复合模糊PID在温度滞后控制系统中的应用.pdf

第 4 期 总 第 173 期 2012 年 8 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E C H A N IC A L E N G IN E ER IN G A U T M A T IO N NO 4 A ug 文章编 号 1672 6413 2O12 O4 0160 03 复合模糊 PID 在温度滞后控制系统 中的应用米 令朝 霞 陕西理工学院 电气工程学院 陕西 汉中 723000 摘 要 在具有滞后的温度 系统 中研 究设计 出一种 复合型模糊 PID 控制器 其突 出优 点是应 用模 糊控 制适应 系统的不确定性 利 用 Sm i th 预估补偿克服 系统滞后的影响 应用 P ID 控制 实施温度 系统 的精确控 制 在很 大程度上改善 了复杂系统的控制品质 提高 了系统的鲁棒 性 实 际运行结果证 明了该方法 的有效性 关键词 温度系统 模糊控制 补偿控制 滞 后 中图分 类号 T P273 3 T P273 4 文献标识码 A 0 引 言 模糊控制器是一种仿人控制 根据人 的思维方式 构建相应的模糊逻辑规则 采用计算机控制技术构成 的一种具有反馈通道的闭环结构的智能型数字控制系 统 其优点是不要求精确 了解被控过程 的数学模 型 而是根据人工控制规则来组织控制策略 再把该策略 转 化 为控 制量 的大 小 本 文把模 糊 控制应 用 到控制 系 统中并 和 P ID 控制器相结合 两者扬 长避短 既具有 模糊控制灵活而适应性强 的优点 又克服了其静态精 度不高的缺点 满足系统静 动态两方面的性能要求 对复杂控制系统具有较好的控制效果 1 系统 要求 及控 制方 案设计 1 1 系统 工 艺要 求 控制 对象 为 某锅 炉 水加 热 系统 加 热 后 的 热水 通 过 一段 管道输 送 到下一 道 工序 工艺 要求进 人 下一道 工序的热水温度为某一恒定值 45 左右 且温度波 动不能过大 否则会影响产品质量 1 2 系统方案 设计 根 据工 艺要 求输 送 管 道 出 口处 的热 水 温 度恒 定 且 是通 过 电加热 炉来 进 行 加 热 的 为此 可采 用 不 同 的 控 制方 案 方案一 采用单 回路控制系统 控制规律采用常规 P ID 控制 以锅炉内热水温度作为被控参数 用温度传 感器来检测锅炉 内温度 设计单 回路控制 系统实现控 制要求 该方案简单易行 但 由于锅炉到管道 出口滞 后达 90 S 会影响过程 的控制质量 超调量大 调节时 间长 控制品质较差 不能满足工艺要求 方案二 采用 Sm i th 预估补偿控制 但预估补偿控 制的缺点是对过程的模型比较敏感 为此 本文将预估 补偿控制和模糊控制结合起来 既能克服系统大滞后 的影 响 也 能弥补 过 程模 型变化对 系统 性 能的影 响 2 混合型 模糊控 制 器原理 2 1 Sm i th 控制 算 法 Sm i th 预估补偿控制从理论上完全能够克服大滞 后的影响 Sm i th 预估补偿控制系统结构框 图见图 1 其中 G o s e 为具有滞后的被控对象 e 为 系统对 象的滞后 环节 r 为滞 后时 间 G c s 为 系统控 制器 G o s 1一e 为 Sm i th 预估补偿器 通过 图 1 预估 补偿 可以把对象中的滞后从闭环内移到闭环外 消除 了纯滞 后对 系统控 制 品 质 的不 利 影 响 提 高 了 系统 的 控制质量 但由于补偿器必须 明确过程的数学模型 且对模型的误差十分敏感 为了克 服其缺点而发挥其 优越性 这里采用模糊控制器 以实现 G c 图 l Sm i th 预估 补偿控 制系统结构框 图 2 2 混合 型模 糊控 制 器 模糊控制器是一种不依 赖于过程模型 的清晰认 识 而是根据操作者的经验归纳而得到 的 在一般 的 陕西省教育厅 资助项 目 1 1JK 093 4 收稿 日期 2012 02 28 修 回日期 2012 03 21 作者简介 令朝霞 1974一 女 陕西岐 山人 讲师 硕士 主要从事电路 电工 电子及 自动控制的教学 与研究 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 20 12 年第 4 期 令朝 霞 复合 模糊 PID 在温度滞后控制 系统 中的应 用 l 61 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 这类模 糊控制器以系统 的偏差 和偏差变化率 e 作 为输入 变量 然后再根据其控制规则 以及模糊逻辑关系导出 的控制查询表 从 而得 到输 出控制作用 U 采用这样 的模糊控制器 系统有可能获得 良好的动态性能 但无 法满足系统的静态要求 另外还 可能引起模糊控制系 统产生极限环振荡 因此为了保证模糊控制器的控制 质量 消除余 差 必须引入积分作用 模糊 PID 控制 器以误差 e 和误差变化 e 作为输入 可以满足不同时 刻的 e 和 对 PID 自整定 的要求 通过模糊推理在 线调整 P ID 控制器的 K K K 