（电力电子与电力传动专业论文）皮带配料智能控制系统的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t b e l tm a t c h m a t e r i a ls y s t e mi su s e dt om e a s u r ea n dc o n t r o lt h e s p e e da n dm a t e r i a lf l o wr a t eo ft h eb e l tc o n v e y e rb r o a d l yi ni n d u s t r y s u c ha sm i n e ，d o c k ，m e t a l l u r g ya n dc h e m i c a li n d u s t r y i nt h ep a s t ，t h e t r a d i t i o n a lp i di su s e dt oc o n t r o lt h eo u t p u to fb e l tm a t e h - m a t e r i a l s y s t e m ，t h es y s t e m a t i cp r o c e s sp a r a m e t e rm a yb cc h a n g e d ，s o i ti s d i f 6 c u l tf o rt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rt or e a c ho p t i m u mc o n t r o l r e s u l t b a s e do uc h a r a c t e r i s t i ca n dp r i n c i p l eo fb e l tm a t c h m a t e r i a l s y s t e m ，f u z z y p i dc o n t r o l i s a p p l i e d t ob e l tm a t c h - m a t e r i a ls y s t e m f u z z yc o n t r o li s i n t r o d u c e di nt h e c o n t r o lp r o c e s s ，a n db yu s i n gi t ， o n l i n ea d j u s t m e n ti sc a r r i e do u tt ot h ep i dc o n t r o l ，s oa st os t r e n g h e n t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ea d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e mt o s o m eu u s t a b l ef a c t o r s 。 t h es o f t w a r e d e s i g n a n dh a r d w a r e d e s i g n a r ed e s c r i b e d t h e c i r c u i t a ld e s i g np r o c e d u r e so fh a r d w a r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l ea r e i n t r o d u c e di n c l u d i n gt h ec p um o d u l e ，t h ed a t ac o l l e c t i n gm o d u l e ，t h e d am o d u l e ，t h ek e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n ds oo n t h es o f t w a r ei sm o d u l a r i z e d t h ed e s i g n si d e ao f s o r w a r ea n dt h er e a l i z a t i o no fe a c hf u n o t i o n 。sm o d u l ea r ei n t r o d u c e d d e t a i l e d l y ， a n d t h e c o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r e f l o wc h a r ta r e c o m p i l e d t h es y s t e m sa b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gm e a s u r e so fh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d ，s ot h es y s t e mh a sag o o ds t a b i l i t y t h em o d e lo fb e l tm a t c h - m a t e r i a ls y s t e mi sb u i l tb ym a t h e m a t i c a l a n a l y s i s ，as i m u l a t o rh a sb e e nd e v e l o p e dw i t hm a t l a b ，t h e r e s u l to f s i m u l a t i o ni n d i e a t e st h a tt h em e t h o do