糊控制模块并接入，如图4所示。

图4 电阻炉MATLAB仿真结构图

(3)对模糊控制模块进行设置。在MATLAB 主窗口输入“fuzzy”后回车，即进入模糊推理系统编辑器界面(FIS)。先增加一个输入变量，将输入及输出变量分别命名为E、EC及U,其中E为温度偏差模糊变量，EC为温度偏差变化率模糊变量，U为输出模糊变量。再将这个FIS文件命名为“lwkz”，即炉温控制。最后得到如图5所示的双输入-单输出的FIS编辑器界面。

图5 炉温控制的FIS编辑器界面

(4)模糊变量E及EC的模糊论域用N={-6，-4，-2,0,2,4,6}表示，对应模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},其中的N为负，P为正，B为大，M为中，S为小，Z为零。在图5的FIS编辑器界面上单击输入、输出变量，编辑取值范围、显示范围、模糊子集的个数及分布、隶属函数类型等，得到隶属函数编辑器(MF)界面如图6所示。

图6 炉温控制的MF编辑器界面

(5)在图6的炉温控制隶属函数编辑器界面上，点击Edit|Rules…，弹出模糊控制规则编辑器(Rule)界面如图7所示。模糊变量E及EC的模糊子集数均为7，组合搭配后产生49条模糊控制规则，对应输出模糊变量U的子集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。逐次单击相应的模糊子集名称编辑，再点击编辑功能中的“Add rule”按钮，最终得到全部的模糊控制规则如图7所示。

(6)将完成的“Fuzzy Logic Controller ”模块嵌入到名为“lwkz”的FIS文件中，使该模块与Sumulink成功连接，即可进行仿真。待仿真模型连线完毕，检查无误后就可以按下[Run]按钮，运行仿真程序，进行仿真实验，在示波器中观察仿真实验结果，对照模糊规则观测窗和输出曲面观测窗的内容，不断对模型进行调整与修改，直至将模糊控制参数设置好。

图7 炉温控制的模糊控制规则编辑器界面

3.3 仿真实验结果

采用模糊控制算法，得出阶跃响应仿真结果如图8所示。

图8 模糊控制下炉温控制系统的响应结果

通过仿真实验可知，该小型高温电阻炉要求炉温控制为(560±10) ℃，正常工作炉膛温度上升速率为3 ℃/s。采用该模糊控制规则能保证小型电阻炉控制精度在给定值±3 ℃误差范围之内，温度控制过程超调量几乎为零，过渡过程时间短，耗能低。通过MATLAB仿真，还可以得出，对于不同的被控对象可适当的调整模糊控制器的各种参数，最终都可以得到较为满意的结果[6]。

4 总 结

本文是针对电阻炉滞后性和调节时间长等特点设计和研究的温度模糊控制系统。研究中采用了模糊控制器，实现了对控制系统的自适应控制，当采用该模糊控制时，整个系统的调节时间短，且基本未出现超调现象，系统稳定且精度高。系统基于模糊控制算法和MATLAB仿真实验完成了对电阻炉温度控制的目标，实现了电阻炉热工生产过程中高温控制段的高效、安全、快速的控制过程要求。此外，模糊控制器的完善是今后研究的重点内容，可进一步提高系统的实际温度控制效果。