烧结炉是特殊金属冶炼行业中关键设备，在一定温度下将金属烧结在一起，炉温的上下波动使烧结炉质量变差，导致产品合格率下降。控制好炉子的工艺参数，使之相对稳定，对于提高产品的质量及节约电能是至关重要的，为此，我们设计了模糊神经元控制策略对烧结炉温度控制。
1 引言
烧结炉是特殊金属冶炼行业中关键设备，在一定温度下将金属烧结在一起，炉温的上下波动使烧结炉质量变差，导致产品合格率下降。而且低压真空烧结炉是一个典型的大滞后大惯性对象，而且烧结材料的品种和装炉容量经常改变，相当于对象模型参数是时变的，组成系统各元件和热电偶，电磁阀等具有一定非线性，现场干扰 大，所以不易获得jingque的数学模型。由于以上情况，控制好炉子的工艺参数，使之相对稳定，对于提高产品的质量及节约电能是至关重要的，为此，我们设计了模糊神经元控制策略对烧结炉温度控制。
2 控制系统的硬件结构及控制要求
2.1 控制系统结构
同传统的继电器控制系统相比，传统的继电器控制只能进行开关量的控制，而PLC应用了微电子技术和计算机技术，既可进行开关量控制，又可进行模拟量控制，还能与计算机联成网络，实现分级控制。同dcs相比，不论是plc还是集散系统，在发展过程中，二者始终是相互渗透，互为补充,且plc比dcs有更好的性价比;从自动化控制系统的发展趋势来看，全分布式计算机控制系统必然会得到迅速发展，将综合plc与集散系统各自的优势，并把两者有机结合起来，形成一 种新型的全分布式的计算机控制系统。同工业微机控制相比，plc可靠性较工业微机高，编程简单，易于操作，性能稳定。
基于以上分析，本系统采用德国西门子公司的s7系列plc构成，其性能十分可靠，技术成熟，价廉等优点，充分利用现存的测点和控制执行机构。其结构图如图 1所示。其中，s7-300系列plc控制单元主要包括:电源模块、cpu、模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、操作面板、通讯电缆等。
图一
2.2 控制系统要求
(1) △t>△tmax时停止计时，即不计入工作时间，调至范围后继续计时。
(2) 可手自动切换，切换到手动后保持自动时的数据不变。
(3) plc状态数据(计数值、计时值)可掉电保持。
(4) 可判断工作段。
(5) 计时以秒为单位步进，给定值、上位显示值以1℃为单位步进。
3 模糊神经元控制方案，实现及仿真效果
3.1 模糊神经元控制
一个典型的模糊控制器它以系统的误差e和误差变化量de作为输入变量，控制量作为输出变量，它由模糊化，模糊推理和去模糊化三部分组成。首先将输入变量e 和de模糊化得到其模糊量e和ce，再经模糊推理过程得到输出控制量的模糊值u，经去模糊化后才得到实际的输出u。一般应用时都将模糊推理过程离线计算得 出一个模糊规则查询表，实时计算时只要查表即可。
由模糊控制器的原理可见，模糊控制器采用模糊量进行计算，当误差小于小一级模糊量时将无法进行控制，这必然造成稳态精度的问题。而要提高稳态精度就必须增加模糊量的级数，这又会使模糊推理复杂化和增大查询表，不利于实际应用。而且模糊控制系统有一个很明显的缺点:这就是它缺乏有效的学习机制。模糊神经元控制系统的优异之处则在于可以用神经网络的学习机制补偿模糊控制系统原有的缺点;
神经网络是由神经元按并行结构经过可调的连接权值连接成的网络如图2所示。由于对象模型的不准确性、系统非线性和时变性的特点使得系统的控制并不理想。而神经网络具有学习能力、泛化能力和非线性映射能力, 将模糊控制和神经元控制结合起来，取长补短，不但可以解决二者应用时的缺点，而且可以进一步提高控制性能。
图二
3.2 控制系统的分析和采用的算法
模糊控制算法
