智能儀器論文

1、智能儀表課程大作業(yè)題目： PID控制算法在變頻調(diào)速中的應(yīng)用 班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：開課時間: 2015 至 2016 學(xué)年第 1 學(xué)期摘要PID控制是工業(yè)工程中應(yīng)用最為廣泛,最有效率的控制理論,從它的出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了很長的時間, 今天它依然在工業(yè)控制中占有不可替代的地位, 相信在以后的很長一段時間 PID控制還會有很強(qiáng)的生命力?，F(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展使原始,單一的控制技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)代控制的要求,將新型的控制理論,與傳統(tǒng)的 PID 控制技術(shù)相結(jié)合在未來的控制領(lǐng)域內(nèi)會有廣闊的前景 。針對目前自動稱重配料系統(tǒng)中采用傳統(tǒng) PID控制的不足、系統(tǒng)誤差不穩(wěn)定、動態(tài)特性不理想，提出了一種基于模糊

2、PID控制的算法。 將模糊控制與傳統(tǒng)的 PID控制技術(shù)結(jié)合起來，共同應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)節(jié)當(dāng)中。 系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器 （PLC）實(shí)現(xiàn)模糊 PID雙模控制，大大加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度， PLC模擬輸出控制變頻器調(diào)節(jié)皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制物料流量的目的。 經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，系統(tǒng)控制性能良好，有效解決了系統(tǒng)運(yùn)行中誤差不穩(wěn)定和動態(tài)特性不理想的問題。關(guān)鍵詞：模糊 PID；控制算法；變頻調(diào)速；自動配料系統(tǒng)AbstractPID control is the most widely applied in industrial engineering, the most efficient con

3、trol theory, from its emergence to now has experienced a very long time, today it still occupies an irreplaceable position in the industry control, believe in the future for a long time of PID control will also have the very strong vitality. With the rapid development of modern industry makes origin

4、al, single control technology has been difficult to adapt to the requirement of modern control, the new type of control theory, combined with the traditional PID control technology in the future will have broad prospect of control field. In view of the present automatic weighing ingredients for the

5、system s lack of traditional PID control，instability often system error， the dynamic characteristics were not ideal A fuzzy PID control algorithm was pro- posed Fuzzy control and conventional PID control combined together were used in the regulation of the actual systemSystem used PLC to achieve dua

6、l-mode fuzzy PID control， greatly speeding up the system response speed， PLC analog output adjustment belt drive motor speed control to achieve control of material flow purposes After a system simula- tion test， the system had good dynamic and static performance， to meet the requirements of actual c

7、ontrol Effectively solved the problem of the system operation error instability and dynamic characteristics was not idealKey words： fuzzy PID； control algorithm； variable frequency speed regulation； automatic batching system目錄一、引言1二、系統(tǒng)控制模型1三、模糊 PID控制算法設(shè)計(jì)23.1模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定23.2模糊控制器的輸入/輸出23.3控制規(guī)則和模糊控制表的求取

8、2四、模糊 PID控制算法的 PLC實(shí)現(xiàn)3五、系統(tǒng)仿真45.1 模糊PID控制的仿真45.1.1 FIS編輯器45.1.2 隸屬函數(shù)45.1.3 模糊規(guī)則庫55.2 對模糊控制器編程仿真7六、總結(jié)8參考文獻(xiàn)9致謝10模糊 PID 控制算法在變頻調(diào)速中的應(yīng)用一、引言隨著燒結(jié)配料技術(shù)的發(fā)展， 以往常用配料稱重系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是基于古典的 PID調(diào)節(jié)器，采用一般的 PID控制算法，其參數(shù)一般是按階躍響應(yīng)的過渡過程時間來整定的，靈敏度較高，對于固定參數(shù)的系統(tǒng)有著較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)， 從理論上講能做到無誤差調(diào)節(jié)。 但是，在實(shí)際運(yùn)行中，皮帶秤自動配料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度會受到各種因素的影響，這些往往使得系統(tǒng)誤差不穩(wěn)定，動

9、態(tài)特性不理想，無法達(dá)到預(yù)期的控制效果。提出模糊 PID復(fù)合控制算法、將模糊控制技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的 PID控制策略應(yīng)用在自動配料系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中。二、系統(tǒng)控制模型皮帶秤配料系統(tǒng)一般由可編程邏輯控制器（Programable Logic Controller， PLC）上位機(jī)、變頻器、直拖皮帶機(jī)、配料皮帶、主皮帶等部件組成，在配方給定的情況下， PLC可以獨(dú)立對物料流量實(shí)施閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)，其中采用模糊 PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，算法內(nèi)嵌于 PLC中，也可以接收上位機(jī)信號，實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)的上位機(jī)控制。 以配料系統(tǒng)中的一臺直拖皮帶配料系統(tǒng)為例，其控制方框圖如圖所示。模糊 PID的控制算法，將模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)的

