模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1、第3章 模糊PID智能控制算法設(shè)計(jì)PID控制是工業(yè)過程中應(yīng)用最廣泛的、常規(guī)控制中最基本的控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、不依賴于系統(tǒng)精確的模型的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)其用到復(fù)雜控制系統(tǒng)時(shí)，難以取得理想的控制效果，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。智能控制具有學(xué)習(xí)能力、對(duì)變化環(huán)境的適應(yīng)能力以及自組織協(xié)調(diào)能力，能夠應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)的控制中。因此，將智能控制方法和常規(guī)PID控制方法結(jié)合起來，可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，提高控制系統(tǒng)的整體性能。常規(guī)PID控制的參數(shù)是固定的，在廣義被控對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，其自身參數(shù)不能根據(jù)變化做出相應(yīng)的調(diào)整。針對(duì)這一問題，已有研究者提出能自校正的PID控制方法。但是在系統(tǒng)非線性的情況下，實(shí)現(xiàn)自校

2、正相當(dāng)困難。因而需要設(shè)計(jì)一種PID參數(shù)自適應(yīng)的控制方法，在對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，其參數(shù)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。采用智能控制方法對(duì)自適應(yīng)PID的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化的參數(shù)送到控制器，將可以很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID的缺陷，達(dá)到良好的控制效果，智能自適應(yīng)PID控制應(yīng)運(yùn)而生 方鵬.基于模糊PID算法的中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).合肥工業(yè)大學(xué)，2009.3.。PID控制系統(tǒng)的參數(shù)分為比例、積分、微分系數(shù)和PID控制器的參考值兩個(gè)方面，因此改變PID參數(shù)也有改變比例、積分、微分系數(shù)和改變PID回路的參考值兩種方法。通常的自適應(yīng)PID控制是采用前一種方法，對(duì)于被控對(duì)象的模型的改變，通過調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)來調(diào)整三種作用的強(qiáng)

3、弱，從而來適應(yīng)變化。這類控制方法中最具代表性的是模糊自適應(yīng)PID控制方法。模糊自適應(yīng)PID控制是用模糊控制來適時(shí)調(diào)整PID參數(shù)的方法，其主要思想是結(jié)和工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則，通過推理得到比例、積分、微分三個(gè)整定參數(shù)。由于一維模糊控制精度不夠，而三維模糊控制計(jì)算過于麻煩，通常情況下采用二維模糊控制方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定。具體的方法是通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差及誤差變化率得到模糊控制的輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊規(guī)則表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。參數(shù)的調(diào)整包括極性和大小兩個(gè)方面。同時(shí)，系統(tǒng)要求辨識(shí)機(jī)構(gòu)能夠提供足夠的系統(tǒng)信息，且保證模糊自整定PID有較為廣泛的控制空間。模糊規(guī)則的

4、設(shè)計(jì)要保證系統(tǒng)滿足快速響應(yīng)、無靜差的要求3.1 PID控制基本原理比例積分微分（proportional integral derivative, PID）控制是到現(xiàn)在為止最通用、最基本的控制方法。目前大多數(shù)的反饋回路用該辦法或者較小的變形來控制。PID 及其改進(jìn)型是工業(yè)控制中最常見的控制器。雖然自20世紀(jì)初PID控制誕生以來，控制理論與控制技術(shù)取得了令人矚目的成就，先進(jìn)控制策略不斷更新，但該控制器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)模型誤差有魯棒性和易于操作實(shí)現(xiàn)在大多數(shù)過程控制中取得令人滿意的控制性能，現(xiàn)仍然被廣泛用于冶金、電力、化工、機(jī)械和輕工等工業(yè)控制中。3.1.1 PID控制器原理PID控制在生產(chǎn)過程中是一

5、種被普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示。圖3.1 PID控制原理圖模糊PID將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：(3.1)其中控制器輸出；控制器輸入；比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)；積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)；PID控制器的三個(gè)組成部分對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下 路桂明.基于模糊PID控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的研究. 哈爾濱理工大學(xué)，2012.：1、比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨

6、著比例系數(shù)Kp的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。2、積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著積分時(shí)間常數(shù)Ti的減小，靜差在減??；但過小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。3、微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，它可以預(yù)測(cè)將來，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變的過大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。3.1.2