ff u z z y p i dc o n t r o lc a ni m p r o v e t h ec o n t r o lp r e c i s i o no fb e l tm a t c h - m a t e r i a ls y s t e mt h a nt h a to fp i d c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：b e l tm a t c h - m a t e r i a ls y s t e m ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ：f u z z y - p i dc o n t r o l ：m a t l a bs i m u l a t i o n 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蕉缝日期：硅巫丝2 9 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅。可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 名：敛嬲名：捌隅碰艿 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 皮带配料系统是一种用于测量和控制皮带输送机的速度和物料 流量的实时控制系统。目前，它广泛应用于矿山、码头、冶金和化 工等行业【1 2 1 ，例如我国水泥生产厂中熟料、生料的配送大多采用 皮带配料控制系统。由于这些行业工作环境恶劣、电网电压波动大、 生产线长和控制过程复杂，再加上我国现行的大部分设备简陋，远 远满足不了生产的要求。以往人们常采用传统的p i d 控制方式来确 定其输出。众所周知，常规p i d 控制算法是一种典型的先行控制算 法，这种算法是基于被控对象的精确模型来确定其控制参数，一旦 整定后，在控制过程中不再改变，虽然对被控对象参数变化有一定 的鲁棒性，但是由于皮带配料系统中原料流量受到皮带传输机械及 给料系统等多方面因素的影响，系统的过程参数可能发生了变化， 因此，常规的p i d 控制难以整定，达不到良好的效果，甚至不能稳 定工作。 。为了解决工程实际中出现的模糊性问题，传统的控制理论提出 了许多对策。但是这些方法都直接或间接地依赖于受控对象或过程 的数学模型，许多工业过程由于受很多因素的影响或过于复杂，要 获得其精确的数学模型很难做到，即使做到了，又因为算法通常都 很复杂，致使控制系统的实时性难以保证。可是在工业生产现场， 一个熟练的操作人员却能对系统中的各种参数的变化作出正确的判 断。通过手工操作，最终获得良好的控制效果，这就是模糊控制。 模糊控制不需要被控对象精确的数学模型，而是依靠现场操作人员 的经验和相关专家的知识，直接用语言型控制规则进行控制。具有 对参数变化不敏感和鲁棒性强等优点，但其控制精度却不太理想。 因此，本系统把p i d 算法和模糊技术结合起来，对皮带配料系 统进行控制。通过模糊p i d 控制方法结合皮带配料系统的特点来模 拟人的模糊推理和决策过程，实现非线性控制任务，更好的测量和 控制皮带输送机的速度和物料流量，克服传统p i d 固定参数难以适 黑龙江科技学院硕士学位论文 应系统变化的缺点，避免配料系统由于皮带机械不稳定及给料不均 匀引起的配料误差，使皮带配料系统能够达到根据现场要求在线修 改，抗外部干扰能力强、配料精度稳定的特点，因此，具有广泛的 应用前景【3 1 。 1 2 皮带配料系统的概述 在矿山、码头、冶金和化工等行业广泛存在着配料问题，配料 就是将若干种物料按一定比例混合起来。以前，采用的是人工配料， 因此，各种物料的重量是否符合预先设定的比例在很大程度上取决 于操作人员的技能和工作责任心。这种早期的人工配料的做法明显 存在效率低和精度不高的缺点。而且，人为的影响因素大，使得产 品质量的稳定性差，品级合格率低，成本波动大，经济效益不尽人 意。比如在最早的炼焦配料中完全依靠大量的人力来完成，劳动强 度大而且粉尘的污染损坏了工人的身体健康和周围的环境。 由于人工经验已不能满足现代化生产的要求，于是将皮带核子 秤称重与皮带控制技术结合于一体，形成了皮带配料系统，它一方 面能够边输送边称量各种固体散装物料，称出某一瞬间传送带所输 送的物料重量和某段时间内输送的物料重量的总和；另一方面，可 用于将几台秤上的几种原料按一定的比例混合起来，即自动配料， 其控制方法主要采用了自动控制技术。实践表明自动控制系统不仅 自动化程度高，配料连续性好，操作人员劳动强度低，而且配料精 度高，产品质量容易控制，还能实现动态物料的配比，自动和手动 相结合，实现自动跟踪误差调整、自动称重、自动混合、自动显示 的功能。 目前皮带配料系统主要有三种类型【4 】： l 、料门可调的带式称量器，即流到输送带上的物料流速可以控 制，而输送带以恒定速度运动。早期的饲料加工厂设计大多采用这 种方法。 2 、带速可调的输送带式称量器，即输送带速度可变，而流至输 送带上的物料流速恒定。 3 、物料流速和输送带速度均可调的带式称量器，也称为累积式 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 称量喂料器，即输送带上的物料重量和带速均可以控制。 本文选用第二种类型作为研究对象。 1 3 智能控制的发展和应用 从2 0 世纪6 0 年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能 技术的发展，控制界学者在研究白组织、自学习控制理论的基础上， 为了提高控制系统的能力。开始注意将人工智能的方法和理论应用 到控制系统上 s l 。 