智能仪器论文-PID控制算法在变频调速中的应用.doc

智能仪表课程大作业题目： PID控制算法在变频调速中的应用 班级：姓名：学号：指导教师：开课时间: 2015 至 2016 学年第 1 学期摘要PID控制是工业工程中应用最为广泛,最有效率的控制理论,从它的出现到现在已经经历了很长的时间, 今天它依然在工业控制中占有不可替代的地位, 相信在以后的很长一段时间 PID控制还会有很强的生命力。现代工业的高速发展使原始,单一的控制技术已经很难适应现代控制的要求,将新型的控制理论,与传统的 PID 控制技术相结合在未来的控制领域内会有广阔的前景 。针对目前自动称重配料系统中采用传统 PID控制的不足、系统误差不稳定、动态特性不理想，提出了一种基于模糊 PID控制的算法。 将模糊控制与传统的 PID控制技术结合起来，共同应用于实际系统的调节当中。 系统采用可编程逻辑控制器 （PLC）实现模糊 PID双模控制，大大加快了系统的响应速度， PLC模拟输出控制变频器调节皮带电机转速，从而达到控制物料流量的目的。 经过实际系统的仿真试验，系统控制性能良好，有效解决了系统运行中误差不稳定和动态特性不理想的问题。关键词：模糊 PID；控制算法；变频调速；自动配料系统AbstractPID control is the most widely applied in industrial engineering, the most efficient control theory, from its emergence to now has experienced a very long time, today it still occupies an irreplaceable position in the industry control, believe in the future for a long time of PID control will also have the very strong vitality. With the rapid development of modern industry makes original, single control technology has been difficult to adapt to the requirement of modern control, the new type of control theory, combined with the traditional PID control technology in the future will have broad prospect of control field. In view of the present automatic weighing ingredients for the system s lack of traditional PID control，instability often system error， the dynamic characteristics were not ideal A fuzzy PID control algorithm was pro- posed Fuzzy control and conventional PID control combined together were used in the regulation of the actual systemSystem used PLC to achieve dual-mode fuzzy PID control， greatly speeding up the system response speed， PLC analog output adjustment belt drive motor speed control to achieve control of material flow purposes After a system simula- tion test， the system had good dynamic and static performance， to meet the requirements of actual control Effectively solved the problem of the system operation error instability and dynamic characteristics was not idealKey words： fuzzy PID； control algorithm； variable frequency speed regulation； automatic batching system目录一、引言1二、系统控制模型1三、模糊 PID控制算法设计23.1模糊控制器结构的确定23.2模糊控制器的输入/输出23.3控制规则和模糊控制表的求取2四、模糊 PID控制算法的 PLC实现3五、系统仿真45.1 模糊PID控制的仿真45.1.1 FIS编辑器45.1.2 隶属函数45.1.3 模糊规则库55.2 对模糊控制器编程仿真7六、总结8参考文献9致谢10模糊 PID 控制算法在变频调速中的应用一、引言随着烧结配料技术的发展， 以往常用配料称重系统方案设计是基于古典的 PID调节器，采用一般的 PID控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整定的，灵敏度较高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质， 从理论上讲能做到无误差调节。 但是，在实际运行中，皮带秤自动配料系统的准确度会受到各种因素的影响，这些往往使得系统误差不稳定，动态特性不理想，无法达到预期的控制效果。提出模糊 PID复合控制算法、将模糊控制技术结合传统的 PID控制策略应用在自动配料系统的调节中。二、系统控制模型皮带秤配料系统一般由可编程逻辑控制器（Programable Logic Controller， PLC）上位机、变频器、直拖皮带机、配料皮带、主皮带等部件组成，在配方给定的情况下， PLC可以独立对物料流量实施闭环控制和调节，其中采用模糊 PID控制算法进行调节，算法内嵌于 PLC中，也可以接收上位机信号，实现配料系统的上位机控制。 以配料系统中的一台直拖皮带配料系统为例，其控制方框图如图所示。模糊 PID的控制算法，将模糊控制技术与传统的 PID控制技术结合起来，共同应用于实际系统的调节当中，误差较小时采用 PID控制，误差较大时采用模糊控制。 