温度控制系统论文温度控制器论文

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耦合温度控制系统中的模糊控制技术的应用摘要:目前我国工业处于飞速发展阶段,传统的温度控制方法已跟不上工业发展的步伐。为了提高了温度控制的实时性、稳定性和精确度,新的温度控制方法应运而生。本文基于模糊控制技术,介绍耦合温度控制系统的设计思路及对其进行系统分析和算法分析,并通过测量结果反证系统的可行性。

关键词:耦合温度控制模糊技术算法分析测量结果

随着现代工业技术的发展,被控对象的非线性、时滞性和环境的不稳定性使生产过程日益复杂,导致难以建立精确的数学模型,温度控制系统多为单输入单输出系统,传统控制技术越来越不适合现代工业技术发展的需要。通过耦合解决多个独立的单变量系统进行控制是最常用的温度控制方法。一个耦合双输入双输出温度系统,是一个耦合双输入双输出温度系统,以加热元件和热风速度作为输出,采用加权模糊解耦控制策略与具有解耦功能的模糊控制器相结合,设计对线形系统和非线性系统的无交互作用,成功地实现了温度控制。

1、耦合温度控制系统设计

(1)两种耦合器的介绍。定向耦合器在无内负载时往往是一四端口网络,常用于对规定流向微波信号进行取样。而光耦合器主要

由光敏器和光发射器两部分组成。定向耦合器直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻,输出往往是90度或180度的相位差,另一端口不输出任何能量,而是作为分支线定向耦合器,用于强耦合场合。耦合端输出功率与主线输入功率之比在其余端口接匹配负载的情况下,其值可作耦合度。根据定向耦合器的特点,一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减少,其值即是耦合损耗。光耦合器以透明树脂灌封充填作光传递介质,管脚作输入端,引脚作为输出端,信号投射到光敏器,通过电信号转换传输,实现电气隔离。主要的性能特点有:隔离性能好,光信号单向传输,光信号不受电磁干扰,抗共模干扰能力强,易与逻辑电路连接,无触点,工作温度范围宽等。

(2)基于加权模糊解耦的温度控制系统设计思路。模糊的基本原理是总结操作人员的经验,用模糊数学方法,处理模糊集的隶属

函数对所有控制规则形成“IF…THEN…”式的语言控制规则。此过程最后得到准确的控制量,但其特点是完全模仿操作人员思维模式进行模糊推理和模糊决策。一般情形下的解耦问题可化分干扰解耦和输入/输出解耦两个部分组成,在实际应用中,由于解耦设计的控制器对模型的不确定性,在模型参数在各种因素影响下辨识获得的模型往往不准确。而引入加权因子,使之能达到更好的控制效果。在控制方案中,通过加权模糊解耦控制减小变量间的耦合是首要解决的问题,其次是将多变量系统分解成多个独立的单回路进行设计,提高了控制器的实时性。温度控制系统设计思路主要有上位机、下层动作控制部、温度

控制部分三部分组成。上位机采用ARM32位机,主要处理人机交互信息;下层动作控制部分采用ARM32位机负责动作的控制,保证动作的及时性、准确性;温度控制部分采用16位单片机进行温度控制,烧入程序时要注意模拟测试的有效性。三大部分通过相互通讯实现协调工作,其中最主要是体现在温度控制功能上,此部分一般分为三段,第一段是喷嘴,主要是接热电偶通过算法温度控制加热,通过上位机直接设定输出功率。第二段和第三段一般通过温度控制算法自动控制。通过热电偶测得温度,通过控制算法得到加热功率控制加热圈输出。

2、温度控制系统分析

(1)系统分段模糊控制。模糊控制规则将温度控制范围分为模糊控制区和确定控制区,根据不同的控温阶段采取不同的控制策略。当偏差分段控制的边界点逐渐减小,小于预定的边界,这时要继续减少偏差量同时也要降低调整速度,避免产生震荡和过大的超调;当偏差分段控制的边界点在控制开始时偏差较大,此时不必考虑超调量的问题,采用全功率加热,风机频率取最大,快速调整使偏差很快降下来。

(2)温度控制系统算法分析。由于温度控制系统没有冷却装置,使温度的上升和下降有很大的不对称性,结合实际情况,根据模糊控制的思想设计算法。算法流程如下:第一步,根据目标温度(Object)和要求的控制精度(±3)将整个温度区分为区间(0～t1),(t1～

Object-3),(Object-3～Object+3),(Object+3～t2)和t2等五个小区间;第二步,当温度t属于区间1时,直接全功率加热;第三步,当t 属于区间2时,如果温度下降则适当加大控制量以使温度尽快由下降转为上升,,如果温度上升过快则适当减小控制量以使上升速度v减小最终以一个较为缓慢的上升速度进入区间,保证一个较小的超调;第四步,当t属于区间3时,采用模糊控制对其进行控制,进行进一步的精密控制;第五步,当t属于区间4时,如果温度上升则适当减小控制量使温度尽快由上升转为下降,如果温度下降过快则适当增加控制量以减小下降速度。第六步,当t属于区间5时,这时完全冷却,直接将目标温度分为几段,每段温度给一个固定的t1和t2。在完成算法六个步骤的同时,在硬件上做了滤波及在软件上也应做适当的处理,在减小干扰的影响,实现强耦合温度的精确控制。

3、温度控制系统测量结果

在此控制系统中,取模糊控制周期为12秒,其温度设定值和温度测量值化范围关系如下表,在恒温段,控制精度达到±2℃的范围内,符合现代工业需要。

参考文献

[1] 唐宗军,杨凤艳,库德强.强耦合多变量模糊温度控制系统的研究[J].机械制造与自动化, 2006,(03).

[2] 王巍巍,张志华,武延坤.模糊PID控制器在电锅炉温度控制系统中的应用[J].仪器仪表用户, 2009,(04).