（控制理论与控制工程专业论文）自整定因子模糊pid控制器的设计和研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着工业生产过程的大型化、精细化、现代化以及复杂性，一般的常规控制 方法受到了挑战。模糊控制等智能控制方法成为现代工业生产过程优化操作与控 制的关键。 在课题的研究过程中，对液位、温度控制系统，设计了常规p i d 控制器、模 糊控制器和带有自调整因子的模糊p i d 控制器进行试验。特别对第三种控制器本 人做了较多的研究，这种混合型模糊控制器是在常规模糊控制器中加入自调整因 子，实现比例因子的在线自调整。通过实验得到误差变化量( 时) 的变化趋势， 建立误差变化( 卵) 的曲线，可以获取一组关于量化因子k u 的模糊规则，根据这 些规则就能得到一张关于k u 的查询表，实现离线整定量化因子k e 和j 艮，在线 整定k u 利用s t e p 7 编程软件，实现模糊p i d 控制的算法程序，并将程序下载到s 7 3 0 0 p l c 中，利用p l c 对控制对象进行控制。在w i n c c 监控软件中建立了监控画面和 趋势图，可以实时监控控制对象的变化趋势。通过职i 网络实现s 7 3 0 0p l c 与 w i n c c 之间的数据通讯。然后，对中控a e 2 0 0 0 a 型过程控制装置中的控制对象进 行实验，并对p i d 控制器、模糊控制器和混合型模糊p i d 控制器的控制效果进行 了分析和比较。 实验结果表明，模糊p i d 控制器不完全依赖于系统模型，在响应速度、稳定 性等方面均优于传统p i d 控制器，具有较好的鲁棒性，稳态精度又优于常规模糊 控制器。对于大滞后、时变等复杂系统或建模困难的系统，不失为一种行之有效 的方法。 关键词：模糊p i d 控制，自调整因子，温度控制，m p i 网络，s 7 3 0 0p l c ，滞 后系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hl a r g e - s c a l e 、c o m p l e x i t ya n dm o d e r n i z a t i o ni nt h ec 0 u 1 s eo fi n d u s t r y p r o d u c e ，g e n e r a lc o n t r o lm e t h o dh a v eb e e nf a c e dw i t he h a l l e a g e i n t e l l i g e n tc o n t r o l t e e i m i q u e so p e r a t ea l li m p o r t a n te f f e c ti nm o d e mi n d u s t r yp r o d u c e ，s u c ha sf u z z y c o n t r 0 1 d u r i n gt h es t u d y , w ed e s i g ng e n e r a lp mc o n t r o l l e r s 、f i z z yc o n t r o l l e r sa n d f u z z y - p i dc o n t r o l l e r sw i t ha d j u s t a b l ef a c t o rr e s p e c t i w l yi nw a t e ra n dt e m p e r a t m e o n g t r o ls y s t e m e s p e e i a n r , t h et h i r dc o n t r o l l e ri sae l a i e fp e r ti nt h es t u d y 1 1 b d i f f e r e n tt h i sh y b r i df u z z yc o n t r o l l e rf r o mg e n e r a lf u z z ye o n g t r o l l e rt h a ti sw i t h a d j u s t a b l ef a c t o r f i r t l y , r e c e i v e dc h a n gt r e n do fe l t o l c h a n g ( c o ) f r o me x p e r i m 睫t , m a k eu pc u r v eo f e r r o rc h a n g ( e c ) t h e n , as e to f f u z z yr u l eo f 8 c a l e g a n e ( k u lc a n b eo b t a i n e d a n dt h e n , ar u l et a b l eo fg a i n ( k u1 啪b ee s t a b l i s h e d s e a l e - g a n e s s e l f - a d j u s tw i l lc o m et r u e f u z z yc o n t r o la r i t l m a e t i ei sf i n i s h e du s i n gs t e p 7s o f t w a r e a n dt h e n , d o w n l o a d t h ep r o g r a mi ns 7 