基于Matlab的电阻炉温度控制仿真研究

绪论SJ006-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 论 文题目：基于Matlab的电阻炉温度控制仿真研究二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10自二 学生姓名： 王洪超 学号： 10020627 指导教师： 高敏 职称： 讲师 评阅教师： 职称： 2014 年 5 月目录 第1章绪论11.1课题研究背景及意义11.2电阻炉温度控制系统的发展状况11.3本文研究的主要内容2第2章电阻炉温度控制系统的设计32.1 电阻炉系统数学模型的建立32.2 电阻炉模糊控制器的建立52.3 电阻炉模糊PID控制72.3.1 模糊PID控制器的输入输出变量及其模糊化82.3.2 模糊PID控制器调整规则102.4本章小结13三、 常规PID控制基础143.1 模拟PID控制143.2 数字PID控制153.2.1 位置式PID控制算法153.2.2 增量式PID控制算法163.2.3 PID控制器的优缺点173.3 模糊控制183.3.1 模糊控制系统组成183.3.2 模糊控制的工作原理193.3.3 模糊控制系统优缺点203.4 模糊PID控制203.4.1 自适应模糊PID控制基本特性213.4.2 自适应模糊PID控制工作流程213.5本章小结23第4章仿真研究与比较244.1电阻炉的PID控制仿真研究244.11仿真模型的建立244.12PID参数的整定及仿真结果244.2电阻炉的模糊控制仿真研究254.3电阻炉模糊PID控制仿真研究264.4比较与总结284.5本章小结28参考文献29致谢31I常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书摘要电阻炉的温度控制系统是一种在工业生产过程控制被广泛运用的控制系统。而随着时间的推移，生产过程中对电阻炉的温度控制又提出了更加高的要求。然而，由于电阻炉的温度控制有着非线性、滞后严重、难以建立准确数学模型的特点，传统的控制方案又不足以满足现代工业生产的要求，因此，需要研究出一种更加合适的控制方案。本文选用了三种不同的对电阻炉的温度控制的控制方案：PID控制、模糊控制和模糊PID控制，并且利用Matlab中的Simulink软件对这三种控制方案进行仿真研究。通过对这三种控制方案的理论分析以及最后仿真结果的分析研究，得出了三种控制方案各自的优点以及不足，从而得出了电阻炉温度控制的最佳控制方案。关键词：电阻炉，Matlab仿真，PID控制，模糊控制，模糊PID控制AbstarctResistance furnace temperature control system is an industrial production process control is widely used in control systems. With the passage of time, the production process of the furnace and the temperature control resistor made more high requirements. However, due to resistance furnace temperature control with linearity, hysteresis serious, difficult to establish accurate mathematical model of the characteristics of the traditional control scheme is not sufficient to meet the requirements of modern industrial production, therefore, need to come up with a more suitable control scheme.This selection of three different control schemes resistance furnace temperature control: PID control, fuzzy control and fuzzy-PID control, and the use of Matlab Simulink software to simulate these three control schemes studied. Through analysis of these theoretical analysis