基于模糊自适应PID的炉温控制系统设计.ppt

基于模糊自适应pid的炉温控制系统设计 指导老师 陈兆娜 设计学生 蒋德肖 目录 1 2 3 4 模糊控制 pid控制 模糊pid控制 背景 目的 意义 近年来 我国工业发展迅速 制造行业的进步更是一日千里 在这样的大环境下 各行各业 如汽车 轮船 铁路 建筑 机械设备制造等对钢材的需求不断增大 为了满足这巨大的市场需求 不断有新的钢铁生产线被建设出来 而在整个钢材的生产加工的过程中 加热炉扮演着一个重要且不可缺少的角色 它的作用是对冷热钢坯进行加热 以便后面的轧钢得以顺利的进行 而待轧钢坯的温度和温度的均匀与否对轧钢的质量有着重要的影响 加热炉是整个钢材的生产加工中的重要一环 同时 也是能耗比较多的一环 一个性能优良的加热炉控制系统不仅对钢材的质量有着重要的影响 同时也能节约大量能源 提高能源的利用率 减少环境的污染 为社会和谐发展作出贡献 加热炉从诞生的那天起自身也在不断的发展着 从起初的 直燃式 到今天的 蓄热式 从原来的 推钢式 到后来的 步进式 背景 在炉温控制过程中 许多被控对象受负荷变化或干扰因素影响 其对象特性参数或结构易发生改变 自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数 实时改变其控制策略 使控制系统品质指标保持在最佳范围内 但其控制效果的好坏取决于辨识的模型的精确度 这对于复杂系统是非常困难的 因此 在炉温控制过程中 大量采用的仍然是pid算法 pid参数的整定方法很多 但大多数都以对象特性为基础 在炉温控制中 pid控制是历史最悠久的 生命力最强的一种控制方式 它是迄今为止最通用的控制方法 常规pid控制器结构简单 参数意义清晰明确 可靠性高 容易实现 稳态无静差 控制精度高 能满足大工业过程的要求 然而在生产现场中 大多数工业过程不同程度的存在非线性 大滞后 参数时变性和模型不确定性 因此常规pid参数整定方法繁杂 其参数往往整定不良 性能欠佳 对运行工况的整定性差 而模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强 为了克服传统pid控制器的缺点 人们将模糊控制与pid控制器结合起来 扬长避短 研究出了多种模糊pid控制器 目的 1 提高生产率 增加效益加热炉复杂的动态特性以及繁琐的工艺流程使得人为的操作会给产品的质量带来很大的影响 而在自动化程度较高的控制系统下 人为失误对产品质量造成的影响就比较低 这样产品总体的良率就会达到比较高的水平 加热炉中生产过程的优化控制和自动工艺管理控制可以缩短生产周期 并提高产量和质量 使得生产率提高 增加企业效益 2 安全生产得以实现在加热炉这个特殊的工艺中 因为高炉和转炉煤气的大量使用 使得整个生产环境的安全变得尤为重要 不仅要保证各种设备的安全运行 还要防止人员中毒事件的发生 而一套先进的控制系统也应该能提供一个安全的生产环境 要对系统的重要环节进行实时监控 如炉膛的压力 工作现场煤气的浓度等 只有在安全的环境下 生产才能顺利进行 意义 3 节能减排 保护环境通过优化提高加热炉控制性能的方法 可以使燃料的热量得到充分的利用 以达到节约燃料的目的 此外 通过对燃烧过程进行有效控制 使燃烧在合理的空燃比条件下运行 会大大减少加热炉过氧燃烧产生的氮氧化合物等有害气体和欠氧燃烧时产生的大量黑烟 减少对周边环境的污染和对生态环境的破坏力度 具有关研究表明 与人工操 作相比 合理的燃烧控制能使化学不完全燃烧热损失由原来的 5 一15 降到1 以下 一空气过剩系数由原来的1 3一1 6准确的控制在1 1一1 3之间 而使排烟热损失降低12 一18 燃耗降低4 8 一11 2 模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统 它的核心就是由所谓的if then规则所组成的知识库 一个模糊的if then规则就是一个用连续隶属度函数对所描述的某些句子所做的if then形式的陈述 构造一个模糊系统的出发点就是要得到一组来自于专家或基于该领域知识的模糊if then规则 然后将这些规则组合到单一系统中 不同的模糊系统可采用不用的组合原则 模糊控制系统设计的关键在于模糊控制器的设计 模糊控制器的设计主要有三个部分 1 输入量的模糊化 2 模糊逻辑推理 3 反模糊化过程 模糊控制 1 1输入量的模糊化所谓模糊化 fuzzification 就是先将某个输入测量量的测量值作标准化处理 把该输入测量量的变化范围映射到相应论域中 再将论域中的各输入数据以相应的模糊语言值的形式表示 并构成模糊集合 这样就把输入的测量量转换为用隶属度函数表示的某一模糊语言变量 1 2模糊逻辑推理根据事先已定制好的一组模糊条件语句构成模糊规则库 运用模糊数学理论对模糊控制规则进行推理计算 从而根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行综合评估 以得到一个定性的用语言表示的量 即模糊输出量 完成这部分功能的过程就是模糊逻辑推理过程 2 3反模糊化过程反模糊化 defuzzification 有时又叫模糊判决 就是将模糊输出量转化为能够直接控制执行部件的精确输出量的过程 模糊控制的基本原理框图如图4 1所示 它的核心部分为模糊控制器 如图中点画线框中部分所示 模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现 实现一步模糊控制算法的过程描述如下 微机经中断采样获取被控制量的精确值 然后将此量与给定值比较得到误差信号e 