PDF《基于LabVIEW的Fuzzy.PID温度控制系统的设计》

2008年11月第15卷第6期控制工程Control Engineering of China Nov.

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8 V01.15.No.6 文章编号:1671.7848(2008)06-0656-03 基于LabVIEW的Fuzzy.PID温度控制系统的设计 陈云霞,芦凤桂,朱妙风,姚舜 (上海交通大学焊接工程研究所,上海200240) 摘要:针对电子束加热是在真空室中进行.能量密度高、工件温度变化快、控制难度 大、数学模型难以建立等特点,提出了系统解决方案及控制机理.利用LabVIEW软件中的模 糊逻辑模块(Fuzzy蚴c)及仿真模块(Simulation Module)建立系统仿真程序.并通过仿真曲线获 得优化参数.实验表明,该控制系统具有动态响应快、调整时间短、稳态误差小、超调量小等 特点,从而证明了在以高能密度的电子束为加工热源过程中,采用Fuzzy-PID控制技术对被加 工件温度进行控制.可以获得理想的控制效果. 关键词:Fuzzy-PID控制;

温度控制;

电子束;

I_abVIEW 中图分类号:TG

156 文献标识码:A Design of Fuzzy―PID Controller in Temperature System Based on LabVIEW CHEN Yun-xia,LU Feng-gui,ZHU Miao-feng,YAO Shun (Research Centre of Jointing Engineering,Shm―lai Jiao Tong University,Shanghai 2{)0240,Ofina) Abstract:According to the features of lligh vacuum,high energy power,fast rate of temperature variation and the difficulty of exact mathemat- ical model establishing in the temperature control system of electron beam processing,a novel adaptive fuzzy-PID control strategy is r;

rop,龇d. The pIlIpo∞is to decide a mode from the mzzy logic and PID control algorithms according to the absolute en'

or of the target value and the唧- 嗣Ⅱ_ed temperature.To build the simulation block of the control system.the fuzzy logic module and simulation module in NI LabVIEW software are used,and the ol】tiIIlized control parameters ale obtained from the simulation eugves.The experiment result shows that the删designed controller has sood dynarnic characteristic,control accuracy and property of robust. Key words:Fuzzy-PID control;

temperature control:electron beam;

I.abVIEW 1引言真空电子束以其高能量密度、深穿透、真空加 工、精密控制、高速扫描、高速加热等优势,使其 在特殊材料、新结构制造的应用中具有广阔的前 景.在空间推进系统发动机的各种精密、复杂部件 加工中采用电子束加工,可大幅度提高被加工件的 综合性能n,2|. 在电子束加工过程中工件的加热温度是重要的 控制参数之一,对温度的有效控制对于保证被加工 件质量具有重大的现实意义和理论价值.但电子束 加热是在真空室中进行,能量密度高、工件温度变 化快、控制难度大,因此,需采用适合于电子束加 工特点的温度场闭环控制方法. PID控制算法原理简单、调节精确,但快速性 不理想;

Fuzzy控制算法无需建立被控对象的数学 模型,对非线性、时变陛系统具有一定的适应能力 及良好的鲁棒性,但准确性不够令人满意.单纯采 用PID控制或Fuzzy控制都不会取得较好的控制效 果,而采用Fuzzy―PID复合控制方式是一种较好的 控制算法.将Fuzzy控制和PID控制有效结刽3矧, 是解决电子束加工过程中温度控制系统性能的一种 有效途径. 2系统组成 系统由电子束焊机、工业控制计算机、可编程 控制器、功率放大器、红外测温仪、偏转线圈、数 据采集装置及控制软件等几部分构成.在电子束对 工件扫描加热的过程中,通过红外测温仪实时检测 工件加热区温度.红外测温仪输出的信号通过数据 采集装置后再经MD转换,输人计算机,经Fuzzy. PID复合控制器处理并输出控制量,根据此控制量 调节电子束流的大小,实现电子束加热温度的精确'

控制.

3 Fuzzy控制策略 当系统温度与设定温度之间存在较大的偏差 (e≥±5℃)时,采用模糊控制算法.模糊控制器 收稿日期:2007-08.13;

收修定稿日期:2007-09.18 基金项目:上海市科学国际合作基金资助项目(061107030) 作者简介:陈云霞(1978.),女,安徽合肥人,博士.主要研究方向为焊接过程自动化及高能束加工和控制等. 万方数据 第6期 陈云霞等:基于LabVIEW的Fuzzy―PID温度控制系统的设计 ・657・ 选用双输人单输出控制方式,以温度误差e和误差 变化率ec作为输入变量,以lg作为输出变量.模 糊子集为E=EC=U={负大,负中,负小,零,正小, 正中,正大}-{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}.取3个 语言变量的量化等级都为7级,即{一3,一2,一1,0, 1,2,3},其中偏差e的论域为[一20,20],偏差变化 率ec的论域为[一100,100],控制器输出 的论域 为[一18,18].e,ec及/z的量化因子分别为K, K,民,则丘=3/20,&

