PDF《D控制器在温度控制 系统中的应用》

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(测控 自动化 )

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0 4年第20卷 第 6期 参数自 适应 模糊 P I D控制器在温度控制系统中的应用 P a r a m e t e r Se l f - t u n i ng F u z z y P I D Co nt r o l l e r S Appl i c a t i o n I n T e mpe r a t u r e C on t r o l s y s t e m 摘要:电阻炉模型参数具有随温度而变化的时变特 性.

当温度大范围变化 时.采用常规PID控制方法不能满足较高_T-艺 要求.为此.本文应用一种参数自适 应模糊PID控制方法. 并设计了基 于单片机 的温度控制硬件装置,实践证明该控制方法有较高的 稳态精度和跟踪性.装置简单 , 运行效果较好关键词:参数自适应模糊PI ] I )控制;

稳态精度:跟踪性中图分类号:聊3文献标识码:A文章编号:1008+0

5 7

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2 Abs t r ac t : As t h e mo de l pa r a me t e r s

0 t r e s i s t a nc e f um a c e v a r y wi t h t e mpe r at ur e , t he t r a di t i on a l me t h od c a n t me e t t he h i g ht e r t e c hn o l o g i c a l r e g ui r emen t s whe n t h e t e mpe r a t ur e v a r y . t he r e f o r e, t he a r t i c l e a ppl i e s a P a r a met e r Se l f― ― t u ni n g Fuz z y PI D Co n・ ・ t r o l l e r'

S me t h o d a nd i nt r o d uc e s t he ha r d wa r e c i r c u i t . t he pr a c ― r is e p r o ve s t ha t t he me t h o d ha s go o d s t ea dy a c c ur a c y a nd t r a c k ― i n g p e r f o r ma n c e. t he de v i ce i s s i mpl e , t he r un ni n g e f fec t i s a l s o be t t e r . Key wor ds: Pa r amet er Se r f-t uni ng Fuzz y PI D Co nt r o l ;

s t e― ady a cc ur ac y;

t r a ck i ng per f or manc e.

1 引言由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的破控对象,常 规PID控制方法难以满足工艺温度在人范围变 化时的控制要求 .当工艺温 度大 范 围变化 时, 需要温 控 系统 中PID参数 随 炉温 变化 而改 变, 否 则被 控温 度会 在 一定 范围内波 动 .对此 , 本 文设 计 了一种参 数 自适应 模糊 P I D控制器.根 据 电炉 的实 际响 应,通过模 糊 规则 进行 推理 和决 策,在线 整定 P I D控制器的3个 参数.以实现对电炉的优化控制.运行结果表明这种设计方法 完全有效.2参 数 自适 应模糊PID控制器的设计

2、1模糊控制 系统 结构 模 糊控 制系 统 结构参 数 自适 应 模糊 P I D控制 器的 系统结 构 主要 由参数 可调PID和模 糊控 制 系统两 部 分构成 , 其 结构 如图l所示:e图1参数 自适应 模糊 P I D温度 控制 系 统结 构图(辽宁工 程 技术 大学 )屠乃威付华阎馨Tu, Nai weI Fu, Hu a Yan, Xi n P I D控制器 实现 对 系统 的控制 . 模 糊推 理 系统 以误 差 e和 误差变化率ec作 为输入,采用模糊推理方法对PID参数KP、KD、 K I 进行在线整定.以满足不同的误差e和 误差变化率ec对控制器参数的不同要求而使被控对象具有良好 的动态、静态性能.2.2PID控 制器参数自整 定原则通常 , P I D控制 器 的控制算 式为:ru(t)=K p e ( t ) + K . J e ( t ) d ( t ) + K d d e ( t ) / d t 针对不同的e和 e c 人们总结出了一套KP、KI、KD的整定原则:(11当 l e l 较大时,为使系统具有较好的跟 踪性能,应取较大的KP与较小的KD,同时为避免系统响应出现较大的超 调,应对积分作用加以限制,通常取KI =

0 ;

