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文檔簡介

1、模糊自整定PID控制及其在過程控制中的應用 摘要:本文首先介紹了普通模糊控制技術的基本概念,詳細敘述了自調(diào)整模糊PID 控制的工作原理,控制方法及其品質(zhì)特性;陳述了自調(diào)整模糊PID 控制器的設計方法及其實現(xiàn)過程;最后列舉出了其在工業(yè)過程中的應用實例。實踐證明使用模糊PID 控制技術進行工業(yè)過程控制能獲得優(yōu)良的的動,靜態(tài)特性、在抗干擾能力、自適應性和魯棒性等方面能取得良好的效果。關鍵詞:模糊控制,PID參數(shù),自調(diào)整模糊PID,設計方法,應用實例0引言常規(guī)PID(比例,積分,微分)控制具有簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點,PID 調(diào)節(jié)規(guī)律對工業(yè)控制對象,特別是對于線性定常系統(tǒng)的控制非常有效,一般都能

2、夠得到比較滿意的控制效果,其調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)取決于PID 控制器各個參數(shù)的整定。但是,隨著生產(chǎn)和技術的發(fā)展,一方面,人們對過程控制系統(tǒng)提出了更高的要求;另一方面,被控過程越來越復雜,非線性、大滯后、參數(shù)時變性等使得控制越來越困難。這時,傳統(tǒng)的PID控制就往往不能勝任了。小流量的水溫控制系統(tǒng)就是典型的大慣性,非線性、純滯后系統(tǒng),在對它進行實施控制時需要克服超調(diào)量大、過渡過程時間長等缺點。工業(yè)生產(chǎn)過程具有的特殊性:在生產(chǎn)過程中,產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和產(chǎn)率都會隨著生產(chǎn)過程的各種干擾和生產(chǎn)過程工藝設備等特性的改變而波動。工業(yè)生產(chǎn)過程的干擾作用,使得生產(chǎn)過程操作不穩(wěn)定,從而影響工廠生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益。工業(yè)生產(chǎn)

3、過程有以下特殊性:一是被控過程的滯后特性;二是被控過程的時間常數(shù)長短不一樣;三是過程的非線性特性;四是過程的時變性;五是過程本征不穩(wěn)定性;六是過程的耦合特性。鑒于以上工業(yè)生產(chǎn)過程的特殊性,無論采用常規(guī)線性控制系統(tǒng)方法還是普通的模糊控制技術都無法滿足控制性能要求。若采用Fuzzy-PID 復合控制方式不失為一種比較合理的解決辦法。它既能發(fā)揮模糊控制魯棒性強、動態(tài)響應好、上升時間快、超調(diào)小的特點,又具有PID 控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在控制工業(yè)過程的設計中,常常采用PID 參數(shù)模糊自整定復合控制,以便實現(xiàn)參數(shù)PID 的在線自調(diào)整功能,進一步完善PID 控制的自適應性能。1常規(guī)PID控制

4、和模糊控制簡介1.1常規(guī)PID 控制的特點在PID 控制算法中,存在著比例、積分、微分3 種控制作用,特點如下:(1)比例控制作用的特點系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生,控制器立即就有控制作用,使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化,控制作用的強弱取決于比例系數(shù)KP。缺點是對于具有自平衡能力的被控對象存在靜差。加大KP可減小靜差,但KP過大,會導致系統(tǒng)超調(diào)增大,使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。(2)積分控制作用的特點積分控制能對誤差進行記憶并積分,有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性,積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞,以至于導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(3)微分制作用的特點通過對誤差進行微分,能看出

5、誤差的變化趨勢,增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應,使超調(diào)減小。缺點是對干擾同樣敏感,使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。根據(jù)被控對象的不同,適當?shù)卣{(diào)整PID 參數(shù),可以獲得比較滿意的控制效果。因為其算法簡單,參數(shù)調(diào)整方便,并且有一定的控制精度,已成為最為普遍采用的控制算法。PID控制算法也有它的局限性和不足,由于PID 算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變的情況下,才能獲得理想的效果。當一個調(diào)好參數(shù)的PID 控制器被應用到模型參數(shù)時,系統(tǒng)的性能會變差,甚至不穩(wěn)定。另外,在對PID 參數(shù)進行整定的過程中,PID 參數(shù)的整定值是具有一定局域性的優(yōu)化值,而不是全局性的最優(yōu)值,因此這種控制作用無法從根本上解決動態(tài)品質(zhì)

