模糊自适应PID在化工行业的应用(自动化专业文献检索).doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除模糊自适应PID在生产工艺中的应用The fuzzy adaptive PID application in the production process 摘要： 模糊自适应PID控制结合了自适应控制和常规 PID控制器的优点。本文根据生产工艺中的实际情况讨论使用模糊自适应的PID参数 ，它能显著地提升控制效果，使生产过程更稳定，产品质量更好。 The fuzzy adaptive PID control is a combination of the advantages of adaptive control and conventional PID controller. In this article, according to the actual situation to discuss the production process using fuzzy adaptive PID parameters, it can significantly improve the control effect, make the production process more stable, better product quality.关键词： 自适应；PID控制；模糊控制；中图分类号： TP291 文献标识码： A0 引言 在控制理论和技术快速发展的今天，PID控制由于有简单、稳定性好、可靠性高、适应性广等优点，仍然是在生产过程中采用最普遍的控制方法，在冶金、石油、机械、化工等行业中被广泛应用。本文研究及介绍基于模糊自适应PID在现今多种工业生产中的不同应用。本文列举出在摊铺机、钢板横剪生产以及恒温炉中的应用。1 摊铺机行驶控制系统对模糊自适应PID的应用1.1 摊铺机行驶系统 大中型摊铺机的两侧履带由两套相互独立的泵马达闭式系统驱动，以徐RP系列摊铺例，在摊铺作业时，控制器对比两边行走马的转速即时调整泵的排量，保证两侧行驶速度。操作人员由显示器控制参数，柴油机全速运行，并通过分动箱力输出至变量柱塞泵，泵将机械能转换为液压势能，马达再将液压势能转换为机械能，驱动减速机转动，减速机通过驱动链轮带动履带驱动摊铺机行走；主控制器通过调节左、右比例电磁阀的驱动电流去控制左、右马达输出速度的大小和方向，从而实现前进、后退和转向等功能。1.2 摊铺机行驶系统 大中型摊铺机的两侧履带由两套相互独立的 变量泵一马达闭式系统驱动，以徐工的R P 系列摊铺机为例，在摊铺作业时，控制器对比两边行走马达的转速即时调整泵的排量，保证两侧行驶速度一致。操作人员由显示器 输入控制参数，柴油机全速运行，并通过分动箱将动力输出至变量柱塞泵，泵将机械能转换为液压势能，马达再将液压势能转换为机械能，驱动减速机转动，减速机通过驱动链轮带动履带驱动摊铺机行走；主控制器通过调节左、右比例电磁阀的驱动电流去控制左、右马达输出速度的大小和方向，从而实现前进、后退和转向等功能。1.3 改进的模糊自适应PID控制算法设计1.3.1 模糊控制规则和模糊推理 根据PID控制算法的原理，结合工程师技术人员的实际操作经验以及测试数据的理论分析结果，可以归纳出偏差e 和偏差变化率ec跟PID调节器的参数kp、ki和kd之间的关系。调节参数kp的模糊控制规则如表1所示。表1调节KP的KP模糊控制规则 1.3.2 去模糊化 由于摊铺机行驶系统是变量泵马达闭式系，要求实时性好，因此选择最大隶属度法去模，通过计算可以得到KP、KI和KD的查，并保存在控制器中。在实时控制时，首先行驶速度的偏差e和偏差变化率ec的量化值到 表中查询对应的修正量KP、KI和KD量化值，再通过运算变为精确量KP、KI和KD，最后将这三个精确量分别与控制器中提前 的PID参数初始值kD0、ki0和kdo按式( 1 )、式( 2 )和式( 3 )计算得到最优的参数kp、ki和kd，其工作流程如图1所示。kp=kp0+kp ( 1 )ki=kio+Ki ( 2)kd=kdo+Kd ( 3 ) 图1速度环的模糊自适应PID工作流程图 图2纠偏环的模糊自适应PSI2作流程图1.3.3 纠偏环模糊控制算法设计 选择摊铺机左右轮行驶速度差lc和行驶距离差l的语言变量LC与L作为输入语言变量，选择P控制器的参数的语言变量KP3作为输出语言变量。纠偏环语言值隶属度函数的选取、模糊控制规则的取得方法和去模糊化的方法与速度环类似，这里 仅给出纠偏环的模糊自适应P工作流程图如图2所示。1.4 结论 可以看出，在引入三环形式的模糊自适应PID控制器后，摊铺机的恒速和直线行驶性能得到显著提高。2 钢板横剪生产线多电机同步控制系统对自适应模糊PID的应用2.1 多电机同步传动控制策略 一般说来，同步传动协调关系是各受控量应足的某种线性或非线性函数关系：f（y1,y2.yn)=c 常见的是比例关系：u1y1=u2y2=.=unyn 当比例系数i=1时，即为最简单的同步关系。 在常规的多电机同步传动中，各电机的速度节器一般都采用比例积分(PI)调节器。这种调节具有结构简单，可靠性强，抗扰性好，稳态精高等优点。但采用PI调节器的双闭环调速系统然有超调现象发生。文献【1】中提出了一种在度调节器上引入转速微分负反馈的方法，它可抑制甚至消除转速超调，降低由负载扰动引起动态速降，但过强的微分负反馈会使系统的响变缓。 本钢板横剪生产线同步传动系统，同一给定方案中各电机采用同一电压给定，每台电机采用转速、电流双闭环调速控制策略，如图3所示，电流环采用传统PI调节器，用工程设计法设计，而转速环采用自适应模糊PID控制。