and simulation results of the last three control schemes, and come to the merits of the three control schemes and insufficient to arrive at the optimal control scheme resistance furnace temperature control.Keywords: resistance furnace, Matlab simulation, PID control, fuzzy control, fuzzy-PID Control绪论第1章绪论1.1课题研究背景及意义从20世纪20年代初，电阻炉将被用于工业。随着科学技术的发展，电阻炉广泛应用于冶金，机械，石化，电力等工业生产，在许多生产过程，测量温度和生产安全，生产效率，产品质量，节能减排等控制主要技术经济指标密切相关。因此，对电阻炉的温度控制精度，稳定性和可靠性要求的所有领域也越来越高，温度测量控制技术已成为现代科学技术的发展是一个重要的技术。温度是生产过程中的物理参数和科学实验是很常见的，非常重要的。在工业生产过程中，为了有效地产生，必须是主要生产工艺参数，如温度，压力，流量，速度，有效地控制，其中，所述温度控制占据了生产过程中的相当大的比例。精确测量和有效控制温度的高品质，高产量，低耗和安全生产的重要条件。如果炉子冶金行业，电力行业，锅炉，电抗器及化工行业等设备，通过温度监控，确保产品质量;甚至日常微波炉，烤面包机，电热水器，空调等家电产品也需要进行温度监控。可见温度控制电路被广泛应用于社会生活的各个领域，所以温度的控制是非常必要和有意义的。但由于一些自己的温度控制设备的特性，如惯性，滞后严重，难以建立精确的数学模型，由于其传统的PID控制参数不变，并且不能跟踪对象的属性发生变化，从而导致业绩不佳控制系统。根据这个特性，是一种智能化的控制方案中，PID控制，模糊控制和自适应功能相结合，形成基于模糊自整定PID控制器的自学习。这种控制方案，并成功地应用于实验室的电阻炉温度控制，以达到调整时间短，响应速度较快，超调量和稳态误差在几乎为零的要求。因此，本研究设计是可行的，一定的促销，如果应用程序和实际生产中，将提高自动化水平，降低生产成本，减轻劳动强度的推动起到了积极作用。1.2电阻炉温度控制系统的发展状况电阻热处理炉是使用最广泛的生产加热设备使用时，它占据的机械非常重要的地位，冶金等行业的生产。电阻炉温度控制对直接影响质量，产量和生产消耗指标的供热质量工艺要求的水平和温度有直接的影响，所以在电阻炉自动控制的研究一直是重视的发展速度更快，也取得了较为丰硕的成果。总体而言，电阻炉的温度控制技术可以分为以下几个阶段：经典控制技术阶段。第一阶段时间是20世纪的40年代和19世纪的60年代，被称为“经典控制”时期。在20世纪的60年代，一些除了一些监测仪器设备齐全的大型工业电阻炉的配置外，还设置了PID调节器，以经典控制理论，实现了单参数自动调节。现代控制的阶段。第二阶段时间是20世纪的60年代和70年代，被称为“现代控制技术”时期。在国际上，主要采用的是系统辨识，最优控制，自适应控制，炉温控制技术来控制，如美国Conshohochen工厂是在20世纪的60年代和70年代轧机控制，引进了线参数估计机制与离散模型，使用广义的最小方差的控制策略建立了相应的电阻炉的自适应控制系统。(3)智能控制的阶段。第三阶段时间，因为20世纪的70年代末。在七十年代的末期，电阻炉的温度控制的技术已逐渐成熟， 向“智能控制”与“复杂系统控制”发展。最近20年，模糊控制，神经网络控制，遗传算法等等的智能控制技术的发展比较迅速，应用程序有一个温度控制系统。像日本的三菱电机公司开发了一系列模糊MACTUS 210 PID自整定调节器在1998年，这样的模糊规则和推理控制器，以优化PID控制器，适应性强的参数，但调整过程是复杂的。日本山武霍尼韦尔公司在1995年开发出商业化SDC30系列智能数字调节器，人工神经和模糊控制与PID控制器参数。由于中国的改革开放的发展和生产国内引进一些更先进的控制设备，但是从整体来说，我们的电阻炉温度控制落后于发达国家比四五年，控制一些中小型企业模拟仪表系统控制技术仍然占据主导地位，控制由人工选择参数，系统，你需要配置一个专用的仪器调试人员，费时，费力，不准确，一旦生产环境的变化将需要重置。控制不方便，控制精度不高，导致低质量的产品，废物直言不讳高员工的劳动强度，低劳动效率，从而降低企业的工作效率。1.3本文研究的主要内容PID温度控制效果取决于P，I，D三个参数。确定温度控制的PID控制系统工作得很好，但对于大滞后，大惯性，控制当系统的变性温度，质量控制难以保证。