基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)

1、TOC o 1-5 h z摘要1 HYPERLINK l bookmark4 0引言1 HYPERLINK l bookmark6 PID控制以及模糊PID控制1 HYPERLINK l bookmark8 PID控制1 HYPERLINK l bookmark10 模糊PID控制2電阻爐溫度控制系統(tǒng)4 HYPERLINK l bookmark14 電阻爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立4 HYPERLINK l bookmark16 建立被控對象模型5 HYPERLINK l bookmark18 電阻爐模糊控制器的建立6 HYPERLINK l bookmark20 2.4模糊PID控制器的輸入輸出變量

2、及其模糊化7 HYPERLINK l bookmark22 3模型仿真以及結(jié)果比較9PID控制9電阻爐模糊控制10 HYPERLINK l bookmark26 電阻爐模糊PID控制11 HYPERLINK l bookmark30 比較與總結(jié)124總結(jié)13 HYPERLINK l bookmark34 參考文獻(xiàn)14基于模糊PID的電爐溫度控制以及仿真嵇朋朋南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院南京210044摘要模糊PID的溫度控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，越來越多的溫度控制系統(tǒng)都基于模糊PID算法而設(shè)計。為了提高對復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能，要使用模糊PID溫度控制器。本文設(shè)計了一種基于模糊PID的溫

3、度控制系統(tǒng)，首先介紹了模糊PID控制理論基礎(chǔ)、然后對電阻爐溫度這一控制對象，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，并給出了仿真與比較。關(guān)鍵詞：模糊控制、PID控制、Matlab仿真0引言溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(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)。可見溫度控制電

4、路廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，所以對溫度進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，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)的而且很多時候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點，研究一種控制方案使其調(diào)節(jié)時間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。1PID控制以及模糊PID控制1.1PID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11所示。系統(tǒng)由模擬PID控制（虛框內(nèi)部分）和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r

5、(D與實際輸出值y(t)構(gòu)成偏差：e(t)=r(t)-y(t)將偏差比例、積分和微分控制，通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為de(t)dt1tu(t)=Kpe(t)e(t)dtTD其傳遞函數(shù)形式為：式中：*為比例系數(shù)；T,為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)G(S)EU(SS)Kp(1TS1TDS)E(S)pT|SD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，但動態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動態(tài)響應(yīng)

6、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，使動靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動態(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：(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在某個閉值之外時采用模糊控制，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)換闡值由微機程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(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?？刂啤?/p>

7、比例-模糊-PI控制當(dāng)偏差E大于某個閾值時，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，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論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓縮，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，即可能在平衡點附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點時切換成PI控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時，（這時絕對誤差實際上并不一定為零）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。自適應(yīng)模糊PI

8、D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PID參數(shù)進行修改。其實現(xiàn)思想是先找出PID各個參數(shù)與偏差E和偏差變化率Ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測E和Ec，在根據(jù)模糊控制原理來對各個參數(shù)進行在線修改，以滿足在不同E和Ec對控制參數(shù)的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能。其原理框圖如圖1.2所示。2.1電阻爐系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立電阻爐的實物圖如圖2.1所示溫度儀表圖2.1電阻爐實物圖通常電阻爐的溫度控制可用以下模型定性描述TdXX=KVt-2dt式中：X-電阻爐內(nèi)溫升（指爐內(nèi)溫度與室溫溫差）

9、；K-放大系數(shù)；0-純滯后時間；t-加熱時間；T-時間系數(shù)；V-控制電壓理論分析和實驗結(jié)果表明：電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。然而，對于二階不振蕩系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。因而般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型。所以電阻爐溫度模型的傳遞函數(shù)為TS1其中，K,T,分別為對象模型的靜態(tài)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)，s為復(fù)變量。1）靜態(tài)增益K放大系數(shù)K又稱為放大系數(shù),是被控對象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時的輸出變化量和輸入變化量之比，它是不隨時間變化的量。在相同的輸入變化作用下，被控對象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對

10、象的自身穩(wěn)定性越差；反之，K越小，被控對象的穩(wěn)定性就越好2）滯后時間T在過程控制中，很多被控對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)過一定時間才發(fā)生變化，這就是滯后現(xiàn)象，滯后時間下是描述這種現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。3）時間常數(shù).時間常數(shù).反映了被控對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，它決定了整個動態(tài)過程的長短，是被控對象的動態(tài)特性參數(shù)。2.2建立被控對象模型目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍應(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250C,用熱電偶測量電阻爐的溫度，每分鐘采一

