專業(yè)資料基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)

1、大司法目 錄摘 要IAbstractII 1 緒論11.1 課題的提出和意義11.2 溫度控制系統(tǒng)控制方案11.3 本文的工作42 模糊PID控制52.1 常規(guī)PID控制52.2 模糊控制92.3 模糊PID控制133 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的模糊PID設(shè)計(jì)163.1 電阻爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立163.2 電阻爐模糊控制器的建立183.3 電阻爐模糊PID控制器設(shè)計(jì)204 仿真研究與比較284.1 PID控制284.2 電阻爐模糊控制294.3 電阻爐模糊PID控制294.4 比較與總結(jié)305 總結(jié)與展望32致謝33參考文獻(xiàn)341 緒論1.1 課題的提出和意義 溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又

2、十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電阻爐、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關(guān)?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。由于溫度自身的一些特點(diǎn)，如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等使控制系統(tǒng)性能不佳。在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都是有超調(diào)的而且很多時(shí)候超調(diào)量較大，本論文是基

3、于這一特點(diǎn)，研究一種控制方案使其調(diào)節(jié)時(shí)間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。1.2 溫度控制系統(tǒng)控制方案計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)控制系統(tǒng)的進(jìn)步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)硬件與控制軟件的緊密結(jié)合必然導(dǎo)致新型的微機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案和智能控制方案。第一類: 經(jīng)典控制方案經(jīng)典控制方案可分為數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案和數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方案。數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換而來的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設(shè)計(jì)己有一套成熟的方法，其中以

4、PID控制器為代表。PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。將模擬控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制器是用離散時(shí)近似方法將一連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的控制規(guī)律離散為數(shù)字控制器的控制規(guī)律，其中為確保數(shù)字控制器與模擬控制器的近似，要適當(dāng)選擇采樣周期。第二類: 基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和提示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能。基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案是建立在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部模型的描述之上的。它是通過數(shù)學(xué)方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合。控制規(guī)律的確定是通過極小化預(yù)先確定的性

5、能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)而推導(dǎo)出來的。此類設(shè)計(jì)方案主要有:系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、自校正控制等。這類設(shè)計(jì)方案適用范圍廣，適合于多輸入多輸出系統(tǒng)、某些非線性時(shí)變系統(tǒng)和一些具有隨機(jī)擾動(dòng)的系統(tǒng)。該方法理論嚴(yán)謹(jǐn)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題可以嚴(yán)格證明，性能指標(biāo)能定量分析，得到的控制品質(zhì)較好。但這類方法需要知道精確的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型形式。第三類: 智能控制方案智能控制方案是一類無需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。它實(shí)質(zhì)仁是一種無模型控制方案，即在不需要知道對(duì)象精確模型的情況下，通過自身的

6、調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。智能控制系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)(1)智能控制系統(tǒng)一般具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程。它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在己知算法的生產(chǎn)過程。(2)智能控制具有信息處理和決策機(jī)構(gòu)，它實(shí)際上是對(duì)人神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機(jī)構(gòu)的一種模仿。(3)智能控制器具有非線性。這是因?yàn)槿说乃季S具有非線性，作為模仿人的思維進(jìn)行決策的智能控制也具有非線性的特點(diǎn)。(4)智能控制器具有變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。(5)智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點(diǎn)。智能控制方案主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法控制等。常用的溫度控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和要求的性能指標(biāo)有所

7、不同。除了傳統(tǒng)的PID控制方法，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與PID控制相結(jié)合及這些智能控制之間的結(jié)合。具體有如下一些方法: (1)模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個(gè)過程的控制算法，它不需要被控對(duì)象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷，容易應(yīng)用。模糊溫控的實(shí)現(xiàn)過程為:將溫控對(duì)象的偏差和偏差率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。根據(jù)模糊查詢表，形成模糊控制算法。對(duì)輸入量的精確值模糊化，經(jīng)數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確值去

8、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使其穩(wěn)定的目的。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應(yīng)速度快，抗千擾能力強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)的目的，也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的方法。 (4)模糊控制與PID的結(jié)合具

9、體結(jié)合形式有多種，主要是Fuzzy-PID復(fù)合控制和模糊整定PID參數(shù)的方法。Fuzzy-PID復(fù)合控制:當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；偏差較小時(shí)采用PID控制，使具有好的靜態(tài)性能。是一種模糊控制和PID控制的分階段切換控制方法。模糊整定PID參數(shù)的方法:根據(jù)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制方法。(5)模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊控制所基于的經(jīng)驗(yàn)不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對(duì)象的要求。所以應(yīng)使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展。基于這樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的來修正偏差和偏差變化率的比例系數(shù)，達(dá)到優(yōu)化