电阻炉是由一个电阻丝加热加热，通过自然冷却，在电阻炉温度过冲不能被冷却的装置来控制，因此，电阻炉的温度控制，非线性，迟滞特性，惯性和不确定性的冷却。目前成熟电阻炉温度控制系统主要是基于PID控制，由于其参数设定是不理想的，这是很难保证的电阻炉控制系统的稳定性和精度。模糊控制是基于模糊集理论，模糊逻辑，并与经典控制理论相结合，以模拟思维的计算机数字控制方法的人的方式，它是模糊规则和模糊推理的核心。要知道被控对象，摆脱精确的数学模型的束缚的精确数学模型，不需要模糊控制，它只是运营商的经验和相关经营数据，鲁棒性非线性，系统的滞环控制，但其静态表现并不理想，限制了它的广泛应用，新水控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，而且还具有结构简单，易于实现的研究，还是非常必要的。今天，模糊控制，模糊PID控制技术，更重要的是最活跃的研究领域，该模糊PID控制器具有常规PID控制和模糊控制的优点，并成为热点为今后的研究和应用之一。因此，在模糊PID控制技术的生产价值和生命更有价值。13电阻炉温度控制系统的设计第2章电阻炉温度控制系统的设计2.1 电阻炉系统数学模型的建立电阻炉的实物图如图2-1所示：图2-1 电阻炉实物图通常电阻炉的温度控制可作为模型的定性描述 （2.1）其中：X：电阻炉温度(即炉内温度和室温之间的温度差)； K：放大系数； ：纯滞后时间； t：加热时间； T：时间系数； V：控制电压理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个对象，可用纯滞后的二阶系统中描述了一种自我平衡的能力。然而，对于二阶非振荡系统，参数识别可以由一阶模型减小。因此，一般可用一阶惯性滞后的数学模型来描述温度控制对象。因此，在电阻炉温度的传递函数模型 （2.2）其特征在于，K，T，分别对对象模型中，时间延迟和时间常数惯性时间常数的静态增益，s是一个复杂的变量。(l)静态增益K放大系数K也被称为放大系数和输入是控制对象的变化量的比当重新平衡状态，这是不变化量与时间的输出的变化。变化的相同的输入的作用，K越大，控制对象，输出的变化量越大，其越大，对输入输出的效果，更糟糕的受控对象本身的稳定性;反之，K是较小的，带电荷的更好的对象的稳定性。(2)滞后时间T在过程控制中，许多指责的对象在输入变量的作用后，它并没有时间下这种现象的动态参数描述的改变立即充电量，但变化只发生在一定时间后，这是滞后，滞后。(3)时间常数控制对象的时间常数反映了在输入和输出变量达到新的稳态值，它决定了控制对象的参数的动态特性的动态过程的整个长度的速度之后的作用。2.1.1 被控对象模型确立目前的项目是一种常用的方法应用到一个阶跃输入信号的处理对象，测定步骤的过程对象应，然后测定阶跃响应曲线近似传递函数的过程。库恩的公式来确定近似的传递函数- 特别是与科恩。时间t（分）01234567温度T（度）2050105150180210240250给定的输入阶跃信号为250，具有电阻炉热电偶测温，取样，每分站。 表2.1 每分表2-1每分钟钟温度采样值表实验数据如表2.1:根据Cohn-Coon公式如下: （2.3）式中： M为系统阶跃输入；C为系统的输出响应t0.28是对象飞升曲线为0.28C时的时间（分）从而求得K=0.92,T=144s,=30s, 所以电阻炉模型为 （2.4）2.2 电阻炉模糊控制器的建立模糊控制快速，稳健性好。它可以被认为是控制系统，希望能得到良好的性能。正如前面提到的，有较常用的Mamdani型。模糊推理系统，模糊逻辑工具箱有五个过程：输入变量的模糊，模糊关系运算，模糊综合经营，整合不同的规则的结果，去模糊化。对于多输入，你需要使用模糊综合多种输入操作在这些综合考虑和分析。任何合理的模糊的声音合成方法的情况下，“与（AND）”和“or（或）”来实现。MATLAB工具箱和内置两种操作方法，这是最低法案（min）和积法（督促）。类似地，操作有方法或两种，即最大正常（max）和概率方法（probor）。模糊蕴涵（蕴涵）是对每个模糊规则的问题，在MATLAB中的含义，有两种方法：最高法最大，概率法probor，总和总和。有许多常用的防抖方法是重心法的重点。建立模糊控制器的电阻炉方法：(1)确定模糊控制器的输入和输出变量，模糊控制器使用了三个模糊变量:E为温度误差；EC为温度误差的变化率；U为控制加热的供电电压其中E，EC作为输入模糊变量，U为输出模糊变量(2)确定每个输入:采取三种语言变量的量化水平是7，即x，y，z=-3，-2-1,0,1,2,3。误差e的论域为-30,30。误差变化de的论域为-90,90。控制输出u的论域为-16,16。