PDF《基于模糊PID控制的 加热炉温度控制系统的研究》

68

69 控制系统 CD技术与应用 CONTROL SYSTEM

69 青岛科技大学自动化与电子工程学院 胡新新 摘要:介绍了以单片机为核心,以加热炉为控制对象的模糊PID温度控制 系统.

当采用PID算法时,系统的超调量与调节时间,不能同时满足技术 要求.当采用模糊控制时,超调量与调节时间虽然同时满足技术要求,但 系统出现了稳定误差.因此本系统将模糊控制的智能性与 PID控制的通用 性、可靠性相互结合,设计了一种参数自整定模糊PID控制器,采用模糊 推理的方法实现PID参数Kp、Ki和Kd的在线整定.经仿真研究,参数自整 定模糊PID控制效果达到了加热炉温度控制系统的性能指标,是一种较为 理想的智能性控制方案. 文章编号:140303 基于模糊PID控制的 加热炉温度控制系统的研究 Research of a Heating FurnaceTemperature Control System based on Fuzzy PIDControl

1 引言 随着现代工业技术的发展,被控对象与生 产过程日益复杂,为了高效的进行生产,必须对 它的主要参数,如温度、压力、流量等进行有效 的控制.温度控制在生产过程中占有相当大的比 例,温度控制一般指对某一特定空间的温度进行 控制调节,使其达到工艺过程的要求. 加热炉是将电能转换为热能的能量转换装 置.具有结构简单、无污染、自动化程度高等特 点.加热炉控制作为过程控制的一个典型,动 态特性具有大惯性大延迟的特点,而且伴有非线 性.因此传统的PID控制效果并不理想,而通过将 模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相 互结合,设计一种参数自整定模糊PID控制器,能 达到较好的效果.本系统通过设计出来的一种参 数自整定模糊PID控制器来实现对加热炉的温度控 制.

2 加热炉温度控制系统的总体方案设计 通过分析加热炉系统对控制器的要求,本文 图3 加热炉输出响应曲线 图5 模糊PID控制系统响应曲线图 kzcd.chuandong.com 图1 加热炉温度控制系统总体方案设计图 图2 参数自整定模糊PID控制器结构图 表1 Kp的模糊控制规则调整表 表2 Ki的模糊控制规则调整表 表3 Kd的模糊控制规则调整表 对加热炉总体方案设计如图1. 加热温度控制为闭环工作状态.本系统设计了以Microchip公司的8位嵌入式微控制器 PIC16F877A为核心部件的智能控制器,整个控制 系统由CPU主板、控制面板等组成.CPU主板主 要实现室内温度、锅炉水温和水位信号的采集、 滤波、算法控制的实现,以及驱动继电器,控制 交流继电器的通断等工作.控制面板主要实现按 键操作、功能显示以及指示灯等功能.该控制器 结构简单,控制精度高,具有较强的通用性.

3 参数自整定的模糊PID控制器的设 计3.1 参数自整定模糊PID控制系统结构 通过仿真发现,纯PID控制对有较大的超调量 和过渡时间.而纯模糊控制当以偏差和偏差的变 化率作为输入时,相当于PD控制方式,这类控制 器具有良好的动态特性,但静态特性不理想,存 在静差. 因此,考虑将PID控制算法的实用性与模糊控 制算法的智能性相结合,实现优势互补,研究设 计出一种参数自整定模糊PID控制器对加热炉温度 控制系统进行控制.使加热炉达到减小系统的振 荡性、超调量和调节时间,提高系统总体控制效 果的性能指标. 参数模糊自整定PID控制系统能在控制过程中 对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行 检测分析,采用模糊推理的方法实现PID三个参数 Kp、Ki和Kd的在线自整定.参数模糊自整定PID控 制不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用 方便、鲁棒性较强等特点,而且具有更大的灵活 性、适应性、精确性等特性.模糊自整定PID控制 系统的结构如图2. 系统包括一个常规PID控制器和一个模糊推理 的参数校正部分.偏差E和偏差的变化率EC作为 模糊系统的输入,三个PID参数Kp、Ki和Kd的变化 值作为输出,根据事先确定好的模糊控制规则作 出模糊推理的参数校正,在线改变PID参数的值, 从而实现PID参数的自整定.参数模糊自整定PID 控制使被控对象有良好的动、静态性能,而且计 算量小,易于用单片机实现. 3.2 加热炉控制系统参数自整定模糊PID控制 PID参数自整定的实现思想是先找出PID三个 参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系,在 运行中通过不断检测e和ec,再根据模糊控制原理 对3个参数进行在线修改,以满足不同e和ec时对 PID控制器参数的不同要求.图3为加热炉系统输 出响应曲线. PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参 数的作用以及互联关系.模糊控制设计的核心是 总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验, 建立合适的模糊规则表.下面根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响情况,结合系统输出响