10、模糊控制器的作用，從而進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)時(shí)控制的效果，有強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制都屬于智能控制方法，它們與PID控制結(jié)合，適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大滯后、時(shí)變等特點(diǎn)。模糊控制特別適應(yīng)于大慣性和純滯后的系統(tǒng)，無須知道系統(tǒng)的精確信息。1.3 本文的工作基于以上所述日前國內(nèi)外的溫控方法的各自特點(diǎn)，以及溫度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，本論文考慮采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自整定PID控制方法。本文首先介紹常規(guī)PID控制，模糊控制和自適應(yīng)模糊PID控制的基礎(chǔ)，然后對(duì)電阻爐溫度這一控制對(duì)象，選擇了純PID控制、純模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制三種控制方案，并給

11、出了仿真與比較。 2 模糊PID控制基礎(chǔ)2.1 常規(guī)PID控制2.1.1 模擬PID控制PID控制是偏差比例(P)、偏差積分(I)、偏差微分(D)控制的簡(jiǎn)稱。在模擬控制系統(tǒng)中，常規(guī)模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制(虛框內(nèi)部分)和被控對(duì)象組成。比例積分被控對(duì)象 -微分圖2.1 模擬PID控制器系統(tǒng)框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r (t)與實(shí)際輸出值y (t)構(gòu)成偏差: (2.1)將偏差比例、積分和微分控制，通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為 (2.2)其傳遞函數(shù)形式為: (2.3)式中： -為比例系數(shù)；-為積分

12、時(shí)間常數(shù)；-為微分時(shí)間常數(shù)1、比例控制（P）在比例調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u與偏差信號(hào)e成正比例，即 （2.4）其中為比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)即及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象可能產(chǎn)生靜差（自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）；而對(duì)于帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也隨之降低。2、積分調(diào)節(jié)（I）在積分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u的變化速度du /dt與偏差信號(hào)e成正比，即： （2.5）其中：稱為積分時(shí)間常數(shù)可見偏差一旦產(chǎn)生，控制信號(hào)不斷增大，偏差信號(hào)消失后，控制信號(hào)保持原值，顯然，在

13、已知為常數(shù)的情況下，控制信號(hào)為常數(shù)當(dāng)且僅當(dāng)e=0，即對(duì)于一個(gè)帶積分作用的控制器而言，如果它能夠使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到內(nèi)穩(wěn)，并存在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，則此時(shí)對(duì)設(shè)定值r的跟蹤必然是無靜差的。積分調(diào)節(jié)主要用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。其特點(diǎn)是，它相當(dāng)于滯后校正環(huán)節(jié)，因此如相位滯后，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。積分作用雖然可以消除靜差，但不能及時(shí)克服靜差，偏差信號(hào)產(chǎn)生后有滯后現(xiàn)象，使調(diào)節(jié)過程緩慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。3、微分調(diào)節(jié)（D）在微分調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的輸出u與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 （2.6）可見微分作用輸出只與偏差變化有關(guān)，偏差無變化就無控制信號(hào)輸出，所以不能消除靜差

14、。調(diào)節(jié)器中增加微分作用相當(dāng)于使控制輸出超前了時(shí)間，為零時(shí)，相當(dāng)于沒有微分作用。其特點(diǎn)是，針對(duì)被控對(duì)象的大慣性改善動(dòng)態(tài)特性，它能給出響應(yīng)過程提前制動(dòng)的減速信號(hào)，相當(dāng)于其具有某種程度的預(yù)見性。它有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。2.1.2 數(shù)字PID控制計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)逐漸被數(shù)字控制方式所取代。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)算法程序來實(shí)現(xiàn)的，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。1、位置式PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，

15、它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，式（2.2）中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式（2.2），現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換:式中T為采樣周期，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，3。顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e (kT)簡(jiǎn)化表示成e (k)等，即略去了T。將上式代入（2.2）,可得離散的PID表達(dá)式為： (2.7)或 (2.8)式中: u (k)-第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e (k)-第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e (k-1)-