控制系统算法基本流程图如图所示三、模糊 PID控制算法设计 模糊控制系统的品质在很大程度上取决于控制规则及隶属度的确定，控制规则是其核心，一般用 IF a THEN b的表达形式，条件 a可以是多个条件逻辑积。 模糊 PID复合控制器结构图如图所示3.1模糊控制器结构的确定该系统将给定值 Fgi和输出反馈量 Ffi进行比较，得到流量偏差 Ei，进而可求出其变化率Ei，以 Ei和Ei作为 Fuzzy控制器的输入，控制器的输出是控制量 Ui，即采用二维模糊控制器，如图3 所示。 其中， K1、 K2为量化系数， K3为比例系数。3.2模糊控制器的输入/输出 将输入信息 Ei和Ei量化在6，+6之中，偏差 Ei对应的模糊子集 E分为八档：E= 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大即 E= NB，NM， NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。与此对应：将偏差Ei对应的模糊子集 Ed也分为八档：Ed= 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大即 Ed= NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。输出信息 Ui也量化在6，+6之中，对应的模糊子集 U同样也分为八档：U= 负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大即 U=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。3.3控制规则和模糊控制表的求取为了使控制规则模糊逻辑表转化成模糊控制规则表，在 MATLAB中利用模糊逻辑（Fuzzy）工具箱，新建 FIS文件： Fuzzy1 fis，利用 MATLAB中的模糊逻辑 （Fuzzy）工具箱得到控制规则图7 。输入输出曲面如图所示。四、模糊 PID控制算法的 PLC实现为了让 PLC能够识别模糊控制规则，还需要在 MATLAB中用函数 evalfis（）求解，将其转换成模糊控制查询表，以方便 PLC使用。 evalfis（）函数会利用用户定义的模糊推理系统 fis 对这些输入信号进行模糊化，用该系统进行模糊推理，得出模糊输出量。在 MATLAB中编写程序，由程序得出的数值经四舍五入取整后得到模糊控制查询表。 该系统设计采用西门子公司 S7200系列CPU224型 PLC。 其自带的 PID模块，加上建立在PLC中以数据块查询的模糊控制策略，实现系统设计要求的模糊 PID控制。 因带有符号的数在PLC中处理不方便，且容易出错，所以把上面的E、Ed、 U都加上一个偏移量6，得到可以在 PLC中使用的模糊控制规则表。在 STEP7编程软件中，查询表是预先把加上偏移量后的值以数据块的方式存在 PLC 内存中，一般定义在 VB0 VB169连续的存储空间中。 这样可以使 PLC以查表的方式实现模糊控制，进而提高控制响应速度。在实时控制中，模糊控制首先将采样得到的输入量量化到输入语言变量模糊论域中，根据量化的结果元素，分别对应到不同的地址，用变址寻址的方法去查数据块中的模糊控制查询表，进而求出控制量的一个清晰值。 在每个控制周期，根据 Ei和Ei的值查模糊控制表，即可得到控制量Ui，再经过标度变换，即得到系统的实际控制量u，用以控制实际的系统。 变址寻址方式查用户自定义数据块中的模糊控制表。用 PLC的编程软件 PID设置向导生成 PID 控制器，模糊控制与 PID控制在 PLC中编程设计根据偏差的大小，进行实时的模糊 PID控制算法。五、系统仿真用 MATLAB 中的 Simulink 和 Fuzzy 工具箱, 对控制对象进行仿真研究。5.1 模糊PID控制的仿真 5.1.1 FIS编辑器 在MATLAB提示符下键入下列名字启动系统“Fuzzy”。打开一个标记为input1的单输入，标记为output1的单输出的一个没有标题的FIS编辑器。打开Edit菜单并选择Add Variable.分别添加输入、输出，并分别命名为E，EC，KP，KI，KD。5.1.2 隶属函数 在上图所示窗口中，打开View下拉式菜单并选择Edit Membership Functions.通过双击各个变量，设置Range和Display Range。以定义其论域和每支隶属函数的范围。从Edit菜单中选择Add MFs.分别对系统的输入输出变量按照设计书对隶属函数的类型、数量进行定义，见图5.1.3 模糊规则库 在上图所示窗口中,点击“Edit”,选中“Rules.”按照任务书中的关于e、ec、KP、KD、KI的模糊规则，参照编辑器的提示，将规则一条一条的录入其中，见图综上，对模糊控制器的各部分设置完成，将其保存为“fuzzpid.fis”。 使用菜单栏中的View-Rules即可观察设计规则，如图5所示。拖动输入变量中间的竖直线，可以看到控制量的变化情况。通过分析图形特点，可以看到它有明显的梯度分布，说明所设计的模糊系统从误差和误差变化到三个PID参数变化量的模糊映射与理论设计匹配良好。5.2 对模糊控制器编程仿真 设被控对象为采样时间为1ms，采用模糊PID控制进行阶跃响应，在第300个采样时间时控制器输出加1.0的干扰，相应的响应结果如下图所示 模糊PID控制阶跃响应 模糊PID控制误差响应 控制器输出 Kp的自适应调整 Ki的自适应调整 Kd的自适应调整 普通PID控制响应与模糊PID控制响应的对比六、总结可见，模糊控制器的控制输出在波动产生后较短的时间内，重新进入收敛状态。反应灵敏，动作迅速，可靠性比较高。 综上，模糊PID控制器具有优良的控制效果，所建立模糊系统的各项指标具备实用性和可行性,基本达到了设计要求。 在实际的工程项目中，将先进的模糊 PID控制算法应用于电子皮带秤自动配料系统，确实有效解决了 以往皮带秤配料系统存在的系统误差较大、动态特性不理想的问题,提高高系统的控制准确度和可靠性，有效解决了动态称重配料系统的两个重要指标快速性和准确性难以统一的问题。 在系统实际调试过程中发现，采用模糊 PID 复合控制方式比单纯采用 PID控制，系统波动较小、更容易稳定、系统调整时间也有明显改善。 其应用前景广阔，势必取代传统的 PID控制器，同时也提高了工业自动化的程度。参考文献1 李牡丹，李丽宏，雷张伟 基于模糊 PID控制的配料秤系统的实现J中国测试技术，2008 （02）：116-1192曾光奇，胡均安模糊控制理论与工程应用M武汉：华中科技大学出版社，20063苏涛，姚凯学基于 Fuzzy-PI双模控制的控制系统J控制工程，2005（S2