2 0 世纪6 0 年代初，f w s m i t h 提出采用性能模式识别器来学习 最优控制方法的新思想，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的 控制问题。1 9 6 5 年，美国著名的控制论专家z a d e h 创立了模糊集合 论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具；同年， 美国科学家f e i g e n b a u m 着手研制世界上第一个专家系统；也是在同 一年，傅京孙首先提出把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制 系统。1 9 6 6 年，m e n d e l 在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工 智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。直到1 9 6 7 年，l e o n d e s 和m e n d e l 才首先正式使用“智能控制”一词，并把记忆、目标分解 等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统，提高了系统处理不 确定问题的能力，这标志着智能控制思想的产生【乒8 1 。 从2 0 世纪7 0 年代初开始，傅京孙、g l o r i s o 和s a r i d i s 等人从控 制论角度进一步总结了人工智能与自适应、自组织、自学习控制的 关系，并提出智能控制就是人工智能技术与控制理论的交集。7 0 年 代中期，以模糊集合论为基础，从模仿入的控制决策思想出发，智 能控制在另一个方向一一规则控制( r u l e b a s e dc o n t r 0 1 ) 上取得了重要 进展。这一时期是智能控制的形成期。 进入2 0 世纪8 0 年代与9 0 年代以后，由于计算机技术的迅速发 展和人工智能的重要领域一一专家系统技术的逐渐成熟，使得智能 控制和决策的研究与应用领域逐渐扩大。这一时期智能控制技术从 研制开发阶段转向应用阶段。另外在8 0 年代后期，随着神经网络的 研究取得了重要进展，大批的学者和科学家又结合了控制理论、计 算机理论、神经生理学等学科，在“智能控制”的大旗下，进一步 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 壮大智能控制理论的研究范围【9 1 0 】。 在新的世纪里，智能控制的研究势头异常迅猛。智能控制的研 究与应用己经涉及到众多领域，从高技术的航天飞机推力矢量的分 级智能控制、空间资源处理设备的高自主控制到智能故障诊断与控 制的重新组合，从轧钢机、汽车喷油系统的神经控制到家电产品的 模糊控制。现在的智能控制己扩大到军事、高技术领域和日用家电 产品等许多领域i 川。 目前实现智能控制常用的技术有模糊逻辑、神经网络、专家系 统、遗传算法等理论和皂适应控制、自组织控制、自学习控制等技 术。其中，模糊控制已成为实现智能控制的一种重要而又有效的形 式【12 1 。 模糊控制的发展和研究现状1 1 3 - 1 6 】：美国著名控制论学者 l o t f i a z a d e h 在2 0 世纪6 0 年代初期认为经典控制论过于强调精确 性而无法处理复杂的系统，他认为。在处理生物系统时，需要一种 彻底不同的数学一一关于模糊量的数学，该数学不能用概率分布来 描述”，他的这些思想形成了模糊集合理论，并于1 9 6 5 年发表了 f u z z ys e t s ) 这一开创性论文，为处理客观世界中存在的模糊性问 题提供了有力的工具。 在2 0 世纪6 0 年代后期，很多学者提出了许多新的模糊方法，如 z a d e h 于1 9 6 8 年提出了模糊算法的概念，1 9 7 0 年提出了模糊决景等， 并于1 9 7 3 年发表了另一篇开创性的文章分析复杂系统和决策过程 的新方法纲要，该文件建立了研究模糊控制的基础理论，在引入语 言变量的概念的基础上，提出了用i f - t h e n 的规则来量化人类的知识。 随着科学技术的迅猛发展，对自动控制系统的控制精度、响应 速度、系统稳定性和适应能力的要求越来越高，对于大多数复杂被 控对象，采用传统的控制方法往往难以收到满意的控制效果。2 0 世 纪7 0 年代的一个重大事件就是诞生了处理实际系统的模糊控制器。 1 9 7 5 年，m a m d a n i t i l j 立了模糊控制器的基本框架，并将模糊控制器用 于控制蒸汽机，发现模糊控制器非常易于构造且运作效果较好，他 的研究成果发表在文章带有模糊逻辑控制器的语言和实验中。 h o l m b l a d 和o s t e g a r d 在1 9 7 8 年为整个工业过程开发出第一个模糊控 制器一一模糊水泥窑控制器，也表明了模糊控制领域的潜力。 。进入2 0 世纪8 0 年代初模糊控制领域进展缓慢，没有新的概念和 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 方法被提出，但日本的工程师以其对新技术的敏感，发现模糊控制 技术具有语词计算和处理不精确性、不确定性和模糊信息的能力， 不需要数学模型，可应用到很多因数学模型未知而无法使用传统控 制论的系统中去，他们用此技术首先控制一家富士电子水净化工厂， 又开发了仙台地铁模糊系统，创造了当时世界上最先进的地铁系统， 也引起了模糊领域的一场巨变【 _ 摹1 。 从此支持模糊理论的浪潮迅速蔓延到各个领域，到9 0 年代初有 许多的模糊产品大量出现，因此实践是模糊系统和模糊控制理论发 展的驱动力。 尽管模糊集理论的提出至今只有3 0 多年，但其发展迅速，已从 单纯的理论到成功地应用于工业控制，成为人工智能的重要组成部 分，是自动控制技术领域中非常有前途的一个分支，产生了巨大的 社会效益和经济效益【”2 0 1 。