（控制理论与控制工程专业论文）模糊pid控制及其在环形加热炉中的应用.pdf

摘要 模糊p i d 控制及其在环型加热炉中的应用 摘要 p i d 控制和模糊控制是当今应用较为广泛的两种控制方式。 常规的p i d 控制器具有算法简单、可靠性高、无静差等优点，其核心是参 数的整定，对于确定性的被控对象通过适当地整定p i d 的三个参数，可以获得 比较满意的控制效果，但对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统，则较难以 整定p i d 参数，因而比较难以达到预期效果。模糊控制器具有不依赖对象的数 学模型适应能力强的突出优点，但它的稳态精度差。因此，针对p i d 控制器和 模糊控制器的特点，将模糊控制和p i d 控制两者结合起来，构成模糊p i d 控制器， 可以扬长避短，既具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有p i d 控制精度 高的特点，从而对各种复杂的被控对象、不同的控制指标取得理想的控制效果。 本文正是以此为目标，研究将模糊控制和p i d 控制进行有效结合的控制方式和 控制算法。 本文首先分析了常规p i d 控制器和模糊控制器的特点和发展状况，指出了 它们的局限性和改进方法。 其次，通过对比和分析带有自调整因子的模糊控制器的一阶线性输出模式 与常规p i d 控制器形式的相似性，设计了一种带有自调整因子的模糊控制器。 该控制器的实质是模糊控制器，所不同的是，它可以充分借鉴常规p i d 控制器 参数调整的各种成熟经验设计模糊控制规则，从而使模糊控制器的设计更规范， 模糊规则的制定和参数的调整更简单易行，而且物理意义明确。 再次，通过采用该控制器对带有纯滞后的一阶惯性环节控制系统的仿真， 研究了该控制器对不同类型的控制对象的控制效果，并且以环型加热炉为对象 将该控制器与常规p i d 控制、模糊自适应整定p i d 控制的效果进行了对比分析， 同时，对该控制器的跟随性和抗干扰性进行了研究。仿真研究的结果表明该控 制器具有模糊控制和p i d 控制两者的优点，有着很强的适应性和鲁棒性，改善 了系统的动、静态性能。 最后，利用该控制器、p i d 控制器和模糊自适应整定控制器对环型加热炉 的温度进行了实时控制，结果表明，带有自调整因子的模糊控制器具有良好的 控制效果。 模糊p i d 控制器及在其环型加热炉中的应用 关键词：模糊控制；自调整因子；p i d 控制；环型加热炉 f u z z yp i d c o n t r o l l e ra n di t sa p p l i c a t i o no nt h er o t a r yf u r n a c e h ex i a o m i n d i r e c t e db ya s s o c p r o f q ix i a n g d o n g a b s t r a c t p i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o la r et h em o s ta v a i l a b l ec o n t r o lm e t h o d s i na p l i c a t i o nt o d a y t h eb a s i cp i dc o n t r o l l e rh a st h em e r i t so fs i m p l e ra l g o r i t h m ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dn oe r r o r si ns t a b l es t a t e i t sm a i np r o b l e m i sr e g u l a t i n gi t s p a r a m e t e r s f o rac e r t a i nc o n t r o l l e dp l a n t ，i tc a ng e ta s a t i s f i e dc o n t r o l l i n g e f f e c tb yp r o p e r l yr e g u l a t i n gi t sp a r a m e t e r so fp r o p o r t i o n a lf a c t o r k p ， i n t e g r a lf a c t o r k f a n dd i f f e r e n t i a lf a c t o rk d h o w e v e r ，f o r au n c e r t a i n c o m p l e xc o n t r o l l e ds y s t e m ，w h i c hc o n t r o l l e dp l a n th a sf e a t u r e so f b i gl a g ， n o n l i n e a ra n dv a r i a b l ep a r a m e t e rw i t ht i m e ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt or e g u l a t ei t s p a r a m e t e r s ，s oi tc a nn o tg e tae x p e c t i n gr e s u l t s f u z z yc o n t r o l l e rh a so u t s t a n d i n gm e r