16、第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。-積分系數(shù)：,-微分系數(shù):由Z變換性質(zhì)可得：得式(2.7)的Z變換式為： （2.9）由式(2.8)便可得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為： （2.10）2、增置式PID控制算法增量式PID控制算法可由(2.7)導(dǎo)出。根據(jù)遞推原理可得 （2.11）用式(2.8)減式(2.11)得增量式控制算法如下: （2.12）式(2.12)中：為了編程方便，可將(2.12)式整理成如下形式: (2.13)其中：位置式PID算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)誤差進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大，而且如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度的變化，這

17、種情況往往是在生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID控制是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。增量式控制雖然只是算法上作了改進(jìn)，相對(duì)位置型算法而言卻帶來了不少優(yōu)點(diǎn):(1)增量式PID控制算法不需要做累加，控制量增量的確定僅于最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度問題，對(duì)控制量的影響較小。(2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以保持原值，而且比較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。

18、(3)采用增量式算法，便于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。但增量式PID也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。因此，選擇時(shí)不可一概而論。2.1.3 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)傳統(tǒng)的PID之所以有很強(qiáng)的生命力，其主要原因在于：PID控制對(duì)于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性；PID算法原理簡(jiǎn)明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富；過程的動(dòng)態(tài)特性大都具有高階、非線性、大延遲及時(shí)變等特性，給以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用帶來了困難。但傳統(tǒng)的PID控制也存在許多不足，最突出的一點(diǎn)就是有關(guān)PID參數(shù)的問題。首先，傳統(tǒng)的PID無自適應(yīng)能力。這主要表現(xiàn)在：PID控制器參

19、數(shù)只能為滿足生產(chǎn)過程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中人們主要關(guān)心的問題是PID控制器，只能通過整定一組“設(shè)定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”。而傳統(tǒng)的PID參數(shù)來滿足一個(gè)方面的要求。因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù)，這樣得到的控制效果顯然是最佳的。2.2 模糊控制 模糊控制的特點(diǎn)如下：(1)不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，它只需以對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。(2)是一種反映人類智慧思維的智能控制，模糊控制采用人類思維作控制量，控制量由模糊推理導(dǎo)出，這都是人類通常智能活動(dòng)的體現(xiàn)。(3)易被人們接受，模糊控制規(guī)則是用人類語言表示的，易被一般人接受和理解。(4)構(gòu)造容易，模糊

20、控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制算法可完全用軟件實(shí)現(xiàn)。(5)魯棒性好，無論被控對(duì)象是線形的還是非線形的模糊控制系統(tǒng)都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。模糊控制作為智能控制的一種，是自動(dòng)化控制技術(shù)中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，存在多種不確定性及難以確切描述的非線性。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)控制過程不僅要求控制的精確性，還要求控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)性，而傳統(tǒng)控制存在的局限性使之不能從根本上解決這些問題。模糊控制具有不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越受到重視。2.2.1 模糊控

21、制系統(tǒng)組成模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。圖2.2 模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)一般可分為5個(gè)組成部分:(1)模糊控制器:模糊控制系統(tǒng)的核心部分，采用模糊數(shù)學(xué)知識(shí)表示和進(jìn)行規(guī)則推理的語言型控制器，實(shí)際上是一臺(tái)PC機(jī)或單片機(jī)及其相應(yīng)軟件。(2)輸入/輸出接口:模糊控制器通過輸入接口從被控對(duì)象獲得數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號(hào)經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)去控制被控對(duì)象。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu):主要包括電動(dòng)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，如伺服電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。(4)被控對(duì)象:它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的

22、、自然的、社會(huì)的、生物的或其它各種狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。這些被控對(duì)象可以是確定的或模糊的、單變量或多變量、有滯后或無滯后、也可以是線性或非線性、定?；驎r(shí)變，以及具有干擾和耦合等多種情況。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更適宜采用模糊控制。(5)變送器:由傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，傳感器是將被控對(duì)象或過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，其精度直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度。2.2.2 模糊控制的工作原理模糊控制是以模糊集合論作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的控制方式，主要應(yīng)用于被控對(duì)象復(fù)雜、可變難以建立數(shù)學(xué)模型或具有極強(qiáng)的非線性系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)控制器依賴于系統(tǒng)行為參數(shù)的控制設(shè)計(jì)方法不同的是模糊控制器依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)。