一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量 把误差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量 误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示 得到误差e的模糊语言集合的一个子集e e是一个模糊矢量 再由e和模糊关系r根据推理的合成规则进行模糊决策 得到模糊控制量u 即 模糊控制器的组成框图 pid控制 输入 控制偏差e t r t y t 输出 偏差的比例 p 积分 i 和微分 d 的线性组合 控制规律 其中 u t 一控制器的输出e t 一控制器输入 它是给定值和被控对象输出值的差 称偏差信号 kp一控制器的比例系数 ti一控制器的积分时间 td一控制器的微分时间 1 pid是一个闭环控制算法 因此要实现pid算法 必须在硬件上具有闭环控制 就是得有反馈 比如控制一个电机的转速 就得有一个测量转速的传感器 并将结果反馈到控制路线上 下面也将以转速控制为例 2 pid是比例 p 积分 i 微分 d 控制算法 但并不是必须同时具备这三种算法 也可以是pd pi 甚至只有p算法控制 我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有p控制 将当前结果反馈回来 再与目标相减 为正的话 行 直至无误差 使系统消除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分调节就进行 直至无误差 微分 反映系统偏差信号的变化率e t e t 1 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 产生超前的控制作用 在偏差还没有形成之前 已被微分调节作用消除 因此可以改善系统的动态性能 但是微分对噪声干扰有放大作用 加强微分对系统抗干扰不利 积分和微分都不能单独起作用 必须与比例控制配合 控制器pid项选择 1 比例控制规律p 采用p控制规律能较快地克服扰动的影响 它的作用于输出值较快 但不能很好稳定在一个理想的数值 不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响 但有余差出现 它适用于控制通道滞后较小 负荷变化不大 控制要求不高 被控参数允许在一定范围内有余差的场合 如 金彪公用工程部下设的水泵房冷 热水池水位控制 油泵房中间油罐油位控制等 2 比例积分控制规律 pi 在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律 积分能在比例的基础上消除余差 它适用于控制通道滞后较小 负荷变化不大 被控参数不允许有余差的场合 如 在主线窑头重油换向室中f1401到f1419号枪的重油流量控制系统 油泵房供油管流量控制系统 退火窑各区温度调节系统等 3 比例微分控制规律 pd 微分具有超前作用 对于具有容量滞后的控制通道 引入微分参与控制 在微分项设置得当的情况下 对于提高系统的动态性能指标 有着显著效果 因此 对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合 为了提高系统的稳定性 减小动态偏差等可选用比例微分控制规律 如 加热型温度控制 成分控制 需要说明一点 对于那些纯滞后较大的区域里 微分项是无能为力 而在测量信号有噪声或周期性振动的系统 则也不宜采用微分控制 如 大窑玻璃液位的控制 4 例积分微分控制规律 pid pid控制规律是一种较理想的控制规律 它在比例的基础上引入积分 可以消除余差 再加入微分作用 又能提高系统的稳定性 它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大 控制要求较高的场合 如温度控制 成分控制等 pid算法流程图 模糊pid控制 所谓模糊pid控制器 即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对pid控制的比例 积分 微分系数进行实时优化 以达到较为理想的控制效果 模糊pid控制共包括参数模糊化 模糊规则推理 参数解模糊 pid控制器等几个重要组成部分 计算机根据所设定的输入和反馈信号 计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec 并根据模糊规则进行模糊推理 最后对模糊参数进行解模糊 输出pid控制器的比例 积分 微分系数 控制原理 在手动过程中 人所能获得的信息量基本上为3个 误差 误差的变化 误差变化的变化 即误差变化的速率 一般来说 人对误差最敏感 其次是误差的变化 再次是误差变化的速率 从理论上讲 模糊控制器的维数越高 控制越精细 但维数过高 模糊控制规则变得过于复杂 控制算法的实现相当困难 这或许是目前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在 因此 自适应模糊pid控制器以误差e和误差变化ec作为输入 可以满足不同时刻的e和ec对pid参数自整定的要求 利用模糊控制规则对pid参数进行修改 便构成了自适应模糊pid控制器 控制系统的原理图 从系统的稳定性 响应速度 超调量和稳定精度等方面来考虑kp ki kd的作用如下 1 kp值过小 则会降低调节精度 使响应速度缓慢 从而延长调节时间 使系统稳态 动态特性变坏 2 积分作用系数ki的作用是消除系统