电加热炉温度模糊控制系统设计_刘大易
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 4期 2010 年 7 月
锅 炉 制 造 BOILER MANUFACTURING
文章编号 :CN23 -1249(2010)04 -0057 -05
No.4 Jul.2010
电加热炉温度模糊控制系统设计
刘大易 1 , 赵玉晓 2
(1.黑龙江省特种设备检验研究院 , 黑龙江 哈尔滨 150036;2.中国计量学院 现代科技学院 , 浙江 杭州 310018)
图 11 模糊控制响应曲线
3.3 PID控制与模糊控制结果对比 通过对 PID控制 、模糊控制两种方案的仿真
曲线分析 , 得出 , PID控制系统响应易 产生振荡 , 超调量 , 当电加热炉温度控制系统采用模糊控制 时系统的稳定性增强了 , 且调节时间减少 , 超调量 为 0。但稳态误差依然存在 , 为了减小稳态误差 , 优化系统性能 , 需要经过大量的实验 , 调节隶属度 函数和规则库 。 模糊控制对电加热炉温度的总体 控制效果优于 PID控制 。
2 控制系统设计
2.1 控制系统硬件设计 电加热炉温度控制系统硬件由以下四部分组
成 :电加热炉 (温度变化范围是 0 ～ 100℃)、温度 变送器 、数据 采集卡 、计算机 (LabVIEW 平台 )。 整体硬件组成框图如图 1所示 。
电加热炉首先经过温度变送器 , 把一定范围 内的温度信号转换为标准 4 ～ 20 mA电 流信号 , 然后数据采集卡 (DAQ)从温度 变送器被测单元 中自动采集电量信号 , 把电流信号转换成电压信 号 , 送到上位机中进行分析 、处理 。利用计算机的 LabVIEW编程软件 , 编写温控 程序 , 向电 加热炉
数 , 反复实验 , 当控制器参数设置为 P=1.35, I= 0.002, D=2 时 , 控制效果较好 , 控制曲线如图 8 所示 , 调节时间 =2 400秒 , 超调量 δ% =8%, 稳
· 60·
锅 炉 制 造
总第 222期
态误差 =1。 图中白色的线是温度设定值 ;红色 曲线是实际温度值即被控变量 。
本次课题利用 NIUSB-6008采集卡来采集 模拟电压信号 , 信号的采集与处理在有 LabVIEW 平台的计算机上完 成 。 NIUSB-6008 采集卡将
第 4期
刘大易 , 等 :电加热炉温度模糊控制系统设计
· 59·
信号送入 PC机并且将 PC机发出的数字控制信 号转化为模拟信号来控制输出电压 , 从而控制电 加热炉的温度 。 数据采集卡上需要外接 250 Ψ标 准电阻 , 对应电压输出为 1 ～ 5 V, 即 1V电压对应 25 ℃温度 。
图 4 NIUSB-6008数据采集卡
2.2 控制系统软件设计 LabVIEW的 模 糊 逻 辑 工 具 包 (FuzzyLogic
Toolkit)用于设计和完成基于规则的模糊逻辑系 统 , 主要应用领域为工业过程控制及专家决策 , 它 由模糊逻辑控制器设计 VI、模糊控制器 VI、模糊 控制器载入 VI、模糊控制测试 VI, 4 个不同功能 的子 VI组成 。
要研究的基本内容就是设计电加热炉温度模 糊控制系统 , 具体包括设计电加热炉对象识别、 PID参数整定功能程序 、设计电加热炉温度模糊 控制功能程序 、实现电加热炉温度控制系统的远 程监控功能等 。
以 LabVIEW 8.6软件为设计平台 , 通过数据 采集卡实现电加热炉温度模糊控制 。 设计步骤如 下 :(1)连接好电加热炉 、数据采集卡 , PC机三个 硬件 ;(2)用 LabVIEW进行编程 , 包 括设计控制 面板 , 连接程序框图 ;(3)调试程序 , 电加热炉进 行温度控制 , 并把模糊控制结果与 PID控制结果 进行比较 。 设计过程中最核心的内容是对模糊控 制的理解和把握 , 需具备模糊数学的基础 , 掌握如 何确定各变量的模糊语言 取值及相应的 隶属函 数 ;设计模糊控制器的控制规则 ;确定模糊推理和 解模糊化方法 。 通过大量的实验 , 适时调节 PID 参数以及模糊控制的隶属度函数和规则库 , 优化 系统性能 。
各个变量的隶属函数图 。 图 11为当设定温度值为 50 ℃时 , 模糊控制
器控制电加热炉温度控制系统响应曲线图 , 图中 白色的线是温度设定值 , 而绿色曲线则是实际温 度值 。 可以看出 , 当采用模糊控制器控制电加热 炉温度控制系统时的系统性能指标为 :调节时间 =1000秒 , 超调量 δ% =0, 稳态误差 =0.5。
基于 LabVIEW的数据采集系统如图 5所示 。
图 5 基于 LabVIEW的数据采集系 统