i t so f n or e l y i n go nc o n t r o l l e r p l a n t sm a t h e m a t i cm o d e l a n do f h i g ha d a p t a b i l i t y ，b u ti th a te r r o r si nt h e s t l b l es t a t e t h e r f o r e ，u p o nt h ef e a t u r e so f p 1 dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e r c o m b i n e dt h e m ，an e wf u z z yp i dc o n t r o l l e rc a nb ep r e s e n t e d t h en e w c o n t r o l l e rc a nh a sb o t hm e r i t so ft h e ma n dc a ng e te x p e c t i n gc o n t r o l i n g e f f e c tf o r t h eu n c e r t a i nc o m p l e xc o n t r o l l e rs y s t e ma n dd i f f e r e n tc o n t r o l t a r g e t t h a ti st h es t u d yp u r p o s eo f t h i sp a p e r i nt h ep a p e r ，a tt h ef i r s t ，t h ef e a t u r ea n dd e v e l o pt r e n do f p i dc o n t r o l a n df u z z yc o n t r o lh a v eb e e np r e s e n t e d ，e s p e c i a l l y ，t h ed e f e c t sa n d i m p r o v e m e n tm e t h o d s h a v eb e e np o i n t e do u t i nt h es e c o n d ，b yc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gt h el i n e a ro u t p u to f s e l f - a d j i u s t i n gf a c t o rf u z z y p i dc o n t r o l l e rw i t hp i da l g o r i t h m ，an e wk i n do f f u z z yp i dc o n t r o l l e rb a s e d o ns e l f - a d j u s t i n gf a c t o rf u z z yp i dc o n t r o l l e r 1 1 1 h a sb e e nd e s i g n e d t h ee s s e n t i a lo ft h en e w c o n t r o l l e ri saf u z z yc o n t r o l l e r t h ed i f f e r e n c ei st h a tt h en e wc o n t r o l l e rc a nm a d e g o o du s eo ft h e w e l l - k n o w nk n o w l e d g eo f r e g u l a t i n gp i dp a r a m e t e r st od e s i g nt h en e wt s f u z z yc o n t r o lr u l e s s oi tm a k e st h ed e s i g no f f u z z yc o n t r o l l e rm o r e s t a n d a r d i z a t i o n ，t h ee s t a b l i s h m e n to fc o n t r o lr u l e sa n d r e g u l a t i n go f i t sp a r a m e t e r ss i m p l e r ，m o r ee f f e c t i v ea n dm o r ed e f i n i t ei nt h e p h y s i c a l m e a n i n g i nt h et h i r d ，b ys i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mo f r o t a r y f u r n a c e ，t h ec o n t r o l l i n ge f f e c t so ft h en e wc o n t r o l l e rf o r t h ed i f f e r e n t t y p e o fc o n t r o l l e dp l a n t sh a v eb e e n s t u d i e d ，m o r e o v e r ，t h ec o n t r o l l i n ge f f e c t so f t h en e w c o n t r o l l e r ，p i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e