模糊自整定PID控制及其在過程控制中的應用

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