则各比例因子为：Kp=4/50=2/25, Ki=4/150=2/75, Kd=64/4=16。(3)量化每个输入和输出语言变量的定义范围内的模糊子集。E，EC和u模具集NB，NS，0，PS，PB，量理论上钟，但考虑到实现的复杂性的模糊隶属函数的形状，在实际控制过程中往往降低到一个简单但也反映模糊推理，从而大大简化了计算处理模糊推理的元函数的结果。实验表明，该三角形的隶属函数为钟型隶属函数简化为合理可行的。由隶属函数定义，以提高稳态控制点的精度，采用非线性量化的量化方式：表2-2 隶属度函数（模糊集）误差e-30-15-5051530误差率de-90-30-100103090控制v-16-4-202416量化等级-3-2-10123状态变量相关隶属度函数PB000000.51PS0000.510.50ZE0000.50.500NS00.510.5000NB10.500000 (4)模糊控制规则的确定 模糊控制的规则是基本的操作员的控制经验的模糊条件语句的集合得出的总结。确定模糊控制规则必须确保该输出控制器可以将系统的输出的静态和动态特性，以达到最佳的响应。考虑到误差e= TD-T是负的。当e为负大，无论怎样的值，为了消除偏差应控制增加量。所以应采取控制CP的量。有迹象表明，控制规则如下：规则1：如果误差e是NB，且误差变化de是PB，则控制U为PB；规则2：如果误差e是NB，且误差变化de是PS，则控制U为PB；规则3：如果误差e是NB，且误差变化de是ZE，则控制U为PB；规则4：如果误差e是NB，且误差变化de是NS，则控制U为PB；E为负时，误差较小或为零，主要矛盾质疑了系统的稳定性。为了防止过冲，并且系统的稳定性，尽快，有必要根据德误差来确定控制的变化量。如果德为正时，表示该误差有减少的趋势，它具有以下控制规则：规则5： 如果误差e是NS，且误差变化de是ZE，则控制U为PB；规则6： 如果误差e是NS，且误差变化de是PS，则控制U为ZE；规则7： 如果误差e是NS，且误差变化de是PB，则控制U为NS；规则8： 如果误差e是ZE，且误差变化de是ZE，则控制U为ZE；规则9： 如果误差e是ZE，且误差变化de是PS，则控制U为NS；规则10：如果误差e是ZE，且误差变化de是PB，则控制U为NB；当误差de变动为负时，有增加的趋势偏离，则控制应该被增加，以防止进一步增加的偏差。因此，控制规则：规则11： 如果误差e是NS，且误差变化de是NS，则控制U为PS；规则12： 如果误差e是NS，且误差变化de是NB，则控制U为PB；规则13： 如果误差e是ZE，且误差变化de是NS，则控制U为PS；规则14： 如果误差e是ZE，且误差变化de是NB，则控制U为PB；根据系统的工作，当误差e和误差de变动的迹象，同时控制变化量是应变数的特征。这样就可以得出剩余的九条规则。表2-3 模糊控制规则表UEDENBNSZEPSPBNBNBPBPBPSNBNSPBPSPSZENBZEPBPSZENSNBPSPBZENSNSNBPBPBNSNBNB*2.3 电阻炉模糊PID控制但是，由于模糊控制的融合不良影响，静态控制效果不是很理想。如果能结合模糊控制和PID，PID控制两个棒和精度模糊控制，可以达到很好的控制效果。目前有多种模糊PID控制器的结构，但它的工作原理基本相同。使用的基本原则和学习模式方法的人，该规则的条件，操作用模糊集和这些地方，并存储在计算机中作为一个知识库及其相关信息的模糊控制来表示，然后使用基于计算机的系统真正的模糊推理的响应，可自动调整为最佳的PID参数，构成模糊自整定PID控制器。模糊自整定PID控制是基于PID算法，通过计算错误率e和误差变化ec的当前系统，利用模糊规则的模糊推理，模糊矩阵表查询参数整定。因此，模糊自整定PID控制器设计的核心，是实践经验，建立相应的模糊控制规则，获得对三个参数进行整定的模糊控制表技术知识的工程技术人员的总结。基于理论研究和分析，我们得出这样的结论模糊PID控制器的设计分为以下几个部分上述有关：(l)确定PID控制器的模糊输入和输出变量。模糊控制器的输入变量通常是采取误差E和误差变化EC，构成了一个二维模糊PD控制器的输出变量一般选择控制量的增量。模糊PID控制系统控制的量通常是，无论增量的Kp，KI，输出的Kd值。(2)确定PID控制器的模糊输入和输出变量。模糊控制器的输入变量通常是采取误差E和误差变化EC，构成了一个二维模糊PD控制器的输出变量一般选择控制量的增量。模糊PID控制系统控制的量通常是，无论增量的Kp，KI，输出的Kd值。(3)模糊控制规则。模糊控制是语言控制，所以语言诱导手动控制战略专家，以建立模糊控制规则表。模糊控制规则实际上是一组多重条件语句。(4)模糊推理模糊决策。