在驱动程序的用户接口 Measurement＆ AutomationExplorer中 , 用户可以对硬件进行必要的设 置 和 测 试 。 LabVIEW 中 的 数 据 采 集 VI按 照 Measurement＆ AutomationExplorer中的设置采集 数据 。
4 结束语
首 先 , 在 LabVIEW的 FuzzyLogicController Design中构建模糊控制器 , 建立一个 fc型文 件 , 命名为 TemperatureControl.fc, 然后在其中分别编 辑隶属度函数和规则库 。 模糊控制器的输入变量 为 和 , 输出为控 制变量 。 隶属度 函数在 Fuzzy SetEditor窗口中编辑 。图 9、10是模糊控制器的
经过计算机的控制程序得到控制电压值后 , 通过 数据采集卡的输出通道 , 把数字量转换为模拟输 出量 , 控制电加热炉的温度 。 输出通道的数据采 集程序如图 3 ～ 10所示 。
图 7 输出通道的数据采集程序
3 PID控 制器 设 计与 模糊 控制 器设 计的比较
3.1 PID控制器设计 根据控制对象的实 际输出曲 线调整 PID参
图 8 PID控制响应曲线
3.2 模 糊控 制器 设计 及模 糊推 理方 法 本文结合电加 热炉特点及系 统控制精 度要
求 , 模糊控制器选用单变量结构的二维模糊控制 器 , 即输入量为偏差 及偏差的变化 , 输出控制量 为 。温控系统的模糊控制器采用单变量设计。 模糊控制器均采用的是 Mamdani型模糊推理方 法。
由于隶属度函数的选择没有一个统一的标准 , 在处理模糊问题时 , 随着处理任务 、对象性质的不 同可以选择不同的隶属度函数形式 , 因此在进行模 糊控制器的设计过程中 , 确立一个合适的隶属度函 数是个关键问题 [ 2 -4] 。 在 LabVIEW的模糊逻辑编 辑器上可以进行隶属度函数的编辑 。 在模糊规则 库编辑器上可以进行模糊规则库的设置 。
DesignofTemperatureFuzzyControlSystem forElectricHeatingStove
LiuDayi1 , ZhaoYuxiao2
(1.HeilongjiangInstituteofSpecialEquipmentInspection, Harbin150036, China; 2.CollegeofModernScienceandTechnology, ChinaJiliangUniversity, Hangzhou310018, China) Abstract:Tosolvethedifficultyonestablishingaccuratemathematicalmodelofelectricfurnacedue toitsgreatinertia, strongtimevariabilityandcomplexdisturbancefactors, usingfuzzycontrol' stwo characteristics, oneisunderstandingofmathematicalmodelofcontrolledobjectisuncessaryandthe otherisstrongrobustness, combinedwithDAQCard, temperaturefuzzycontrolforelectricheating stovewasachievedadoptingfuzzylogictoolboxinLabVIEW 8.6.Aftermanyexperimentsandrepeateddemonstration, theparametersoffuzzycontrollerwereadjustedtooptimizesystem performance, thusitcanensurethestabilityoftemperaturefuzzycontrolsystem.Finally, comparedwithtraditionalPIDcontrol, fuzzycontrolnotonlyhassmallerovershoot, fasterresponseandhigherstability butalsoshowsthissystem' sdesignmethodissimpleanditcanbeconvenientlyusedinpracticalindustrialcontrol. Keywords:fuzzycontrol;LabVIEW;temperature
电加热炉温度控制系统的数据采集程序由两 部分组成 , 分别是输入通道的数据采集和输出通 道的数据采集 。 输入通道是采集电加热炉的实际 温度值经过线性变换后的电压值 , 然后把采集到 的模拟量转化为计算机能够识别的数字量 , 这部 分在 LabVIEW中的程序框图如图 6所示 :