10、PID控制技術(shù)結(jié)合起來，共同應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)節(jié)當(dāng)中，誤差較小時采用 PID控制，誤差較大時采用模糊控制。 控制系統(tǒng)算法基本流程圖如圖所示三、模糊 PID控制算法設(shè)計(jì) 模糊控制系統(tǒng)的品質(zhì)在很大程度上取決于控制規(guī)則及隸屬度的確定，控制規(guī)則是其核心，一般用 IF a THEN b的表達(dá)形式，條件 a可以是多個條件邏輯積。 模糊 PID復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)圖如圖所示3.1模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定該系統(tǒng)將給定值 Fgi和輸出反饋量 Ffi進(jìn)行比較，得到流量偏差 Ei，進(jìn)而可求出其變化率Ei，以 Ei和Ei作為 Fuzzy控制器的輸入，控制器的輸出是控制量 Ui，即采用二維模糊控制器，如圖3 所示。 其中， K1

11、、 K2為量化系數(shù)， K3為比例系數(shù)。3.2模糊控制器的輸入/輸出 將輸入信息 Ei和Ei量化在6，+6之中，偏差 Ei對應(yīng)的模糊子集 E分為八檔：E= 負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大即 E= NB，NM， NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。與此對應(yīng)：將偏差Ei對應(yīng)的模糊子集 Ed也分為八檔：Ed= 負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大即 Ed= NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。輸出信息 Ui也量化在6，+6之中，對應(yīng)的模糊子集 U同樣也分為八檔：U= 負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大即 U=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，P

12、B。3.3控制規(guī)則和模糊控制表的求取為了使控制規(guī)則模糊邏輯表轉(zhuǎn)化成模糊控制規(guī)則表，在 MATLAB中利用模糊邏輯（Fuzzy）工具箱，新建 FIS文件： Fuzzy1 fis，利用 MATLAB中的模糊邏輯 （Fuzzy）工具箱得到控制規(guī)則圖7 。輸入輸出曲面如圖所示。四、模糊 PID控制算法的 PLC實(shí)現(xiàn)為了讓 PLC能夠識別模糊控制規(guī)則，還需要在 MATLAB中用函數(shù) evalfis（）求解，將其轉(zhuǎn)換成模糊控制查詢表，以方便 PLC使用。 evalfis（）函數(shù)會利用用戶定義的模糊推理系統(tǒng) fis 對這些輸入信號進(jìn)行模糊化，用該系統(tǒng)進(jìn)行模糊推理，得出模糊輸出量。在 MATLAB中編寫程序，

13、由程序得出的數(shù)值經(jīng)四舍五入取整后得到模糊控制查詢表。 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子公司 S7200系列CPU224型 PLC。 其自帶的 PID模塊，加上建立在PLC中以數(shù)據(jù)塊查詢的模糊控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的模糊 PID控制。 因帶有符號的數(shù)在PLC中處理不方便，且容易出錯，所以把上面的E、Ed、 U都加上一個偏移量6，得到可以在 PLC中使用的模糊控制規(guī)則表。在 STEP7編程軟件中，查詢表是預(yù)先把加上偏移量后的值以數(shù)據(jù)塊的方式存在 PLC 內(nèi)存中，一般定義在 VB0 VB169連續(xù)的存儲空間中。 這樣可以使 PLC以查表的方式實(shí)現(xiàn)模糊控制，進(jìn)而提高控制響應(yīng)速度。在實(shí)時控制中，模糊控制首先將采

14、樣得到的輸入量量化到輸入語言變量模糊論域中，根據(jù)量化的結(jié)果元素，分別對應(yīng)到不同的地址，用變址尋址的方法去查數(shù)據(jù)塊中的模糊控制查詢表，進(jìn)而求出控制量的一個清晰值。 在每個控制周期，根據(jù) Ei和Ei的值查模糊控制表，即可得到控制量Ui，再經(jīng)過標(biāo)度變換，即得到系統(tǒng)的實(shí)際控制量u，用以控制實(shí)際的系統(tǒng)。 變址尋址方式查用戶自定義數(shù)據(jù)塊中的模糊控制表。用 PLC的編程軟件 PID設(shè)置向?qū)?PID 控制器，模糊控制與 PID控制在 PLC中編程設(shè)計(jì)根據(jù)偏差的大小，進(jìn)行實(shí)時的模糊 PID控制算法。五、系統(tǒng)仿真用 MATLAB 中的 Simulink 和 Fuzzy 工具箱, 對控制對象進(jìn)行仿真研究。5.1

