基于模糊自適應(yīng)PID的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于模糊自適應(yīng)pid的爐溫控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師：陳兆娜 設(shè)計(jì)學(xué)生：蔣德肖 目錄 1 2 3 4 模糊控制模糊控制 pid pid控制控制 模糊模糊pidpid控制控制 背景背景.目的目的. .意義意義 近年來，我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，制造行業(yè)的進(jìn)步更是一日千里，在 這樣的大環(huán)境下，各行各業(yè)，如汽車、輪船、鐵路、建筑、機(jī)械設(shè)備 制造等對(duì)鋼材的需求不斷增大，為了滿足這巨大的市場(chǎng)需求，不斷有 新的鋼鐵生產(chǎn)線被建設(shè)出來，而在整個(gè)鋼材的生產(chǎn)加工的過程中，加 熱爐扮演著一個(gè)重要且不可缺少的角色，它的作用是對(duì)冷熱鋼坯進(jìn)行 加熱，以便后面的軋鋼得以順利的進(jìn)行，而待軋鋼坯的溫度和溫度的 均勻與否對(duì)軋鋼的質(zhì)量有著重

2、要的影響。 加熱爐是整個(gè)鋼材的生產(chǎn)加工中的重要一環(huán)，同時(shí)，也是能耗比 較多的一環(huán)，一個(gè)性能優(yōu)良的加熱爐控制系統(tǒng)不僅對(duì)鋼材的質(zhì)量有著 重要的影響，同時(shí)也能節(jié)約大量能源，提高能源的利用率，減少環(huán)境 的污染，為社會(huì)和諧發(fā)展作出貢獻(xiàn)。加熱爐從誕生的那天起自身也在 不斷的發(fā)展著，從起初的“直燃式”到今天的“蓄熱式”，從原來的 “推鋼式”到后來的“步進(jìn)式”。 背景 在爐溫控制過程中，許多被控對(duì)象受負(fù)荷變化或干擾因素影響， 其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)易發(fā)生改變。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在 線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保 持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識(shí)的模型的精確度，

3、這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。因此，在爐溫控制過程中，大量采用 的仍然是pid算法。pid參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對(duì)象特 性為基礎(chǔ)。 在爐溫控制中，pid控制是歷史最悠久的，生命力最強(qiáng)的一種控 制方式。它是迄今為止最通用的控制方法。常規(guī)pid控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ，參數(shù)意義清晰明確，可靠性高，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，控制精度 高，能滿足大工業(yè)過程的要求。然而在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中, 大多數(shù)工業(yè)過程 不同程度的存在非線性、大滯后、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，因此 常規(guī)pid參數(shù)整定方法繁雜，其參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對(duì)運(yùn) 行工況的整定性差。而模糊控制不要求被控對(duì)象的精確模型且適應(yīng)性 強(qiáng)，為了克服傳統(tǒng)pid

4、控制器的缺點(diǎn)，人們將模糊控制與pid控制器 結(jié)合起來，揚(yáng)長(zhǎng)避短，研究出了多種模糊pid控制器。 目的 （1）提高生產(chǎn)率，增加效益 加熱爐復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性以及繁瑣的工藝流程使得人為的操作會(huì)給產(chǎn) 品的質(zhì)量帶來很大的影響，而在自動(dòng)化程度較高的控制系統(tǒng)下，人為 失誤對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響就比較低，這樣產(chǎn)品總體的良率就會(huì)達(dá)到 比較高的水平，加熱爐中生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制和自動(dòng)工藝管理控制可 以縮短生產(chǎn)周期，并提高產(chǎn)量和質(zhì)量，使得生產(chǎn)率提高，增加企業(yè)效 益。 （2）安全生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn) 在加熱爐這個(gè)特殊的工藝中，因?yàn)楦郀t和轉(zhuǎn)爐煤氣的大量使用，使 得整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的安全變得尤為重要，不僅要保證各種設(shè)備的安全運(yùn) 行，還要防

5、止人員中毒事件的發(fā)生，而一套先進(jìn)的控制系統(tǒng)也應(yīng)該能 提供一個(gè)安全的生產(chǎn)環(huán)境，要對(duì)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如爐 膛的壓力，工作現(xiàn)場(chǎng)煤氣的濃度等。只有在安全的環(huán)境下，生產(chǎn)才能 順利進(jìn)行。 意義 （3）節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境 通過優(yōu)化提高加熱爐控制性能的方法，可以使燃料的熱量得到充分的 利用，以達(dá)到節(jié)約燃料的目的。此外，通過對(duì)燃燒過程進(jìn)行有效控制， 使燃燒在合理的空燃比條件下運(yùn)行，會(huì)大大減少加熱爐過氧燃燒產(chǎn)生 的氮氧化合物等有害氣體和欠氧燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量黑煙，減少對(duì)周邊 環(huán)境的污染和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞力度。具有關(guān)研究表明，與人工操 作相比，合理的燃燒控制能使化學(xué)不完全燃燒熱損失由原來的，5% 一15%

6、降到1%以下，一空氣過剩系數(shù)由原來的1.3一1.6準(zhǔn)確的控制 在1.1一1.3之間，而使排煙熱損失降低12%一18%，燃耗降低4.8% 一 11.2%。 模糊系統(tǒng)是一種基于知識(shí)或基于規(guī)則的系統(tǒng)。它的核心就是由所 謂的if-then規(guī)則所組成的知識(shí)庫(kù)。一個(gè)模糊的if-then規(guī)則就是一 個(gè)用連續(xù)隸屬度函數(shù)對(duì)所描述的某些句子所做的if-then形式的陳述。 構(gòu)造一個(gè)模糊系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)就是要得到一組來自于專家或基于該領(lǐng)域 知識(shí)的模糊if-then規(guī)則，然后將這些規(guī)則組合到單一系統(tǒng)中。不同 的模糊系統(tǒng)可采用不用的組合原則。 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計(jì)。模糊控制器的 設(shè)計(jì)主要有三個(gè)部分:

