退火炉模糊PID算法

1、窗体底端退火炉温度模糊自整定PID控制器的仿真研究发布者：王志辉  发布时间：2008-1-29 15:02:00 内容摘要摘要：退火炉是一种热处理设备，要求有较精确的温度控制精度，但退火炉有非线性、时变和纯滞后等复杂特性，很难建立其数学模型。经典和现代控制方法不能达到好的控制效果。本文采用模糊自整定PID控制方法来控制退火炉温度，能实现对PID参数的在线自整定。运用MATLAB/SIMULINK仿真软件对系统仿真，仿真结果表明，模糊自整定PID控制比常规PID控制效果好，并且有较好的适应力和鲁棒性。正文文字大小：大 中 小 退火炉温度模糊自整定PID控制器的仿真研究王志辉

2、，孙耀民（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）摘要：退火炉是一种热处理设备，要求有较精确的温度控制精度，但退火炉有非线性、时变和纯滞后等复杂特性，很难建立其数学模型。经典和现代控制方法不能达到好的控制效果。本文采用模糊自整定PID控制方法来控制退火炉温度，能实现对PID参数的在线自整定。运用MATLAB/SIMULINK仿真软件对系统仿真，仿真结果表明，模糊自整定PID控制比常规PID控制效果好，并且有较好的适应力和鲁棒性。关键词：退火炉 模糊控制 自整定 仿真Research on the simulation of self-tuning fuzzy PID contro

3、ller for the Temperature of Anneal StoveWang Zhihui, Sun Yaomin(Wu Han university of Technology school of electro-mechanic, Hu Bei Wu Han 430070)Abstract: The anneal stove is a kind of heat-treating facilities, it requires highly control precision. But it is difficult to establish the mathematic mod

4、el, because it possesses such features as non-linear, time-variable, pure lag, etc. Both the classical control and the modern control can not get good control effect. This paper adopted the self-tuning fuzzy PID controller. It can realize the self-tuning of PID parameters. Utilized the software of M

5、ATLAB/SIMULINK to simulate the system. The simulation results show that, compare to the conventional PID controller, the self-tuning fuzzy PID controller has better control effect and performs better in adaptability and robustness.Key Words: Anneal stove Fuzzy control self-adjustment simulation1 前 言

6、退火炉是一种热处理设备，它把一种材料加热到一定温度并维持一段时间，然后让其自然冷却。其目的主要包括：(1)释放应力；(2)增加材料延展性和韧性；(3)产生特殊显微结构。不管是燃油、燃气还是电加热退火炉都要求有较精确的温度控制，以便降低退火工序的能耗。同时温度控制精确度还与退火炉结构相关，以水冷金属模球墨铸铁管直通式退火炉为例。高温下的金属很软，容易变形。为了防止变形只能让管子在炉内不停的滚动，滚得越快，就越不容易变形。但是滚得太快，管子在炉内停留的时间又太短，达不到退火的目的。为了提高高温下铸管的强度和使炉子更经济，应保持合适的过热度。这样就能下调铸管的滚动速度，从而达到减小炉长设计尺寸。经典

7、控制理论和现代控制理论都是建立在精确的数学模型（微（差）分方程、传递函数和状态空间表达式）的基础上的，但是大多数被控对象十分复杂，不同程度存在纯滞后，具有非线性和时变性。很难建立精确的数学模型来描述这些被控对象，有时甚至无法建立。退火炉本身是一个比较复杂的被控对象，它具有非线性、时变和纯滞后等特征，很难建立其数学模型。模糊控制不用建立数学模型，可根据熟练操作人员对被控系统的控制经验或专家的知识为依据设计出控制器，实现对系统的快速并且稳定的控制。2控制方案确定模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的计算机数字控制算法。从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴。它的知识

8、模型是由一组模糊推理产生的规则（主要是由模糊控制规则和表示对象特性的语言规则）构成的，它的人机对话能力较强，能够方便地将专家的经验与思考加入到知识模型中1。模糊控制对那些时变的、非线性的复杂控制系统，而且又无法获得精确数学模型的被控工业对象，具有很好的控制效果。PID控制具有简单、稳定性好、可靠性高等优点，广泛用于工业控制的各领域。但是常规的PID控制一般只适用于线性系统，而且存在参数不易整定、抗干扰性不强、适应性差、严重依赖操作人员的现场验等一系列的缺点，从而不适应现代化热处理工艺的要求。本文采用模糊自整定PID控制方法，它能够进行实时联机修正参数，使控制器适应被控对象的任何参数变化。因此，

9、模糊自整定PID控制相对于常规PID控制能得到更好的控制效果。模糊自整定PID控制器是在常规PID调节器基础上，应用模糊集合理论建立参数KP，KI，KD同偏差绝对值|e|和偏差变化绝对值|ec|之间模糊逻辑关系，并根据不同的|e|和|ec|在线自整定参数KP，KI，KD的一种模糊控制器1。其结构图如图1所示：图1 模糊自整定PID控制器结构由图1可看出，模糊自整定PID控制器主要有模糊处理部分和PID调节器两大部分组成。模糊推理部分实质就是一个模糊控制器，只不过它的输入语言变量是偏差e、偏差变化ec，输出语言变量为KP，KI，KD或它们的增量KP, KI, KD。PID参数模糊自整定是找出PI