7、數(shù)字PID控制器計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計(jì)算機(jī)PID控制中，使用的是數(shù)字PID控制器。按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)T(k)代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即(3.2)將描述連續(xù)PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID算法的差分方程，為書寫方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k)，即為數(shù)字PID位置型控制算法，如式(3.3)、所示。(3.3)或(3.4)(3.5)式(3.5)中，即為增量式PID控制量，由第k次采樣計(jì)算得到的控制量輸出增量。可

8、以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp、Ki和Kd，只要使用前3次的測(cè)量值偏差，即可求出控制量的增量。PID控制用途廣泛、使用靈活，已有很多成功的實(shí)例。在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中很多情況下，并不一定需要全部設(shè)定三個(gè)比例、微分和積分控制，可以根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜取其中的一個(gè)或兩個(gè)控制即可。但是需說明的是：在設(shè)計(jì)PID控制器中，比例控制是必不可少的。3.1.3 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器參數(shù)的調(diào)整方法有好多種，目前采用的方法主要有臨界比例系數(shù)法、響應(yīng)曲線法、Ziegler-Nichols參數(shù)設(shè)定方法、改進(jìn)的Ziegler-Nichols參數(shù)設(shè)定方法、擴(kuò)充臨界比例系數(shù)法、擴(kuò)

9、充響應(yīng)曲線法、基于交義兩點(diǎn)法的PID整定規(guī)則和基于增益優(yōu)化的整定方法等等 安重仰.基于ARM的溫度智能控制研究.河北工業(yè)大學(xué)，2011.。(1) 擴(kuò)充臨界比例系數(shù)法模擬控制在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時(shí)經(jīng)常使用的一種方法是臨界比例系數(shù)法，而擴(kuò)充臨界比例系數(shù)法就是在此方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展得到的。此方法利用采樣周期周期最小的一個(gè)值調(diào)節(jié)P值，在通過查表法算出其他的參數(shù)。(2) 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是在對(duì)模擬控制器參數(shù)調(diào)整時(shí)所使用的曲線法的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展得到的。方法為先根據(jù)動(dòng)態(tài)相應(yīng)曲線求出等效時(shí)間常數(shù)Tk.和等效純滯后時(shí)間，然后再求出Tk/的值，再根據(jù)表格求出T0、Kp、Ki和Kd的值。（3）Ziegler

10、-Nichols（ZN) 參數(shù)設(shè)定方法在實(shí)際的應(yīng)用中，為了使PID控制器調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間，應(yīng)盡量少使用或不使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，盡可能多的利用以往的操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)的整定。3.1.4 PID控制器的改進(jìn)1、積分飽和現(xiàn)象及其抑制 采用標(biāo)準(zhǔn) PID 位置式算法，在實(shí)現(xiàn)控制的過程中，只要系統(tǒng)的偏差沒有消除，積分作用就會(huì)繼續(xù)增加或減小，最后使控制量達(dá)到上限或者下限，系統(tǒng)進(jìn)入飽和范圍。而對(duì)時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象，在階躍響應(yīng)作用下，偏差通常不會(huì)在幾個(gè)采樣周期內(nèi)消除掉，積分項(xiàng)的作用就可能使輸出值超過正常范圍，造成較大的超調(diào)。為了克服這種現(xiàn)象，可以采用過限消弱積分法和積分分離法。過限消弱積分法就是在控

11、制變量進(jìn)入飽和區(qū)后，程序只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算，而停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。積分分離法的基本思想是：當(dāng)誤差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪去積分作用，從而使積分項(xiàng)不至于過大，只有當(dāng)誤差較小時(shí)，才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。2、干擾的抑制 數(shù)字PID控制器的輸入量是系統(tǒng)的給定值r 系統(tǒng)實(shí)際輸出的偏差值e。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過程后，由于e值不大，此時(shí)相對(duì)而言，干擾對(duì)控制器的影響也就很大。為了消除干擾的影響，除了在硬件采取相應(yīng)的措施以外，在控制算法上也要采取一定的措施。對(duì)于作用時(shí)間較短的快速變化的干擾，如A/D轉(zhuǎn)換偶然出錯(cuò)，可以用連續(xù)多次采樣并求平均值的方法予以濾除。在 PID 控制算法中，差分項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)誤差和干

