退火爐模糊PID算法

1、窗體底端退火爐溫度模糊自整定PID控制器的仿真研究發(fā)布者：王志輝  發(fā)布時間：2008-1-29 15:02:00 內(nèi)容摘要摘要：退火爐是一種熱處理設(shè)備，要求有較精確的溫度控制精度，但退火爐有非線性、時變和純滯后等復(fù)雜特性，很難建立其數(shù)學(xué)模型。經(jīng)典和現(xiàn)代控制方法不能達(dá)到好的控制效果。本文采用模糊自整定PID控制方法來控制退火爐溫度，能實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自整定。運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明，模糊自整定PID控制比常規(guī)PID控制效果好，并且有較好的適應(yīng)力和魯棒性。正文文字大?。捍?中 小 退火爐溫度模糊自整定PID控制器的仿真研究王志輝

2、，孫耀民（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）摘要：退火爐是一種熱處理設(shè)備，要求有較精確的溫度控制精度，但退火爐有非線性、時變和純滯后等復(fù)雜特性，很難建立其數(shù)學(xué)模型。經(jīng)典和現(xiàn)代控制方法不能達(dá)到好的控制效果。本文采用模糊自整定PID控制方法來控制退火爐溫度，能實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自整定。運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明，模糊自整定PID控制比常規(guī)PID控制效果好，并且有較好的適應(yīng)力和魯棒性。關(guān)鍵詞：退火爐 模糊控制 自整定 仿真Research on the simulation of self-tuning fuzzy PID contro

3、ller for the Temperature of Anneal StoveWang Zhihui, Sun Yaomin(Wu Han university of Technology school of electro-mechanic, Hu Bei Wu Han 430070)Abstract: The anneal stove is a kind of heat-treating facilities, it requires highly control precision. But it is difficult to establish the mathematic mod

4、el, because it possesses such features as non-linear, time-variable, pure lag, etc. Both the classical control and the modern control can not get good control effect. This paper adopted the self-tuning fuzzy PID controller. It can realize the self-tuning of PID parameters. Utilized the software of M

5、ATLAB/SIMULINK to simulate the system. The simulation results show that, compare to the conventional PID controller, the self-tuning fuzzy PID controller has better control effect and performs better in adaptability and robustness.Key Words: Anneal stove Fuzzy control self-adjustment simulation1 前 言

6、退火爐是一種熱處理設(shè)備，它把一種材料加熱到一定溫度并維持一段時間，然后讓其自然冷卻。其目的主要包括：(1)釋放應(yīng)力；(2)增加材料延展性和韌性；(3)產(chǎn)生特殊顯微結(jié)構(gòu)。不管是燃油、燃?xì)膺€是電加熱退火爐都要求有較精確的溫度控制，以便降低退火工序的能耗。同時溫度控制精確度還與退火爐結(jié)構(gòu)相關(guān)，以水冷金屬模球墨鑄鐵管直通式退火爐為例。高溫下的金屬很軟，容易變形。為了防止變形只能讓管子在爐內(nèi)不停的滾動，滾得越快，就越不容易變形。但是滾得太快，管子在爐內(nèi)停留的時間又太短，達(dá)不到退火的目的。為了提高高溫下鑄管的強(qiáng)度和使?fàn)t子更經(jīng)濟(jì)，應(yīng)保持合適的過熱度。這樣就能下調(diào)鑄管的滾動速度，從而達(dá)到減小爐長設(shè)計尺寸。經(jīng)典

7、控制理論和現(xiàn)代控制理論都是建立在精確的數(shù)學(xué)模型（微（差）分方程、傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間表達(dá)式）的基礎(chǔ)上的，但是大多數(shù)被控對象十分復(fù)雜，不同程度存在純滯后，具有非線性和時變性。很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來描述這些被控對象，有時甚至無法建立。退火爐本身是一個比較復(fù)雜的被控對象，它具有非線性、時變和純滯后等特征，很難建立其數(shù)學(xué)模型。模糊控制不用建立數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)熟練操作人員對被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗或?qū)＜业闹R為依據(jù)設(shè)計出控制器，實現(xiàn)對系統(tǒng)的快速并且穩(wěn)定的控制。2控制方案確定模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機(jī)數(shù)字控制算法。從控制器的智能性來看，模糊控制屬于智能控制的范疇。它的知識