rh a v ea l s ob e e n s t u d i e da n d a n a l y z e d ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h en e wc o n t r o l l e rh a sb o m m e r i t so ff u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e ra n dh a s s t r o n ga d a p t a t i o na n d r o b u s t n e s sa n dh a si m p r o v e dt h ed y n a m i ca n ds t a t i cp r o p e r t i e so f c o n t r o l s y s t e m s i nt h ee n d ，t h en e w c o n t r o l l e r ，p i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o i i e r h a v eb e e nu s e di nar e a lc o n t r o ls y s t e mo f t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo f r o t a r y f u r n a c e ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e wc o n t r o l l e rg o ta g o o dc o n t r o l i n g r e s u l t s k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ；s e l f - a d j u s t i n gf a c t o r ，p i dc o n t r o l ；r o t a r yf u r n a c e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独 立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今 后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将 承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位 论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 环形加热炉及其控制现状 环形加热炉是连续加热炉的一种特殊类型，广泛应用于钢铁、冶金、陶瓷、 机械制造等行业的材料加热，满足各种用途的需要。环形加热炉的结构相当于把 一个很长的侧出料带烧嘴的单面加热的连续加热炉头尾相接起来，成为一个环形 的炉子，炉底不是固定的而是旋转运动的。其工作原理是，将待加热的料坯通过 装料机送入装料门放在炉底上，料坯随着炉底一起缓慢旋转运动。炉子侧墙( 或炉 顶) 上装有一定数量的烧嘴或喷嘴，对料坯进行预热、加热及均热，加热好的金属 料坯从出料门由出料机取出供轧制或锻造使用。 环形加热炉的最大特点在于炉底结构，它既要保证炉底按需要的速度正常地 旋转，又要保持内外固定炉墙有一定的间隙以防卡死，在使用过程中炉子金属结 构不致变形太大而妨碍炉底的正常旋转。 2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，炉子的燃料利用率并不是十分重要的指标，加热炉 的能耗占冶金行业总能耗的6 0 7 0 。自7 0 年代世界范围内的能源危机以来，开发 新能源和节约燃料消耗引起世界各国的普遍重视，随着计算机应用技术的不断更 新和发展，为了提高工业过程的自动化控制水平，使加热炉的计算机控制具有了 极其重要的现实意义和广阔的应用前景。 钢坯的加热质量是加热炉计算机控制的一个重要目标，由于生产过程的复杂 性及生产线上前后工序的制约，使得最佳燃烧过程并不能保证炉内钢坯的最佳加 热过程。因此，有必要对加热炉采用计算机按照理想加热曲线对炉温设定进行优 化控制，以获得较好的加热质量并降低能耗。 连续加热炉在轧钢生产中占有十分重要的地位，它的生产任务是按轧机的轧 制节奏要求将钢材加热到工艺要求的温度，并且在保证加热质量和产量的前提下， 尽可能降低燃料消耗和减少氧化烧损。随着工业生产的大型化、连续化和高产量、 高质量、多品种、节约能源等要求，采用计算机控制技术成为实现加热炉控制的 发展方向和必然趋势。加热炉的计算机控制一直是钢坯热轧生产线的薄弱环节之 一。由于现代化大型高速轧机对钢坯加热质量要求的提高，传统的加热炉控制越 来越难达到满意的控制效果，加热炉模型化及控制策略的研究逐渐受到人们的重 视。 随着冶金生产技术和工艺设备的不断发展，以及计算机应用技术和可编程控 模糊p i d 控制器及其在环型加热炉中的应用 制器的出现和迅速更新，工业炉的计算机控制也得到了长足的发展。此外，借助 于现代控制理论和模糊控制的指导，加热炉的控制技术向着过程控制和系统优化 控制的方向迅速发展。 国际上，日本是最早将计算机控制技术引入轧钢生产过程的国家之一，而且 发展迅速。随后其它国家如英国、美国、法国、德国、加拿大、前苏联等也分别 在二十世纪六、七十年代将计算机控制技术引入加热炉生产过程。