在模糊控制成功用于仙台地铁之后，各 种使用了模糊技术的家电产品，如洗衣机、电冰箱、空调器、电视 机、电饭锅、淋浴器、摄像机、照像机、复印机等，相继研制成功 并投放市场 2 1j 。其中，三菱公司研制的使用模糊技术的空调器，控 制性能稳定，节能达2 4 。接着，模糊控制装置成功地应用于汽车 自动变速，电梯控制及生产过程中。其中，三菱公司将模糊控制用 于电梯群上，使等电梯的平均时间减少1 5 。在中国，近几年来， 出版了多种介绍模糊控制理论及技术的专著和教材。在学术刊物上， 经常可见到模糊技术的应用文章，其中，在加热炉控制中所取得的 节能效果尤其引人注目。此外，在数控加工等方面都取得了好的效 果。目前，模糊技术的应用越来越广。用于生产领域的各种应用系 统，正在研制、开发，并已取得明显进展。在经济及社会话动的一 些领域，例如经济预测、经营诊断、人事管理、市场调查、服装设 计、认知心理、股票证券系统，模糊技术的应用正在或即将进行开 发。日本东芝公司等单位联合开发的模糊自动编捧公共汽车运行系 统己投入使用，提高了公共汽车的利用率。日本山一证券公司运用 模糊集理论开发的证券投资系统，经过对过去5 年的数据仿真，结 果表明超过了每个专家的单独决策，取得成功。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 4 模糊p i d 控制的产生和现状 1 4 1 模糊p i d 控制的产生 在工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高阶非线 性、时变等特点。在噪音、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。采用常规的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。当参数的变化超过一定范 围时，系统性能会明显变差，甚至超过允许范围。随着计算机技术 的发展，人们利用智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入 计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整p i d 参数，这样 就出现了智能p i d 控制器，这种控制器把古典的p i d 控制与先进的 专家控制相结合，实现系统的最佳控制，它无需精确对象模型，只 需将操作人员长期积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推 理就可对p i d 参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述， 控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，模糊理论是解 决这个问题的一个有效途径，所以运用模糊数学的基本理论和方法， 把规则的添加、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有 关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的 实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对p i d 参数的最佳调 整，这就是模糊p i d 控制【”。2 4 1 。 1 ，4 2 模糊p i d 控制的现状 自模糊p i d 控制器的产生起，它的发展是迅速的。目前基本形 式主要有以下三种： ( 1 ) 增益调整型( g a i n - s c h e d u l i n g ) 模糊p i d 控制器 由于常规p i d 调节器不具有在线调整参数的功能，致使其不能 满足偏差e 及偏差变化a p 对p i d 参数的自整定要求，从而不能满足 要求的性能指标或影响了其控制效果的进一步提高。为了满足这个 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 要求，利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修改，便构成了增益 调整型模糊p i d 控制器。该类控制器中输出的物理量直接对应增益 参数，通过应用模糊规则实现对三个增益参数的调整。 近几年，对这种类型模糊p i d 控制器的研究和应用比较多。其 四种典型结构【2 副：运用在线辨识策略的模糊白整定p i d 控制器；在 线实时模糊自整定p i d 控制器；f u z z y p i d 自动调节控制器；基于 f u z z y 推理的自调整p i d 控制器。基于f u z z y 推理的自整定p i d 控 制器参数方法设计的控制器在跟踪设定值和抑制扰动方面，控制效 果都有很大的改善 2 6 1 。将f u z z y p i d 控制应用到交流伺服系统中， 使系统在不同的负载下具有较强的鲁棒性，可实现大范围内高精度 控制【2 ”。f u z z y p i d 控制器利用单参数因子对三个p i d 参数进行参 数化处理，当在线参数发生偏移时，把p i d 控制器作为补偿z n 公 式的基本控制，从而把过程的输出调节到给定值，且实现了自动调 节的目的【2 引。 ( 2 ) 直接控制量型( d i r e c t a c t i o n ) 模糊p i d 控制器 如果模糊推理机的输出是p i d 原理范围内的控制作用量，则该 控制器属于直接控制量型。