8、模型是由一組模糊推理產(chǎn)生的規(guī)則（主要是由模糊控制規(guī)則和表示對象特性的語言規(guī)則）構(gòu)成的，它的人機(jī)對話能力較強(qiáng)，能夠方便地將專家的經(jīng)驗與思考加入到知識模型中1。模糊控制對那些時變的、非線性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，而且又無法獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控工業(yè)對象，具有很好的控制效果。PID控制具有簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點，廣泛用于工業(yè)控制的各領(lǐng)域。但是常規(guī)的PID控制一般只適用于線性系統(tǒng)，而且存在參數(shù)不易整定、抗干擾性不強(qiáng)、適應(yīng)性差、嚴(yán)重依賴操作人員的現(xiàn)場驗等一系列的缺點，從而不適應(yīng)現(xiàn)代化熱處理工藝的要求。本文采用模糊自整定PID控制方法，它能夠進(jìn)行實時聯(lián)機(jī)修正參數(shù)，使控制器適應(yīng)被控對象的任何參數(shù)變化。因此，

9、模糊自整定PID控制相對于常規(guī)PID控制能得到更好的控制效果。模糊自整定PID控制器是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)KP，KI，KD同偏差絕對值|e|和偏差變化絕對值|ec|之間模糊邏輯關(guān)系，并根據(jù)不同的|e|和|ec|在線自整定參數(shù)KP，KI，KD的一種模糊控制器1。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：圖1 模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)由圖1可看出，模糊自整定PID控制器主要有模糊處理部分和PID調(diào)節(jié)器兩大部分組成。模糊推理部分實質(zhì)就是一個模糊控制器，只不過它的輸入語言變量是偏差e、偏差變化ec，輸出語言變量為KP，KI，KD或它們的增量KP, KI, KD。PID參數(shù)模糊自整定是找出PI

10、D三個參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。一般情況下，在不同的|e|、|ec|時，被控過程對參數(shù)KP，KI，KD的自整定要求是2：（1）當(dāng)偏差|e|較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp；同時為了避免由于開始時偏差e的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的KD；同時為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取KI=0，去掉積分作用。（2）當(dāng)|e|和|ec|處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較

11、小的超調(diào)，Kp應(yīng)取得小一些，KI的取值要適當(dāng)，這種情況下KD的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，取值要大小適中，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。（3）當(dāng)|e|較小即接近于設(shè)定值時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加KP和KI的取值，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，KD的取值是相當(dāng)重要的。一般是當(dāng)|ec|較小時，KD可取大一些；當(dāng)|ec|較大時，KD應(yīng)取小一些。PID的三個基本參數(shù)KP，KI，KD一般由試驗確定，根據(jù)我們的實際工作對象去初步確定，然后在實際運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到相對理想的效果。在本文中PID三個參數(shù)初值設(shè)定為KP=0.04，KI=0.08，KD=0.001。3模糊自整

12、定PID控制器設(shè)計3.1模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定選擇溫差e和溫差變化ec作為控制器輸入量，以PID參數(shù)KP，KI和KD為輸出變量。設(shè)定輸入偏差e和偏差變化ec的模糊語言變量為E和EC,分別用模糊子集表示為：E=NB，NS，ZO，PS，PB，EC=NB，NS，ZO，PS，PB。二者的模糊論域都為（-3，3）。輸出變量KP，KI，KD的模糊子集為ZO，PS，PM，PB，模糊論域為（0，3）。其中：NB表示負(fù)大；NS表示負(fù)?。籞O表示零；PS表示正小；PB表示正大。設(shè)定偏差和偏差變化的基本論域-em，em和-ecm，ecm，模糊論域都為-n，n由此可確定偏差和偏差變化各自的量化因子Ke=n/em和Kec