2 0 世纪7 0 年代 以前，关于加热炉的自动控制研究主要集中在燃烧控制上，但是燃烧控制的目标 是炉温而不是料坯温度，其控制水平处于燃烧过程自动化控制层次上。7 0 年代以 后，随着燃烧控制技术的成熟，研究的重点便转移到追求加热炉某种性能指标的 优化控制上面来。此时，加热炉炉内加热过程的数学模型己被广泛应用到计算机 控制上。欧美、日本、苏联等国相继开发了钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、装出 炉自动化控制、终轧温度控制等功能的优化控制系统。近几十年来，一些带有整 个生产线物料跟踪的高度自动化的连续加热炉自动控制系统的研究和实践也已逐 渐深入和提高，标志着加热炉控制己经进入了一个新的层次水平。 在国内，加热炉计算机自动化控制水平起步较晚，大多数处于第一代的水平， 约1 0 左右上了第二代p l c d c s 系统。由于加热炉工艺对象特性的复杂以及检测、 驱动设备的不良，给加热炉控制实现自动化带来了种种困难。2 0 世纪8 0 年代初期 开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究，宝钢和武钢热轧厂这样的先 进企业，在控制算法上略有改进，使燃烧过程更趋合理，但要达到系统优化的目 标还需不断改进和完善。总的来说，我国加热炉控制水平与国外先进国家相比仍 存在一定的差距，系统整体和单体设备的控制水平都有待提高。 目前，我国加热炉计算机控制技术在理论上已经达到先进国家的水平，但在 工程应用上和发达国家仍然存在比较大的差距。根据我国实际情况，加热炉控制 技术的发展还需要在以下几方面开展研究工作： 1 及时、准确地将钢坯加热到生产工艺要求的温度和质量。 2 在优质和高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗和减少氧化烧损等。 这些因素在实现环保生产、保证产品质量和提高成品生产率等方面作用不可 忽略，所以，对加热炉热过程的研究具有重大意义。 由于加热炉是一个具有随机、动态时变、非线性和分布式等复杂的控制系统， 而这些系统又以离线数学模型和局部在线模型占绝大多数，因此适用范围窄、控 制精度低。所以，在上述基础上，以轧制节奏为前提，建立加热炉热过程动态控 2 第一章绪论 制数学模型，引入人工智能、专家系统和模糊控制等理论，实现加热炉生产过程 的在线随机动态与优化控制是目前加热炉计算机控制研究的重要方向。 1 2 控制理论的产生发展和所面临的挑战 自动控制是本世纪中形成和发展起来的一门新兴学科。它是一门涉及到诸如 数学、计算机、信息、电子等众多领域的交叉学科。它的应用和影响已经遍及很 多的技术和社会领域。如果把1 9 3 2 年奈魁斯特( h n y q u i s t ) 发表的关于反馈放大器 稳定性的经典论文作为起点，自动控制的发展才只走过6 0 余年的历程。在这段时 期内，它经历了经典控制理论到现代控制理论，又由现代控制理论发展到现在的 智能控制诸阶段。 自动控制的研究对象是动态系统，包括线性系统和非线性系统，时不变系统 和时变系统，确定系统和随机系统，集中参数系统和分布参数系统，单变量( s i s o ) 系统和多变量( m i m o ) 系统，连续系统和离散系统。自动控制的目的可以概括为： 在给定的指标函数下，利用所有能得到的信息，设计控制器使被控系统具有稳定 性、最优性、鲁棒性、快速性( 如机电系统) ，并尽可能地简单和易于实现。 传统控制理论( 包括经典控制理论和现代控制理论) 的共同特点是基于被控对 象的精确数学模型，即控制对象和干扰都要用严格的数学方程和函数表示，控制 任务和目标一般都比较直接明确，控制对象的不确定性和外界变化只允许在一个 很小的范围内。其解决问题的基本思路可以概括为三步：首先建立被控对象的数 学模型，再根据数学模型进行分析，最后根据数学模型和分析结果来设计出合适 的控制器。虽然控制理论发展至今，建立了非常丰富的理论和方法，并成功地应 用于各个领域，由于非线性系统等相当多的被控对象尚不能用机理分析或系统辨 识的方法获得足够精确的数学模型，使得至今仍有很多问题尚未很好地解决。 为了解决以上列举的复杂控制问题，近年来自动控制发展的一个新方向是智 能控制【2 】【3 】。它将人工智能的理论和技术及运筹学的优化方法与传统控制理论相结 合，能克服被控对象和环境所具有的高度复杂性和不确定性，仿效人类的智能， 实现对系统有效的控制。智能控制系统是以知识为基础的系统，它具有学习功能、 适应功能和组织功能。目前智能控制的理论体系尚未完全建立，但是神经网络控 制、模糊控制、专家系统、遗传算法已成为公认的智能控制方法，并已取得了很 多成功的应用，成为控制领域研究的焦点。 纵观控制学科的发展可以看出，伴随旧问题的解决，新问题不断出现，这又 模糊p i d 控制器及其在环型加热炉中的应用 刺激着新概念、新思想和新方法的诞生。控制领域就是在这样一种良性循环中得 到迅速发展。而其发展的动力主要来自三方面的需要： 1 处理越来越复杂的系统的需要； 2 实现越来越高设计目标的需要； 3 在越来越不确定的情况下进行控制的需要。 正是这些需要，使传统的控制方法一次次受到挑战，新思想和新方法应运而 生。 1 3p i d 控制的回顾及其发展趋势 众所周知，p i d 控制就是按偏差的比例p 、积分i 和微分d 线性组合进行控制的 方式。p i d 控制器早在3 0 年代末期就己经出现，经过五十年来不断的更新换代，p i d 控制算法也在发展，由模拟p i d 控制器发展到数字p i d 控制器，尤其是近年来，又 出现了专家自适应p i d 控制器，或称为智f l 皂p i d 控制器。