通过模糊控制规则，从域衍生的控制误差的模糊关系矩阵R的数量，然后更改模糊误差矢量E和误差矢量EC模糊和模糊关系R合成模糊推理，得到模糊矢量控制音量。采用模糊控制矢量成的确切数额明确的方法。(5)求模糊控制表。模糊关系、模糊推理和模糊判决离线计算终于可以得到模糊控制器输入量的量化等级E、EC与PID控制量，之间的确定关系。 (6)取样偏差，方差变化经过模糊处理，变成模糊控制规则，揭示了一个新的PID参数，然后通过PID算法的计算将得出最终的输出，这是该系统的控制权。(7)要调整的模糊PID控制性能，然后将比例因子和量化因子的模拟分析，以获得最佳的控制效果。2.3.1 模糊PID控制器的输入输出变量及其模糊化在实际应用中，二维模糊控制器的控制性能和控制的复杂性较好，是目前更广泛使用的一种形式。本文还设计了一个二维模糊控制器在温度变化偏差偏差e EC作为输入，相应的语言变量e和ec，PID控制参数，,，其相应的语言变量的，分别采用正态分布的隶属函数。第一输入的精确量和系统的炉温被转换为模糊量发生了变化，该过程被称为模糊或模糊称为量化。模糊输入变量的由在其域成员的隶属函数的精确定义的作用是计算每个模糊集合而由此转换成模糊变量。电阻炉模糊模糊PID控制器的输入和输出变量被分成以下步骤：(l)选择的域炉内温度的变化，通过分析所选择的误差的特性。的基本论域为：-50,50集量化域为3,3，则量化因子柯= 3/50 =0.06。电阻炉的温度变化率ec基本论域，取为：12，12A，其中量化域为3,3，则量化因子KEC=3/12=0.25。(2)选择量化因子的基本论域为-0.3,0.3，其中量化域为-0.3,0.3，量化因子1。的基本论域为-0.06,0.06，其中量化域为-0.06,0.06，然后量化子1。的基本论域为-3，3，其中量化域为-3，3，则量化因子1(3)隶属度函数的确定三角形的隶属函数分别为输入和输出的曲线，根据该控制的温度特性的离散化，分别得到的温度偏差，偏差变化，的各个模糊集合的隶属度函数表。E，EC，的隶属函数表，表中的值表示每个模糊集合的隶属相应的字段。表2-4 E,EC和Kp的隶属度表-3-2-10123NB1.00.300000NM0.310.30000NS00.310.30000000.310.300PS0000.310.30PM00000.310.3PB000000.31 表2-5 Kd的隶属度表-0.3-0.2-0.100.10.20.3NB1.00.300000NM0.310.30000NS00.310.30000000.310.300PS0000.310.30PM00000.310.3PB000000.31表2-6 Ki的隶属度表-0.06-0.04-0.0200.020.040.06NB1.00.300000NM0.310.30000NS00.310.30000000.310.300PS0000.310.30PM00000.310.3PB000000.312.3.2 模糊PID控制器调整规则设计是关键的模糊控制器控制规则的设计，一般包括：输入和输出变量的说明选择设置的话，基于模糊集和模糊专家规则的变量为每个站点建立的模糊控制器控制规则。(l)变量词集是形容输入和输出变量的词集控制规则的一组中的条件语句模糊条件语句模糊控制器的性能描述的输入和输出变量一些词（如“CP”，“负小”等）的收集，一句话叫做设置这些变量的状态。选择更多言语形容的输入和输出变量，可以更容易地开发控制规则，但规则相应的控制变得复杂。选择词汇太小，使得该变量的描述变得粗糙，导致控制器的性能差。一般采用“大，中，小”三个词来形容的温度变量的状态，再加上积极的和消极的方向和零状态共七个方面，即负，负，负小，零，正小，中间，用缩写为CP：NB，NM，NS，0，PS，PM，PB在正常情况下，这七个词更合适的选择，但也可以多选或更少的选择。选择更多的话可以是变量的更精确的描述，提高控制精度，但将复杂的控制规则;选定词汇太少粗糙变量的描述，从而导致控制性能的劣化。在E，EC和Kp分为七个等级，即E、EC、=-3，一2，一1，0，+1,+2，+3;在增加的域控制精度的元素数可以得到改善，但计算量的增加，并改善了模糊控制的效果并不显著。同理，将和的在模糊论域上也分为7个等级，它可以有=-0.3，-0.2，-0.1,0，+0.1，+0.2，+0.3 以及=-0.06，-0.04，-0.02，0，+0.02，+0.04,+0.06。(2)模糊控制器的规则设计通过一系列的模糊条件句“IF一THEN”类型所构成的模糊控制规则库。前提输入句子的条件和状态，以及控制变量的结论。模糊控制规则是基于手动控制策略建立，策略是手动控制人通过学习，测试和长期经验的积累，逐步形成存储在集合中的操作人员或专家技术知识。