7、(1) 輸入量的模糊化 (2) 模糊邏輯推理 (3) 反模糊化過程 模糊控制 1.11.1輸入量的模糊化 所謂模糊化(fuzzification) 就是先將某個(gè)輸入測(cè)量量的測(cè)量 值作標(biāo)準(zhǔn)化處理,把該輸入測(cè)量量的變化范圍映射到相應(yīng)論域中,再將 論域中的各輸入數(shù)據(jù)以相應(yīng)的模糊語(yǔ)言值的形式表示,并構(gòu)成模糊集 合。這樣就把輸入的測(cè)量量轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語(yǔ)言 變量。 1 1.2 .2 模糊邏輯推理 根據(jù)事先已定制好的一組模糊條件語(yǔ)句構(gòu)成模糊規(guī)則庫(kù),運(yùn)用模糊 數(shù)學(xué)理論對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計(jì)算,從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)輸 入的一系列條件進(jìn)行綜合評(píng)估,以得到一個(gè)定性的用語(yǔ)言表示的量,即 模糊輸出

8、量。完成這部分功能的過程就是模糊邏輯推理過程。 2.3 2.3 反模糊化過程 反模糊化(defuzzification) 有時(shí)又叫模糊判決。就是將模糊 輸出量轉(zhuǎn)化為能夠直接控制執(zhí)行部件的精確輸出量的過程。 模糊控制的基本原理框圖如圖4-1所示。它的核心部分為模糊控制器， 如圖中點(diǎn)畫線框中部分所示，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。 實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過程描述如下：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精 確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e，一般選誤差信號(hào)作為模糊 控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)e的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差e 的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差e的模糊語(yǔ)言集

9、合的一個(gè)子集e （e是一個(gè)模糊矢量），再由e和模糊關(guān)系r根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決 策，得到模糊控制量u，即：uer 模糊控制器的組成框圖 pid控制 輸入：控制偏差e ( t ) = r ( t ) - y ( t ) 輸出：偏差的比例(p)、積分(i)和微分(d)的線性 組合 控制規(guī)律 1( ) ( )d i d et utk petetd tt d t t 其中:u(t)一控制器的輸出 e(t)一控制器輸入，它是給定值和被控 對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)。 kp一控制器的比例系數(shù)。 ti一控制器的積分時(shí)間。 td一控制器的微分時(shí)間。 1.pid是一個(gè)閉環(huán)控制算法。因此要實(shí)現(xiàn)pid算法，必

10、須在硬件上具有 閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測(cè) 量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上，下面也將以轉(zhuǎn)速控制 為例。 2.pid是比例(p)、積分(i)、微分(d)控制算法。但并不是必須同時(shí)具備 這三種算法，也可以是pd,pi,甚至只有p算法控制。我以前對(duì)于閉環(huán)控 制的一個(gè)最樸素的想法就只有p控制，將當(dāng)前結(jié)果反饋回來，再與目 標(biāo)相減，為正的話，行，直至無(wú)誤差；，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高 無(wú)差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差； 微分，反 映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化 的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之

11、前，已被微分調(diào) 節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有 放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。積分和微分都不能單獨(dú)起作 用，必須與比例控制配合 控制器pid項(xiàng)選擇 1、比例控制規(guī)律p：采用p控制規(guī)律能較快地克服擾動(dòng)的影響，它的 作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果 是雖較能有效的克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)。它適用于控制通道 滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍 內(nèi)有余差的場(chǎng)合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位 控制；油泵房中間油罐油位控制等。 2、比例積分控制規(guī)律(pi)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛 的

12、一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通 道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合。如：在 主線窯頭重油換向室中f1401到f1419號(hào)槍的重油流量控制系統(tǒng)；油 泵房供油管流量控制系統(tǒng)；退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。 3、比例微分控制規(guī)律(pd)：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后 的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于 提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí) 間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏 差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需 要說明一點(diǎn)，對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里，微

13、分項(xiàng)是無(wú)能為力，而 在測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如 ：大窯玻璃液位的控制。 4、例積分微分控制規(guī)律(pid)：pid控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī) 律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用， 又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大 、控制要求較高的場(chǎng)合。如溫度控制、成分控制等。 pid算法流程圖 模糊pid控制 所謂模糊pid控制器,即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī) 則對(duì)pid控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化,以達(dá)到較為 理想的控制效果。模糊pid控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、 參數(shù)解模糊、pid控制器等幾個(gè)重

14、要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定 的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的 偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn) 行解模糊，輸出pid控制器的比例、積分、微分系數(shù)。 控制原理 在手動(dòng)過程中,人所能獲得的信息量基本上為3個(gè),誤差、誤差的變 化、誤差變化的變化,即誤差變化的速率。一般來說,人對(duì)誤差最敏感, 其次是誤差的變化,再次是誤差變化的速率。從理論上講,模糊控制器 的維數(shù)越高,控制越精細(xì)。但維數(shù)過高,模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜,控 制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。這或許是目前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用二維模糊 控制器的原因所在,因此,自適應(yīng)模糊pid控制器以誤差e和誤差變化ec 作為輸入,可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)pid參數(shù)自整定的要求。利用 模糊控制規(guī)則對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行修改,便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊pid控制器 控制系統(tǒng)的原理圖 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等方面來考 慮kp、ki、kd的作用如下： （1）kp值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢。從而 延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 （2）積分作用系數(shù)ki的作用