p i d 控制作为最早发展起 来的一种最基本、最常用的控制方式之所以能经久不衰，是因为这种控制具有算 法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，深受现场广大工程技术人员熟悉和喜爱。 p i d 控制器的核心是其参数的整定。常规的p i d 控制器根据不同的被控对象适 当的整定p i d 的三个参数，可以获得比较满意的控制效果。所以，常规的p i d 控制 器非常适应于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变的、非线性的复杂系统，其中有 的参数未知或缓慢变化；有的带有延时和随机干扰；有的无法获得较精确的数学 模型或模型非常粗糙。对上述这些系统，如果使用常规的p i d 控制器，则较难以整 定p i d 参数，因而比较难以达到预期效果。同时，在实际生产现场中，由于受到参 数整定方法繁杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工 况的适应性很差。对此，人们一直寻求p i d 控制器参数的自动整定技术，以适应复 杂的工矿和高指标的控制要求。随着微处理机技术的发展和数字智能控制器的应 用，尤其是近年来智能控制理论( 诸如模糊控制、神经网络技术等) 研究和应用的发 展和深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。新的智能型p i d 自整定控制器的 出现，并且对于复杂的控制对象取得了较好的控制效果，从而使p i d 控制发展到了 一个新阶段。 1 4 模糊控制的产生、发展及其特点 模糊控制技术以1 9 7 4 年英国伦敦大学玛丽皇后学院教授e m a m d a n i 博士的用 4 第一章绪论 于小型蒸汽机控制的模糊控制器为诞生标志，至今已经二十年有余。二十多年来 模糊控制方法方面的研究取得了不少成果与进展。自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚大 学的z a d e h 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n i 成功地将模糊控制应 用于锅炉和蒸汽机以来，模糊控制得以广泛发展并在现实中得以成功应用，其根 源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系 统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问 题，是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上 讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的 对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也构成了智 能控制的重要组成部分。模糊控制的突出特点在于： 1 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操 作人员的经验知识及操作数据。 2 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞 后系统。 3 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的知识。 4 控制推理采用不精确推理( a p p r o x i m a t er e a s o n i n g ) ，推理过程模仿人的思 维过程，由于介入了人的经验，因而能够处理复杂甚至病态系统。 模糊控制的发展基本上可分为两个阶段：初期的模糊控制器是按一定的语言 控制规则进行工作的。而这些控制规则是建立在总结操作者对过程进行控制的经 验基础上，或设计者对某个过程认识的模糊信息的归纳基础上，因而它适用于控 制不易获得精确数学模型和数学模型不确定或多变一类对象。后期的模糊控制器 则是基于控制规则难以描述，即过程控制还总结不出什么成熟的经验，或者过程 有较大的非线性以及时滞等特征，试图吸取人脑对复杂对象进行随机识别和判决 的特点，用模糊集理论设计自适应、自组织、自学习的模糊控制器。 早期经典的模糊控制器是单变量二维f l c 的结构形式。这种经典的f l c 矛i 常规 的控制器( 如p i d 调节器) 相比具有无需建立被控对象的数学模型，对被控对象的非 线性和时变性具有一定的适应能力即鲁棒性好等特点，但它也有一些需要进一步 改进和提高的地方。第一方面的改进是提高模糊控制的稳态控制精度，因为控制 动作欠细腻，稳态精度欠佳是模糊控制的一个弱点。模糊控制和p i d 控制相结合是 一种常用的方法。第二个方面的改进是进一步提高模糊控制器的适应能力，提高 模糊控制器的智能水平以更好地适应对象的变化，提高控制系统的动态品质。自 s 模糊p i d 控制器及其在环型加热炉中的应用 适应控制技术、人工智能技术、神经元网络技术和模糊技术相结合，大大地推动 了模糊控制方法的进展。出现了参数自整定模糊控制、自适应模糊控制、专家模 糊控制以及神经模糊控制等等各种智能水平更高的模糊控制方法。第三个方面的 改进是研究多变量模糊控制器，以适用于多变量控制系统。 模糊控制发展到现阶段，其理论体系明显显现以下几个分支：模糊控制器的 自适应功能研究；模糊控制器的解析结构研究；模糊控制的稳定性分析。 在复杂系统的控制过程中，模糊控制器的自适应功能，一直是控制系统设计 者们所追求的目标。这是因为基本模糊控制源于操作人员的基本知识，不具有适 应对象持续变化的能力。