3 0 0p l c w es e tu pc o n t r o lp i c t u r ea n dt r e n dc h a r tu s i n gw m c c 8 0 f t w s r e i tc 越c o n t r o lc h a n g e - t r e n dr e a l - t i m e d a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns 7 - 3 0 0 p l ca n dw m c ci sa c h i e v e db ym p i f i n a l l y , w ee x p e r i m e n ti na e 2 0 0 0 a c o 蝴n t r o le q u i p m e n t , a n d , a n a l y z ea n dc c 虹l p a r et h el 嘲t l t so fp i d 、f u z z ya n d f u z z y - p i dc o n t r o l l e r s 1 1 增r e s e a r c hs h o w st h a tf u z z y - p i e ) i si 1 1 e o m p l e t e l yd e p e n d e n to ft h es y s t e m m o d e l ，a n di ti sp r i o rt og e n e r a lp i di nr e s p o n s es p c c da n ds t a b i l i t y , p r i o rt og e n e r a l f u z z y i ns t e a d yp r e c i s i o n , a n dt h ef u z z y - p i dc o n t r o lh a sb e t t e rr o b u s tc a p a b i l i t y i t o f f e r sav a l i dw a yt or e s o l v et h eq u e s t i o nt h a tb i d - l a gs y s t e ma n dt h em o d e li ss e tu p c o m p l i c a t e d l yo rd i t t i e u l t l y k e yw o r d s ：f u z z y - p i d ，a d j u s t a b l ef a c t o r , t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，m p i ，s 7 - 3 0 0p l c ， b i g l a g n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密i 幽。 学位论文作者签名：辛娟 导师签名： 刘萎行 i 签字日期：加哆年月巧日签字日期：砷年岁月2 牙日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孪娟 日期：乃莉年上月谚 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 过程控制系统概述 过程控制技术是自动化技术的一个重要分支，在工业领域应用最为广泛。从 广义上讲，可把工业过程控制理解为从原料的投入一直到成品生产出的整个生产 过程。在工业生产过程中，通常需要测量和控制的变量有温度、压力、液位、流 量、称重和成分等。 过程控制技术经历了一个由简单到复杂，从低级到高级并日趋完善的过程。 过程控制系统的发展大致经历了以下阶段：基地式仪表控制系统、单元组合式仪 表控制系统、计算机集中式数字控制系统，集散式控制系统( d c s ) 、现场总线控 制系统( f c s ) 、计算机综合自动化系统( c i p s ) 、流程工业计算机集成制造系统 ( c i m s ) ”。 典型的过程控制系统由被控对象、传感器和变送器、控制器、执行器、控制 阀等几部分组成，如图i - i 所示 控制 图i - i 过程控制系统框图 过程控制系统按照结构特点进行分类，可以分为： ( 1 ) 反馈控制系统。 ( 2 ) 前馈控制系统。 ( 3 ) 复合控制系统。 按给定值的特点进行分类，可以分为： ( 1 ) 恒值控制系统 ( 2 ) 随动控制系统、 ( 3 ) 程序控制系统 工业过程控制往往具有非线性，时变性、耦合性、随机性和不确定性等特 江苏大学硕士学位论文 点。近年来，先进控制策略及软件在工业生产过程中也得到了一定的应用。目前， 配置在过程控制计算机中的先进控制策略及相应的软件主要有：多变量模型预测 控制、自适应控制、模糊控制、人工神经元网络等m 1 2 模糊控制理论的发展及应用 模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以 模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模 糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。 