=3/100,K=18/30 根据实际经验总结得到以下49条推理规则: ①If E is NB and EC is NB then U is NB or ②ⅡE is NB and EC is NM then U is NB or : or ⑩狂E is PB and EC is PB then U is PB. 采用If-Then语句表达形式,得到控制变量M 的模糊控制规则表,见表1. 表1模糊规则 Tabl Fuzzy control rules table 根据模糊规则归纳出模糊关系,采用Mamdani 的模糊推理与合成运算,得到对应u论域元素 /2(e,∞)的隶属度,采用加权平均法进行解模糊运 算,编辑好之后存盘,生成一个扩展名为.fc文件. 输入变量e,ec和输出变量/z的隶属度函数及输出 特性场,如图l所示. 图1电子束加工模糊控制器的输入输出 变量的隶属函数及输出特性场 Fig.1 I/O characteristic of EBW fuzzy controller

4 PID控制策略 当系统温度与设定温度之间存在小的偏差(e<

±5 oC)时,采用PID控制算法,得到如下PID控制 器输出的控制量,可实现一定范围内的无差控制, 提高系统的准确性和稳定性:. (t)=Kp[e('

)+下1 I e(t)dt+

1 I√o %掣] (1) 或以传递函数的形式表示为 D(s)=KP+Kl/s+KDs (2) 式中,Ⅱ(t)为PID控制器输出的控制量;

K,为比 例系数;

K,=K,/孔为积分系数;

KD=K,TD为微 分系数;

Tj为积分时间常数;

TD为微分时间常 数. 5程序流程图 在LABVIEW软件平台上进行了控制程序设计, 包括主程序、模糊控制程序、PID控制程序及操作 与报警程序等.通过PLC通讯进行上位机与下位机 的信息交互、程序运行、算法实施等. Fuzzy.PID复合控制程序,其流程图,如图2所示. 图2 Fuzzy-PID程序流程图 魂.2 The flow chart of fuzzy-PID conttxRler 6利用LabVIEW仿真模块进行仿真及实验 分析 在LabVIEW环境下,构建Fuzzy―PID控制系统 仿真框图,如图3所示. 在仿真框图中设置好仿真参数,其中,包括设 置仿真开始时间、终止时间、仿真算法等参数.在LabVIEW环境下,运行开始调用上述编辑过的.fc 文件. 电子束加工系统对象传递函数为 万方数据 控制 工程 第15卷G(s)=生掣・告凳1警SU.3 s.+s 对其进行Z变换,并采用前述隶属函数及控制 规则,取眨为0.2,K为O.2,托=1时得到模糊 控制响应曲线,如图4中的曲线l所示;

取K陀为 0.2,K瞰为0.35,K吐为0.02,得到PID控制响应 曲线,如图4中曲线4所示. '

图3系统仿真框图 Fig.3 The simulation block of the control system 图4系统单位阶跃响应曲线 Fig.4 The step response棚n吧of system 其他条件不变,将PID控制中的配减小为零 时得到响应曲线3;

将模糊控制中的输出量化因子 K增大到1.5,得到响应曲线2. 从响应曲线4和响应曲线3可以看出,在PID 控制中减小墨可消除和减弱稳态误差,从而使控 制系统的稳态性能达到改善.从响应曲线l和响应 曲线2可以看出,适当地增大量化因子恐可以加 快模糊控制系统的响应速度. 设定系统温度的给定值900℃,输入从仿真得 到的Fuzzy.PID控制参数(图4中响应曲线2和曲线 3所对应的控制参数),采用Fuzzy.PID复合控制, 获取了电子束温度系统的输出特性,如图5所示. 从图5中可以看到,Fuzzy.PID控制方法调节时 间短、基本无超调量、稳定误差小,且曲线平滑, 在平衡点附近几乎无振荡,具有较强的抗干扰性和 p 倒赠铡量点 图5电子束7ja'

r温度输出特性 Fig.5 The temperature characteristic of electron beam processing 鲁棒性. 7结语 本文针对真空电子束加热温度对象的特点,利用LabVIEW软件将鲁棒性强的Fuzzy控制与具有消 除静态误差的PID算法有效结合,并充分发挥了二 者的优点,全新设计了电子束加工温度Fuzzy.PID 复合控制系统,并通过LabVIEW仿真模块进行了 系统仿真和实际运行.结果表明,本控制系统具有 动态响应快、调整时间短、稳态误差小、超调量小 等特点,从而证明了以高能密度的电子束为加工热 源(如电子束快速成型、电子束钎焊、电子束熔炼等 过程中),采用Fuzzy.PID控制技术,对被加工件温 度进行控制,可以获得理想的控制效果. (下转第681页) opl暑jdl童 万方数据 第6期罗凌等:混合Petri网交叉口信号灯建模的模糊优化 ・68l ・ 交叉路El模型只完成了16个周期,而且表3中加号后 面的数据表示多延误了―个周期的车流量. 模糊控制的平均车流量也明显优于固定周期控制 的平均车流量. 表2模糊控制的平均车流量 lllble

2 Average vehicle∞p目dty by fuzzy control 4结语 仿真结果表明,模糊控制对HPN交叉路口信号灯 模型的优化是有效的,可以根据交通流量的动态变化 自适应地调节绿灯相位时间,提高了交叉口通行能 力,减少了车辆延误.此外,HPN具有很好的系统扩 展陛,进一步研究,利用计算机和通信系统进行扩 展,能够很好地用于区域交通控制. [1]刘智勇.智能交通控制理论及应用[M].北京:科学出版社.2b0B. (tiu 21hiyong.1lle theory and application of intelligent u'

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