13、=n/ecm，然后輸入量溫差的偏差和偏差變化分別乘以Ke和Kec就可以得到模糊論域中與之相對應(yīng)的元素。3.2建立模糊控制規(guī)則根據(jù)前述KP，KI，KD的自調(diào)整規(guī)則可建立模糊控制表，即模糊自整定PID控制規(guī)則表，如附表：附表 模糊自整定PID控制規(guī)則表誤差e 誤差變化率（ec）PB PS ZO NS NBPB PBZOZO PBZOPS PBZOZO PBZOZO PBZOZOPS PMPSPS PMPSPS PBZOPM PBZOPS PBZOPSZO PMPSZO PMPSPS PMPSPM PMPMPS PBPMZONS PBPMZO PMPMPS PMPMPB PMPMPS PBPMZON

14、B PBZOZO PBZOPS PBZOPB PBZOPB PBZOPS在MATLAB的命令窗口輸入命令fuzzy進(jìn)入FIS編輯器，添加輸入變量和輸出變量。然后雙擊輸入或輸出的任意一個圖標(biāo)，進(jìn)入隸屬度函數(shù)編輯器，定義每個變量的隸屬度函數(shù)的形狀及參數(shù)。如圖2：圖2 隸屬度函數(shù)編輯器根據(jù)模糊控制規(guī)則表可得到一系列模糊條件句：1. If e is PB and ec is PB then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is ZO 2. If e is PB and ec is PS then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is PS 3. If

15、 e is PB and ec is ZO then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is ZO 25. If e is NB and ec is NB then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is PS 總共25條控制條件語句，雙擊FIS編輯器中間的圖標(biāo)即可進(jìn)入規(guī)則編輯器，然后輸入語句。3.3模糊判決模糊判決也叫做反模糊化，是把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過程。模糊判決的方法很多，常用的有：最大隸屬度法，中位數(shù)法，加權(quán)平均法及重心法2。這里采用常用的重心法，即計算隸屬度函數(shù)曲線包圍區(qū)域的中心，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 , 式中C為控制量清晰值，Ci為變量。退

16、火爐可簡單地用一個純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來描述3：Ke /（Ts+1），其中K是放大系數(shù)，T是時間常數(shù)，是純延遲時間，s是復(fù)變量。取K=15，T=1，=1。至此模糊推理系統(tǒng)已成功建立，然后在MATLAB窗口輸入simulink，建立系統(tǒng)仿真模型如圖3：圖3 模糊自整定PID控制系統(tǒng)仿真模型4 仿真結(jié)果和分析系統(tǒng)運(yùn)行后，可以雙擊示波器來觀察輸出的情況，或者通過在MATLAB命令窗口運(yùn)行命令來打開Figure窗口來觀察輸出。命令為：plot(tout,simout(:,1),tout,simout(:,2),);xlabel(t/s);ylabel(y(t);legend(模糊自適應(yīng)整定PID,常規(guī)P

17、ID控制,Third);圖4 參數(shù)整定后系統(tǒng)響應(yīng)特性 圖5 改變系統(tǒng)模型后系統(tǒng)響應(yīng)特性從圖4系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線來看，采用模糊自整定PID控制時的超調(diào)量明顯比常規(guī)PID減小，調(diào)節(jié)時間也明顯減少，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快。退火爐是一個復(fù)雜的被控對象，存在著非線性，時變性和純滯后。本文中所建立的是近似的簡單模型，K，和T值并不是固定的。當(dāng)系統(tǒng)的時間參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，例如保持時間參數(shù)和純滯后時間不變，對象的模型結(jié)構(gòu)由一階變?yōu)槎A系統(tǒng)。二階系統(tǒng)對象參數(shù)為：K=15, =0.5，T1=1，T2=2。由仿真結(jié)果圖5可知：常規(guī)PID控制的超調(diào)量大大增加，出現(xiàn)震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；而模糊自適應(yīng)PID控制適應(yīng)能力強(qiáng)，有較好的適應(yīng)力和魯棒性。5結(jié) 論模糊自整定PID控制方案綜合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點，避開了建立精確數(shù)學(xué)模型這一難題，并能發(fā)揮PID控制簡單，穩(wěn)定等特性。模糊自整定PID自整定方法計算量