1 2 1 模糊控制的发展 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学著名教授查德( l a z a d e h ) 在他的 f u z z y s e t s ( 1 9 6 5 ) 、 f u z z y a l g o r i t h m ) ( 1 9 6 8 ) 和a r a t i o n a l e f o rf u z z y c o n t r o l ( 1 9 7 2 ) 等著名论著中首先提出模糊数学和模糊控制的概念。1 9 7 2 年2 月，日本 以东京工业大学为中心，发起成立“模糊系统研讨会”，1 9 7 3 年公开使用“模 糊工程”这一词；1 9 7 4 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，开始了有关“模 糊集合及其应用”的国际学术交流。首届i f s a 国际学术会议于1 9 8 5 年在西班牙 召开，有2 0 0 多名学者参加了盛会；1 9 8 7 年7 月在日本东京召开第二界i f s a 国 际会议。1 9 9 2 年，i e e ef u z z ys y s t e m s 国际会议开始举办，每年一次，f u z z ) , i e e e 9 3 有1 2 0 0 位代表，来自工业界的约占一半。1 9 9 3 年i e 髓t r a n s o nf u z z y s y s t e m s 也开始出版。由上述可见，尽管模糊集理论的提出至今只有3 0 多年， 但其发展迅速。 模糊控制的发展方向伽： ( i ) f u z z y p i i ) 复合控制 f u z z y - p i d 复合控制是将模糊控制与常规p i d 算法相结合的控制方法，以此 达到较高的控制精度。 ( 2 ) 自适应模糊控制 自适应模糊控制能自动的对模糊控制规则进行修改和完善，以提高控制系统 的性能。它具有自适应、自学习的能力，对于那些具有非线性、大滞后、高阶次 的复杂系统有着更好的控制效果。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 专家模糊控制 专家模糊控制是将专家系统技术与模糊控制相结合的产物。它既保持了基于 规则的方法和模糊集处理带来的灵活性，同时又把专家系统技术的知识表达方法 结合进来，能处理更广泛的控制问题。 ( 4 ) 神经模糊控制 神经模糊控制设计基于神经网络的模糊控制方法。该方法利用神经网络的学 习能力，来获取并修正模糊控制规则和隶属函数。 ( 5 ) 多交量模糊控制 多变量模糊控制有多个输入变量和输出变量，它适用于多变量控制系统。 1 2 2 模糊控制的应用 1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，首先利用模糊控制语句组的模糊控 制器，应用于锅炉和气轮机的运行控制，在实验室中获得了成功。1 9 7 5 年英国 的p j k i n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制中 ”；1 9 7 6 年荷兰学者w j 乩k i c k e r t 和h r v a nn a u t a 将模糊控制器应用于热 水装置中；1 9 7 7 年丹麦学者j j o s t e r g a a d 利用模糊控制器对2 输入一2 输出的 热变换过程进行控制m ；同时英国学者r m t o n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力和 液面进行控制，以及他随后发表的多篇文章陋卜“”，对模糊控制应用和发展起到了 积极的推动作用。他们的研究成果解决了过程控制中非线性、强耦合、时变和时 滞特性等难题，达到了最佳p i 控制效果；1 9 7 7 年英国的c p p a p p i s 和 e h m a m d a n i 对十字路口的交通枢纽指挥采用模糊控制，实验结果使车辆平均等 待时间减少7 “”。1 9 7 9 年英国i j p r o c y k 和e 1 m a m d a n i 研究了一种自组织的 模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断 完善“”。1 9 8 0 年，丹麦f l s m i d t h 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统最 早被应用于水泥窑生产过程控制，并且和1 9 8 2 年研制成功的n o 分析器配套使用， 使模糊程度大、熟练操作人员的专家知识和参与起重要作用的水泥生产过程自动 化，在采用模糊控制后获得了满意的控制性能和强鲁棒性，这是采用经典控制和 现代控制理论所难以达到的。1 9 8 2 年，日本大阪水泥窑生产自动化也成功地应 用了模糊控制1 9 8 3 年日本学者m s u g e n o 和k m u r a k a n i 将一种基于语言真值 推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车速度自动控制，并取得成功伽“”。此后，模 江苏大学硕士学位论文 糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等多个领域中得到实 用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传 感器可检测的系统中的良好应用效果。 1 3 本文研究的意义和主要内容 温度控制是工业生产过程中很重要的一种控制。