生成模糊控制规则一般有以下四种方法，即：基于专家知识的产生经历或过程的模糊控制规则;根据过程模型来生成模糊控制规则;生成基于观测系统操作的手动控制和测量控制规则;根据学习算法来生成控制规则。模糊自整定PID参数是识别三个参数与电阻炉温度偏差和温度变化之间的偏差的PID模糊关系，通过连续地检测的温度偏差和偏差变化运算进行计算，基于模糊控制原理来对这三个进行在线修改，以满足不同的温度设定、温度变化与偏差变化控制参数的不同的要求，使被控对象具有比较好的动，静态性能参数。从温度控制，响应速度，稳态精度和超调量的系统考虑的稳定的各个方面，,的作用:比例系数的作用是提高系统的响应速度，增加系统的调节精度。越大，系统响应速度越快，系统调节精度越高，但容易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度变慢，从而增加调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差。越大，系统的静态误差消除越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分作用系统的作用是提高系统温度的动态特性，它的主要作用是在响应过程中阻止偏差向任意方向变化，对偏差变化进行提前的预报。可过大，能导致响应过程的提前制动，因而延长调节时间，且会减低系统抗干扰性能。根据以前的经验与温度控制的特别性可知PID控制,参数调整有以下的规律:温度偏差| E |较大，为提高温度控制的响应是要以避免大的启动温差由于瞬时偏差e同时服用会增加饱和度可允许的以外发生离开范围，从而导致过冲的现象的控制动作应采取较小的，同时，为了防止过冲较大的系统响应，产生饱和，以限制通常采取= 0以除去积分作用的不可或缺的作用。温度偏差|e|和偏差变化|ec|处于中等大小，为了让系统响应有比较小的超调，应该取的小些，和要适当取值，这时取值的大小对系统响应的干扰比较大。|e|较小就是靠近设定值，为了让系统有比较好的稳态性能，和都要取得大一些。为了让系统在设定值附近不会出现振荡，并且考虑到系统抗干扰性能，一般是当|ec|较小时，可大些;当|ec|较大时，取小些。偏差变化量|ec|物理意义是说明温度偏差变化快慢的速度，|ec|值越大， 的取值则越小，的取值也越大。按照上述目前有的PID的调节法，并结合实际的电阻炉温度对象的设计的控制特性 点，分别建立了如下针对,三个参数的整定的控制规则表.表2-7 模糊规则表（模糊变量Kp）EECNBNMNS0PSPMPBNBPBPBPMPMPS00NMPBPBPMPSPS0NSNSPMPMPMPS0NSNS0PMPMPS0NSNMNMPSPSPS0NSNSNMNMPMPS0NSNMNMNMNBPB00NMNMNMNBNB表2-8 模糊规则表（模糊变量Ki）EECNBNMNS0PSPMPBNBNBNBNMNMNS00NMNBNBNMNSNS00NSNBNMNSNS0PSPS0NMNMNS0PSPMPBPSNSNS0PSPSPMPBPM00PSPSPMPBPBPB00PSPMPMPBPB表2-9 模糊规则表（模糊变量Kd）EECNBNMNS0PSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNS0NS0NSNMNMNSNS000NSNSNSNSNS0PS0000000PMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB查询模糊控制表，以获得校正的3 PID控制参数的量即Kp，Ki和Kd,则,参数按下式计算。上式中,是PID控制器的初始值，一般是根据现场调试经验所设定。Kp，Ki和Kd为模糊PID控制器的输出值是校正量,为PID实际控制量。2.4本章小结本小节主要介绍了电阻炉的数学模型和被控对象模型的建立过程，以及模糊控制器的建立，并且简单介绍了模糊控制器的调整规则。常规PID控制基础三、 常规PID控制基础3.1 模拟PID控制基于偏差的比例、积分和微分的控制器简称为PID控制器，它是一种最常见的过程控制器。常规模拟PID控制系统的原理框图如图3-1所示。系统是由模拟PID控制(虚线框内的部分)与被控对象构成。执行机构积分比例微分被控对象温度检测与变送 图3-1 模拟PID控制器系统框图整个系统具有一个PID控制器和控制对象，作为一个线性的控制器，基于该设定值R（T）与实际的输出值y（t）的构成偏差，即： (3.1)该偏差的比例，积分和微分控制，构成由控制对象的量的线性组合的控制，即所谓的PID控制器。它的控制规律是： (3.2)它的传递函数的形式为: (3.3)其中，为PID控制器输出，、为PID控制器的比例系数、时间积分常数和时间微分常数。