模糊p i d 控制算法结构研究的许多新成 果不断涌现，用最为深刻的理论分析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 i 控制器，在线 性对象和非线性对象上的仿真结果表明了模糊控制器同p i 控制器的 内在联系和区别。并将此方法推广到具有通常线性控制规则的二维 模糊控制器，证明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 i 控制器，将结构分析方法推广到具有线性规则的三 维模糊控制器上，得出了三维模糊控制器的一般解析输出表达式， 证明了具有一般线性推理规则的三维模糊控制器可等同于一个全局 多层次关系式和一个局部非线性p i d 控制器。基于正态分布隶属函 数，分别导出一维模糊控制器和二维模糊控制器的解析表达式，并 证明了其渐近结果，因而从另一个角度揭示了模糊控制器的实质1 2 9 。 ( 3 ) 混合型( h y b r i d ) 模糊p i d 控制器 混合型模糊p i d 控制器可以有各种形式出现，如增益调整型与 直接控制量型的结合，或传统线性p i d 控制器与模糊控制器的结合。 类比传统的p d ，p i ，p i d 控制，模糊控制器亦可分为p d ，p i 和p i d 型。人们在1 9 7 4 年m a m d a n i 工作的基础上，提出了二维模 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 糊控制器结构。这种模糊控制器主要可分为两类：p i 型的模糊控制 器，由偏差p 及偏差的和e 作为输入量；p d 型的模糊控制器。由 偏差e 及偏差变化e 作为输入量。但二者都有不足，p i 型控制由于 有积分的作用，在高阶系统中过渡过程较差；p d 型控制因没有积分 的作用，难以消除稳态误差，为此在模糊控制器中引入积分作用。 w l b i a l k o w s k i 于1 9 8 3 年提出了由一个常规p i 控制器和一个二维模 糊控制器相并联而成的混合型模糊p i d 控制器，这种控制器可使系 统成为无差模糊控制系统。 基于a s t r o m 与h a g g l u n d 提出的改进比例控制的p i d 控制方法， v i s i o l i 应用二维模糊推理方式计算“动态”的设定值的权系数，取 得了比静态的固定值算法优良的控制效果，这是混合模糊p i d 控制 器的另一种形式。k i m 等应用模糊前向补偿器与p i d 控制器结合的 方式也可以被认为是一种混合型模糊p i d 控制器。 1 5 主要研究内容 本文主要针对皮带配料控制系统的特点，采用模糊p i d 控制方 法对皮带配料系统进行研究，通过控制电机的转速，使物料流量稳 定在给定值上。主要研究内容如下： 1 、对皮带配料系统采用模糊p i d 控制策略的研究； 2 、在可靠性高、抗干扰能力强、体积小巧的设计目标下，对皮 带配料系统的硬件电路进行设计； 3 、采用模块化程序设计技术，对配料控制器的软件程序进行编 制。 4 、建立皮带配料系统的数学模型，应用m a t l a b s i m u l i n k 软件 对控制系统进行仿真。 s 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章皮带配料系统的总体设计方案 2 1 皮带配料系统的工作原理 皮带配料系统的工作原理【l 3 0 1 如图2 1 所示。皮带输送机上方 有一个料斗，当皮带运行时，由给料装置使物料随皮带输送出去。 传送皮带由电机m 驱动，速度传感器s f 给出频率和皮带速度成正 比的脉冲信号，皮带的下方装有荷重传感器w z ，它给出与皮带上物 料成正比的电压信号。皮带配料系统的控制器接收速度传感器的速 度信号和荷重传感器的重量信号，计算皮带上物料的瞬时流量和累 计流量，并显示结果，同时和给定的流量值进行比较，通过模糊p i d 控制后，输出电流控制信号，来控制电机的转速，从而使物料流量 稳定在给定值上。 聋 图2 - l皮带配料系统结构图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo fb e l tm a t c h m a t e r i a ls y s t e m 2 2 控制方案的确定 在生产过程中，p i d 控制是一种普遍采用的控制方法，是基于 被控对象的精确模型来确定其控制参数，但是在本系统的实际应用 中，流量控制过程是非线性的，调节器参数与系统所处的稳态工作 状况有关。因此，如果采用传统的p i d 控制方法，参数整定就有相 黑龙江科技学院硕士学位论文 当的工作量p 。当被控对象发生变化时，需要调节器参数作出相应 的调整。采用传统的p i d 控制方法时，调节器的参数是根据过程参 数整定的，所以没有“自适应能力”，只能靠人工重新整定参数。 由于控制过程的连续性和参数整定需要的时间，使得重新整定实际 很难执行，在实际控制中几乎是无法完成的，因此传统p i d 控制的 效果不是很好。 随着技术的发展，模糊控制理论和模糊技术成为最广泛最有前 景的应用分支之一。模糊控制器是一种专家控制系统，它的优点是 不需要知道被控对象精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的 一种有效途径。与传统的p i d 控制方式相比，模糊控制更适合那些 难以建立精确数学模型、非线性、大滞后和时变的复杂过程。但是， 单纯的模糊控制通常是二维输入模糊控制器，不是p i 型就是p d 型 的，存在着控制精度不高的问题，还会出现稳态的误差；增加论域 的数量虽然可以提高控制精度，但也会降低控制器的处理速度，增 加数据的存储空间，论域过小时又有可能导致系统的不稳定。 因此，本文提出将模糊控制和p i d 控制相结合的方案，在p i d 算法的基础上，通过计算当前系统误差p 和误差变化率p c ，利用模 糊规则进行模糊推理。