目前工业上常见的主要是对 锅炉，电加热炉、蒸汽厂的控制系统、精馏塔等的温度控制“”。我国现拥有的锅 炉设备四十多万台，这些锅炉是工业、农业及民用上不可缺少的动力设备，也是 用于各行业及民用采暖中的重要设备。锅炉现代化的管理不但需要安全、自动化 的控制方案，还需考虑高效、节能、无污染、无噪音等方面的因素。所以，锅炉 的温度控制仍是一个需要探索、研究和学习的领域“”。 温度控制系统一般具有大惯性、大延时的特点。在工业控制中，温度系统的 数学模型难以确切建立 2 1 o 在滞后过程的控制方面，先后出现了p i d 控制、s m i t h 预估控制、模型预测控制、模糊控制、鲁棒控制、神经网络等方法。p i d 控制器 因其众多优点，仍被广泛应用于过程控制中。但是对于时变的大滞后过程嘲，传 统的p i d 算法有很多缺点；控制精度不高且很难稳定、现场的p i d 参数整定比较麻 烦、被控对象模型参数难以确定、外界干扰很容易使其漂离最佳工况以及在控制 过程中将发生大的超调等；s m i t h 预估控制和模型预测控制都具有内模控制的 结构，因此对模型的匹配程度比较敏感；鲁棒控制在大滞后过程中的研究近年来 也非常活跃，主要是理论上取得了一些进展，而在应用上由于其计算的复杂性还 有待进一步发展。因此，目前工业过程中的大滞后控制问题嘲1 仍然是公认的难题。 对于时变的大滞后过程嘲，对象参数随着工况和环境变化而发生变化，这更增加 了控制的难度。近年来，模糊控制、神经网络等智能控制方法引起了学者们的极 大关注嘲。 可编程逻辑控制器( p l c ) 技术因其具有技术成熟、可靠性高、抗干扰能力强 和编程灵活简单等特点而得到了飞速发展并被广泛应用于工业控制系统脚。 p l c 发展到现在。可以配置伺服控制，p i d 控制，模糊控制等单元，使p l c 的应用范围 得到了更大的扩展。采用小型p l c 实现模糊控制，用于不易建模或模型参数不确定 而且对快速性要求不是很高的过程控制系统，例如，被控对象的精确数学模型难 于建立而且具有大惯性、大滞后、时变等特点的温度控制系统，将是一种降低成 江苏大擘硕士学位论文 本、提高系统可靠性的理想方案，系统的控制将变得简单而有效汹1 。 模糊控制具有不需要被控对象的数学模型、鲁棒性较强的特点，但是基本的 模糊控制不能很好的克服大滞后带来的不利影响，所以本文设计了一种混合型模 糊控制器主要研究内容如下： 1 将模糊控制与p i d 控制技术结合，设计了一种混合型模糊p i d 控制器，它是 由一个常规的p i d 控制器和一个二维模糊控制器相并联而构成。这种混合型控制 器结合p i d 控制和模糊控制的优点，不仅可以消除极限环振荡，而且可以消除系 统余差，使系统成为无差模糊控制系统。 2 通过实验得到误差变化规律，根据误差变化曲线获取了一组关于比例因子 k 的模糊规则，根据这些规则制得了k 取值的查询表，实现了对比例因子毛的 在线自整定。 3 模糊控制器投入运行后，需要根据实际情况加以完善实验中，根据实验 对象的实际情况，对温度模糊控制器的查询表进行了改进。 4 实验中用西门子s 7 - 3 0 0 p l c 作为下位机控制，用s t e p 7 编程软件设计模糊 p i d 控制的算法，在w i n c c 组态软件中建立监控窗口，对实验过程进行实时监控。 通过 l p i 网络实现p l c 、w i n c c 和s t e p 7 软件之间的通讯。 5 以a e z o o o a 型中控实验系统装置的水箱和锅炉为控制对象，获得了一系列 控制效果图形，并对p i d 、模糊、模糊p i d 三种控制器的控制结果进行了分析比较， 其中模糊和模糊p i d 控制器对于温度控制过程有明显的优越性，具有较好的动静 态响应特性和较强的鲁棒性，模糊p i d 控制器还能够消除系统余差，是解决时变、 大滞后过程控制问题的有效方法。 江苏大学硕士学位论文 第2 章控制算法 目前流行的控制算法有p i d 控制、自适应控制、模糊控制、模糊p i d 控制、 神经网络等控制方法，本章主要介绍实验中用到的p i d 控制、模糊控制、模糊 p i d 控制三种控制方法的原理和结构。 2 j 1p i d 控制 2 1 1 基本原理 常规p i d 控制系统原理框图如图2 - i 所示。 p i d 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器，它是一种广泛应用的控制 器。其数学模型可以用下式表示臼帕： 砸m 陬f ) + 寺西+ 警】 眩。， 其中：材( r ) 控制器的输出； 口( f ) 控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号； 耳控制器的比例系数； 霉控制器的积分时间常数； 控制器的微分时间常数； p i d 控制器的性能取决于坼、乃、这三个系数。如何选用这三个系数是 p d 控制的核心 p i d 控制器各校正环节的作用如下： 江苏大擘硕士学位论文 ( i ) 比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号p ( f ) ，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取 决于时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减小调节时间。 