式（3.2）和式（3.3）是两种表达形式，是我们最经常看到在各种文献中PID控制器。各种控制动作（比例作用，积分作用和微分作用）在表达式里明确实现，相对应的控制器的参数包含了比例系数、时间积分常数和时间微分常数。这些参数的优劣值将影响PID控制系统结果的质量控制，它们对控制的性能影响如下：1.比例作用对控制性能的影响比例系数的作用是加快系统响应速度，提高了系统的精度调整。越大，会有更快的系统响应速度，更高系统的调节精度，但容易发生超调，甚至引起系统的不稳定。取值过小，会减小调节精度，减慢响应速度，从而提高调节时间，差让系统的静态、动态特性变。2.积分作用对控制性能的影响的作用是去除系统稳态误差。越大，系统静态误差去除越快，但过大，在响应过程刚开始时会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3.微分作用对控制性能的影响的作用是改善系统动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差的变化进行提前的预报。可过大，能导致响应过程提前制动，从而提高调节时间，而且会降低系统抗干扰性能。3.2 数字PID控制计算机的诞生和发展，传统的控制方法已逐渐被数字控制取代。在计算机的控制系统中，PID控制规律是计算机算法的实现，采用了数字PID控制器，数字PID控制算法经常分成位置式PID与增量式PID控制算法。3.2.1 位置式PID控制算法在电脑直接数字控制系统，PID控制器通过计算机程序实现PID控制算法。连续时间信号送入计算机，必须进行采样和量化成数字，输入计算机的存储器和寄存器，并且在数字式计算机的计算和处理，不论是整体或局部的，只能用来近似数值计算。因此，PID控制规律是在数字计算机实现的是一个数值逼近方法。当采样周期足够短时， 用求和的形式代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，PID算法将在连续时间微分方程进行描述成离散时间PID算法描述微分方程，即可以做如下的近似转换： （3.4）显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将简化表示成等，即省去T。将式(2-3)代入式(2-1)，可以得到离散的PID表达式为: （3.5）其中:： 采样序列号；： 第k次采样时刻的计算机输出值；：第k次采样时刻输入的偏差值；：第k-1次采样时间偏移值输入；： 积分系数，；：微分系数，。由于位置式PID控制器每次都输出全部控制量，因此它可以直接作用于阀门等执行机构。但是这样的话，就会产生两个明显的问题：由误差累计产生的积分饱和以及启动或停止可能产生的溢出，因而产生了增量式PID控制算法。3.2.2 增量式PID控制算法增量式PID控制算法可以由(3-8)导出。由递推原理可以得到： （3.6）用式(3.6)减式(3.5)可得: （3.7）式中：将此式整合得： (3.8)其中： （3.9）它们全是和采样周期、比例系数、时间积分常数和时间微分常数有关的常系数。增量式PID控制是指在数字控制器的增量输出，以控制只是量。相比较与位置式控制，增量式控制虽然只是在算法上进行了改进，但是却多了以下优点:(1)增量式PID控制算法不需要做累加，确定控制量增量仅与最近几次的误差采样值有关系，计算误差或者计算精度问题，对控制量影响比较小。(2)增量算法是从控制量的增量，如阀控制，输出变化只有部分阀门的开度，故障影响不大，通过限制或禁止此输出，如果有必要，当计算机出现故障，你可以保持逻辑的决定所产生的原始值，并且相对容易获得通过加权更好的控制效果。不影响系统的运行。(3)增量算法，易于实现手动到自动无扰动切换。但是，增量式PID有其不足之处：积分截断效应，并有静态误差，大量溢出的影响。因此它不能一概而论选择。3.2.3 PID控制器的优缺点为什么传统的PID具有很强的生命力，主要是由于原因：PID控制对于大多数程序具有良好的控制性能和鲁棒性;参数PID算法原理简明，物理意义明确，系统完整性和应用经验丰富的理论分析;这个过程主要是用高阶，非线性，大滞后时变特性的动态特性，给出了基于现代控制理论的应用精确的数学模型就很难。然而，传统的PID控制也有很多不足之处，最突出的一点是关于PID参数的问题。首先，传统的PID无自适应能力。这主要表现在：PID控制器参数只能控制以满足目标的特定方面的要求的生产过程。在设计控制系统的过程中主要关注的是PID控制器，唯一的办法是通过调整一组“干扰抑制特性”和“设定点跟踪功能”。以满足传统的PID参数的要求。所以往往采用折衷调整控制器参数，使得控制的效果显然是最好的。