10、D三个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。一般情况下，在不同的|e|、|ec|时，被控过程对参数KP，KI，KD的自整定要求是2：（1）当偏差|e|较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的Kp；同时为了避免由于开始时偏差e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的KD；同时为了防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常取KI=0，去掉积分作用。（2）当|e|和|ec|处于中等大小时，为使系统响应具有较

11、小的超调，Kp应取得小一些，KI的取值要适当，这种情况下KD的取值对系统响应的影响较大，取值要大小适中，以保证系统响应速度。（3）当|e|较小即接近于设定值时，为使系统具有较好的稳态性能，应增加KP和KI的取值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，KD的取值是相当重要的。一般是当|ec|较小时，KD可取大一些；当|ec|较大时，KD应取小一些。PID的三个基本参数KP，KI，KD一般由试验确定，根据我们的实际工作对象去初步确定，然后在实际运行过程中进行调节，以达到相对理想的效果。在本文中PID三个参数初值设定为KP=0.04，KI=0.08，KD=0.001。3模糊自整

12、定PID控制器设计3.1模糊控制器结构的确定选择温差e和温差变化ec作为控制器输入量，以PID参数KP，KI和KD为输出变量。设定输入偏差e和偏差变化ec的模糊语言变量为E和EC,分别用模糊子集表示为：E=NB，NS，ZO，PS，PB，EC=NB，NS，ZO，PS，PB。二者的模糊论域都为（-3，3）。输出变量KP，KI，KD的模糊子集为ZO，PS，PM，PB，模糊论域为（0，3）。其中：NB表示负大；NS表示负小；ZO表示零；PS表示正小；PB表示正大。设定偏差和偏差变化的基本论域-em，em和-ecm，ecm，模糊论域都为-n，n由此可确定偏差和偏差变化各自的量化因子Ke=n/em和Kec

13、=n/ecm，然后输入量温差的偏差和偏差变化分别乘以Ke和Kec就可以得到模糊论域中与之相对应的元素。3.2建立模糊控制规则根据前述KP，KI，KD的自调整规则可建立模糊控制表，即模糊自整定PID控制规则表，如附表：附表 模糊自整定PID控制规则表误差e 误差变化率（ec）PB PS ZO NS NBPB PBZOZO PBZOPS PBZOZO PBZOZO PBZOZOPS PMPSPS PMPSPS PBZOPM PBZOPS PBZOPSZO PMPSZO PMPSPS PMPSPM PMPMPS PBPMZONS PBPMZO PMPMPS PMPMPB PMPMPS PBPMZON

14、B PBZOZO PBZOPS PBZOPB PBZOPB PBZOPS在MATLAB的命令窗口输入命令fuzzy进入FIS编辑器，添加输入变量和输出变量。然后双击输入或输出的任意一个图标，进入隶属度函数编辑器，定义每个变量的隶属度函数的形状及参数。如图2：图2 隶属度函数编辑器根据模糊控制规则表可得到一系列模糊条件句：1. If e is PB and ec is PB then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is ZO 2. If e is PB and ec is PS then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is PS 3. If

15、 e is PB and ec is ZO then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is ZO 25. If e is NB and ec is NB then Kp is PB and Ki is ZO and Kd is PS 总共25条控制条件语句，双击FIS编辑器中间的图标即可进入规则编辑器，然后输入语句。3.3模糊判决模糊判决也叫做反模糊化，是把模糊量转换为精确量的过程。模糊判决的方法很多，常用的有：最大隶属度法，中位数法，加权平均法及重心法2。这里采用常用的重心法，即计算隶属度函数曲线包围区域的中心，数学表达式为 , 式中C为控制量清晰值，Ci为变量。退

16、火炉可简单地用一个纯滞后一阶惯性环节来描述3：Ke /（Ts+1），其中K是放大系数，T是时间常数，是纯延迟时间，s是复变量。取K=15，T=1，=1。至此模糊推理系统已成功建立，然后在MATLAB窗口输入simulink，建立系统仿真模型如图3：图3 模糊自整定PID控制系统仿真模型4 仿真结果和分析系统运行后，可以双击示波器来观察输出的情况，或者通过在MATLAB命令窗口运行命令来打开Figure窗口来观察输出。命令为：plot(tout,simout(:,1),tout,simout(:,2),);xlabel(t/s);ylabel(y(t);legend(模糊自适应整定PID,常规P

17、ID控制,Third);图4 参数整定后系统响应特性 图5 改变系统模型后系统响应特性从图4系统的阶跃响应曲线来看，采用模糊自整定PID控制时的超调量明显比常规PID减小，调节时间也明显减少，系统的响应速度快。退火炉是一个复杂的被控对象，存在着非线性，时变性和纯滞后。本文中所建立的是近似的简单模型，K，和T值并不是固定的。当系统的时间参数或结构发生变化时，例如保持时间参数和纯滞后时间不变，对象的模型结构由一阶变为二阶系统。二阶系统对象参数为：K=15, =0.5，T1=1，T2=2。由仿真结果图5可知：常规PID控制的超调量大大增加，出现震荡，系统稳定性变差；而模糊自适应PID控制适应能力强，有较好的适应力和鲁棒性。5结 论模糊自整定PID控制方案综合了模糊控制和PID控制的优点，避开了建立精确数学模型这一难题，并能发挥PID控制简单，稳定等特性。模糊自整定PID自整定方法计算量