12、擾特別敏感。因此一旦出現(xiàn)干擾，由它算出的結(jié)果可能出現(xiàn)很大的非希望值。此時(shí)可以使用四點(diǎn)中心差分法等方法對(duì)差分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以提高系統(tǒng)抗干擾能力 楊帆.具有PID自整定功能的溫度控制器研究與實(shí)現(xiàn). 大連理工大學(xué)，2006.。3.2 模糊控制基本理論國內(nèi)外研究學(xué)者們對(duì)模糊現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)由來已久，20世紀(jì) 20年代開始，對(duì)模糊問題就有學(xué)者一直在進(jìn)行研究。1965年數(shù)學(xué)家Zadeh發(fā)表了論文Fuzzy Sets，在該論文中Zadeh首次提出了度量事物模糊程度的概念：隸屬函數(shù)，由此產(chǎn)生了模糊集合理論。這一理論的產(chǎn)生突破了迪笛卡爾在19世紀(jì)末創(chuàng)建的經(jīng)典集合論，開創(chuàng)了模糊邏輯和模糊數(shù)學(xué)的新篇章 李智.井式電阻爐溫度

13、模糊PID控制算法研究與溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).遼寧科技大學(xué)，2011.10。 模糊控制的基本思想模糊控制是將以模糊集合理論、模糊語言以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的理論，同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，來模擬人的思維方式，對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行控制的一種方法。模糊控制的基本思想就是用計(jì)算機(jī)來模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制，將人的控制思想，也就是把專家的知識(shí)和操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并將這些經(jīng)驗(yàn)表達(dá)成模糊控制規(guī)則，然后將這些控制規(guī)則轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的算法，進(jìn)而完成對(duì)被控對(duì)象的控制 Biglarbegian M, Melek. W.W, Mendel J.M. On the Stability of Interv

14、al Type-2 TSK Fuzzy Logic Control Systems. Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, IEEE Transactions on, 2010,40(3):798-818.。3.2.2 模糊控制系統(tǒng)工作原理模糊控制無需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語句表示的控制規(guī)則，采用模糊控制卻能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的大規(guī)模系統(tǒng)控制取得令人滿意的控制效果。其主要反映在對(duì)對(duì)象復(fù)雜的、機(jī)理不明的控制系統(tǒng)，它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗(yàn)與策略，實(shí)現(xiàn)了智能化的控制。(1) 模糊控制系統(tǒng)組成一個(gè)模糊控制

15、系統(tǒng)必須包含一些必要的部件，模糊控制的系統(tǒng)框圖如圖3.2所示，其中矩形框內(nèi)為模糊控制器部分，模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它控制系統(tǒng)的標(biāo)志，模糊控制器中存放的是由模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出來的模糊控制算法，一般由微機(jī)編程或者硬件來實(shí)現(xiàn)，模糊控制器不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，被控對(duì)象不同，以及對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求不同，模糊控制器的控制規(guī)則也不盡相同。計(jì)算偏差變化模糊化模糊規(guī)則推理清晰化被控對(duì)象r-+eeeE ECUu圖3.2 模糊控制系統(tǒng)框圖(2) 模糊控制器工作原理模糊控制無需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語句表示的控制規(guī)則，采用模糊控制

16、卻能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的大規(guī)模系統(tǒng)控制取得令人滿意的控制效果。其主要反映在對(duì)對(duì)象復(fù)雜的、機(jī)理不明的控制系統(tǒng)，它模仿和升華了人的控制經(jīng)驗(yàn)與策略，實(shí)現(xiàn)了智能化的控制 Tanaka. K., Ohtake. H., Wang H.O. A Descriptor System Approach to Fuzzy Control System Design via Fuzzy Lyapunov Functions. Fuzzy Systems, IEEE Transactions on, 2007, 15(3): 333-341.。模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示。模糊控制器的輸入是系統(tǒng)給定值和當(dāng)前值的誤