15、 模糊PID控制的仿真 5.1.1 FIS編輯器 在MATLAB提示符下鍵入下列名字啟動系統(tǒng)“Fuzzy”。打開一個標(biāo)記為input1的單輸入，標(biāo)記為output1的單輸出的一個沒有標(biāo)題的FIS編輯器。打開Edit菜單并選擇Add Variable.分別添加輸入、輸出，并分別命名為E，EC，KP，KI，KD。5.1.2 隸屬函數(shù) 在上圖所示窗口中，打開View下拉式菜單并選擇Edit Membership Functions.通過雙擊各個變量，設(shè)置Range和Display Range。以定義其論域和每支隸屬函數(shù)的范圍。從Edit菜單中選擇Add MFs.分別對系統(tǒng)的輸入輸出變量按照設(shè)計(jì)書對隸

16、屬函數(shù)的類型、數(shù)量進(jìn)行定義，見圖5.1.3 模糊規(guī)則庫 在上圖所示窗口中,點(diǎn)擊“Edit”,選中“Rules.”按照任務(wù)書中的關(guān)于e、ec、KP、KD、KI的模糊規(guī)則，參照編輯器的提示，將規(guī)則一條一條的錄入其中，見圖綜上，對模糊控制器的各部分設(shè)置完成，將其保存為“fuzzpid.fis”。 使用菜單欄中的View->Rules即可觀察設(shè)計(jì)規(guī)則，如圖5所示。拖動輸入變量中間的豎直線，可以看到控制量的變化情況。通過分析圖形特點(diǎn)，可以看到它有明顯的梯度分布，說明所設(shè)計(jì)的模糊系統(tǒng)從誤差和誤差變化到三個PID參數(shù)變化量的模糊映射與理論設(shè)計(jì)匹配良好。5.2 對模糊控制器編程仿真 設(shè)被控對象為采樣時間

17、為1ms，采用模糊PID控制進(jìn)行階躍響應(yīng)，在第300個采樣時間時控制器輸出加1.0的干擾，相應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果如下圖所示 模糊PID控制階躍響應(yīng) 模糊PID控制誤差響應(yīng) 控制器輸出 Kp的自適應(yīng)調(diào)整 Ki的自適應(yīng)調(diào)整 Kd的自適應(yīng)調(diào)整 普通PID控制響應(yīng)與模糊PID控制響應(yīng)的對比六、總結(jié)可見，模糊控制器的控制輸出在波動產(chǎn)生后較短的時間內(nèi)，重新進(jìn)入收斂狀態(tài)。反應(yīng)靈敏，動作迅速，可靠性比較高。 綜上，模糊PID控制器具有優(yōu)良的控制效果，所建立模糊系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)具備實(shí)用性和可行性,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，將先進(jìn)的模糊 PID控制算法應(yīng)用于電子皮帶秤自動配料系統(tǒng)，確實(shí)有效解決了 以往皮帶秤

18、配料系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差較大、動態(tài)特性不理想的問題,提高高系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度和可靠性，有效解決了動態(tài)稱重配料系統(tǒng)的兩個重要指標(biāo)快速性和準(zhǔn)確性難以統(tǒng)一的問題。 在系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，采用模糊 PID 復(fù)合控制方式比單純采用 PID控制，系統(tǒng)波動較小、更容易穩(wěn)定、系統(tǒng)調(diào)整時間也有明顯改善。 其應(yīng)用前景廣闊，勢必取代傳統(tǒng)的 PID控制器，同時也提高了工業(yè)自動化的程度。參考文獻(xiàn)1 李牡丹，李麗宏，雷張偉 基于模糊 PID控制的配料秤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)J中國測試技術(shù)，2008 （02）：116-1192曾光奇，胡均安模糊控制理論與工程應(yīng)用M武漢：華中科技大學(xué)出版社，20063蘇濤，姚凱學(xué)基于 Fuzzy-PI雙?？刂频目刂葡到y(tǒng)J控制工程，2005（S2