图 6 输入通道的数据采集程序
输出控制电压 , 从而达到控制电加热炉温度的目 的 。图 2即电加热炉的实物图 。 一体化温度变送 器 , 如图 3所示 。 NIUSB-6008 数据采集卡 , 成 本低 、功能也足够强大 , 非常适用本次课题 , 如图 3 ～ 4 所示 , NIUSB-6008是 12 位 , 10kS/s多功 能数据采集卡 , 有 8路 12位模拟输入通道 , 12条 数字 I/O线 , 2路模拟输出通道 , 1个计数器 。
0 引 言
温度是工业生产过程中重要的被控参数 , 所
以加热炉温度控制系统很常见 。电加热炉由于惯 性大 、滞后严重 、时变性强 、扰动因素复杂而难以 建立准确的数学模型 。采用传统的控制方式比如
收稿日期 :2010 -01 -10 作者简介 :刘大易 (1971 -), 男 , 1994年佳木斯大学工学院热能工程专业毕业, 学士学位 , 副高级职称 。 现任黑龙江省特种设备研究所 锅炉专业工程师 。
· 58·
Biblioteka Baidu
锅 炉 制 造
总第 222期
PID控制方法 , 精度不高 , 容易造成系统 不稳定 , 易产生振荡 , 很难获得良好的控制效果 [ 1 -2] 。 因 此为电加热炉开发出性能优良的温度自动控制系 统非常有意义 。
1 研究内容和方法
对时变的 、非线性的复杂系统 , 在无法获得被 控对象清晰数学模型的时候 , 利用具有智能性的 模糊控制器 , 可以给出较为有效的自动控制 。 模 糊控制系统是由被控对象 、执行机构 、过程输入输 出通道 、检测装置 、模糊控制器等几部分组成 。 被 控对象的数学模型可以是已知的 、精确的 , 也可以 是未知的 、模糊的 。
摘 要 :为解决电加热 炉由于惯性大 、时变性强 、扰动因素复杂 而难以建立准确数 学模型的问题 , 利用模糊控 制不需知道被控对象的 数学模型和较强的鲁棒性的特点 , 采用 LabVIEW 8.6的 模糊逻辑工 具包 , 结合数据采 集卡实现了电加热炉的 温度模糊控制 。 经多次实验和反复论证 , 调整模糊控制器的参 数 , 优化系统性能 、保证 温度模糊控制系统的稳 定性 。与 传统的 PID控制进行比较 , 模糊控 制不仅超调 较小 、响应快 、稳定性高 , 而且 系统设计方法简单 , 能方便地用于实际工业控制中 。 关键词 :模糊控制 ;LabVIEW;温度 中图分类号 :TP273 文献标识码 :A
锅 炉 制 造 BOILER MANUFACTURING
文章编号 :CN23 -1249(2010)04 -0057 -05
No.4 Jul.2010
电加热炉温度模糊控制系统设计
刘大易 1 , 赵玉晓 2
(1.黑龙江省特种设备检验研究院 , 黑龙江 哈尔滨 150036;2.中国计量学院 现代科技学院 , 浙江 杭州 310018)
图 11 模糊控制响应曲线
3.3 PID控制与模糊控制结果对比 通过对 PID控制 、模糊控制两种方案的仿真
曲线分析 , 得出 , PID控制系统响应易 产生振荡 , 超调量 , 当电加热炉温度控制系统采用模糊控制 时系统的稳定性增强了 , 且调节时间减少 , 超调量 为 0。但稳态误差依然存在 , 为了减小稳态误差 , 优化系统性能 , 需要经过大量的实验 , 调节隶属度 函数和规则库 。 模糊控制对电加热炉温度的总体 控制效果优于 PID控制 。
2 控制系统设计
2.1 控制系统硬件设计 电加热炉温度控制系统硬件由以下四部分组
成 :电加热炉 (温度变化范围是 0 ～ 100℃)、温度 变送器 、数据 采集卡 、计算机 (LabVIEW 平台 )。 整体硬件组成框图如图 1所示 。
电加热炉首先经过温度变送器 , 把一定范围 内的温度信号转换为标准 4 ～ 20 mA电 流信号 , 然后数据采集卡 (DAQ)从温度 变送器被测单元 中自动采集电量信号 , 把电流信号转换成电压信 号 , 送到上位机中进行分析 、处理 。利用计算机的 LabVIEW编程软件 , 编写温控 程序 , 向电 加热炉
数 , 反复实验 , 当控制器参数设置为 P=1.35, I= 0.002, D=2 时 , 控制效果较好 , 控制曲线如图 8 所示 , 调节时间 =2 400秒 , 超调量 δ% =8%, 稳
· 60·
锅 炉 制 造
总第 222期
态误差 =1。 图中白色的线是温度设定值 ;红色 曲线是实际温度值即被控变量 。
本次课题利用 NIUSB-6008采集卡来采集 模拟电压信号 , 信号的采集与处理在有 LabVIEW 平台的计算机上完 成 。 NIUSB-6008 采集卡将
第 4期
刘大易 , 等 :电加热炉温度模糊控制系统设计
· 59·