作出决策，在线整定p i d 参数、k i 和凰， 使控制器既具有模糊控制灵活、适应性强、快速性好的优点，又具 有p i d 控制精度高的特点，易于单片机实现。 。 模糊p i d 控制器的设计步骤【3 2 l 如下： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入、输出变量，从而也就确定了模糊控 制器的维数。一般输入变量取为系统的偏差和偏差变化率，输出变 量为p i d 参数岛，足i ，肠，或者p i d 参数的增量岛，墨，。 ( 2 ) 在每个变量的量化论域内定义模糊子集。首先确定模糊子集 个数，确定每个模糊子集的语言变量，然后为各语言变量选择隶属 度函数。 ( 3 ) 确定模糊控制规则。这实质上是将操作人员的控制经验加以 总结得出的一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则要遵守 的原则是保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静态性能达到 最佳。 ( 4 ) 求出模糊控制表。根据模糊控制规则求出模糊控制器的输 出。这些输出值是p i d 参数的调整量，把它们与输入量在一个表中 i o 黑龙江科技学院硕士学位论文 按一定关系列出就构成了模糊控制表。p i d 三个参数一般是独立调 整，所以有三个模糊控制表。 ( 5 ) 把采样得到的偏差、偏差变化率经过模糊化后，代入模糊控 制规则表，得出新的p i d 参数，再经过p i d 算法的计算就得出了最 后的输出量，也就是系统的控制量。 2 3 系统的总体实现 皮带配科系统的总体逻辑框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 系统总体逻辑框图 f i g 2 2 t h eg e n e r a ll o g i cd i a g r a mo fs y s t e m 1 、系统的硬件实现 根据现场控制的要求，系统具有1 3 位流量显示器，输出一路电 机调节信号，接受皮带荷重信号和皮带走速脉冲信号，具有现场调 试和维修的功能。因此，本文设计了一个a t 8 9 s 5 2 的扩展系统作为 皮带配料控制器，主要包括o p u 处理模块、数据采集模块、d a 转 换模块、键盘显示模块、串行通信模块、测速电路和报警电路等。 2 、系统的软件实现 采用模块程序设计技术的方法来设计皮带配料系统的监控软 件，根据功能，将软件划分为若干个功能相对独立的模块，包括系 统初始化模块、信号检测和处理模块、键输入和键命令模块、显示 输出模块、功能控制模块、中断处理模块、串行通信模块等，并为 黑龙江科技学院硕士学位论文 每一个模块编制程序流程图。 3 、仿真的实现 本系统是在m a t l a b 6 5 的基础上将模糊逻辑工具箱和 s i m u l i n k 有机结合，实现皮带配料系统的模糊p i d 控制的仿真。仿 真过程主要包括：建立皮带配料系统的数学模型、建立相应的 s i m u l i n k 仿真模型和进行仿真结果的分析。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第三章皮带配料模糊p i d 控制器的设计 3 1 模糊p i d 控制算法的理论基础 3 1 1 p i d 控制算法的理论基础 l 、p i d 控制原理 常规p i d 控制器系统原理如图3 1 所示，主要由p i d 控制器和 被控对象组成【33 1 图3 - 1p i d 控制系统结构图 f i g 3 1 t h es t r u c t u r eo fp i dc o n t r o ls y s t e m p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构 成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量， 对被控对象进行控制，故称为p i d 控制器。其控制规律为 印) = k p 【e ( 卅丢胁) d r + 乃华 ( 3 1 ) 式中 ”( f ) 一控制器的输出； e ( f ) 一给定值和被控对象输出值之差； 一控制器的比例系数； 乃一控制器的积分时间常数： 乃一控制器的微分时间常数。 p i d 控制器各环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节 成比例的反映系统的偏差信号，比例系数越大，调整速度越快， 黑龙江科技学院硕士学位论文 静态偏差也越小，但比例系数过大将导致系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节 主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态 特性。 ( 3 ) 微分环节 能够对输入信号的变化趋势作出反应，它是用来控制被调量的 振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，改善系统的动态特性。 2 、数字p i d 控制算法2 4 】 由于近年来微机技术的迅猛发展，实际应用中大多数采用数字 p i d 控制器，数字p i d 控制算法又分为位置式p i d 控制算法和增量 式p i d 控制算法。 ( 1 ) 位置式p i d 控制算法 由于计算机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计 算控制量，因此式( 3 1 ) 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行 离散化处理。