時間:2014-02-24 17:03:24來源:趙彤,張震
摘要:針對工業(yè)玻璃鋼化爐溫度控制系統(tǒng)中存在的非線性、時變時滯、變量間關聯(lián)嚴重、擾動復雜和被控對象難以建模等特性,傳統(tǒng)控制方法難以滿足控制要求。對這類復雜的控制系統(tǒng),運用模糊控制算法可以克服傳統(tǒng)控制的缺陷和不足,發(fā)揮其優(yōu)越的性能。運用MATLAB對被控對象的仿真結果表明,模糊控制算法能很好的適應具有非線性,時變性特點的不確定性系統(tǒng),對這類系統(tǒng)具有優(yōu)越的控制性能。
關鍵詞:玻璃鋼化爐溫度控制;模糊控制算法;非線性;參數(shù)時變;Simulink仿真
0引言
鋼化玻璃(Temperedglass)作為安全玻璃,具有耐沖擊、抗彎曲、熱穩(wěn)定性好且在破碎時變成小碎塊,不易對人體造成傷害等優(yōu)點[1],被廣泛應用于高層建筑、玻璃護欄、動車車窗等對玻璃安全和質(zhì)量要求較高的地方。
鋼化爐是對玻璃進行鋼化處理最重要的設備,其中鋼化過程中的冷卻階段,是鋼化過程中非常重要的環(huán)節(jié),其冷卻溫度的控制直接影響到鋼化玻璃的品質(zhì),控制不好甚至會出現(xiàn)玻璃的破碎。因此,冷卻過程中冷卻的溫度是一個重要的控制參數(shù)。
1研究背景
鋼化爐冷卻階段爐溫的調(diào)節(jié)采用的是風冷技術,即通過風機送冷卻風的方式對鋼化玻璃進行降溫處理。由于冷卻階段有諸多不確定因素,如冷卻風的溫度會隨外界發(fā)生變化、玻璃厚度也會隨鋼化的不同階段發(fā)生變化等。目前,冷卻階段的溫度控制主要采用人工操作和PID相結合的方式為主。人工調(diào)節(jié)雖然能把溫度控制在合理的區(qū)間內(nèi),但受人為因素影響較大,且很難達到高標準控制;PID控制雖具有簡單易行的特點,但PID控制對控制對象模型的依賴程度較大,而且只有在系統(tǒng)的各項參數(shù)保持基本不變的條件下才能滿足控制要求[2]。而實際卻是一個參數(shù)隨動、參數(shù)耦合的不確定性系統(tǒng),因此PID很難達到精準控制。模糊控制,則是智能控制領域中的一個分支,由其對被控制對象參數(shù)、結構變化不敏感、不需要建立被控對象的數(shù)學模型、魯棒性好等特點,在控制領域占有相當重要的作用。其運用操作者經(jīng)驗、知識或操作數(shù)據(jù)對被控對象進行控制,具有動態(tài)響應快、超調(diào)小等優(yōu)點,特別對動態(tài)時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、大時滯系統(tǒng)等復雜的系統(tǒng)具有很好的控制優(yōu)勢。
2模糊控制系統(tǒng)
模糊控制(FuzzyControl)是以模糊集合論,模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的智能控制方式[3],延續(xù)了傳統(tǒng)控制思想,由被控對象、模糊控制器、執(zhí)行器和反饋環(huán)節(jié)組成[4]。
2.1模糊控制器
模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心,它取代了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制器的位置,經(jīng)過輸入量的模糊化、模糊推理、輸出解模糊得到模糊控制量u。根據(jù)輸入變量個數(shù),模糊控制器可分為一維模糊控制器、二位模糊控制器和多維模糊控制器[5]。工程中一般采用將偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器輸入的二維模糊控制器結構。
圖2二維模糊控制器結構
相應的操作經(jīng)驗可歸納為:
基于以上操作經(jīng)驗和模糊子集的劃分,控制規(guī)則采用If e is NB and ec is NB, then u is PB- Mamdani模糊形式,即b-c段,可得出49條控制規(guī)則:
2.3隸屬度函數(shù)、解模糊的設定
在工程應用中,最常用的幾種隸屬度函數(shù)為:三角形、梯形、鐘形、高斯型、S形和Z形等,論域中間的模糊子集,多選用對稱的隸屬度函數(shù),而左右邊界的隸屬度函數(shù)多選用邊界變化緩慢的隸屬度函數(shù),設計中輸入和輸出模糊子集的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù):
3模糊控制系統(tǒng)的MATLAB仿真
玻璃鋼化爐是一個較為復雜的工業(yè)控制對象,冷卻過程中通過冷卻風的鼓入調(diào)節(jié)冷卻過程的溫度,具有時滯性、非線性、慣性、時變等因素的影響,因此很難建立其準確數(shù)學模型,一般采用簡化的數(shù)學模型:
對系統(tǒng)的仿真主要是觀測輸入信號經(jīng)過系統(tǒng)前后的變化,從而了解控制系統(tǒng)的控制性能,采取階躍信號作為系輸入,推理算法采用系統(tǒng)默認的Max-Min合成法,解模糊方法采用面積中心法,仿真采用固定步長。
仿真結果表明,采用參數(shù)設值合理模糊控制算法,不僅動態(tài)響應曲線好,還具有超調(diào)量小、響應速度快、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點,另外在遇到干擾擾動時,能克服噪聲擾動影響,控制質(zhì)量高,魯棒性好。
4結論
對具有非線性、時滯等特點的復雜系統(tǒng),模糊控制具有超調(diào)小,響應快,穩(wěn)態(tài)精度高的特點,對擾動的干擾具有很好的魯棒性和適應能力,能保持較高的控制質(zhì)量,具有明顯的理論和實際應用價值。
參考文獻
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