信号送入 PC机并且将 PC机发出的数字控制信 号转化为模拟信号来控制输出电压 , 从而控制电 加热炉的温度 。 数据采集卡上需要外接 250 Ψ标 准电阻 , 对应电压输出为 1 ～ 5 V, 即 1V电压对应 25 ℃温度 。
图 4 NIUSB-6008数据采集卡
2.2 控制系统软件设计 LabVIEW的 模 糊 逻 辑 工 具 包 (FuzzyLogic
Toolkit)用于设计和完成基于规则的模糊逻辑系 统 , 主要应用领域为工业过程控制及专家决策 , 它 由模糊逻辑控制器设计 VI、模糊控制器 VI、模糊 控制器载入 VI、模糊控制测试 VI, 4 个不同功能 的子 VI组成 。
要研究的基本内容就是设计电加热炉温度模 糊控制系统 , 具体包括设计电加热炉对象识别、 PID参数整定功能程序 、设计电加热炉温度模糊 控制功能程序 、实现电加热炉温度控制系统的远 程监控功能等 。
以 LabVIEW 8.6软件为设计平台 , 通过数据 采集卡实现电加热炉温度模糊控制 。 设计步骤如 下 :(1)连接好电加热炉 、数据采集卡 , PC机三个 硬件 ;(2)用 LabVIEW进行编程 , 包 括设计控制 面板 , 连接程序框图 ;(3)调试程序 , 电加热炉进 行温度控制 , 并把模糊控制结果与 PID控制结果 进行比较 。 设计过程中最核心的内容是对模糊控 制的理解和把握 , 需具备模糊数学的基础 , 掌握如 何确定各变量的模糊语言 取值及相应的 隶属函 数 ;设计模糊控制器的控制规则 ;确定模糊推理和 解模糊化方法 。 通过大量的实验 , 适时调节 PID 参数以及模糊控制的隶属度函数和规则库 , 优化 系统性能 。
各个变量的隶属函数图 。 图 11为当设定温度值为 50 ℃时 , 模糊控制
器控制电加热炉温度控制系统响应曲线图 , 图中 白色的线是温度设定值 , 而绿色曲线则是实际温 度值 。 可以看出 , 当采用模糊控制器控制电加热 炉温度控制系统时的系统性能指标为 :调节时间 =1000秒 , 超调量 δ% =0, 稳态误差 =0.5。
基于 LabVIEW的数据采集系统如图 5所示 。
图 5 基于 LabVIEW的数据采集系 统
在驱动程序的用户接口 Measurement＆ AutomationExplorer中 , 用户可以对硬件进行必要的设 置 和 测 试 。 LabVIEW 中 的 数 据 采 集 VI按 照 Measurement＆ AutomationExplorer中的设置采集 数据 。
4 结束语
首 先 , 在 LabVIEW的 FuzzyLogicController Design中构建模糊控制器 , 建立一个 fc型文 件 , 命名为 TemperatureControl.fc, 然后在其中分别编 辑隶属度函数和规则库 。 模糊控制器的输入变量 为 和 , 输出为控 制变量 。 隶属度 函数在 Fuzzy SetEditor窗口中编辑 。图 9、10是模糊控制器的
经过计算机的控制程序得到控制电压值后 , 通过 数据采集卡的输出通道 , 把数字量转换为模拟输 出量 , 控制电加热炉的温度 。 输出通道的数据采 集程序如图 3 ～ 10所示 。
图 7 输出通道的数据采集程序
3 PID控 制器 设 计与 模糊 控制 器设 计的比较
3.1 PID控制器设计 根据控制对象的实 际输出曲 线调整 PID参
图 8 PID控制响应曲线
3.2 模 糊控 制器 设计 及模 糊推 理方 法 本文结合电加 热炉特点及系 统控制精 度要
求 , 模糊控制器选用单变量结构的二维模糊控制 器 , 即输入量为偏差 及偏差的变化 , 输出控制量 为 。温控系统的模糊控制器采用单变量设计。 模糊控制器均采用的是 Mamdani型模糊推理方 法。
由于隶属度函数的选择没有一个统一的标准 , 在处理模糊问题时 , 随着处理任务 、对象性质的不 同可以选择不同的隶属度函数形式 , 因此在进行模 糊控制器的设计过程中 , 确立一个合适的隶属度函 数是个关键问题 [ 2 -4] 。 在 LabVIEW的模糊逻辑编 辑器上可以进行隶属度函数的编辑 。 在模糊规则 库编辑器上可以进行模糊规则库的设置 。
DesignofTemperatureFuzzyControlSystem forElectricHeatingStove
LiuDayi1 , ZhaoYuxiao2