模糊自适应控制器的设计也同样遵循着以下两个目标功 能( 图1 1 ) ： 1 根据被控过程的运行状态给出合适的控制规则，即控制功能。 2 根据给出的控制规则的控制效果，对控制器的控制决策进一步改善，以获 得更好的控制效果，即学习能力。 图1 1 模糊自适应控制 具有自适应功能模糊控制器的杰出代表为自组织模糊控制器( s o c ) ，s o c 在基 本的模糊控制器基础之上增加了调整控制机构，将控制器分为面向对象的控制级 和面向控制器的规则调整级，规则调整即通过计算系统的性能指标来校正控制规 则的关系矩阵，建立、修改规则库，从而大大提高了系统性能。 量化因子和比例因子的自调整是自适应模糊控制应用于实时控制中最有效的 手段。控制器在线识别控制效果，依据上升时间、超调量、稳态误差、和振荡发 散程度等对量化参数进行整定。 自学习模糊控制器是源于自适应模糊控制器又高于自适应模糊控制器的智能 型控制器。自学习模糊控制器运用模糊推理的手段，在其运行过程中可逐步获得 受控对象及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估值、 分类和决策，从而不断改善系统的品质。相比于依赖于对象的辨识的自适应模糊 控制器，自学习模糊控制器并无本质的区别，它体现了模糊控制器由低级向高级、 6 第一章绪论 由常规向智能化发展的必然趋势，其优势体现在以下两点： 1 对系统先验知识要求更少，对系统的非线性、不确定性及时滞等，具有更 强的适应能力。 2 具有时实搜索、特征辨识、特征记忆、直觉推理和多模态控制等仿人智能 的特征。 虽然模糊控制以其自身的优势在实践中取得了巨大的发展，然而，不同于其 它领域，模糊控制理论的发展似乎落后于模糊控制应用的发展。缺乏常规控制理 论指导是阻碍模糊控制理论发展的一个重要因素。模糊控制理论的发展需要建立 一个结构框架，即通过分析模糊控制算法的推理过程，揭示模糊控制器工作的实 质和机理，从而建立模糊控制同常规控制策略之间的内在联系。这种研究也促使 人们将传统的成熟的控制理论应用于模糊控制理论中，去解决模糊控制理论发展 过程中的难题，从而推动模糊控制理论的发展。 结构分析的方法近年来之所以成为模糊控制领域研究的一个热点，原因在于 通过对模糊控制器结构探索，考察其控制输出特征，将人的思维推理过程表达为 控制算法形式，由此可以揭示其优于常规控制策略的本质。该种研究也使得模糊 控制不仅仅停留在初期的对实践取得满意的结果上，而将模糊控制研究推向了更 深的层次。近年来模糊集理论和模糊逻辑的迅速发展也为这种结构分析提供了强 有力的工具。 模糊控制算法结构研究已取得许多成果。这其中，h y i n g 给出了最为深刻的 理论分析。文 1 0 1 证明了具有最简单线性控制规则的二维模糊控制器其输出可等同 于一个非线性p d 控制器。文 11 1 、文【1 2 将此方法推广至具有通常线性控制规则的 二维模糊控制器，证明了其输出可等同于一个全局多层次线性关系式和一个局域 非线性p d 控制器。文【1 3 推导出多维模糊控制器的输出可表示为其多维输入的线 性参数函数，由此建立了模糊控制同常规p i d 控制策略间的内在等价性。文 1 4 】对 具有非线性规则的模糊控制器进行了结构分析，文 1 5 成功地建立了两输入两输出 模糊控制系统的结构分析。文 1 6 1 给出的极限结构定理对近年来的模糊控制器结构 分析方法具有一定的概括性。 模糊控制器的结构分析方法多样，在其一步步由浅入深、由局部到全局的发 展过程中，人们对模糊控制器实质的认识也越来越深刻。今后的发展应该在己经 建立的模糊控制同常规控制联系的基础上，运用常规的成熟的控制理论去解决模 7 模糊p i d 控制器及其在环型加热炉中的应用 糊控制发展中的难题，如稳定性、算法收敛性等问题。 z e d e h 曾指出，模糊控制方法与通常分析系统所用的定量方法本质是不同的， 它有三个主要特点： 1 用语言变量代替或附合于数学变量； 2 用模糊条件语句来刻划变量间的简单关系； 3 用模糊算法来刻划复杂关系。 正因为模糊控制具有这些特点，才使它能对于那些难以建立精确数学模型的 过程获得满意的控制效果。也正是由于模糊控制本质上有别于常规控制，所以给 模糊控制理论分析带来了许多困难。 稳定性是非线性模糊控制系统的重要指标之一，因为只有对模糊控制系统建 立有效的稳定性指标，才能从理论角度设计基于模型的模糊控制器，才能建立合 理的具有良好性能指标的模糊控制规则。然而，鉴于模糊控制系统结构的复杂性， 控制环境的不确定性及对系统功能结构和动态行为描述的特殊方式，其稳定性分 析方法也远非传统的基于精确数学模型的稳定性分析方法那样简单和成熟，模糊 控制系统的稳定性分析的困难在于： 1 模糊逻辑本身难于表达传统意义下的稳定性。 2 非线性系统的分析和设计要远比线性系统复杂的多。 3 至今还没有建立一套完整的模糊控制理论，模糊控制所具有的巨大潜力还 远远没有发挥出来。 g u p t a 最早研究了模糊控制系统的稳定性问题，给出了稳定性指标。现时多是 讨论在李亚普诺夫意义下的稳定性，基于语言的模糊模型的稳定性测试也取得了 一些研究成果。然而，模糊稳定性判定仍然是当今模糊控制界的一个难点，如何 更有效地将传统控制系统稳定分析方法运用到模糊系统稳定判别中，稳定判据所 依赖的条件、适用范围以及稳定性算法的简化，都是值得进一步研究的问题。 1 5 本文主要的研究内容 本文的研究内容主要有以下几个方面： 1 分析了常规p i d 控制器和模糊控制器的特点和发展状况，指出了它们的局 限性和改进方法。 