11、次點。表2.1每分鐘溫度采樣值表時間t（分）01234567溫度T（度）2050105150180210240250實驗數(shù)據(jù)如表2.1:根據(jù)Cohn-Coon公式如下:式中：ck=：MaT.5（t0.632to.28）10.632o.281.=1.5（t3M為系統(tǒng)階躍輸入；C為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)t0.28是對象飛升曲線為0.28C時的時間（分）從而求得K=092,T=144s,丁=30s,所以電阻爐模型為G（卄牡0144s+1電阻爐模糊控制器的建立模糊邏輯工具箱中模糊推理系統(tǒng)有五個過程：輸入變量的模糊化、模糊關(guān)系運算、模糊合成運算、不同規(guī)則結(jié)果的綜合、去模糊化。電阻爐模糊控制器的建立方法：(1)確

12、定模糊控制器的輸入、輸出變量，模糊控制器采用3個模糊變量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個語言變量的量化等級都為7級，即x,y,z=-3,-2,-10123+Scops圖3.1控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖0.02SubtractDiscretePIDContiodcrTransferFenTransportDelay在圖中的PID模塊中對三個參數(shù)進行設(shè)定，通過不斷調(diào)整PID三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中，KP=2,K|=0.02,kd=0.01，當(dāng)定值為10時得到的仿真結(jié)果如下:可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間ts=

13、400s,超調(diào)量d%約為20%，穩(wěn)態(tài)誤差Ess=0。3.2電阻爐模糊控制使用模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，如下圖所示:A200圖3.3純模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖SubtradFuzyLogicContnoltrTransportD電I期Gjin1T“盤rFcr144S+1仿真結(jié)果如下圖:可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間ts=200s,超調(diào)量（T%勺為3%可穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差&=0。電阻爐模糊PID控制使用模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，如下圖所示0ProductSubtractL1fixativeFuzmvLugicConirollerProductlProdyd2:卜

14、InteGrjtofSaturdfiondu/dtTransferFcnTvnspo吐D兇艸圖3.5自適應(yīng)模糊PTD控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖對應(yīng)的仿真曲線結(jié)果如下面各圖：圖3.6自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線由上面?zhèn)€圖看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時間ts最大約為180S，超調(diào)量（T%=0穩(wěn)態(tài)誤差巳s=0。s3.4比較與總結(jié)上個章節(jié)曾提到自適應(yīng)模糊PID控制效果比較理想。本章節(jié)經(jīng)過以上對PID控制、模糊控制和自適應(yīng)模糊PID控制三種方案的仿真研究和分析，從下表中明顯看出：表3.1三種控制方法的比較超調(diào)量調(diào)整時間穩(wěn)態(tài)誤差PID控制400s20%模糊控制200s3%0模糊PID控制180s0%0PID控制響應(yīng)曲

15、線超調(diào)量較大，純模糊控制有超調(diào)量但是較小，而自適應(yīng)模糊PID控制方法可實現(xiàn)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零等非常理想的性能指標(biāo)?？偨Y(jié)本文主要研究了電阻爐溫的模糊PID控制器設(shè)計。對比純PID控制、純模糊控制自適應(yīng)模糊PID控制方法，單純PID控制使得超調(diào)量比較大，單純模糊控制使超調(diào)量也比較大，只有自適應(yīng)模糊PID控制方法能夠保證超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都很小可以幾乎不計。模糊PID控制的核心在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。控制規(guī)則往往是由對被控過程十分熟悉的專門人員給出的，所以模糊控制在本質(zhì)上來說是一種專家控制。這種控制的控制規(guī)則充分反映了人的智能活動。但它的缺點在于主觀

16、性比較大，不能按給定的控制性能指標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計。本文設(shè)計的模糊PID控制器雖然具有較好的控制品質(zhì)，但是并不能充分的發(fā)揮模糊PID控制的優(yōu)點。參考文獻(xiàn)覃強模糊PID溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實現(xiàn)D北京：中國科學(xué)院電工研究所，2002.馮勇現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.IsidroSanchEz,JulioRBanga,AntonioAAlonso.TEmpEraturEcontrolinmicrowavEcombinationovEnsJ.JournalofFoodEngincEring,2000,46:21-29.吳為民，王仁麗溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況J工業(yè)爐，2002,24(20):18-20.楊濤，高偉，黃樹紅基于Matlab的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真J華中科技大學(xué)學(xué)報，2003,31:63-65邵紅，李川香一種基于Fuzzy-PID的溫度控制系統(tǒng)J自動化儀表，2002,23(9):70-72.孫凱，李元利電阻爐溫度控制系統(tǒng)