6、和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。1.2模糊控制的特點模糊控制器和常規(guī)的控制器(如PID 調(diào)節(jié)器)相比,具有無須建立被控對象的數(shù)學模型,對被控對象的時滯、非線性和時變性具有一定的適應能力等優(yōu)點,同時對噪聲也具有較強的抑制能力,即魯棒性較好。但它也有一些需要進一步改進和提高的地方。模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差,難以達到較高的控制精度。尤其是在離散有限論域設計時,更為明顯。模糊控制器要把誤差輸入信號轉(zhuǎn)化為誤差論域上的點,即也就是說,|e| 在誤差量程最大值e 的大約7%以內(nèi)時,模糊控制器已經(jīng)把它當作0 來對待了,因此,對e 7%e 的穩(wěn)態(tài)誤差模糊控制器無法消除,這是控制點附近的一個控制上的盲區(qū)和死區(qū)

7、。對于控制作用,模糊控制器可以采用它的增量U 作為輸出,積分后輸出給被控對象,這樣相當于引入了積分作用,有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差。然而,是解模糊后的離散點,不連續(xù),因而控制作用不細膩,不利于精調(diào)消除穩(wěn)態(tài)誤差。模糊控制的自適應能力有限,由于量化因子和比例因子是固定的,當對象參數(shù)隨環(huán)境的變遷而變化時,它不能對自己的控制規(guī)則進行有效地調(diào)整,從而使其良好的性能不能得到充分地發(fā)揮。2PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制器設計模糊PID 控制器由常規(guī)PID 控制部分和模糊推理兩部分組成,模糊推理部分實質(zhì)上就是一個模糊控制器。2.1模糊-PID 控制器設計思想PID 參數(shù)的模糊自整定是找出PID 三個參數(shù)與誤差E 和誤差變化

8、率EC之間的模糊關系;然后在運行中通過不斷地檢測E和EC,再根據(jù)模糊控制原理對三個參數(shù)進行在線修改,使被控對象具有良好的動、靜態(tài)特性。參數(shù)Kp,Ki和Kd的自調(diào)整規(guī)律為:(1)當E 較大時(輸出處于過渡過程上升階段的大約0%40%),為了使系統(tǒng)響應具有較好的快速跟蹤性能,并避免因開始時偏差的瞬間變大可能引起微分過飽和,而使控制作用超出許可范圍,應取較大的Kp和較小的Kd,同時為避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調(diào),需對積分作用加以限制,通常取Ki=0。(2)當E 為中等大時(輸出處于過渡過程上升階段的大約40%70%),為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào),應取較小的Kp,適當?shù)腒i 和Kd,以保證系統(tǒng)有較快的響應速

9、度,其中Kd 的取值對系統(tǒng)的響應速度影響較大。(3)當E 較小時(即系統(tǒng)響應處于穩(wěn)態(tài)值的大約10%的波動范圍內(nèi))為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應取較大的Kp和Ki。同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)振蕩,并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能,當E 較小時,Kd值可取大些(通常取為中等大?。?;當E 較大時,Kd值應取小些。根據(jù)以上思想,設計的二輸入三輸出模糊控制器結構圖如圖1所示??刂茖ο鬄檩斎雞(t)和輸出y(t),控制目標為使對象輸出y(t)達到指定的R,該系統(tǒng)由一個標準PID 控制器和一個模糊PID 參數(shù)調(diào)節(jié)器組成。PID 控制器根據(jù)閉環(huán)誤差e(t)=R-y(t)產(chǎn)生控制信號u(t),模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)PID

10、控制器的參數(shù),即2.2模糊控制PID 參數(shù)自調(diào)整算法2.2.1 模糊化在模糊控制中,當誤差和誤差變化率偏小時,傳統(tǒng)的模糊控制方法失去作用,從而導致模糊控制規(guī)則失效。很多模糊控制都采用兩種不同的模糊控制方法(稱為粗調(diào)整與細調(diào)整)來解決這一問題。模糊PID 控制系統(tǒng)為雙輸入三輸出的系統(tǒng),模糊控制器兩個輸入量是偏差絕對值E 和偏差絕對值變化率EC ,輸出的三個量是PID 參數(shù)Kp、Ki和Kd。設定E 、EC 和PID 參數(shù)Kp、Ki和Kd 的模糊控制論域,采用四種不同的模糊語言變量進行描述:零(Z)、小(S)、中(M)、大(B)。為了計算機處理和實現(xiàn)的方便,輸入偏差E 、輸入偏差變化率EC 和輸出隸

