基于模糊控制器和史密斯预估器的室内游泳池水温控制系统设计【中文3160字】
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【中文3160字】基于模糊控制器和史密斯预估器的室内游泳池水温控制系统设计杨东.黄永红.徐高红.江苏大学电子信息工程学院中国.镇江dqyangd l 26.com摘要：现代室内游泳池池体积大，水温调节系统严重滞后，严重的惯性非线性系统。传统的基于PID控制器的PL控制系统无法满足控制要求。本文提出了一种由模糊自动优化算法和Smith预估补偿器组成的集成控制系统来调节池水温度。实验和应用表明，所提出的解决严重时滞和严重惯性系统的控制方案可以取得良好的控制效果。关键词 - 水温控制;室内游泳池; PLC;严重延误;严重的惯性;非线性;自适应模糊算法;史密斯预测。1.引言现代游泳池水处理系统类似于水位的水处理系统，它是无人值守的PLC控制系统，具有自动化程度高，测试或反馈价值高等特点。循环水处理系统包括水循环过滤系统，水质调节，加药系统和水加热系统。其中，水加热系统要求控制池水温度保持27。公共室内游泳池的体积在450至1750立方米之间。该泵是水循环的动力，其额定流量一般在100立方米/小时之间。管道加热器位于水池的入口处，水温传感器位于出口侧。显然，水温控制系统是严重的时滞和严重的惯性非线性控制系统。因此传统的PIO控制器很难获得良好的控制效果。因此本文提出了一种非定量优化修正函数模糊控制与Smith预估补偿器的集成算法，该算法计算量较小，能够实现对PLC严重延时和严重惯性池温度控制系统的控制效果。实验结果表明该方法可以取得较好的效果。2.游泳池水温控制的分析热水器可以通过PLC控制。执行器比例蒸汽控制阀 - 将蒸汽送入蒸汽水管道混合器中定量加热，循环的“热水”会注入水池，从而增加水温并根据计划进行维护。水温控制对象可以用一阶惯性加纯延时链接来表示：基于上述原因，本文采用基于查表法的模糊算法，结合自校正因子法的优点，应用非定量优化校正函数法，该方法能基本解决时变大滞后和大惯性问题。但它无法解决严重的延迟和严重的惯性问题。因此，本文结合史密斯预估器的措施，计算的实例不太大，基于PLC可以实现严重延迟和严重惯性的池水温度控制效果。3.控制系统设计A.模糊控制器的建立为了提高被控对象的稳态性能，避免由离散模糊量引起的模拟输出转换，提高模糊控制器的自适应能力。本文选择PLC作为控制器，选用计算量较小的控制方法，采用逐次逼近方法进行设计。首先，根据参数的变化过程自动修改控制规则。其次，调整缩放因子以改善系统的性能。最后，采用修正因子优化方法使量化模糊量具有连续性。1）建立模糊数模型基于模糊建模步骤的模糊规则的数量如下：a）基于模糊控制规则建立模糊数模型。属于域X的模糊集合和属于域Y的模糊集合构成模糊控制器的二维输入。属于域z的模糊集合是模糊控制器的一维输出。通过总结泳池热水系统的人工操作经验，可以得到控制规律。模糊条件语句的表达如下：If and then (2)该规则由非线性比例微分控制器组成，是游泳池水温控制系统的理想规则。语言语句（2）中有49条模糊规则，如表1所示。b）基于解析表达式的模糊数模型的建立。表1模糊数模型虽然上述方法非常简单，但单凭经验来确定规则可能会出现更大的错误或死区。基于解析表达式的模糊数模型具有规则调整灵活的优点。其双输入单输出模糊控制器的模糊数模型可表示为：这里 0,1是修正系数。设置x是实数的集合。高斯模糊数X来自系统（t）的误差。高斯模糊数X来自模糊系统误差变化率（t）从模糊控制规则和闭包的模糊二进制算法中，可以知道方程（3）中的仍然是一个正常的模糊数a的大小直接反映了和的加权水平，这可以从（3），（4）和（5）中看出。因此，这种方法可以改善但不能消除表1中的量化误差和调节“死区”。考虑到加权电平对和的不同影响，校正因子a可以取决于系统要求。设置PB，PM，PS，0，NS，NM，NB = + 3，+ 2，+1，0，-1，-2，-3，选择一个具有四个校正因子：其中，选择 ，即当偏差ll为0或非常小时，在加权值上大于以维持系统的稳定性;在偏差ll较大时，比加权值大，以加速系统响应。2）非定量优化修正函数的方法在（6）中，修正因子具有许多上述优点。