17、差e和誤差變化量ec，模糊控制器的輸出為控制量u。模糊控制器主要由輸入量的模糊化處理、模糊控制規(guī)則、模糊推理和去模糊化四部分組成。模糊邏輯系統(tǒng)的工作機(jī)理：首先通過模糊化模塊將輸入的精確量進(jìn)行模糊化處理，轉(zhuǎn)換成給定論域上的模糊集合；然后激活規(guī)則庫中對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則，并且選用適當(dāng)?shù)哪：评矸椒?，根?jù)已知的模糊事實(shí)獲得推理結(jié)果，最后將該模糊結(jié)果去模糊化處理，得到最終的精確輸出量。圖3.3 模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖(3) 模糊控制器的實(shí)現(xiàn)步驟模糊控制器的實(shí)現(xiàn)步驟主要有以下幾步2：第一步、計(jì)算系統(tǒng)設(shè)定值和當(dāng)前值的誤差e和誤差變化量ec。第二步、輸入量的模糊化處理。即將精確值e和ec模糊化成模糊語言變量，把語言變

18、量值化為適當(dāng)論域的模糊子集(如“大”、“中”、“小”等)。第三步、模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，是反映專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的控制策略。第四步、模糊推理，即模糊決策。就是將模糊化后的語言變量和模糊控制規(guī)則，根據(jù)推理合成規(guī)則，推出得到模糊控制量的過程。第五步、去模糊化。因?yàn)槟：评淼慕Y(jié)果是一個(gè)模糊量，必須將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量，這一過程成為去模糊化，也可以稱為解模糊。3.3 聚氨酯膠生產(chǎn)線模糊PID智能控制器設(shè)計(jì)聚氨酯膠的RIM過程中，反應(yīng)物料在模具中發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生分子鏈的增長(zhǎng)和鏈的相互聯(lián)結(jié)、纏結(jié)。當(dāng)固化完成時(shí)，形成閉合的聚合網(wǎng)絡(luò)。因此，反應(yīng)物料的固化過程是人們所關(guān)心的，它由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

19、和熱力學(xué)決定，同時(shí)也受物理?xiàng)l件的影響，如模具的尺寸和溫度、反應(yīng)物料的溫度等。通過控制反應(yīng)的化學(xué)和物理?xiàng)l件，交聯(lián)度可以變化，使得最終聚氨酯膠具有可滿足不同需要的性質(zhì)。固化反應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度的變化十分敏感，小幅度的環(huán)境溫度變化會(huì)引起涂料固化反應(yīng)的明顯加快或減緩。另外，固化溫度對(duì)聚氨酯膠的微觀結(jié)構(gòu)、相轉(zhuǎn)變溫度及熱性能等特性也影響較大，因此，實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制是聚氨酯膠生產(chǎn)過程的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步提高聚氨酯膠生產(chǎn)線模具溫度的控制精度，閉環(huán)控制器采用了Fuzzy-PI控制器。通常的二維Fuzzy控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能、魯棒性強(qiáng)、對(duì)參數(shù)變化及外界干擾具有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，但存在著穩(wěn)態(tài)誤差無法消除的缺點(diǎn)，且

20、在工作點(diǎn)附近容易產(chǎn)生極限振蕩。由線性控制理論可知，積分控制的作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。因此將PI控制策略引入Fuzzy控制器，構(gòu)成Fuzzy-PI復(fù)合控制方式，通過模糊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制。將所設(shè)計(jì)控制器應(yīng)用到聚氨酯膠的RIM過程中。很好的解決了聚氨酯膠反應(yīng)釜中溫度的升溫、恒溫、降溫控制問題。參數(shù)自整定的模糊PID控制器控制結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。其原理為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況，利用模糊控制器在線調(diào)整PID控制中的參數(shù)Kp、Ki和Kd，以達(dá)到在線智能自整定的作用。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

21、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)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，再根據(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時(shí)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，且計(jì)算量小，易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)4。圖3.4 參數(shù)自整定模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖模糊PID控制器設(shè)計(jì)主要分為以下步驟 陳永秀.伺服轉(zhuǎn)臺(tái)溫控箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.6., 王潤(rùn)澤.生物發(fā)酵溫度控制策略的研究,河北工業(yè)大學(xué)，2010.12：1. 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)；2. 選擇模糊規(guī)則；3. 模糊推理和模糊

22、判決，得到模糊控制查詢表；4. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析模糊 PID 的控制性能，再對(duì)量化因子和比例因子進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到理想的控制效果。3.3.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇，就是確定模糊控制器的輸入輸出變量。理論上講，模糊控制器維數(shù)越高，控制越精密。但是，維數(shù)越高，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。由于系統(tǒng)受控對(duì)象溫度具有非線性與時(shí)滯性，為了得到良好的控制性能，不僅要觀測(cè)系統(tǒng)的溫度偏差e，同時(shí)應(yīng)該觀測(cè)其偏差變化ec的趨勢(shì)，因此，系統(tǒng)采用的是二維模糊控制器，輸入變量取為溫度偏差e和偏差變化ec，輸出變量為PID參數(shù)的修正量Kp、Ki和Kd，這樣就構(gòu)成了一個(gè)雙輸入三輸出的模