23、在傳統(tǒng)控制器中，參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是根據(jù)數(shù)學(xué)模型所描述的被控過程的狀態(tài)分析得來的，而模糊控制器的參數(shù)和控制輸出的調(diào)整是從過程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的，通常是通過優(yōu)化模糊控制規(guī)則來改善模糊控制性能。模糊控制的基本思想，是把對(duì)特定的被控對(duì)象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以if(條件)和then(作用)的形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過程?？刂谱饔眉鶠橐唤M被量化了的模糊語言集，如“正大”、“負(fù)大”、“低”、“高”、“正常”等。理論上，模糊控制器由N維關(guān)系R表示，關(guān)系R為受約于0，1區(qū)間的n個(gè)變量的函數(shù)。R是n個(gè)N維關(guān)系R1的組合，每個(gè)R1代表一條規(guī)則，即R1:if-t

24、hen?？刂破鞯妮斎隭被模糊化為一關(guān)系x，模糊輸出Y可應(yīng)用合成推理規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模糊輸出Y進(jìn)行模糊判決(解模糊)得到精確的數(shù)值輸出y，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。模糊控制的核心部分模糊控制器主要由模糊化、模糊推理、反模糊化、知識(shí)庫組成。(1)模糊化所謂模糊化就是先將某個(gè)輸入量的測(cè)量值作標(biāo)準(zhǔn)化處理，把該輸入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)量值轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語言變量。(2)模糊推理根據(jù)事先己定制好的一組模糊條件語句構(gòu)成模糊規(guī)則庫，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

25、列條件進(jìn)行綜合評(píng)估，以得到一個(gè)定性的用語言表示的量，即模糊輸出量。完成這部分功能的過程就是模糊邏輯推理過程。(3)反模糊化反模糊化(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。 (4)知識(shí)庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫用來存放所有輸入/輸出變量的全部模糊子集和隸屬函數(shù)。規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則。2.2.3 模糊控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是:(l)模糊控制器是易于控制、易于掌握的非線性控制器，是一種語言控制器;(2)模糊糊控制器不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，可以用于控制那些系統(tǒng)模型無法確定的系統(tǒng);(3)控制器抗干擾能力強(qiáng)，響

26、應(yīng)速度快，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。缺點(diǎn)是模糊控制存在穩(wěn)態(tài)誤差和模糊規(guī)則不易確定。2.3 模糊PID控制常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認(rèn)為這種控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成Fuzzy-PI(或PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制和PID控制結(jié)合的形式有多種

27、:(1)模糊-PID復(fù)合控制控制策略是:在大偏差范圍內(nèi)，即偏差e在某個(gè)閉值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能:在小偏差范圍內(nèi)，即e落到闡值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成PID(或PI)控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉(zhuǎn)換闡值由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為Fuzzy-PI雙模控制。(2)比例-模糊-PI控制當(dāng)偏差e大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；當(dāng)偏差e減小到閉值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程中的超調(diào)。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓

28、縮，等效于語言變量的語言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成PI控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時(shí)，(這時(shí)絕對(duì)誤差實(shí)際上并不一定為零)切換至PI控制。(3)模糊-積分混合控制是將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。(4)自適應(yīng)模糊PID控制PID控制的關(guān)鍵是確定PID參數(shù)，該方法是用模糊控制來確定PID參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢

29、測(cè)e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。其原理框圖如圖所示模糊化模糊推理常規(guī)PID調(diào)節(jié)器被控對(duì)象d/dt圖2.3 自適應(yīng)模糊PID控制的原理圖較常用的是模糊-PID復(fù)合控制和自適應(yīng)模糊PID控制兩種方法。2.3.1 自適應(yīng)模糊PID控制基本特性模糊控制引入了邏輯推理，有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，對(duì)非線性、大延遲等復(fù)雜系有良好的控制效果。由此可見，將模糊控制與PID控制相結(jié)合，可以很好地克服傳PID控制的不足，實(shí)現(xiàn)精確控制。并且使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，可以更效地實(shí)現(xiàn)人的控制策略和經(jīng)驗(yàn)。自適應(yīng)模糊PID控制

30、的目的就是根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)整比例、積分微分系數(shù)，以達(dá)到控制作用在任何時(shí)候均為最優(yōu)。自適應(yīng)調(diào)整過程是模仿人的思維過推理實(shí)現(xiàn)的，由于人固有的特性，這一過程又一定是模糊的，如“如果當(dāng)前偏差很大而偏差變化的速度仍很慢，則加大調(diào)節(jié)作用，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度”，“如果前偏差已很小而偏差變化的速度仍很大，則減小調(diào)節(jié)作用，以便減小系統(tǒng)超調(diào)”等為簡(jiǎn)化運(yùn)算，使問題求解難度降低，以滿足實(shí)時(shí)性的要求，在不降低其它性能標(biāo)的前提下，本文將模糊推理器設(shè)計(jì)成二輸入三輸出的推理器，即輸入是偏差e和差變化率ec，輸出是Kp，Ki，Kd，用來分別調(diào)節(jié)，的值。控制器參數(shù)(比例系數(shù)、積分系和微分系數(shù))的初值，由用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入，這樣以