三个参数 使控制系 统具有 良好的动 静态特性 根据所设计 的模糊子集 的隶属度赋值表和各参数的模糊控制模型 应用模糊 合成推理设计 P ID 参数 的模糊矩阵表 然后在线修正 PID 参数 其计算公式如下 K P p 十 K P Kl KI Kl K D K D K D 其 中 K P K K 为 常规 P ID 控 制 器 的 比例 增 益 积 分增益和微分增益三个参数 K K K 为最初整 定好的 P ID 参数 K K K 分别为通过模糊推 理得到的参数增量值 在线运行过程中 模糊控 制器 实时计算 出误差 e 和 误差 变化 e 再通 过模 糊 化后 得 到 E 和 E c 然 后 经 过 模糊 推 理 得 出模 糊 量 K A K A K 再 经 去 模 糊 化和参数运算便可得到新 的 K K K 三个整定参 数 控制器再按照新 的参数进行计算和调节 考虑到模糊控制对过程参数不敏感 的特点 将模 糊 控制 器 引入 到 Sm i th 预 估 控 制 系 统 混 合 型 模 糊 Sm i th 控制系统 如图 2 所示 图 2 中 K 和 K 分别 为误 差 和误差 变化 的量 化 因子 3 控 制规 则设计 模糊 P ID 控制器 的基本思想是将模糊决策理论 和 P ID 控制结合起来 以偏差 e 和偏差变化 e 作为输 入 利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改 其 既具有模糊控制灵活而适应性强 的优点 又具有 P ID 控制精度高的特点 硬 竺 Smi th预估 器 图 2 混合型模糊 Sm i th 控制系统 根据模糊控制器 的设计 内容 以偏差 e 和偏差 变 化 e 作 为模 糊 控 制 器 的输 入 而输 出量 则 分别 是 A K P AK AK D 根据不同时刻的 e 和 e 对 P ID 参数 进行 自整定 将系统的两个输入 e 和e 以及 3 个输出 A K P AK K D 的变化范 围都定 义为模糊集 上 的论 域 一6 一5 一4 一3 一2 一1 0 1 2 3 4 5 6 其 模 糊 子 集 为 P e K P A K f K D N B N M N S Z O PS PM PB 且 设 e e A K P K j AK D 均 服 从 三 角形 隶属 函数 曲线 分布 在不同的 e 和 e 下 被控过程对参数 K K K 的 自整定要求应满足以下规律 1 当 I eI比较大时 K 取较大的值 K 取较小 的值 使系统响应速度加快 2 当 I e l中等时 K 取较小的值 K 和K 取适 中值 保证系统超调量相对较小 3 当J e I比较小时 K 取较大值 K 也取较大 的值 而 K 取适当值 以此来避免在平衡点附近 出现 系统振荡 从而保证系统具有较好的稳态性能 根据以上规律 再针对参数 A K K A K 分别 总结出 P ID 参数 K K K 整定的模糊控制表 如表 1 所示 给 出 了 P ID 控 制器 的 3 个 参数 取 值情 况 K K h K 的模糊 规 则 表建 立 好后 系统 在 运 行过 程 中 计算 机控 制 系统 经过 对 模 糊 逻 辑规 则 的结 果 进行 处理 查表和运算 最后对 K K K 进行在线 自动 调 整 表 l K K 和 K 的模糊 规则表 E E N B N M N S Z 0 P S P M P B N B P B N B N B P B N B N B P M N M N M P M N M N M P S N S N S Z O ZO Z0 N s z o Z O N M P B N B N B P B N M N B P M N S N M P S P S N S P S Z o N S ZO p s z O N s Ps zo N S P M N M N B P M N M N M P M N S N S P S Zo N S Z O P S Z O N s P M p s N s P M ps Z0 P M N M N M P M N M N M P S N S N S Z O Z O Z0 N s P s P s N M p M P M N M P M P M PS P S N M N M P S N S N S Z 0 ZO Z0 N s p s ps N s P S p s N M P M P M N M P B P M P M P S Z o Z0 Z 0 Z0 zo N s P s P s N M P S P S N M PM P M N M PB P B N B P B P B P B Z0 ZO Z 0 Z 0 ZO zO N M P S p s N M P M P M N M P M PM N B P B P B N B P B P B 4 系统运 行情 况 针 对 前述具 有 滞后 的温 度 控 制 系 统 采 用 工 控 组 态软件设计系统软件 构成混合型模糊 P ID 控制器加 以控制 实际运行结果如图 3 所示 图 3 a 为系统在 给定值变化时的实时响应曲线 图 3 b 为系统在运行 过程 中有扰动发生时抑制扰动的实时曲线 