11、屬函數(shù)均采用線性函數(shù)。2.2.2 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊規(guī)則根據(jù)工業(yè)過程控制的特性,專家的經(jīng)驗知識結合工程技術人員的分析及實際操作經(jīng)驗得出由輸入偏差E 及偏差變化率EC 來調(diào)節(jié)三個輸出量,Kp、Ki和Kd 之間的模糊規(guī)則如表13所示。輸入變量、輸出變量及其隸屬函數(shù)的確定需根據(jù)控制要求來決定,這里設計的模糊PID 控制器以誤差E 和誤差的變化率EC 作為輸入變量,PID 控制器的參數(shù)調(diào)整量Kp、Ki、Kd為輸出變量。Kp、Ki、Kd的調(diào)整算式為:2.3模糊-PID 參數(shù)控制算法流程首先離線地制作好模糊控制表,在運行模糊PID 控制程序時調(diào)入內(nèi)存中供查表子程序調(diào)用。其次設置基本論域及初始值(誤差E

12、、誤差變化率EC、控制量U、量化因子及比例因子)。接著采樣當前的溫度值,計算得出偏差E、偏差變化率EC。然后查找PID 三個參數(shù)對應的模糊控制表,清晰化后得到模糊控制量所對應的Kp、Ki、Kd的值。最后,采用增量式的PID 控制算法計算當前控制增量U,將U 附加在前一時刻的控制量U 上,即可得到當前時刻輸出控制量U。模糊PID 控制流程如圖2所示。圖2模糊PID 控制流程3模糊PID控制應用實例3.1系統(tǒng)結構及基本工作原理依據(jù)上述Fuzzy-PID 控制的理論分析和實現(xiàn)方法,如圖3所示,小流量閉式循環(huán)水溫控制系統(tǒng),該溫度控制子系統(tǒng)由恒溫大水箱、初級溫度加熱器、次級溫度加熱器、太陽能集熱器、冷浴

13、交換器、冷水流量控制泵、循環(huán)混水泵以及保溫隔熱材料等組成。該系統(tǒng)中溫度控制回路的大致工作原理為:(1)由流量控制系統(tǒng)將進入太陽能集熱器的水流流量穩(wěn)定在0.010.080kg/sm2范圍內(nèi)的某一設定值上(具體數(shù)值由試驗條件決定)。(2)利用大功率(20kW)的初級加熱棒將整個系統(tǒng)的工質(zhì)進行快速加熱,使恒溫大水箱的溫度與設定值之差不超過1。(3)用PID 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器驅(qū)動可控硅次級加熱器將溫度穩(wěn)定在設定值上,使其波動范圍不超過0.1。(4)通過PID 調(diào)節(jié)器來控制冷水泵的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)冷水流量的大小,控制冷浴交換器中的熱量交換,集熱器流回到恒溫大水箱的水流溫度降低到接近設定值,避免經(jīng)太陽曬熱的水流抬升了恒溫大水箱中的溫度,盡量消除干擾。進入冷浴交換器中的冷水溫度保持恒定(比設定值低一個固定的數(shù)值;由另一套專用制冷裝置提供冷水)。此外還在恒溫水箱和次級加熱小水罐的兩端各安裝了一個循環(huán)混水泵,在加熱時進行循環(huán)攪拌,以保證各部分受熱均勻。整定PID 控制器的初始參數(shù)為:P=16;I=5;D=0.4。3.2實測數(shù)據(jù)及結果分析如表4所示,2009年5月20日在作者為國家太陽能集熱器檢測中心(昆明)開發(fā)的這套模糊PID 水溫控制系統(tǒng)上實測的入口溫度Tin的數(shù)據(jù)記錄。從數(shù)據(jù)表上可以看出:在實驗進入穩(wěn)態(tài)期后,入口溫度Tin的最高值點和最低值點的差

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