2 1 2 数宇p i d 控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法通常又 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 在离散控制系统中，p i d 控制器采用差分方程表示为： ( 七) = 坼 p ( 七) + 争p + 挚p ( 七) 一p ( 七一l ”) ( 2 2 ) - i - 0 1 或 u ( k ) = k e e ( k ) + k 1 p + p ( 七) 一p ( | i 一1 ) 】 ( 2 3 ) j - o 式中：k 采样序号，k = 0 , i , 2 ； 材 ) 第k 次采样时刻的计算机输出值； p ( 七) 第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 一1 ) 第( 七一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； r j 采样周期； 蜀积分系数，蜀= 耳r ，乃； j 匕微分系数，岛= 耳t 由于控制器输出的( 七) 直接去控制执行机构( 如f 困f - d ，u ( k ) 的值和执行机 构的位置( 如阀门开度) 是一一对应的，所以通常式( 2 2 ) 或( 2 3 ) 称为位置 式p i d 控制算法。 2 增量式p i d 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式( ( 2 3 ) 导出提供增量的p i d 江苏大擘硕士学位论文 控制算法。根据递推原理可得： k - l u ( k - i ) = k p e ( k - i ) + k i e u ) + x o e ( k - 1 ) 一啦一2 ) j ( 2 4 ) j - o 用式( 2 3 ) 减去( 2 4 ) ，可得 a u ( k ) = 坼【“”- e ( k - 1 ) + k t e ( k ) + x 0 【“七) 一2 e ( k 1 ) + p ( 七一2 ) 】 = k p a e ( k ) + k i p ( | ) + k v z s e ( k ) - e ( k 1 ) 】 ( 2 5 ) 式中& ( 七) = e ( k ) - e ( k - 1 ) 式( 2 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丁，一旦确定了 耳，髟，j 匕，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由式( 2 5 ) 求出控制增量a 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量a u ( k ) 对应的是本次执行机构位 置( 如阀门开度) 的增量对应阀门实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算 式u ( k ) = u ( k 1 ) + 血( 七) 通过执行软件来完成。 2 1 3 参数整定 p i d 控制器参数整定的方法有很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定 法和工程整定法。理论计算整定法就是在已知过程的数学模型上，依据控制理论， 通过理论计算来求取“最佳整定参数”；而工程整定法是根据工程经验，直接在 过程控制系统中进行的控制器参数整定方法常用的工程整定方法有叭1 ： 1 动态特性参数法 2 稳定边界法( 临界比例度法) 3 阻尼振荡法( 衰减曲线法) 4 现场经验整定法( 试凑法) 2 2 模糊控制理论 2 。2 1 模糊控制系统的结构 自从1 9 7 4 年英国科学家m a m d a n i 首次将模糊控制理论应用于蒸汽机的控制 系统，模糊控制理论第一次将人类积累的对复杂系统的经验和认识提炼出来，采 用模糊控制器的形式来控制复杂系统，从而把人类从繁重的体力劳动中解放出 来。随着计算机技术的发展，模糊理论在控制领域取得了巨大的成功，使模糊控 江苏大学硕士学位论文 制理论成为模糊理论最广泛最成熟的应用分支。 传统控制方法中，人们用传递函数或者逻辑方程和数学方程精确地描述控制 器的输入输出特性。在模糊控制器中则使用语言型模糊控制规则来描述模糊控制 器的控制特性。模糊控制器的一般常规结构如图2 2 所示脚 图2 2 模糊控制器的结构 如图2 2 所示，模糊控制器的输入和输出都是非模糊量，其内部是建立在语 言型的模糊控制规则上，由各个规则的满足程度推出模糊输出的大小。 推理过程采用模糊逻辑，常用的是m a m d a n i 推理。为了进行模糊推理必须先 将非模糊量转化为模糊值，该过程称为模糊化。由于模糊推理的输出是模糊值， 还必须将模糊输出转化为非模糊集，该过程称为清晰化模糊控制器由模糊化、 模糊推理和清晰化三部分模块组成。 2 2 。2 知识库 模糊控制器的知识库有两部分组成：数据库和规则库。 数据库中包含了与模糊控制规则及数据处理有关的各种参数，其中包括尺度 变换参数，模糊空间分割和隶属度函数的选择等隶属函数的形状通常取三角形 或高斯形；隶属函数应覆盖整个取值范围，常常在整个取值范围内均匀分布瑚 控制规则是描述控制器输入输出特性的一组语言型规则。它是模糊控制器的 核心部分，直接影响控制器的性能，因此如何建立模糊规则成为一个十分关键的 问题。 