(1) 模糊化:用e表示测量值，用u表示模糊控制器的输出值。首先对每个测量值和输出值定义一个所考虑的范围，如对测量值e1有所考虑的范围[a1,b1]，该 范围内的所有e1构成论域e1，同样对于输出值有论域u1。在每个论域上可以定义一些模糊子集，如对测量温度值，可以定义为太高、稍高、合适、稍低、太低这样几个模糊子集。
(2) 控制规则:其规则形式为“if-then”型。如温度偏高，且温度上升速率较快，则应该将输出减少些(可控硅的导通角)。所有这些控制规则构成了控制规则 集。在模糊控制系统中，模糊控制规则的可调整性对系统的控制特性影响很大，对此提出控制规则的解析描述。
(3) 模糊控制规则的解析描述:控制规则涉及的论域有三个，为偏差e，偏差变化率△e和控制量u。并将这些论域可用七个语言变量 (pl，pm，ps，o，ns，nm，nl)来描述，并分别将这七个语言变量分别定义为:
pl(正大)=3，pm(正中)=2，ps(正 小)=1，o(零)=0
ns(负小)=-1，nm(负中)=-2，nl(负大)=-3
(4) 带有多个修正因子的控制规则:控制作用取决于偏差和偏差变化率。对二维控制系统而言，当误差较大时，控制系统主要任务是消除误差，这样对误差在控制规则中的加权应该大些;相反，当误差较小时，此时系统已经接近稳定(控制系统的主要任务是使系统尽快稳定)，为此必须减小超调。这样就要求在控制中变化率起的作 用大些，即对偏差变化率的加权大些。根据上述思想，考虑到引入多个修正因子a0，a1，a2，a3
多个修正因子的控制规则可表示为:
式中的a0，a1，a2，a3 ，当加权因子取:a0=0.45，a1=0.55，a2=0.65，a3=0.75
通过数字仿真得到较好的阶跃响应曲线。显然采用解析表达式描 述的控制规则简单方便，更易于计算机实现。
e:偏差，
△e:偏差变化率
模糊控制规则表如附表所示。
附表
3.3 程序流程图
程序流程图如图3所示。
图三
3.4 仿真
仿真在控制系统的研究、分析、开发上有着非常重要的作用，随着控制理论和计算机技术的进一步发展，计算机仿真也有了很多新的内容和任务。将仿真系统和实际系统相连进行实时仿真，让仿真计算机和实际系统交互，计算机采集实时数据后，进行分析处理，从而可以建立jingque数学模型、研究控制算法、调整控制器参数 以及建立寿命管理、专家诊断系统实现设备监督和诊断功能。甚至可以直接利用仿真系统设计控制算法，自动下载到实际控制器中，也可直接将运行matlab等 仿真软件的pc机通过接口连接到实际系统中作为控制器使用。烧结炉模糊神经元控制系统的仿真图如图4所示。
图四
(1) 仿真原理-matlab概述
matlab是当今国际上流行的控制系统辅助设计的语言和软件工具。matlab软件提供了可靠的数值运算、图像及图形显示与处理和高水平的图形界面功能，以及与其他程序设计语言，如c、fortran等的接口。matlab下，矩阵的运算变得非常的容易，具有丰富的矩阵处理功能和绘图功能。它已经 成为一种具有广泛应用前景的、全新的计算机编程语言了。
图5显示的是温度给定值t、1区温度t1、2区温度t2按给定曲线运行的情况。从显示曲线上可以看出，t1、t2基本上是按t指定的曲线运行。
图五
图 6为scope1图形显示的是调节量u1、u2的变化曲线。此仿真结果将在后来调试中得到验证，其仿真效果达到要求。
图六
4 现场运行，调试
在实际运行中，工艺曲线要求有升温，保温和降温三段，降温段为自然降温。应用模糊控制时，经过不断的修改控制策略和调节参数，使得烧结炉的实际温度曲线与给定温度曲线基本吻合;在恒温和升温状态下，偏差在±5度以内，在拐点处，偏差在±10度以内。控制周期为1s。
5 结论
经过长期运行表明:该系统稳定性好，有一定的抗干扰能力;具有很强的鲁棒性，能适应外界条件的变化:精度较高，而且参数整定方便。