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l6 2 机 械 工 程 与自 动 化 2012 年第 4 期 从图 3 运行结果可 以看出 在被控对象模型不够 准确的情况下 由于模糊控制器能够根据系统误差 e 和误差变化率 P 对常规 P ID 的参数 K K K 进 行在线修正 因此系统 的控制品质明显有所改善 超调 量小 调节时间短 响应速度较快 不管是给定值变化 扰动还是外部干扰 系统都能很快恢复稳态 说明这种 混合型模糊 控制器 其动 态过渡过程 特性优 于常规 PID 控制 不仅提高了系统的抗外部干扰能力 还提高 了适应内部参数变化的鲁棒性 减少了超调量 改善了 系统的动态品质 薰 60 p 4O 20 过 瞒 信 f 藿 信 0 12 24 36 0 12 24 36 t mi n t mi n a 给 定值变化时系统 响应 曲线 b 有扰动发生时系统响应曲线 图 3具 有滞后的 温度控制 系统 实时 曲线 5 结论 实际在线运行表明 该混合型模糊 P ID 不仅能发 挥 P ID 控制精确的优点 还发挥了模糊控制鲁棒性强 的优点 特别是在负荷发生变化导致 系统参数发生改 变或对系统数学模型不够准确掌握 时均可获得令人满 意的控制效果 较好地适应 了现实生产过程 中的控制 要求 尤其适用于带有迟滞 时变及非线性的复杂控制 系统 具有一定的实际应用价值 参考文献 1 曹立学 基于智能仪表的 L C A 系统的设计与实现 J 机 械工程与 自动化 2009 5 127 129 2 王立新 模糊系统与模糊控制教程 M 北京 清华大学 出版社 2005 3 阮勇 一类模糊 P ID 控制器的设计与分析 J 信息与电 子 工 程 2007 3 216 219 4 马祥兴 基于模糊 自整定 P ID 的温控系统设计与研究 J 微计算机信息 2010 23 87 88 5 曹立 学 大林 算 法在 M IM O 大 滞后 系 统 中的设 计 研 究 J 计算机与数字工程 2008 7 4 6 6 张守刚 唐建博 基于模糊 P ID 控制的经纬仪直流伺服系 统仿真研究 J 中国舰船研究 2OO6 S1 46 49 A p p li c ati on o f C o m p o si te F u zzy P ID i n T em p eratu re D elay C on tro l Sy stem L ING Z h ao xi a Sc hool of E lec tri c al E ngi n eeri ng S haanxi U ni versi ty of T ec hnology H anzhong 723000 C hi na A bstrac t A c o m po si te fuzzy P ID c on tro ller i s d esi g ned for th e d elay tem p eratu re sy stem w h i c h u ses the fuzzy c o ntro l to ada pt to th e unc ertai n ty o f the system an d ap pli es S m i th p red i c to r to o verc om e th e i m pac t o f th e delay sy stem th e p rec i se c o ntro l of th e tem p eratu re sy stem i s ob tai n ed T he d esi gn ed sy stem g reatly i m pro ves th e qu ali ty o f c o n tro l o f c om p lex system s A c tu al o p erati n g results prov e th e effec ti v eness o f th e m eth od K ey w o rds tem perature sy stem fuzzy c on tro l c o m p en sate c o n trol d elay 上接 第 159 页 6 结束 语 干法除尘在高炉配套煤气净化除尘 中的使用已经 趋 于普遍 它 相对 于 湿 法 除尘 有 明显 的 优势 此 次 基 于 A B 系统实现的高炉煤气净化系统在 山东富伦钢铁 1 650 1TI 高炉煤气净化 中投入使用以来 各设备运行 稳定 可靠 实践证明该系统能很好地满足现场要求 很好地实现了工业生产的需求 保证了生产的安全 可 靠运行 参考文献 Eli 宋德玉 可 编程控制 器原 理及应用 系统设计技术 M 北 京 冶金工业出版社 1999 2 何晓东 现代除尘理论与技术 M 北京 冶金工业出版 社 20 02 3 冯 建 平 冶金 行 业 常用 除尘 设 备 J 工业 技 术 2007 12 52 53 A B last F urn ac e G as P uri fic ati on System B as ed on A ll Seri