同时由于大量的子文件域带来了更多优化参数的问题，增加了优化工作量。为保留多种修正因素，优化参数和优化工作量的优点，本文采用具有最优修正功能的非量化模糊控制规则自调整方法。设置误差E的区域，误差变化EC，控制量U为-N，.， - 1,0,1，.，N，则具有自校正功能的模糊控制规则可表示为：a是的函数，它是通过拟合（4）中的一些修正因子而得到的。 aO是|时的修正系数= 0,0 1; 是常数，0 （1-）。公式（8）表示当错误改变时，该方法可以自动调整控制效果的误差和误差变化的权重。 N是|。优化的|max工作量不会增加，因为a由a和决定。而使用ITAE性能指标优化控制器参数。图2是具有最佳校正功能的模糊控制系统图。可以看出，受控过程对控制过程具有积分作用的控制值u是非线性PID控制规则。因此，模糊控制规则可以在初始粗糙规则的基础上自动调整，自我完善并自动找到更为理想的控制规则。更重要的是，它可以消除量化误差并实质上调整死区。无论E，EC和U的域大小如何，优化的工作量都不会增加。通过对模糊控制器进行优化，基本解决了由非线性引起的稳态问题，提高了大滞后和高惯量系统的控制效果。但严重的滞后和惯性体系问题尚未解决。所以控制器集成了“估计”和“预测”功能可以帮助严重的延迟和严重的惯性控制系统。B Smith模糊综合控制的分析Smith模糊综合控制器的模糊控制规则是先前建立的规则，引入Smith预估器，其控制方案如图2（a）所示。 该方案是用Smith模糊综合控制器代替Gc。 该控制器具有对模型参数变化不敏感的模糊控制器的优点，并引入了史密斯模型预测器作为集成模糊史密斯预估器控制器，此外，SFC的超调量显着小于SC和SFC的超调量，并且它具有较短的建立时间经过适当的变换后，图2（a）可以变换成如图2（b）所示的等效系统。从后一种系统估计补偿后，纯滞后在反馈回路之外，不会影响系统的特征方程，但推迟了控制过程时间的延迟。（a） Smith模糊综合控制系统（b） 图（a）的等效系统（c）史密斯预估器的零件图为了促进史密斯预测器的设计，史密斯预测器的部分在图2（c）中分别表示。C系统的仿真结果根据该系统，滞后时间较长的游泳池水温控制对象的数学模型为，采样时间为14s。优化后得到控制参数向量：， ，N，）= 11.8,157,0.7,0.21,5,0.1,0.75。仿真结果如图3所示。具有校正功能的非定量模糊控制器和Smith预估器集成模糊控制器，可以实现良好的控制效果。图3. SFC模拟结果D.在PLC上实施SFC图4是在PLC上实现SFC的框图。 PLC在虚线框图中，而虚线框图的外侧是执行器和控制对象的一部分。室内游泳池水温的流程图如图5所示。在PLC上实现程序实现了良好的控制效果，如图6所示。图4.在PLC上实现SFC4.总结由于游泳池水温控制系统存在严重的滞后和严重的惯性，仅使用经典的模糊控制器就可以解决性能低下的问题，并在稳态时实现控制精度。为了改善PLC的弱数学语句，本文提出了一种由具有优化非定量校正函数的模糊控制器和史密斯预测器组成的集成控制器。室内游泳池水温问题可以通过组合控制器解决，可以在PLC上获得良好的控制效果。图5.室内游泳池水温的流程图图6. SFC控制效果参考1黄勇，吴中军，“可编程控制器原理与应用”，北京，机械工业出版社，2005。2廖，“PLC编程与应用”，北京，机械工业出版社，2002。3 Zhou Fu Wan，“PLC中使用一种新的模糊控制算法，”自动化仪表第26卷，第10期，2005.10。4张维国，杨向中，“模糊控制理论与应用”，西北工业大学出版社，1999。5孙文礼，“史密斯模糊综合控制方法在S7-200 PLC中实现良秀满”，北京自动化博览会2005 S I）：69-71,2005.1。6张维国，“Smith模糊综合控制系统设计方法”，北京市18（1999年12月，1999年7月11日 - 7日）。7 Shi，D.N，Peng，G.，Li，T.F，“Gray predictive adaptive Smith-PID control and its applic
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