3.3 模糊控制由于传统的控制理论面临着新控制要求的挑战，使人们考虑当处理不确定对象时，可以建立一个不确定对象的模型来解决实际的控制问题。模糊控制理论由美国柏克莱加州大学的Lofti.A.Zadeh教授最先提出的，1965年他第一个提出模糊集的概念，创造了模糊数学的新纪元。1974年，英国的E.H.Mamdani第一次使用模糊逻辑和模糊推理，首次完成了世界上实验蒸汽机控制，并且取得了比传统控制算法效果更好。它成功标志着用在工业控制模糊逻辑的开始，而且宣告模糊控制的诞生。在此以后，模糊逻辑应用最有效、最广泛的领域就是模糊控制，并且在各种领域解决了传统控制理论无法解决的问题，取得了一些令人信服的成效。其根源是模糊逻辑提供了由专业人士信息构建并把它变成一个推理系统控制策略的语言，为提供客户一个处理控制系统模型不准确或不确定的有效方法。广义上来说，模糊控制基于模糊推理，模拟人思维的方式，对象难以建立了数学模型，这是模糊控制理论与产品相结合的实施控制，也是智能控制重要的一部分。 模糊控制有如下的特点：(1)不需要了解被控对象的数学模型，它只需以对被控制对象的控制经验为依据进行设计。(2)是反映人类智慧的智能控制，模糊控制的控制量是使用人的思维，控制量从模糊推理得出的，通常体现人类智慧的活动。(3)容易被人接受，模糊控制规则是体现人类的语言，一般人易于接受和理解。(4)构造容易，模糊控制系统的硬件结构与一般的数字控制系统是没有什么不同，模糊控制算法，可以在软件中全面实施。(5)鲁棒性好，不管被控对象是线性或非线性的模糊控制系统都可以实现有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。智能模糊控制作为一种智能控制，在自动化和控制技术是一个非常活跃的领域，由于系统的复杂性，也有很多不确定性和非线性难以准确描述。在另一方面，现代工业控制过程控制不仅要求精度，而且还需要强大的，实时，容错和自适应控制参数的控制，与传统控制的局限性使之不能从根本上解决存在这些问题。模糊控制有没有必要建立精确的数学模型，易于实现，抗干扰能力强，鲁棒性好等优点，因此在该领域越来越多的关注控制。3.3.1 模糊控制系统组成对象执行机构D/A模糊控制器A/D模糊控制是计算机数字控制形式的一种，因此，模糊控制系统的构成和一般的数字控制系统类似，其系统框图如图2.2所示。变送器图3-2 模糊控制系统框图模糊控制系统一般可分为5个组成部分:(1)模糊控制器:模糊控制系统，采用模糊数学的知识表示和推理语言的规则为基础的控制器的核心，实际上是一台PC或微控制器及其相应软件。(2)输入/输出接口:通过由输出接口模糊控制器从控制对象的数量，和一数字信号而获得的数字信号输入接口模糊控制器被更改为模拟信号，以控制所述受控对象。(3)执行机构:主要包括电动和气动调节装置，如伺服电动机、气动调节阀等。(4)被控对象:它可以是一种设备或装置，也可以是一个转移过程。这些被控对象可以是确定的或者模糊的，单变量的或者多变量的，有滞后的或者无滞后的，线性的或者非线性的，定常的或时变的，以包括拥有干扰与耦合的等许多种的情况。对难以建立精确的数学模型的对象，模糊控制会更适合。(5)变送器:是由传感器以及信号调理电路构成的，传感器是可以将被控对象变换成为电信号的装备，整个系统的精度都将由它的精度直接影响。3.3.2 模糊控制的工作原理模糊控制根据模糊集合论建立，主要应用在被控对象难以建立数学模型或者是具有特别强强的非线性系统，模糊控制器主要基于操作者的经验，这跟跟传统控制器基于系统参数控制的设计方法有很大不同。在传统的控制器中，参数或者输出的调整是由数学模型所叙述的被控过程的状态的分析得到的，但是模糊控制器的参数和输出的调整是由过程函数的逻辑模型得到的，一般是由优化模糊控制规则来改善模糊控制性能。模糊控制的基本思想，是把控制策略总结为以if(条件)与then(作用)表示的控制规则，由模糊推理从而得出控制作用集，作用在被控对象或者是过程上。控制作用集都是被量化的模糊语言集，像“正大”、“负大”、“低”、“高”、“正常”这些。从理论上讲，模糊控制器由N维关系R表述，关系R是受制在区间0，1的n个变量的函数。R是n个N维关系R1的综合，一个R1代表一条规则，就是R1:if-then。模糊输入X被模糊化为一个关系x，模糊输出Y可以应用推理的规则来计算，对模糊输出Y进行模糊判决(反模糊化)得到数值输出y，从而控制控制对象。模糊控制的组成核心模糊化、模糊推理、反模糊化和知识库。3.3.3 模糊控制系统优缺点优点:(l)模糊控制器是比较容易控制和掌握的非线性控制器，是一种语言控制器;(2)模糊糊控制器不要求被控对象的数学模型特别精确，可以用于控制那些无法确定系统模型的系统;(3)控制器响应速度快，抗干扰能力强，