(

2 1当lel和lecl中等大小时,为使系统具有较小的超调,KP应 取得小些.在这种情况下,KD的取值对系统的影响较 大,应取得小一些.KI的取值要适当:(3)当 l e l 较小时,为使系统具有较好的稳定性能,KP与 K I 均应取得犬些,同时为避免系统在设定值出现 振荡,并考虑系统抗干扰性能,当lecl较大时KD可取得小些:lecl较小时KD可取 大一些.2.3各变 量隶属度 函数 的确 定 根据 要求 用于PID参数 调整 的模 糊控 制器采 用二 输入 三输 出的形式.该j卒制器是以Iel和lecl作为输入,以KP、 K I 、 K D作为输出.输入语言变量e和 e c的论域均为卜6 , 一5,-4,一3,一2,一1,0,1,2,3,4,5,6l,输出语吉变量KI、KP 、 K D 的论域均为(0,1,2,3,4,5,6l,其隶属度函数分别如图2和 图 3所 示.JNB NM l 开v I P B ) ( 》 ( 图2e及ec隶属度 函数 图3KI、KP及 K D隶属度 函数

2 、

4 建立模糊规则表愀据以上昕述的PID参数调整原则可以得到输出变 量KP、KI、KD的控制觇则如F表 所示.表IKP的模糊控 制规 则表 表2KI的模 糊控制 规则表 NBNM Z o P M P B NB M B B B M N M S S M S S Z o S M B M S P M S S M S S P B M B B B M 3硬件设计NB NM ZO PM PB NB Z Z Z Z Z N M S M M M S Zo M B B B M P M S M M M S PB Z Z Z Z Z 针对本丰率制系统设计了专 用的温控装置,其 硬件原理构成如图4所 示. 要 由单 片机 A T C

8 9 C

5 1 、 R AM6

1 1

6、 并( 见第8页) 中国自控 网:http://www. a u t o c o n t r o

1 . c o m. c n 一20―

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0 4年第

2 0卷第 6期MS Co mm

1 . P o r t Op e n= T r u e 在 实际 应用 中.PLC所 监控 的生 产 过程 参数以及 设备 状态都是 实 时变化 的 .因此 . 监 控系 统 必须 具备 实时性 要求 . 也就 是说.只要设备状态一改变.监控系统就能够及时的将信息采集并传送 到计 算机 , 以便监 控人 员及 时 了解现 场 情况 . 实 时性 包括 计 算机 与PLC实 时通信 以及 P L C实时监控 所联设备状 态两 个方面.计算机 实 时数据 处理 部分由VB的Time r 控件完成 . 通过引发Time r 事件 , T i me r 控件 可 以定 时执 行规定的操作 .使得 P L C 所连 接 的设 备状 态信 息及 时传送 到计算 机 .利 用Enabled平 【 J I n ― t e r v a l 属性完成定时采集功能.系统 设计 了两 种数 据采 集状 态 :第 一 种状 态是 正常 运 行状 态数据采集.设定时间间隔采集;

第二种状态是故障报警时启动的紧急状 态数 据采 集.即连续采 集,以备 事故 分析诊 断.3.2与C200HE P L C的通 信本文是 以OMR O N C

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0 HE P L C为例 .通信协议采用 的是 上位机 链接 通信 .上位 机链 接通 信通 过 在上位 机与 P L C之间交 换命 令和 应答 实现 的.在一次交 换 中传输 的命 令禾1 应 答数 据称 为一 帧.一个 帧最 多 可包含

1 3

1 个 数据 字符. 命令帧 格式:从上 位机 发送 一 个命令 时,按下示 的格 式排 列 命令 数据 . 节 点号 识别码 F CS 终止符 识别码 和正文取决 于接 收 到的 上位机 联结 命令 ,结束 码表示命令完成的状态(即是否有错误发生),当应答超过132字 符,它必须 分成 若 干帧 .结 束码 是 应答 帧 中表 示PLC应 答 的信 息.例结束代码为0o表 示正常结束.13表 示FCS错 误,l4表 示格式错误.15表 示入口码数据错误.18表 示帧长度错误,A3表 示传输数据时因FCS错 误引起终止.A4表 示传送数据时因格式错误引起终止.A5表 示传送数据时因入口码 错误引起终止.A8表 示 传输 数据 时 因帧 长度错 误 引起 终止 . 本文中使 用 了上 位机发往 P L C的命 令有:读 操作的RR、 R H、 R D、 R J ;

写操作的WR、 WD、 WJ ;