23、糊控制器，如圖3.5所示，同時(shí)可得模糊控制器在Matlab環(huán)境下的系統(tǒng)參數(shù)。圖3.5 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖3.3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器是基于模糊規(guī)則設(shè)計(jì)的，模糊規(guī)則是由若干語言變量構(gòu)成的模糊條件語句，它需要設(shè)計(jì)者根據(jù)模糊控制器的結(jié)構(gòu)，從大量的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取。其選擇過程可簡(jiǎn)單分成三個(gè)部分，即選擇適當(dāng)?shù)哪：Z言變量，確定各語言變量的隸屬度函數(shù)，最后建立模糊控制規(guī)則王曉紅.Fuzzy-PID.控制在吊運(yùn)100米鋼軌系統(tǒng)中的應(yīng)用.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2011.6.。（1） 模糊語言變量的確定當(dāng)選擇的模糊詞集較多時(shí)，則輸入和輸出變量的控制規(guī)則就變的比較簡(jiǎn)單，不過此時(shí)就需要更多的響應(yīng)規(guī)則。當(dāng)選擇的

24、詞集較少時(shí)，變量的性能不能完全體現(xiàn)，這就不能發(fā)揮模糊控制器的作用。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，將溫度誤差e、誤差變化率ec和控制輸出量Kp、Ki和Kd采用七個(gè)詞集來描述，即模糊子集為e、ec、Kp、Ki和Kd=PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB，各子集中的元素依次代表代表正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大。表3.1給出了各個(gè)變量的基本論域、模糊論域和量化因子。表3.1 語言變量參量表語言變量EECKpKiKd基本論語-5, 5-0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.1, 0.1-0.4, 0.4模糊論語-10, 10-0.25, 0.25-0.01, 0.01-0.1, 0.1-4, 4

25、量化因子20.51010.1（2）語言變量隸屬度函數(shù)的確定在選擇模糊控制器的隸屬度函數(shù)時(shí)，要根據(jù)誤差的大小來合理分配。比如在誤差較大的范圍內(nèi)，擇較為粗獷的模糊集合。反之，在小誤差范圍內(nèi)，采用相對(duì)比較靈敏的模糊集合。通過合理的模糊隸屬函數(shù)的選擇，能對(duì)被控對(duì)象的控制效果滿足發(fā)酵過程溫度控制的要求。本文中對(duì)NB和PB采用正太行分布的隸屬度函數(shù)，PM，PS，Z，NS，NM均采用三角形的分布函數(shù)。各變量的隸屬度函數(shù)如圖3.63.11所示。圖3.6 輸入變量e的隸屬度函數(shù)圖3.7 輸入變量ec的隸屬度函數(shù)圖3.8輸出變量Kp的隸屬度函數(shù)圖3.10 輸出變量Kd的隸屬度函數(shù)（3）模糊控制規(guī)則的建立模糊控制規(guī)

26、則的選擇是設(shè)計(jì)模糊控制器的核心。它實(shí)質(zhì)上是將操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得出一條條模糊條件語句的集合。根據(jù)控制系統(tǒng)中對(duì)過渡過程要求和專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)參數(shù)和的自整定要求如下2：從系統(tǒng)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，Kp、Ki和Kd作用如下：1比例系數(shù)Kp的作用是成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生作用以減小偏差。2積分作用系數(shù)Ki的作用是用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T，T越大，積分作用越弱，反之積分作用就越強(qiáng)。3微分作用系數(shù)Kd的作用是反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)即變化速率，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期