系统设计人员可以通过获取专家经验以及进行实验室试验等途径来积累对 被控系统特性的认识。对于复杂系统，往往比较困难。目前大致有一下几种获取 规则的方法： 1 通过总结专家的经验，并用适当的语言来加以表述，最终可表示成模糊规 则的形式。 江苏大学硕士学位论文 2 通过记录熟练操作人员实际控制过程中的输入输出数据，并从中总结出模 糊控制规则。 3 基于自学习算法自动设计控制规则。近年来，基于智能优化算法的自适应、 自学习算法被越来越多地利用于模糊规则辨识。 2 2 3 模糊推理与清晰化运算 模糊推理方法有很多种，常见的模糊推理有膨w 一膨戗推理和代数积一加法 推理两种。 清晰化的过程是把推理系统输出的模糊集合映射成精确输出。目前普遍采用 的有以下几种方法蚴： 1 最大隶属度法 若输出量模糊集合c 的隶属度函数只有一个峰值，则取隶属度函数的最值 为清晰值，即： 心( 铴) 雎( z ) ：z( 2 6 ) 其中：。表示清晰值若输出量的隶属度函数有多个极值，则取这些极值的 平均值为清晰值。 2 中位数法 中位数法是取比( z ) 的中位数作为z 的清晰值，即z o = a y ( z ) = 心( z ) 的中位 数，它满足 r 心( z ) a = 比如w z ( 2 7 ) 也就是，以为分界，心，( z ) 与z 轴之间面积两边相等。a b 分别是清晰化值的 下限和上限。 3 加权平均法 这种方法是取胜( 力的加权值为z 的清晰值，即； z d = a y ( z ) = 它类似于中心的计算，所以也称重心法。对于论域为离散的情况有 ( 2 8 ) 江苏大学硕士学位论文 2 2 4 论域和比例因子田 尉 , u c ( 互) 弓 z d = 气广一 雎( 五) ( 2 9 ) 众所周知，任何物理系统的信号总是有界的。在模糊控制系统中，这个有限 界一般称为该变量的论域，它是实际系统的变化范围。以两输入单输出控制系统 为例，设定误差的基本论域为卜i i ，i | 】，误差变化的基本论域为 卜i e c 。i ，忙c m “l 】，控制量的变化范围为【一i “。i ，f t | 螂i 】输入变量的基本论域可以 通过实验或理论指导来确定，它在控制过程中往往是不变化的。类似的，设误差 的模糊论域为e = 1 一( 啊- x ) ，0 ，l ，( 啊一1 ) ，一 误差变化的论域为f c = 吃一( 吃- 1 ) ，0 ，l ，( 他- 1 ) ，嘞 控制量的论域为u = 一册，一( 埘一1 ) ，o l ，( m - d ，哪 一般来说，论域的量化等级越细，控制精度也越高。但过细的量化等级将使 算法复杂化，而且没有必要。在确定了变量的基本论域和模糊集论域后，比例因 子也就确定了。若用墨和k 表示误差和误差变化的比例因子，毛表示控制量的 比例因子。则有 k = ，i l f ( 2 1 0 ) e = n 2 q e c m l ( 2 1 1 ) k = 训“一i ( 2 1 2 ) 比例因子对模糊控制系统的动静态性能有较大的影响。一般说来，丘越大， 系统的超调越大，过渡过程就越长；尼越小，则系统变化越慢，稳态精度降低。 墨越大，则系统输出变化率越小，系统交化越慢；若疋越小，系统反应加快， 但超调增大。 江苏大学硕士学位论文 2 3 混合型模糊p l d 控制 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常 采用二维模糊控制器结构形式。而这类控制器都是以系统误差e 和误差变化e c 为输入语句变量，因此它具有类似于常规p d 控制器的作用，由线性控制理论可 知，采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，但无法消除静态误 差 在模糊控制器中引入积分因子，现在主要有三种方式，下面将简要的介绍这三 种方式脚渊 1 1 9 7 8 年由m b r a a e 和d a r u t h e r f o r d 提出了采用具有积分因子的模糊控 l 规则库数据库 被 ，厂、p 同 静 q i i l7阻耷。i- 卧咽兰警 控 上 ( 羚f r 学 对 j 一陌1 三一推理机隍 象 | r 幽一剀i 一 雹 膜糊控制别 i 图2 3 带积分环节的模糊控制器框图 由图2 - 3 可知，其积分环节被设置在误差输入量的模糊化之前和模糊控制器 输出量的解模糊之后，尽管它可以在某种程度上减少余差，但无法保证消除极限 环振荡现象，当疋、墨取得相当大时，系统甚至有可能出现不稳定。 2 1 9 8 8 年由m b a s s e v i l l e 提出一种p i d 模糊控制器，如图2 4 所示。它是 一种对误差e 的模糊值进行积分的p i d 模糊控制器。这种模糊积分要消除极限环 振荡的必要条件是 a “，m i n u h u lv ( 2 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 图2 - 4 误差p 模糊积分的p i d 模糊控制器 式中，4 u i 血是指模糊控制器输出i 厶( f ) l 的非零最小值；、u l 分别为图 2 5 所示值。图2 5 中为被控制量呻) 的给定量，艿为判定系统进入“模糊稳 定”的最小允许误差值。 图2 - 5 和吨值 这种对误差p 的模糊值进行积分的p i d 模糊控制器可以用来消除大的系统余 差，但是要消除零点附近的极限环振荡必须使a “。缩小，这就需要增加控制规 则数，然而相应地增加了模糊控制器设计的复杂程度。 