基于模糊PID的炉温控制系统研究

基于模糊PID的炉温控制系统研究

作者：周黎

来源：《科技资讯》2011年第13期

摘 要:本文通过对各种模糊PID控制理论的研究,以电加热炉为被控对象,采用模糊P+传统ID型的模糊PID控制策略,将模糊控制策略与传统PID控制策略有机结合起来,并通过实验,证明该模糊PID控制器既具有PID控制器的较好稳态性能,又具有模糊控制器的良好动态特性。 关键词:PID 模糊 控制

中图分类号:TP319 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)05(a)-0040-02

电加热炉是一种新型、安全、高效节能,低压(常压下或较低压力)并能提供高温热能的特种工业炉,它作为一种典型的工业生产过程控制对象,具有大惯性、纯滞后、升温单向性、时变性等特点,建立精确的模型、确定参数困难,应用传统的控制方法和理论难以达到令人满意的效果。而基于知识而不依赖于精确数学模型的模糊控制为解决该控制问题提供了新的思路,因此,将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统,利用模糊控制规则自适应地在线对PID参数进行修改,对提高炉温的控制效果具有积极的意义。

1模糊PID控制理论

传统PID控制由于其易于调整、结构简单而广泛应用于各种工业过程;模糊控制的鲁棒性强,适于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。将PID控制和模糊控制两者结合起来的控制器,扬长避短,既具有PID控制精度高,对各种被控对象均能实现较佳调整的特点,又具有模糊控制适应性强、控制灵活的优点[1]。

由模糊推理机输出量的直接物理含义不同,模糊PID控制器可分为三大类,它们分别是:增益调整型、直接控制量型和混合型。 1.1 增益调整型模糊PID控制器

让模糊推理机输出的物理量对应增益参数,应用模糊规则对三个增益参数进行调整的称为增益调整型模糊PID控制器。 1.2 直接控制量型PID控制器

让模糊推理机输出的物理量对应PID原理的控制作用量的属于直接控制量型PID控制器。图1所示为该类控制器的12种结构单元[2]。

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1.3 混合型模糊PID控制器

混合型模糊PID控制器具备多种组合形式,如传统线性PID控制器与模糊PID控制器的结合,或增益调整型与直接控制量型的结合。本文采用模糊P+传统ID的混合型PID控制器进行炉温的控制,这种控制器在锅炉燃烧系统中取得了良好的效果[3]。

2炉温控制系统设计 2.1 PID控制器设计

模糊P+传统ID的混合型PID控制器的结构如图2所示。 控制器的输出如式(1)所示。 (1)

式中,是增量式模糊控制器的输出,(,,)是模糊P+传统ID混合控制器的参数。控制器中最重要的部分就是模糊P,它负责减少超调。传统I环节负责减少稳态误差,传统D环节使响应跟踪阶跃激励。采用过降低设定值的权系数方法计算误差量可以降低定值控制中的超调问题[4,5]。 用模糊控制器调整比例控制器的权值系数,控制器的输出可以写成式(2)。 (2)

式中,为小于1的常数;为模糊推理系统的输出,模糊控制器的输入、及输出均取三角形隶属函数,输入取5个语言值,输出取9个语言值,规则表为Macvicar-Whelan矩阵[6]。 2.2 被控对象建模

某加热炉,电压为220V,功率2.5kW,相数为1相,最高温度为1000℃。通过实验测得其参数为:时延=2.5min,K=1.75,当阶跃响应曲线到达63%时计算出的时间常数T＝51.75min,则其对象特性可以用一个纯滞后一阶惯性环节来表示,即式(3)。 (3)

由于加热炉本身是一个较复杂的被控对象,具有非线性、时变和分布参数等特性,因而式(4)只能是一种近似表示,模糊控制正是针对这种情况的一种控制策略。

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2.3 控制策略实现

模糊P+传统ID控制的模糊PID控制算式如下: (4)

式中,是系统偏差,是由模糊控制器决定的非线性函数,、和分别是控制器的比例、积分、微分系数,是增量式模糊控制器的输出值,是增量式混合型模糊PID控制器的输出值,是系统的输出值,为采样周期。

控制器中的模糊P可有效的减少了超调,传统I环节负责减少稳态误差,传统D环节使响应跟踪阶跃激励。其系统流程如图3所示。

3实验结果分析

经实验,单纯PID控制器调节的结果如图4所示,采用模糊控制器的实验结果如图5所示,混合型模糊PID的控制结果如图6所示。

实验结果可见,模糊控制虽然可以加快系统上升时间,优化系统动态响应性能,但单纯的模糊控制还是存在稳态振颤的问题,不利于在工程实际中应用。而本文所述模糊PID控制既具备了PID控制器较好的稳态性能,又具有模糊控制器良好的动态特性,控制效果良好。 4结语

本文将模糊控制策略与传统PID控制策略有机结合,选出模糊P+传统ID型模糊PID控制器作为炉温控制的策略,该混合型模糊PID控制器结构简单,只需将传统PID控制器的比例环节替换为一维模糊控制器,实验结果表明混合型模糊PID控制器实现比较容易,而控制性能明显提高,具有很大的推广价值。 参考文献

[1] 崔涛,赵莉.模糊控制理论和应用的发展概况[J].自动化仪表,2002,23(7):1～3. [2] 罗雄麟,王海群,许峰.工业过程多变量系统的辅助常规控制设计[J].化工自动化及仪表,2009,36(4):33～37.

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[3] W.LI,X.G.Chang.Application of Hybrid Fuzzy Logic Proportional plus Conventional Integral-derivative Controller to Combustion Control of Stroker-fired Boilers.Fuzzy Sets and Systems,2000,114(2):267～284.

[4] 张晓峰,杨明,李辽沙.无超调模糊PID控制器的设计[J].仪器仪表用户,2009,16(3):36～37. [5] A.Visioli.Fuzzy Logic Based Set-point Weight Tuning of PID Controllers.IEEE Trans.on Systems,Man and Cybernetics,Part A,1999,29(4):587～592.

[6] H.Ying.A Fuzzy Controller with Linear Control Rules is the Sum of a Global Two-dimension Multilevel Relay and a Local Nonlinear Proportional-integral Controller. Automatica,1993,29(4):499～505.