2 通过对比和分析带有自调整因子的模糊控制器的一阶线性输出模式与常规 p i d 控制器形式的相似性，设计了一种带有自调整因子的模糊控制器。该控制器的 8 第一章绪论 实质是模糊控制器，所不同的是，它可以充分借鉴常规p i d 控制器参数调整的各种 成熟经验设计模糊控制规则，从而使模糊控制器的设计更规范，模糊规则的制定 和参数的调整更简单易行，而且物理意义明确。 3 通过采用该控制器对带有纯滞后的一阶惯性环节控制系统的仿真，研究了 该控制器对不同类型的控制对象的控制效果；并且以环型加热炉为对象将该控制 器与常规p i d 控制、模糊自适应整定p i d 控制控制的效果进行了对比分析，同时， 对该控制器的跟随性和抗干扰性进行了研究；仿真研究的结果表明该控制器具有 模糊控制和p i d 控制两者的优点，有着很强的适应性和鲁棒性，改善了系统的动、 静态性能。 4 分别采用常规的p i d 控制器、模糊自适应整定p i d 控制器、带有自调整因 子的模糊控制器对控制系统进行实时控制，比较各种控制器的实际控制效果。探 讨控制器参数调整的规律和方法。 9 第二章常规p i d 控制简述 2 1p i d 控制原理 第二章常规p i d 控制简述 2 1 1 模拟p i d 控制器 模拟p i d 控制系统原理框图如图2 1 所示， 图2 1模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r 与实际输出值c ( 0 构成的控制 偏差 p o ) = ，o ) 一c o ) ( 2 1 ) 将偏差的比例p 、积分，、微分d 通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控 制，其控制规律为 、 “o ) = 砟 p o ) + 毒p o 印+ 墨掣a l ( 2 2 ) t 。 或写成传递函数形式： g m 器啦( ，+ 去哪 p 3 ， 式中，耳为比例系数，乃为积分时间常数，乃为微分时间常数。 2 1 2 数字p i d 控制器 当计算机实现p i d 控制时，首先必须将上述p i d 控制规律的连续形式变成离散 形式，然后才能编程实现。p i d 控制器控制算法的离散形式为： 材( 七) = 坼 p ) + 蜀e ( j ) + k d e ( k ) - e ( k - 1 ) ) ( 2 4 ) 或 m ) 刮胁丢挚) 每叫) 】) ( 2 - 5 ) 式中丁：采样周期 k ：采样序号，k = 0 , 1 ，2 ， 模糊p i d 控制器及其在环型加热炉中的应用 u ( k ) ：第k 次采样时刻的计算机输出值 巧= 等：称为积分系数 e ( k ) ：第k 次采样时刻输入的偏差值 k 。：k 1 ，, t d ：称为微分系数 也可以将数字p i d 控制器表示为雅递函数形式： g ( z ) = 锱= 群+ 占+ 翰p ) ( 2 _ 6 ) 由于计算机输出的z ，酝) 直接去控制执行机构( 如阀门) ，甜 ) 的值和执行机构的 位置( 如阀门的开度) 是一一对应的，所以通常称式( 2 - 4 ) 或( 2 - 5 ) 为位置式p i d 控制算 法。位置式p i d 控制系统的示意图见图2 2 。 图2 2 位置式p i d 控制系统 这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计 算时要对p ( 七) 进行累加，计算机运算工作量大。而且因为计算机输出的( 足) 对应 的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，甜( 尼) 的大幅度变化，会引起执 行机构的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在有些场合，还可 能造成重大的生产事故，因而产生了增量式p i d 控制算法。 增量式p i d 控制算法形式为： “ ) = k p a e ( k ) + k ，p ) + k d 【p ) 一a e ( k 一1 ) 】( 2 7 ) 式中： p ) = a e ( k ) 一a e ( k 一1 ) 增量式p i d 控制系统的示意图见图2 - 3 1 2 第二章常规p i d 控制简述 也可以将式( 2 - 7 ) 进一步改写为： 村 ) = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 )( 2 8 ) 式中 彳= k 尸( ，+ 号+ 等 召= 砗( m 争) c ：k p - - - ： 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期丁，一旦确定了k 尸， 蜀，k d 只要使用前后3 次测量值的偏差，即可t 1 式( 2 - 7 ) 或( 2 8 ) 求出控制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量 ) 对应的是本次执行机构的值 ( 例如阀门开度) 的增量。对应阀门实际值的控制量，即控制量增量的积累 k 甜 ) = “o ) 需要采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件( 如步进电 j = 0 动机) 来实现：而目前较多的是利用算式甜 ) = u ( k 一1 ) + 甜 ) 通过软件来完成。 就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别，或者仍然全部由 计算机承担起计算，或者一部分由其它部件去完成。