3 图 2 - 6 所示模糊控制器结构是由_ l b i a l k o w s k i 于1 9 8 3 年提出的。它是 由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器相并联而构成的。常规p i 控制器 输出为屿= 局乞和二维模糊控制器输出控制量叶相叠加，作为混合型模糊p i d j 控制器的总输出，即= 叶+ 。这里，p ( ，) 是连续变化的，i 霸i f 6 k t e e , 也是一 1 个连续量。这种混合型模糊p i d 控制器不仅可消除极限环振荡，而且可完全消除 系统余差，使系统成为无差模糊控制系统p _ o ) 。 江苏大学硕士学位论文 v 冉一e_ 刀控制器卜习 = “ 卜 冒渊p 刽被墓对卜 l 图2 - 6 混合型模糊p i d 控制器 上述三种具有积分作用的模糊控制器，对消除系统余差均有很好的效果，但 要消除极限环振荡，只有采用第3 种混合型模糊p i d 控制器才能满足，在本课题 设计中，选用的就是这一种。这种混合模糊p i d 控制器的结构、组成及比例因子 的选取方法和一般的模糊控制器相同。 2 4 本章小结 这一章主要介绍了p i d 控制的原理、算法及参数整定，模糊控制的原理和模 糊化、知识库、模糊推理、清晰化、论域及比例因子的基本知识。还介绍了带积 分环节的混合型模糊p i d 器的几种结构，比较它们的各自特点，选用了第3 种混 合型模糊p i d 控制器。 江苏大学硕士学位论文 第3 章模糊控制系统的实现 模糊控制的算法是在s t e p 7 软件中实现的，然后将程序下载到$ 7 - 3 0 0p l c 中，在w i n c c 监控软件中建立监控画面和趋势图，实时监控被控对象的变化趋势， 通过m p i 网络实现s 7 3 0 0 眦与w i n c c 之间的数据通讯。温度控制选择中控 a e 2 0 0 0 a 型过程控帛4 装置中的锅炉水温作为控制对象，原理框图如下所示： 图3 1 温度控制系统图 a e 2 0 0 0 a 型过程控制实验装置与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了 工业上广泛使用并处于领先的a i 智能仪表加组态软件控制系统、i ) c s ( 分布式集 散控制系统) 。a e 2 0 0 0 型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用 i c e 标准，即电压l 5 v ，电流4 2 0 m a 实验系统供电要求：三相3 8 0 v 交流电， 外型尺寸：1 8 5 0 1 4 5 0 x 9 0 0 m ，重量：3 0 0 k g 。 3 1 1 r ：2 0 0 0 型过程控镧系统特点 1 被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。 2 执行器中既有电动调节阀( 或气动调节阀) 、三相s c r 移相调压等仪表类 执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器。 3 调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动 力支路或电磁阀和手操作阀制造各种扰动。 4 一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下演变 成多种调节回路，以利于讨论，比较各种调节方案的优劣。 江苏大学硕士学位论文 5 某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，它们同时输入和工作 时需对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优 劣。 6 各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。 7 实验数据及图表可以永久存储。 该系统设计从工程化、现代化、开放性和培养综合性人才的原则出发，在实 验对象中采用了工业现场常用的检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通 讯接口的智能调节仪，上位机监控软件可用m c g st 控组态软件、w i n c c 组态软 件等。基型产品控制系统中既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有上位监控 机加远程数据采集计算机d d c 控制系统。对象系统预留有扩展信号接口，用于控 制系统二次开发，如进行d c s 控制，计算机d d c 控制、p l c 控制开发。扩展控制 系统为d c s 分布式集散控制系统，西门子s 7 3 0 0 p l c 加上位w i n c c 组态软件“1 。 3 1 2 实验对象的组成结构 过程控制实验对象系统包含有：不锈钢储水箱( 长x 宽高：8 5 0 4 5 0 4 0 0 r a m ) 、强制对流换热管系统、串接圆筒形有机玻璃上水箱( 0 2 5 0 x 3 7 0 m m ) 、 下水箱( 0 2 5 0 x 2 7 0 m m ) 、三相4 5 肼电加热锅炉( 由不锈钢锅炉内胆加温筒和 封闭式外循环不锈钢冷却夹套组成) ，纯滞后盘管装置。