(1.HeilongjiangInstituteofSpecialEquipmentInspection, Harbin150036, China; 2.CollegeofModernScienceandTechnology, ChinaJiliangUniversity, Hangzhou310018, China) Abstract:Tosolvethedifficultyonestablishingaccuratemathematicalmodelofelectricfurnacedue toitsgreatinertia, strongtimevariabilityandcomplexdisturbancefactors, usingfuzzycontrol' stwo characteristics, oneisunderstandingofmathematicalmodelofcontrolledobjectisuncessaryandthe otherisstrongrobustness, combinedwithDAQCard, temperaturefuzzycontrolforelectricheating stovewasachievedadoptingfuzzylogictoolboxinLabVIEW 8.6.Aftermanyexperimentsandrepeateddemonstration, theparametersoffuzzycontrollerwereadjustedtooptimizesystem performance, thusitcanensurethestabilityoftemperaturefuzzycontrolsystem.Finally, comparedwithtraditionalPIDcontrol, fuzzycontrolnotonlyhassmallerovershoot, fasterresponseandhigherstability butalsoshowsthissystem' sdesignmethodissimpleanditcanbeconvenientlyusedinpracticalindustrialcontrol. Keywords:fuzzycontrol;LabVIEW;temperature
电加热炉温度控制系统的数据采集程序由两 部分组成 , 分别是输入通道的数据采集和输出通 道的数据采集 。 输入通道是采集电加热炉的实际 温度值经过线性变换后的电压值 , 然后把采集到 的模拟量转化为计算机能够识别的数字量 , 这部 分在 LabVIEW中的程序框图如图 6所示 :
图 6 输入通道的数据采集程序
输出控制电压 , 从而达到控制电加热炉温度的目 的 。图 2即电加热炉的实物图 。 一体化温度变送 器 , 如图 3所示 。 NIUSB-6008 数据采集卡 , 成 本低 、功能也足够强大 , 非常适用本次课题 , 如图 3 ～ 4 所示 , NIUSB-6008是 12 位 , 10kS/s多功 能数据采集卡 , 有 8路 12位模拟输入通道 , 12条 数字 I/O线 , 2路模拟输出通道 , 1个计数器 。
0 引 言
温度是工业生产过程中重要的被控参数 , 所
以加热炉温度控制系统很常见 。电加热炉由于惯 性大 、滞后严重 、时变性强 、扰动因素复杂而难以 建立准确的数学模型 。采用传统的控制方式比如
收稿日期 :2010 -01 -10 作者简介 :刘大易 (1971 -), 男 , 1994年佳木斯大学工学院热能工程专业毕业, 学士学位 , 副高级职称 。 现任黑龙江省特种设备研究所 锅炉专业工程师 。
· 58·
Biblioteka Baidu
锅 炉 制 造
总第 222期
PID控制方法 , 精度不高 , 容易造成系统 不稳定 , 易产生振荡 , 很难获得良好的控制效果 [ 1 -2] 。 因 此为电加热炉开发出性能优良的温度自动控制系 统非常有意义 。
1 研究内容和方法
对时变的 、非线性的复杂系统 , 在无法获得被 控对象清晰数学模型的时候 , 利用具有智能性的 模糊控制器 , 可以给出较为有效的自动控制 。 模 糊控制系统是由被控对象 、执行机构 、过程输入输 出通道 、检测装置 、模糊控制器等几部分组成 。 被 控对象的数学模型可以是已知的 、精确的 , 也可以 是未知的 、模糊的 。
摘 要 :为解决电加热 炉由于惯性大 、时变性强 、扰动因素复杂 而难以建立准确数 学模型的问题 , 利用模糊控 制不需知道被控对象的 数学模型和较强的鲁棒性的特点 , 采用 LabVIEW 8.6的 模糊逻辑工 具包 , 结合数据采 集卡实现了电加热炉的 温度模糊控制 。 经多次实验和反复论证 , 调整模糊控制器的参 数 , 优化系统性能 、保证 温度模糊控制系统的稳 定性 。与 传统的 PID控制进行比较 , 模糊控 制不仅超调 较小 、响应快 、稳定性高 , 而且 系统设计方法简单 , 能方便地用于实际工业控制中 。 关键词 :模糊控制 ;LabVIEW;温度 中图分类号 :TP273 文献标识码 :A