31、使用戶仍可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行宏的調(diào)節(jié)。并在很大程度上彌補(bǔ)了模糊推理中對(duì)變量進(jìn)行模糊化所造成的誤差，提高控制器主動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)或環(huán)境的能力?？刂破鲄?shù)的每一次調(diào)節(jié)都是在具體情況下的時(shí)修正，因而可達(dá)到調(diào)節(jié)作用的時(shí)間最優(yōu)。2.3.2 自適應(yīng)模糊PID控制工作流程自適應(yīng)模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化ec，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)PID修正參數(shù)的模糊矩陣表(在程序中執(zhí)行)，在線查出修正參數(shù)后帶入下式計(jì)算:在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成PID參數(shù)的在線自適應(yīng)。其工作流程如圖所示。開始取當(dāng)前采樣值

32、e(k)=r(k)-y(k)ec(k)=e(k)-e(k-1)e(k-1)=e(k)e(k),ec(k)模糊化模糊整定Kp,Ki,KdPID控制器輸出返回圖2.4 在線模糊自適應(yīng)PID工作流程圖3 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 電阻爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立電阻爐的實(shí)物圖如圖3-1所示：圖3-1 電阻爐實(shí)物圖通常電阻爐的溫度控制可用以下模型定性描述 （3.1）式中： X-電阻爐內(nèi)溫升(指爐內(nèi)溫度與室溫溫差)； K-放大系數(shù)；-純滯后時(shí)間；t-加熱時(shí)間；T-時(shí)間系數(shù)；V-控制電壓理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。然而，對(duì)于二階不振蕩系統(tǒng)，通過

33、參數(shù)辨識(shí)可以降為一階模型。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。所以，電阻爐溫度模型的傳遞函數(shù)為 （3.2）其中，K，T，分別為對(duì)象模型的靜態(tài)增益、純滯后時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)，s為復(fù)變量。l)靜態(tài)增益K放大系數(shù)K又稱為放大系數(shù)，是被控對(duì)象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的輸出變化量和輸入變化量之比，它是不隨時(shí)間變化的量。在相同的輸入變化作用下，被控對(duì)象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對(duì)輸出的影響越大，被控對(duì)象的自身穩(wěn)定性越差;反之，K越小，被控對(duì)象的穩(wěn)定性就越好。2)滯后時(shí)間T在過程控制中，很多被控對(duì)象在受到輸入變量的作用以后，其被控量并不立即發(fā)生改變，而是經(jīng)過一定時(shí)間才發(fā)生變化，這就是

34、滯后現(xiàn)象，滯后時(shí)間下是描述這種現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。3)時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)反映了被控對(duì)象受到輸入作用以后，輸出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)過程的長(zhǎng)短，是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。3.1.1 被控對(duì)象模型確立目前工程上常用的方法是對(duì)過程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)取過程對(duì)象的階躍應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩公式確定近似傳遞函數(shù)。給定輸入階躍信號(hào)250，用熱電偶測(cè)量電阻爐的溫度，每分鐘采一次點(diǎn)。表3.1 每分鐘溫度采樣值表時(shí)間t（分）01234567溫度T（度）2050105150180210240250實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3.1:根據(jù)Cohn-Coon公式如下:式中： M

35、為系統(tǒng)階躍輸入；C為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)C時(shí)的時(shí)間（分）從而求得K=0.92,T=144s,=30s, 所以電阻爐模型為3.2 電阻爐模糊控制器的建立模糊控制有快速、魯棒性好的特點(diǎn)?？梢钥紤]用它對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，希望能取得好的性能。如前所述，比較常用的有Mamdani型。模糊邏輯工具箱中模糊推理系統(tǒng)有五個(gè)過程：輸入變量的模糊化、模糊關(guān)系運(yùn)算、模糊合成運(yùn)算、不同規(guī)則結(jié)果的綜合、去模糊化。對(duì)多輸入，就需要運(yùn)用模糊合成運(yùn)算對(duì)這些多輸入進(jìn)行綜合考慮和分析。任何完善合理的模糊合成方法都可用“與（and）”和“或（or）”來實(shí)現(xiàn)。MATLAB工具箱內(nèi)置兩種and操作方法，即最小法（min）和乘積法(prod)。同