但增量式算法却带来不少优 占 ，、 1 由于计算机输出增量，所以无动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法 去掉。 2 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障 时，由于输出通道后执行装置具有信号的锁存作用，故能保持原值。 3 式中不需要累加。控制增量“ ) 的确定仅与最近七次的采样值有关，所 以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 1 3 模糊p i d 控制器及其在环型加热炉中的应用 但增量时控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。 因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要 求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器 的系统中则可采用增量控制算法。 2 2p l d 控制器的参数对控制效果的影响 2 2 1 比例控制 比例控制的优点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量 朝着减小误差方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数k ，。比例控制的缺点是 对于具有自平衡性( a l j 系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在静差。 k ，对动态性能的影响：加大k ，使系统动作灵敏，速度加快。k ，偏大，振 荡次数增加，调节时间加长；k p 太大，则系统趋于不稳定。相反，若k p 太小又 会使系统动作缓慢，灵敏度降低。 k ，对静态特性的影响：在系统稳定的情况下，加大k p ，可提高控制精度， 减小稳态误差，但不能完全消除误差。 2 2 2 积分控制 积分控制的优点是：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但他的 不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变 差，以至于使系统不稳定。积分作用的强弱取决于积分时间常数瓦，正越大，积 分作用越弱，反之则越强 对动态性能的影响：积分通常会使系统的稳定性下降。k ，太大，积分作用太 强，系统将不稳定；k ，偏大，振荡次数较多，往往超调量较大；k ，太小，积分 作用太弱，对系统性能影响太小；k ，合适时，过渡过程特性比较理想。 对稳态性能的影响：积分控制能消除稳态误差，提高系统的控制精度。k ，太 小时，积分作用太弱，消除余差太慢，没有意义；k ，太大时，则系统不稳定。 2 2 3 微分控制 微分控制的优点是：它能对误差进行微分，对误差的变化趋势敏感。增大微 分控制作用可加快系统响应，使超调量减小、增加系统稳定性。它的缺点是对干 扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 微分控制总是力图阻止偏差的变化，采用它可以改善系统的动态性能，如超 调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制的使稳态误差减小，提高控制精度。 1 4 第二章常规p i d 控制简述 但k n 太大时，微分作用太强，会引起过大的超调，使被调量激烈振荡，系统不稳 定；k d 太小时，微分作用太弱，调节质量改善不大。所以，只有合适的k 门才可 以得到满意的过渡过程。 2 3 常规p i d 控制的局限性及解决办法 p i d 控制器广泛应用于冶金、机械、热工、化工和轻工等工业过程控制中，对 于具有线性特性的确定的被控对象，调试整定好p i d 控制器参数k ，k ，k n 后， 便可投入生产运行，具有结构简单、稳定性能好、可靠性高、其控制原理与控制 技术已完善成熟，且为现场工作人员和设计工程师们所熟悉等优点，在控制理论 与自动化技术飞跃发展的今天，仍有其强大的生命力。 但在实际工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高阶非线性、慢 时变、纯滞后等特点。在噪声、负载扰动和其他一些环境条件变化的影响下，过 程参数甚至模型结构均会发生变化。采用常规p i d 控制器，以一组固定不变的p i d 参数去适应参数变化、干扰等众多的变化因素，显然难以获得满意的控制效果。 当参数变化超过一定的范围时，系统性能就会明显变差，致使p i d 控制难以发挥作 用而无法适用。 为克服常规p i d 控制的不足，提高其适应能力，一种途径是改善p i d 参数的自 整定问题，如在线辨识过程模型，根据辨识模型来整定p i d 参数的自校正p i d 控制 器；另一种途径是寻找新的控制模式，如模糊控制、神经网络控制等；第三种途 径是上述控制模式的组合，如模糊自适应p i d 控制器 2 2 1 ，神经网络智r j , - , p i d 控制【2 3 】 精确模糊混合控制【2 4 。 第三章模糊控制的原理及设计方法 第三章模糊控制的原理及设计方法 3 1 模糊控制系统的组成和工作原理 3 1 1 模撇控制系统的组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。模糊控制系统框图如图3 1 所示。 图3 1模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： 1 模糊控制器：实