强 制置 位的KS禾1 强 制复 侮的KR.具体 命令格 式 参见【

1 ] . 例如读命令帧为:@0

1 R R

0 I O

0 ( X ~

1 4

1 + C HR $ (

1 3 ) . 表示上位机 读取 节 点为

0 1的PLC中 的IR0100单元 中的内容 .相应 的读应答帧为:@01 R R O

0 1 E

2 3

3 4 +C HR$ (

1 3 ) , 表示上位机 得到节点为01的 P L C 中的IR0100单 元内容,其值为十六进制的

1 E23 4结束语文章以VisualBasic6.0开 发冰蓄冷空调控制系统远程监控软件为背景.现场调试运行证明,该方案切实可行,整个系统开发时间短 、 成 本低 . 参考 文献 : 【

1 ] 吴喜平. 蓄冷技术和蓄热 电锅炉在空调中的应用. 卜海: 同济大学出版 社.2000.【2]范逸之. V i s u a l B a s i c 与分布式监控系统――R S 一232/485串衍通信 北京: 清华大学出版社.

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0 2 . 『

3 ] O M R O N 可编 程序控制器 . C

2 0

0 H X /c

2 o o H c

2 o o H E编程 手册,l99

6 . 【

4 ] 汪道辉. 逻辑与可编程控制系统. 北京 : 机械工业出版社 ,

2 0

0 1 . 作者 简介:邵建均 , 男,1978年 8月 出生 , 汉族 , 现 为南 京理 工大 学动 力工 程学 院硕 士研 究生 , 所 学专 业为 热 能工程 , 目前 主要 从事热工过程远程监控系统研究.电话 :

0 2

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4 3

1 5

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2 ;

E ― ma i l : s ha o _ . j j u n @s i n a . e o m (

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0 0

9 4 南京理工大学动力工程学院8O4教 研室)邵建均杨坤许厚谦(收稿日期:2003.12.23)(接第20页 ) 行接口

8155、显示键盘接口

8279、A/D转换器MC1

4 4

3 3 、 MAX

2 3 2通信电路、放大电路和一些相应电路组成.表3KD的模糊控制规则表NB NM Z

0 P M P B N B S S Z S S NM M M S M M Z o S M B M S P M M M S M M P B S S Z S S 炉温信号 堰.....__JRAM .

8 9c 5l '

【 v L ^ ^ - _ 显 示与键 盘 电路

2 32 图4硬件原理图4试 验 采用 本温 控 装置 对4kVA箱 式 电阻 炉进 行 了温 控试 验 .图 5为 电源 波动10%时一温度升降控制记录曲线 , 给定为在700℃ 恒温3h后 , 以100℃/h的 速率升温.升至800℃处恒温1.7h后 , 再以100℃/ h的速 率降温 , 降至

7 5

0 C 后 恒温

2 h .7

0 0 %恒温 时, 基本偏差为±1 .

4 ℃. 升温过程中最 大偏差为±3.5℃,基本偏差为±1.6℃.8

0 0 %恒温时, 最 大超 调量

6 ℃, 基 本偏 差为±

2 ℃,

7 5

0 ~ (

2 恒温时,基本偏差为±1.5℃.时间―图5温 度 升降 温控制曲线

5 结论实际应用 表明:采 用参 数 自适 应模 糊PID控 制使系统 具有 较高的控制精度和良好 的跟踪性能,超调量小,系统抗电压干扰能力强.参考文献 : …余永权 、 曾碧. 单片机模糊逻辑控制【 M】 . 北京航空航天大学 出版社,

1 9

95 [

2 ] 易继铠 、 侯媛彬. 智能控制技术[ M ] . 北京工业大学出版社,1

9 9

9 作者简介:屠乃威,男.1978年 7月生,汉族,辽宁工程技术大学电气工程 系.控制理 论与控 制 工程 . 研 究生 , 从事模 糊控 制研 究.联系方式:0418-6514849,电子邮件tunaiwei@e t a n g . e o m;

付华,辽宁工程技术大学电气工程系教授,从事智能控制研究.阎馨,辽宁工程技 术大 学 电气 工程 系老师 , 从事控 制研究. (

1 2

3 0

0 0 辽宁阜新辽宁工程技术大学95信 箱l屠乃威付华阎馨(收稿 日期 ;

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2 0 ) 中国自控 网:http:l/www. a u t o c o n t r o

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