70 71 控制系统 CD技术与应用 CONTROL SYSTEM

71 应曲线图来介绍,在不同的e和ec 时,被控过程对参数Kp、Ki和Kd的 自整定要求为: 1.当e较大时,即系统响应处 于图3输出响应曲线的第I段时,为 了加快系统的响应速度,避免因开 始时偏差e的瞬间变大可能引起微 分过饱和,而使控制作用超出许可 范围,因此应取较大的Kp和较小的 Kd,同时为了防止积分饱和,避免 系统响应出现较大的超调,此时应 该去掉积分作用,取Ki=0. 2.当e和ec为中等大小,即系统 响应处于图3曲线的第II段时,为使 系统响应的超调减少,Kp、Ki和Kd 都不能取大,取较小的Kp,Ki和Kd 值的大小要适中,以保证系统的响 应速度. 3.当e较小,即系统响应处于 图3曲线的第III段中时,为使系统 具有良好的稳定性能,应增大Kp和Ki值,同时为避免系统在设定值附 近出现振荡,并考虑系统的抗干扰 性能,应适当地选取Kd值,其原则 是:当ec较小时,Kd可取大些,通 常取为中等大小;

当ec较大时,Kd 应取小些. 另外根据专家的控制经验知 道,不确定系统在常规控制作用 下,误差e和误差变化率ec越大,系统中不确定量 就越大.相反,误差e和误差变化率ec越小,系统 中不确定量就越小,利用这种e和ec对系统不确定 量的估计,就可实现对PID三参数Kp,Ki和Kd的调 整估计. 其基本算法如下:由E,EC及Kp,Ki和Kd的Fuzzy子集的隶属度,再根据各Fuzzy子集的隶属 度赋值表和各参数的Fuzzy调整规则模型,运用 Fuzzy合成推理设计出的PID参数Fuzzy调整矩阵 表,这是整定系统 Fuzzy 控制算法的核心,我们 将其存入程序存储器中供查询. 定义 Kp,Ki和Kd调整算式如下: 式中,Kp,Ki和Kd是PID控制器的参数, K'

p,K'

i和K'

d是Kp,Ki和Kd的初始参数,它们 通过常规方法得到.在线运行过程中,通过微机 测控系统不断检测系统的输出响应值,并实时的 计算出偏差和偏差变化率,然后将它们模糊化得 到E和EC,通过查询Fuzzy调整矩阵即可得到Kp, Ki和Kd三个参数的调整量,完成对控制器参数的调 整. 根据图3及温控系统参数整定原则可知,此 模糊控制器是以e、ec为输入,以PID参数调节量 ΔKp 、Δ Ki、ΔKd作为输出的二输入三输出模 糊控制器,由对Kp,Ki和Kd的调节规律,形成控 制规则,归纳如下相应的参数调节规则,其模糊 控制表分别如表1,表2,表3所示. 3.3 模糊PID控制器软件设计流程(如图4) 3.4 仿真结果 模糊控制器采用二维的Mamdani控制器, 模糊控制决策采用Max-Min,去模糊采用重心法 (Centriod) ,模糊控制规则49条,仿真实现采 用Matlab语言编写程序,仿真结果如图5所示. 得出系统性能指标为:调节时间tss=1170 秒,超调量δ%=0,稳态误差ess=0. 由仿真曲线可以看出,当电锅炉温度控制系 统采用模糊PID控制时,系统的稳定性增强了,且 调节时间短达到技术要求.

4 结束语 模糊PID控制器综合了模糊控制与PID控制的 优点,很好地解决了温度控制系统的迟滞、非线 性等难题.系统可以在线自整定PID参数,控制超 调量小,鲁棒性强. 本文根据加热炉对控制系统的要求研制了以 PIC16F877A单片机为核心部件的温度控制器,实 现了温度的采集与控制、定时设置、超限报警等 各种功能.本文重点就是采用了将模糊控制与PID 相结合的控制方式,设计了参数自整定模糊PID控 制器.结合控制系统的输出响应分析了模糊PID控 制器的控制规则,用Simulink的Fuzzy逻辑箱对控 制对象进行仿真研究,经过多次反复试验,确定 了模糊控制规则,仿真结果表明达到了比较理想 的控制效果. 图4 模糊PID算法的程序流程图 CD ........