系统动力支路分为两路 组成：路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、电磁流量计、自锁紧不锈 钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、涡轮流量计、自 锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图3 - 2 的系统结构图所示。图中的检测变 送和执行元件有：液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、 电动调节阀、电磁阀等 江苏大学硕士学位论文 3 1 3 实验对骞蝴台 图3 - 2 过程控制系统结构图 仪表控制台面板由三部分组成： ( 1 ) 电源控制屏面板：带有漏电保护空气开关( 电流型漏电保护器) ，三相 电源开关，单相电源开关，三相电源指示灯、三相电压指示表，三相电源保险丝 座，照明开关，启动、停止按钮，三相电源输出，单相电源输出。 ( 2 ) 仪表及远程数据采集模块面板：由1 块变频调速器面板、3 块m 8 1 8 a 智能调节仪面板，2 块远程数据采集模块面板组成，各种外部信号线通过面板上 江苏大学硕士学位论文 自锁紧插孔引出。 ( 3 ) i o 信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测信号及执行 器控制信号同面板上自锬紧插孔相连，再通过航空插头同实验对象连接，便于自 行连线组成不同的控制系统，进行各种过程控制实验。如图3 - 3 所示： 圈3 - 3i 0 信号接口面板 接口面板可分为八大模块，从左向右依次是： ( 1 ) d c s f i l l 5 1 模拟量输出接口：共8 路4 2 0 m h 模拟量信号输出，以控制 执行器。 。 一 ( 2 ) 三相s c r 移相调压装置：向三相电加热管提供0 3 8 0 v 连续可调交流电 压，可调电压由4 2 0 m h 模拟量输出信号控制。 ( 3 ) 电动调节阀：电动调节阀的电源端子通过电源开关直接接2 2 0 v 交流电 源，由电源开关控制电源的通断，控制信号4 2 0 m h 电流输入正端接调节器输出 的( 4 2 0 m h ) 控制信号+ 端，控制信号4 2 0 m h 电流输入负端接调节器输出的( 4 2 0 m h ) 控制信号一端。 ( 4 ) 铂电阻：提供锅炉内胆、锅炉夹套和强制对流换热系统的冷水、热水温 度信号。温度变化范围为0 1 0 0 。 ( 5 ) 温度变送器：温度变送器先把热电阻信号转换成电流信号，再经过i o 面板上的5 0 q 或2 5 0 q 电阻转换成0 2 l v 或l 5 v 的标准电压信号 ( 6 ) 压力变送器：压力变送器输出的4 2 0 m a 电流信号经过i o 面板上的 5 0 q 或2 5 0 q 的电阻转换成0 2 l v 或l 5 v 的标准电压信号。 ( 7 ) 流量变送器：流量变送器可分涡轮流量计和电磁流量计。电磁流量计流 量输出为( 1 5 v ) 电压信号，涡轮流量计输出频率信号，分别从+ 、一两端输出。 1 窭 江苏大学硕士学位论文 ( 8 ) 2 4 v 开关电源：提供2 4 v 直流电，供压力变送器、温度变送器正常工作 使用。 在p c 机上安装a e 2 0 0 0 a y b 组态软件后，可通过r s 2 3 2 4 8 5 转换装置和仪表 控制台侧部的r s 4 8 5 串行接口，实现同所有的仪表及远程数据采集模块进行通 讯可对下位仪表各参数进行设定，修改p i d 控制参数，并能通过在监控软件里 设计的实时画面，观察被控参数的实时曲线、历史曲线，s v 设定值、p v 测量值、 o p 输出值。各实验都具有动态的系统流程图，被测参数动态显示，动态棒图显 示和参数趋势曲线图等。 3 2 $ 7 - 3 0 0p l c 简介 本课题采用的控制器是德国西门子公司的$ 7 - 3 0 0 系列p l c s 7 3 0 0 是模块 式p l c ，主要由机架、c p u 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、 电源模块和编程设备组成 s 7 3 0 0 采用循环执行用户程序的方式。0 8 1 是用于循环处理的组织块，它可 以调用别的逻辑块，或被中断( 组织块) 中断。在启动完成以后，不断地循环调 用o b i ，在o b i 中可以调用其它逻辑块( f b ，s f b 或s f c ) 循环程序处理过程可 以被某些事件中断。在循环处理过程中，c p u 并不直接访问i o 模块中的输入 输出地区，而是访问c p u 内部的输入输出过程映像区啪1 i c p u 中的程序。 s 7 系列p l c 的c p u 中运行着两种程序：操作系统程序和用户程序。操作系 统程序是固化在c p u 中的程序，它提供了一套系统运行和调度的机制。操作系统 主要完成以下工作： 处理启动( 暖启动和热启动) 刷新输入的过程映像表和输出的过程映像表 调用用户程序 检测中断并调用中断程序 检测并处理错误 管理存储区域 与编程设备和其它通讯设备的通讯 操作系统处理的是底层的系统级任务，它为p l c 应用搭建了一个平台，提 江苏大学硕士学位论文 供了一套用户程序的调用机制；而用户程序则在这个平台上，完成用户自己的自 动化任务。 2 编译工具软件s t e p 7 s t e p 7 是$ 7 - 3 0 0 的编译工具软件。在s t e p 7 软件中，结构化的用户程序是 以“块”的形式实现