36、樣，or操作的方法也有兩種，即最大法（max）和概率法（probor）。模糊蘊(yùn)涵（implication）是各條模糊規(guī)則的表示問題，在MATLAB中蘊(yùn)涵有兩種方法：最大值法max、概率法probor、求和法sum。反模糊方法有多種，常用的是重心法centroid。電阻爐模糊控制器的建立方法：(1)確定模糊控制器的輸入、輸出變量，模糊控制器采用3個(gè)模糊變量:E為溫度誤差；EC為溫度誤差的變化率；U為控制加熱的供電電壓其中E、EC為輸入模糊變量，而U為輸出模糊變量(2)確定各輸入:取3個(gè)語言變量的量化等級(jí)都為7級(jí)，即x，y，z=-3，-2，-1,0,1,2,3。誤差e的論域?yàn)?30,30。誤差變化

37、de的論域?yàn)?90,90?？刂戚敵鰑的論域?yàn)?16,16。則各比例因子為：Kp=4/50=2/25, Ki=4/150=2/75, Kd=64/4=16。(3)在各輸入和輸出語言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集。e,ec和u的模子集均為NB,NS,0,PS,PB，模糊量的隸屬函數(shù)的形狀在理論上是鐘型的，但是考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，在實(shí)際控制過程中往往簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單又能反映模糊推理結(jié)果的隸屬函數(shù)，從而大大簡(jiǎn)化模糊推理的計(jì)算過程。實(shí)驗(yàn)證明，三角形隸屬函數(shù)對(duì)鐘型隸屬函數(shù)的簡(jiǎn)化是合理可行的。各語言變量模糊子集通過隸屬度函數(shù)來定義，為了提高穩(wěn)態(tài)點(diǎn)控制的精度，量化方式采用非線性量化： 表3-2 模糊集的隸屬度函數(shù)誤差e

38、-30-15-5051530誤差率de-90-30-100103090控制v-16-4-202416量化等級(jí)-3-2-10123狀態(tài)變量相關(guān)的隸屬度函數(shù)PB000000.51PS0000.510.50ZE0000.50.500NS00.510.5000NB10.500000 (4)模糊控制規(guī)則的確定 模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得出一條條模糊條件語句的集合。確定模糊控制規(guī)則的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特征達(dá)到最佳?？紤]誤差e=Td-T為負(fù)的情況。當(dāng)e為負(fù)大時(shí)，無論的值如何，為了消除偏差應(yīng)使控制量增大。是控制量u應(yīng)取正大。即有如下控制規(guī)則：規(guī)則1：如

39、果誤差e是NB，且誤差變化de是PB，則控制U為PB；規(guī)則2：如果誤差e是NB，且誤差變化de是PS，則控制U為PB；規(guī)則3：如果誤差e是NB，且誤差變化de是ZE，則控制U為PB；規(guī)則4：如果誤差e是NB，且誤差變化de是NS，則控制U為PB；當(dāng)誤差e為負(fù)小或零時(shí)，主要矛盾轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題了。為了防止超調(diào)過大并使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，就要根據(jù)誤差的變化de來確定控制量的變化。若de為正，表明誤差有減少的趨勢(shì)，即有如下控制規(guī)則：規(guī)則5： 如果誤差e是NS，且誤差變化de是ZE，則控制U為PB；規(guī)則6： 如果誤差e是NS，且誤差變化de是PS，則控制U為ZE；規(guī)則7： 如果誤差e是NS，且誤差變化

40、de是PB，則控制U為NS；規(guī)則8： 如果誤差e是ZE，且誤差變化de是ZE，則控制U為ZE；規(guī)則9： 如果誤差e是ZE，且誤差變化de是PS，則控制U為NS；規(guī)則10：如果誤差e是ZE，且誤差變化de是PB，則控制U為NB；當(dāng)誤差變化de為負(fù)時(shí)，偏差有增大的趨勢(shì)，這時(shí)應(yīng)使控制量增加，防止偏差進(jìn)一步加大。因此有控制規(guī)則：規(guī)則11： 如果誤差e是NS，且誤差變化de是NS，則控制U為PS；規(guī)則12： 如果誤差e是NS，且誤差變化de是NB，則控制U為PB；規(guī)則13： 如果誤差e是ZE，且誤差變化de是NS，則控制U為PS；規(guī)則14： 如果誤差e是ZE，且誤差變化de是NB，則控制U為PB；根據(jù)系