27、修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。針對(duì)不同時(shí)刻的的e和ec以及PID參數(shù)的整定規(guī)則對(duì)Kp、Ki和Kd進(jìn)行以下設(shè)定：1當(dāng)e較大，為了能快速的對(duì)偏差就行修正，此時(shí)應(yīng)選取較大的Kp，同時(shí)選擇較小的Ki、Kd 避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量；2當(dāng)e和ec中等大小時(shí)，應(yīng)取較小的Kp以避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，同時(shí)，因?yàn)镵d的取值會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制效果影響較大，應(yīng)取小一些，將Ki定位于一個(gè)較宜的位置即可；3當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp和Ki均應(yīng)取大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)震蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾的性能，當(dāng)ec較大時(shí)，Kd可取小些；ec較小時(shí)，Kd可取得較大些，通常Kd為中等大小。由以上

28、PID參數(shù)整定規(guī)則和專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，得到針對(duì)本文所研究的聚氨酯膠膠生產(chǎn)線溫度智能PID控制系統(tǒng)中Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制規(guī)則表，如表3.2、3.3和3.4所示。表3.2 Kp的控制規(guī)則調(diào)整表KpEECPBPMPSZNSNMNBPBNBNBNMNMNMZZPMNBNMNMNMPSZPSPSNMNMNSNSZPSPSZNMNMNSZPSPMPMNSNSNSZPSPMPMPMNMNSZPSPSPMPBPBNBZZPSPMPMPBPB表3.3 Ki的控制規(guī)則調(diào)整表KiEECPBPMPSZNSNMNBPBPBPBPMPMPSZZPMPBPBPMPSPSZZPSPBPMPSPSZNSNMZ

29、PMPMPSZNSNMNMNSPSPSZNSNSNMNBNMZZNSNSNMNBNBNBZZNSNMNMNBNB表3.3 Kd的控制規(guī)則調(diào)整表KdEECPBPMPSZNSNMNBPB PBPSPSPMPMPMPBPMPBPSPSPSPSZPBPSZZZZZZZZZNSNSNSNSNSZNSZNSNSNMNMNSZNMZNSNMNMNBNSPSNBPSNMNBNBNBNSPS（4）模糊推理和模糊判決模糊算法的推理與確定是控制器設(shè)計(jì)的核心部分。本文中，通過模糊控制規(guī)則對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，其關(guān)鍵在于找出誤差e和誤差改變量ec與PID控制器參數(shù)之間的模糊關(guān)系。具體操作是，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不斷

30、的檢測(cè)誤差e和誤差改變量ec的值，根據(jù)模糊控制原理以及e、ec和Kp、Ki和Kd之間的模糊關(guān)系，對(duì)Kp、Ki和Kd進(jìn)行在線修正，使其能夠針對(duì)不同的運(yùn)行工況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最終獲得良好的控制性能。根據(jù)表3.2、3.3和3.4整理出的49條模糊控制規(guī)則對(duì)Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自校正校正，獲得的模糊控制規(guī)則如圖3.11所示。圖3.11 系統(tǒng)模糊控制規(guī)則根據(jù)輸入變量(模糊量)和模糊控制規(guī)則，按模糊推理規(guī)則計(jì)算輸出量，即根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，然后查詢模糊控制可以計(jì)算出在不同的偏差和偏差變化時(shí)，PID參數(shù)的調(diào)整量的輸出值，但該值還是模糊量，不能直接用于修正PID參數(shù)，還需乘以比例因子。這樣，

31、就得到了PID參數(shù)的整定算式。(3.6)式中Kp0、Ki0和Kd0分別是Kp、Ki和Kd的初始值，可由湊試法得到。Kp、Ki和Kd是模糊控制器的輸出，即PID參數(shù)的校正量。將式(3.6)帶入式(3.4)就得到數(shù)字PID位置型參數(shù)，經(jīng)PID控制算法，即可得出控制輸出量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后控制粗精回路的切換，從而實(shí)現(xiàn)溫控箱溫度控制。 聚氨酯膠生產(chǎn)線溫度模糊PID控制系統(tǒng)仿真采用模糊PID參數(shù)自整定溫控箱溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真，仿真模型圖如圖3.12所示。圖3.12 模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型其中，PIDFunction和S-Function分別為模糊PID控制器和被控對(duì)象的M文件，為了在Simulnik模型或M文件中應(yīng)用這個(gè)調(diào)節(jié)器，必須以矩陣的形式把它保存到工作空間，選擇“Save to workspace”項(xiàng)保存。Matlab仿真實(shí)驗(yàn)中，選取江蘇波士粘合劑有限公司聚氨酯膠生產(chǎn)線物料反應(yīng)罐為被控對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行溫度控