图3同步控制系统结构图2.2 同步传动系统 钢板横剪生产线中，粗矫机、圆盘剪和精矫 机 由三组 四台直流电动机共 同拖动 同一块钢板 ， 生产工艺要求VI = V2 = V3，原理如图3 所示。因此 要求四台电机必须是在线速度同步条件下运行， 又因为粗矫机、圆盘剪和精矫机三组系统与钢板 接触的辊径不一样、而要求的力矩也不一样，所 以各组的转速比和电动机容量都不一样，对实现 同步运行的技术水平和控制要求比较高。2.3 输入输出变量的选取和量化 转速外环中采用的自适应模糊PID控制器是二 输入三输出的形式，e和ec为输入，Kp、Ki、Kd为输出；设定输人变量e和ec语言值的模糊子集为负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，并简记为NB，NM，NS，O，PS，PM，PB)，将误差e 和误差变化率ec量化到(0，10)的区域内H】。同样，设计输出量Kp、Ki、Kd的模糊子集NB，NM，NS，O，PS，PM，PBl，并将其分别量化到区域(0，5)、(0，3)、(0，3)内。2.4 模糊控制规则库设计及解模糊 通过总结工程实际操作经验，针对不同的速度误差e 和速度误差变化率ec总结出Kp、Ki、Kd的整定原则：当e较大时，为了使系统具有较好的跟随性能，应取较大的Kd和较小的Kp，同时为了避免系统响应出现较大的超调，应该取Ki=0；当e和ec适中时，为使系统具有较小的超调，Kp应该取得小些，在这种情况下，Kd的取值也应该小些，Ki取值应该适中。当e较小时，为使系统有较好的稳定性能Kp和Ki应该取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统抗 干扰性性能，当ec较大时Kd应该取得小些；当ec较小时，Kd应该取大些。可建立模糊控制规则表如表2所示。表2 Kp、Ki、Kd模糊规则表2.5 仿真模型建立 综合以上分析，利用MATLABSimulink中丰富的模块库可以建立电流内环PI控制、转速外环基于自适应模糊PID控制的双闭环直流调速系统的仿真模型。系统的被控对象是晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置选用三相桥式电路。选取粗矫90KW直流拖动电机为分析对象 ，额定电压U=400V，额定电枢电流IN=227A，额定转速llN=1460rmin，转速反馈系数=0.0073Vminr，电流反馈系数B：0.022VA；自适应模糊PID控制器的参数：Gain3=0.2，Gain5=2.1，Kp=4，Ki=0.5，Kd=0.2。2.6 仿真结果分析 电动机带负载起动，在0.5s时加一负载扰动。仿真结果表明，系统起动过程迅速，转速无超调，稳态运行平稳；当系统受到负载扰动时，采用自适应模PID控制的同步调速系统具有理想 的抗扰性能和动态性能，且扰动消除后，能快速恢复到平衡状态，稳态无静差。3 恒温炉对模糊自适应PID控制系统的应用3.1 模糊参数自适应PID控制系统设计 模糊参数自适应PID控制系统框图如图4所示，被控象还是采用常规PID控制器进行控制，不过常规PID3个参数比例系数Kp、积分作用系数Ki、微分作用系数由模糊控制器在线提供。模糊控制器不断检测系统误e和误差变化e，依据模糊规则在线实时调整PID的3个可调参数Kp、Ki、Kd，从而使系统的控制效果达到最佳。图4 模糊参数自适应PID控制系统 其中：E(k)为系统偏差、EC(k)为偏差变化率。 综合考虑系统的稳定性、响应速度、超调量和 稳态精 度等动态和静态性能指标，在不同E和EC时，PID控制器的 比例(P)、积分(I)和微分(D)的参数Kp、Ki、Kd的自整定要求如下： (1)当E较大时，响应曲线处于图5所示第1段，此时必须加快系统的响应速度，Kp应该取较大值；为避免微分过饱和，Kd取较小值；同时避免出现过大的超调，使Ki=0。 (2)当E中等时，系统响应处于图5的第2段，为减小超调量，Kp取较小；为保证系统的响应速度，Ki和Kd取适中值。图5 输出响应曲线 (3)当E较小时，系统响应处于图5曲线的第3段，Kp和Ki值应取较大(为使系统有良好的稳态性能)，适当地选取Kd值(为避免系统在给定值附近出现振荡)。由以上自整定要求可得Kp、Ki、Kd三个参数的模糊控制表如下：表3 kp的模糊规则 表4 ki的模糊规则表5 kd的模糊规则3.2 仿真结果分析 通过仿真可以看出，模糊参数自适应PID控制比一般PID控制效果更好，具体表现在响应速度快、鲁棒性好、超调量小、抗干扰能力强等特点。由于模糊参数自适应PID控制器更为合理，使过程的各项性能指标均达到最佳状态。4 结语 传统Smith预估控制器是基于被控对象具有精确数学模型而设计的，对缺乏精确模型或参数时变且具有纯滞后的过程控制系统，其控制效果欠佳。由于模糊控制对被控对象模 型参数变化不敏感，PID控制器对被控的参数变化自适应能力强，本文综合了各个模型的优点，将模糊和PID控制器引入史密斯预估控制系统中。通过对火电机组主汽温控制系统的仿真分析可知，模糊PID预估控制器对大迟延、纯滞后系统有较好的控制效果。由于Smith预估器能够很好地补偿被控对象中的纯迟延部分，使控制器可以提前感知到被控量发生了变化，提前进行动作，最大限度地减小了超调量。仿真结果表明，模糊PID预估控制器对缺乏精确数学模型且参数变化的大迟延的工业过程具有良好的控制效果。 模糊自适应PID因其快速、稳定、安全性，从以上三