按模拟p i d 控制算法的算式( 3 1 ) ，现以一系列的采样 时刻点i r 代表连续时间f ，以和式代替积分，以增量代替微分，则 可作如下近似变换 ，* k t ( i = o ，1 ，2 ，) j e ( ，瑚* r 粪e u 即= 丁丢k e ( ，) ( 3 2 ) d e ( t ) 。e ( k t ) - e ( k - 1 ) t 西r ：e ( k ) - e ( k - l ) ， 式中 卜采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期r 必须足够短，才能保证 有足够的精度。为书写方便，将e ( k t ) 简化表示成f ( ，即省去丁。 将式( 3 2 ) 代a ( 3 1 ) ，可得离散的p i d 表达式为 i u ( k ) f k p p ( 七) + 墨p + 髟【口( _ | ) 一8 一1 ) 】 ( 3 3 ) - 0 式中 k 采样序号，扣o ，1 ，2 ： 甜( 七) 一第k 次采样时刻的计算机输出值； 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 f ( 七) 一第k 次采样时刻的输入偏差值； e ( k 1 ) 一第| i 1 次采样时刻的输入偏差值： 蹈一积分系数k i = 1 t i ； 凰一微分系数k d = k p t e t 。 由于计算机输出的( 七) 直接去控制执行机构，甜( _ j ) 的值和执行机 构的位置是一一对应的，所以称式( 3 3 ) 为位置式p i d 控制算法。 这种算法的缺点是由于全量输出，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( | ) 对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故 障，“( 七) 的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情 况往往是生产实践中不允许的，因而产生了增量式p i d 控制算法。 ( 2 ) 增量式p i d 控制算法 所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量 封( 七) 。当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式( 3 3 ) 导出提供 增量的p i d 控制算式。根据递推原理可得 丝 ( _ i 一1 ) = k v 口 一1 ) + 墨p + 髟【p ( 七一1 ) 一p ( 七一2 ) 】 ( 3 4 ) - o 用( 3 3 ) 减( 3 4 ) 可得 “( 七) = k ，【p ( d e ( k 1 ) 】+ 蜀p ( 功+ x d 【p ( _ j ) 一2 e ( k 一1 ) + p ( i 一2 ) 】 = k p a e ( k ) + k ，砸) + k d p ( 七) 一a e ( k 一1 ) 】 ( 3 5 ) 式中 p ( 的= e ( k ) - e ( k - 1 ) 式( 3 5 ) 称为增量式p i d 控制算法。可以看出，由于一般计算机 控制系统采用恒定的采样周期t ，一旦确定了凰、x i 和局，只要使 用前三次测量值的偏差，即可由式( 3 5 ) 求出控制增量。 增量式p i d 控制算法有以下优点； 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻 辑判别的方法去掉。 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，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用， 放仍然能保持原值。 黑龙江科技学院硕士学位论文 算式中不需要累加。控制增量的确定仅与最近k 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。 但增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差， 溢出的影响大。 3 1 2 模糊控制算法的理论基础 1 、模糊控制器的结构和工作原理 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语 言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技 术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统，它在结构上与传统的 控制系统没有太大的差别，主要不同之处在于控制器使用了模糊控 制器，其结构如图3 2 所示【3 4 1 。 出 图3 - 2f u z z y 控制器基本框图 f i g 3 2 t h es t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l 模糊控制器主要由模糊化、模糊控制规则和模糊判决等部分组 成，其工作原理过程可以描述为：根据由精确量转化来的模糊输入 信息，按照手动控制策略获得的语言控制规则进行模糊推理，给出 模糊输出判决，并将其转化为精确量，馈送到被控对象。 设计一个模糊控制器必须解决以下三个问题： ( 1 ) 精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为适当论域上的模 糊子集。 ( 2 ) 模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控规 则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系。 ( 3 ) 输出信息的模糊判决，完成由模糊量到精确量的转化。 2 、模糊控制器的设计方法 ( 1 ) 输入量的模糊化 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 在模糊控制中，输入量一般为计算机采样得到的确定值。由于 模糊控制器对数据进行处理是基于模糊集合的方法，因此必须对输 入量进行模糊化。 选择描述输入输出变量的词集 在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇( 如。正大”、 “负小”等) 的集合，称为这些变量的词集。一般选用“大、中、小” 三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。如 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大1 用英文字头缩写表示为 n l ，n m ，n s ，z ，p s ，p m ，p l 其中：n ：n e g a t i v e ，p ：p o s i t i v e ，l ：l a r g e ，m ：m e d i u m ，s ：s m a l l ， z ：z e r o 。 显然，选择较多的词汇，即对每个变量用较多的状态来描述， 制定规则时就比较灵活，规则也就比较细致，但相应地使规则变得 复杂了，制定起来比较困难，因此，在选择模糊状态时要兼顾简单 性和灵活性。一般情况下，选择上述七个词汇，也可以根据系统需 要选择三个或五个语言变量。 定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属函数。隶 属函数有时是以连续函数的形式出现，有时是以离散的量化等级形 式出现。将确定的隶属函数曲线离散化，得到有限个点上的隶属度， 便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。在实际应用中，一般常 用的隶属函数有以下几种： a ) 高斯型隶属度函数 3 5 】 ! 掣 ( x ，o ，c ) = p2 一( 3 6 ) 其中o ，c 为特征参数。这种函数的特点是连续且点点可求导， 比较适合于自适应自学习模糊控制的隶属函数修正。 b ) 梯形隶属度函数【3 6 】 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 f ( x ，a ，b ，c ，d ) = ox s a x - a 口s x s 6 b 一口 1b 工s c d - x c 工s d d c 0工d 其中a 、b 、c 、d 为参数。 c ) s i g m o i d 函数型隶属度函数3 7 】 l ，b ，口，由= e - a ( 3 嘲 其中口、c 为特征参数。 d ) 三角形隶属度函数3 8 】 f ( x ，a ，b ，c ) = ox s 4 ( 3 7 ) ( 3 8 ) x - - g 4 s x 量6 b - a ( 3 9 ) c - - x b g 工c c 一扫 0c s 工 其中a ，。b ，c 为参数。三角形隶属度函数的形状仅与直线的斜 率有关。 为了实际应用的方便，隶属度函数常采用三角形或者梯形。另 外，隶属度函数的形状对系统的性能也有影响，隶属函数曲线形状 较尖的模糊子集其分辨率较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控 制特性也较平缓，系统稳定性较好。因此，在选择模糊变量的模糊 集的隶属函数时，在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集，在误 差较小的区域采用较高分辨率的模糊集，当误差接近于零时，选用 较高分辨率的模糊集。 ( 2 ) 模糊控制规则的建立 模糊控制规则是设计模糊控制器的关键，它实质上是将操作员 的控制经验加以总结而得到的一条条模糊条件语句的集合。确定模 糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使系统输出响应的 动静态特性达到最佳。模糊控制规则建立的方法一般有两种，它们 黑龙江科技学院硕士学位论文 是经验归纳法和推理合成法。这两种方法不是相互排斥的，相反若 能相互结合可以更好地建立模糊控制规则库【3 9 4 0 】。 经验归纳法 所谓经验归纳法就是根据人的控制经验( 当然是专家和操作人 员的经验和控制工程知识) 和直觉推理，经整理、加工和提炼后构成 模糊规则的方法，它实质上是从感性认识上升到理性认识的一个飞 跃过程。 把有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定出若干模糊控 制规则，并对它们进行形式化数学处理，这些规则可以用自然语言 来表达，再模仿人的模糊逻辑判断推理过程，确定推理方法，这样 计算机就可以用模糊化的输入量，根据制定的模糊控制规则和事先 确定好的推理方法进行模糊推理并得到模糊输出量，即模糊输出隶 属函数。 推理合成法 推理合成法是建立模糊规则的另一种较为常用的方法。其主要 思想是根据已有的输入输出数据对，通过模糊推理合成求取被控系 统的模糊控制规则。 ( 3 ) 模糊推理 模糊推理也称为似然推理，它是不确定性推理方法的一种，是 在二值逻辑三段论的基础上发展起来的。它以模糊判断为前提，运 用模糊语言规则，推理出一个新的模糊判断结论。其一般形式是 一维形式 移xi sa ，t h e ny i sb 矿x 缸 t h e nyi s ? 二维形式 i fx i saa n d yi s b ，t h e nzi s c 圹xi s a a n dyi sb t