41、統(tǒng)工作的特點(diǎn)，當(dāng)誤差e和誤差de同時(shí)變號(hào)時(shí)，控制量的變化也應(yīng)變號(hào)。這樣就可以得出剩余的9條規(guī)則。表3.3 模糊控制規(guī)則表UEDENBNSZEPSPBNB*PBPBPSNBNSPBPSPSZENBZEPBPSZENSNBPSPBZENSNSNBPBPBNSNBNB*3.3 電阻爐模糊PID控制但是由于模糊控制的積分效果較差，靜態(tài)控制效果不是很理想。如可以將模糊控制和PID結(jié)合起來，兼顧模糊控制的棒性和PID控制的高精度，能達(dá)到很好的控制效果。目前模糊PID控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，但工作原理基本一致。人們運(yùn)用模學(xué)的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制則以及其有關(guān)信息作為知

42、識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，構(gòu)成模糊自整PID控制器。自整定模糊PID控制是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)的整定。因此模糊自整定PID控制器設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊控制規(guī)則表，得到針對(duì)，三個(gè)參分別整定的模糊控制表?；谝陨舷嚓P(guān)的理論研究和分析，我們總結(jié)出模糊PID控制器的設(shè)計(jì)分為如下部分:(l)確定模糊PID控制器的輸入和輸出變量。模糊控制器的輸入變量通常取誤差E和誤差的變化EC，構(gòu)成二維模糊PD

43、控制器，輸出變量一般選擇控制量的增量。模糊PID控制系統(tǒng)中控制量通常是，取其增量Kp,Ki, Kd為輸出量。(2)根據(jù)輸入輸出變量的變化范圍，確定它們的量化等級(jí)、量化因子、比例因子。在每個(gè)變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集。首先確定模糊子集個(gè)數(shù)，確定每個(gè)模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇合適的隸屬度函數(shù)。(3)建立模糊控制規(guī)則。模糊控制是語言控制，因此用語言歸納專家的手動(dòng)控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語句。(4)模糊推理模糊判決。通過模糊控制規(guī)則，得到從誤差論域到控制量的模糊關(guān)系矩陣R，再通過誤差的模糊向量E和誤差變化的模糊向量EC與模糊關(guān)系R合成進(jìn)行模糊推

44、理，得到控制量的模糊向量。采用清晰化方法將模糊控制向量轉(zhuǎn)化為精確量。(5)求模糊控制表。模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運(yùn)算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級(jí)E、EC與PID控制量，之間的確定關(guān)系。 (6)把采樣得到的偏差、偏差變化再經(jīng)過模糊化，代入模糊控制規(guī)則表，得出新的PID參數(shù)，再經(jīng)過PID算法的計(jì)算就得出了最后的輸出量，也就是系統(tǒng)的控制量。(7)通過仿真分析模糊PID控制性能，再對(duì)比例因子和量化因子進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的控制效果。3.3.1 模糊PID控制器的輸入輸出變量及其模糊化在工程實(shí)際應(yīng)用中，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性較好，是目前較為廣泛采用的一種形式。本文

45、也設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，以溫度的偏差e和偏差的變化ec作為輸入量，其相應(yīng)的語言變量為E和EC，輸出量為PID控制參數(shù)，,，其相應(yīng)的語言變量為，輸入輸出分別采用正態(tài)分布函數(shù)的隸屬度。首先將系統(tǒng)的輸入溫度以及爐溫變化的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，該過程稱為模糊化，或稱為模糊量化。模糊化的作用是把一個(gè)精確的輸入變量通過定義在其論域上的隸屬度函數(shù)計(jì)算出其屬于各模糊集合的隸屬度，從而將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)模糊變量。電阻爐模糊PID控制器輸入輸出變量的模糊化分為以下幾個(gè)步驟:(l)論域的選擇通過分析爐溫度變化的特點(diǎn)，選取誤差。的基本論域?yàn)?-50,50設(shè)其量化論域?yàn)?，3，則量化因子Ke=3/50=0.06。電阻爐爐溫

46、度變化速率為ec的基本論域，取為:一12，12，其量化論域?yàn)?3，3，則量化因子 Kec=3/12=0.25。(2)量化因子的選擇的基本論域?yàn)?0.3，0.3，其量化論域?yàn)?0.3，0.3，則量化因子1。的基本論域?yàn)?0.06，0.06，其量化論域?yàn)?0.06，0.06，則量化因子l。的基本論域?yàn)?3，3，其量化論域?yàn)?3，3，則量化因子1(3)確定隸屬度函數(shù)根據(jù)溫度的控制的特性分別將輸入和輸出的三角形隸屬度函數(shù)曲線，進(jìn)行離散化處理，分別得到溫度偏差，偏差變化，的各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)表。E，EC，的隸屬度函數(shù)表，表中值表示論域中的值對(duì)應(yīng)每個(gè)模糊集的隸屬度。表3.4 E,EC和Kp的隸屬度表

47、-3-2-10123NB1.00.300000NM0.310.30000NS00.310.30000000.310.300PS0000.310.30PM00000.310.3PB000000.31表3.5 Kd的隸屬度表-0.3-0.2-0.100.10.20.3NB1.00.300000NM0.310.30000NS00.310.30000000.310.300PS0000.310.30PM00000.310.3PB000000.31表3.6 Ki的隸屬度表-0.06-0.04-0.0200.020.040.06NB1.00.300000NM0.310.30000NS00.310.30000

48、000.310.300PS0000.310.30PM00000.310.3PB000000.313.3.2 模糊PID控制器調(diào)整規(guī)則控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵，一般包括:選擇描述輸入輸出變量的詞集，根據(jù)各模糊變量的模糊子集和現(xiàn)場(chǎng)的專家規(guī)則建立模糊控制器的控制規(guī)則。(l)變量詞集是描述輸入和輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯(如“正大”、“負(fù)小”等)的集合，稱為這些變量的詞集。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則更加方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能不佳。

49、一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來描述溫度變量的狀態(tài)，再加上正、負(fù)兩個(gè)方向和零狀態(tài)共有七個(gè)詞匯，即負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大用英文字頭縮寫為:NB，NM，NS，0，PS，PM，PB一般情況下，選擇上述七個(gè)詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選擇較多的詞匯可以更精確的描述變量，提高控制精度，但會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少則使變量描述粗糙，導(dǎo)致控制性能變壞。將E、EC和Kp其劃分為7個(gè)檔次，即E、EC、=-3，一2，一1，0，+1,+2，+3;增加論域中元素個(gè)數(shù)可提高控制精度，但增大了計(jì)算量，而且模糊控制效果的改善并不顯著。同理，將和的在模糊論域上也劃為7個(gè)檔次，從而能夠得=-0.

50、3，-0.2，-0.1,0，+0.1，+0.2，+0.3 以及=-0.06，-0.04，-0.02，0，+0.02，+0.04,+0.06。(2)模糊控制器的規(guī)則設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則庫由一系列“IF一THEN”型的模糊條件句所構(gòu)成。條件句的前提部分為輸入和狀態(tài)，而結(jié)論部分為控制變量。模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略而建立的，而手動(dòng)控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累逐漸形成的，存儲(chǔ)在操作者或?qū)＜抑械囊环N技術(shù)知識(shí)集合。模糊控制規(guī)則的生成大致有以下四種方法，即根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過程控制知識(shí)生成模糊規(guī)則;根據(jù)過程模糊型生成控制規(guī)則;根據(jù)對(duì)手工控制操作的系統(tǒng)觀察和測(cè)量生成控制規(guī)則;根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成控制

51、規(guī)則。PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與電阻爐溫度偏差和溫度偏差變化之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)溫度偏差和計(jì)算偏差的變化，根據(jù)模糊控制原理來對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同溫度設(shè)定和溫度偏差及偏差變化時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。從系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，,的作用如下:比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，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)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。積分作用系數(shù)的

52、作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分作用系統(tǒng)的作用是改善系統(tǒng)溫度相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。由以往的經(jīng)驗(yàn)和溫度控制的特殊性得知PID控制,參數(shù)調(diào)整有如下的規(guī)律:當(dāng)溫度偏差|e|較大時(shí)，為了加快溫度控制的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的同時(shí)為了避免由于開始時(shí)溫度偏差e的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，導(dǎo)致超調(diào)的發(fā)生，應(yīng)取較小的，同時(shí)為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，對(duì)積分作用加以限制，通常取=0即去掉積分作用。當(dāng)溫度偏差|e|和偏差變化|ec|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取得小些，和取