FuzzyPID算法在炉温控制中的应用

FuzzyPID算法在炉温控制中的应用*钮王杰（运城学院机电工程系，山西运城044000）摘要：在工业电炉的控制过程中,由于被控参数具有时变、非线性、不确定等因素,常规PID控制算法难以满足控制要求。采用模糊PID算法实现对工业电炉的控制,利用模糊推理在线整定PID控制器的3个参数KP,KI,KD。仿真结果表明,该控制器具有较好的快速性和稳定性。关键词：模糊控制;参数整定;PID;算法中图分类号:TP312文献标识码:B文章编号:1004373X(2006)1815403FuzzyPIDAlgorithmsApplicationintheStoveTemperatureControlNIUWangjie(YunchengUniversity,Yuncheng,044000,China)Abstract:Inindustryelectricstovecontrolprocess,becausecontrolledtheparameterhastimechanges,thenon-linearity,notfirmlyandotherfactors,theconventionalPIDcontrolalgorithmissatisfiedwiththecontrolrequestwithdifficulty.Inthispaper,itusesthefuzzyPIDalgorithmtocontroltheindustryelectricstove,andusesfuzzilyinfersonlineadjustingPIDthecontroller3parametersKP,KI,KD.Thesimulationresultindicatesthiscontrollerhasabetterrapidityandthestability.Keywords:fuzzycontrol;parameteradjusting;PID;algorithm:*基金项目：运城学院院级科研项目（2008118）作者简介：张慧鹏（1980-），男，山西运城人，运城学院助教，硕士，研究方向为机械设计理论及自动控制，（E-mail）：[e-mail]1引言对于工业控制过程,PID控制器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,他在工业控制领域仍具有强大的生命力。但在工业炉控制中,由于电热管功率、通风管气流温度和热风之间存在非线性和不确定的关系,再加之外界干扰,尤其是当控制对象参数发生变化时,传统的PID控制必须对参数重新整定,才能实现对工业电炉精确稳定的控制。对此,本文设计了一种FuzzyPID控制器,根据电炉的实际响应,通过模糊规则进行推理和决策,在线整定PID控制器的3个参数,以实现对电炉的优化控制。仿真结果表明这种设计方法完全有效。2工业电炉FuzzyPID控制器的结构和原理FuzzyPID控制器结构如图1所示[1,2],首先根据模糊数学的理论和方法,将操作人员的调整经验和技术知识总结成为IF(条件)THEN(结果)形式的模糊规则,并把这些模糊规则及相关信息(如初始的PID参数)存入计算机中。根据电炉的响应情况,计算出采样时刻的偏差e及偏差的变化率ec,输入控制器,运用模糊推理,进行模糊运算,即可得到该时刻的KP,KI,KD,实现对PID参数的最佳调整。FuzzyPID控制器主要由模糊化、模糊推理、去模糊化3部分组成。3工业电炉FuzzyPID控制器的设计常规PID控制器作用可用以下的位置算式描述:FuzzyPID控制器是在PID参数预整定的基础上,利用模糊规则实时在线整定PID控制器的3个修正参数KP,KI,KD,实现对炉温的优化控制。文中采用ZieglerNichols法求解KP,KI,KD,实现参数的预定。FuzzyPID控制器的设计可以分为以下3部分完成:3.1输入量偏差e及偏差变化率ec的模糊化模糊控制器的输入、输出变量都是精确量,模糊推理是针对模糊量进行的,因此控制器首先要对输入量进行模糊化处理。在所设计的FuzzyPID控制器中,输入、输出变量的语言值均分为7个语言值:[NB,NM,NS,O,PS,PM,PB],隶属度函数采用灵敏性强的三角函数。为增强系统的鲁棒性,提高隶属变函数的分辨率,在0值附近的函数形状取得更陡,形式如图2所示:e的基本论域为:[-100!,100!];ec的基本论域为:[-5,5];KP的基本论域为:[-1,1];KI的基本论域为:[-0002,0002];KD的基本论域为:[1,1];以上各变量的模糊量分别为E,EC,KP,KI,KD;其论域均为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6];输入量e及ec的量化因子为ke=006,kec=1,2。3.2参数整定规则的确定及模糊推理参数的整定规则是控制器的核心,表格编制如下:比例环节作用是成比例的反映控制系统的偏差信号e,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏;如果KP取值过大,会引起系统振荡,破坏系统动态性能。因此,当偏差∣e∣较大时,为提高响应速度,KP取大值;在偏差较小时,防止超调过大产生振荡,KP减小;当偏差很小时,为使系统尽快稳定,则KP应继续减小。同时也要考虑ec的因素,当ec和e同号时,输出向偏离稳定值的方向变化,适当增大KP;反之,适当减小KP。KP的控制规则表见1。积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。他对误差进行积分,对系统控制有一定的滞后作用,积分作用过强,会造成系统超调增大,甚至引起振荡。在常规PID控制中,为防止积分饱和,常将积分环节分离出来,当偏差减小至一定范围时,才加入积分环节。因此,当偏差|e|大或较小时,为避免系统超调,Ki取零值;当|e|较小时,积分环节有效,随|e|的减小而增大,以消除系统的稳态误差,提高控制精度。KI的控制规则表见表2。微分环节能反偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变得太大之前加入一个修正信号,加快系统的响应速度,减少超调时间,增强系统的稳定性,但他对干扰信号同样敏感,会使系统抑制干扰的能力下降。因此,在控制过程初期,当偏差|e|较大时,为避免偏差瞬间变大,造成微分溢出,KD取小些;在偏差较小时,综合考虑系统的抗扰动能力和系统响应速度,KD应适当取值。KD控制规则表见表3。对输入的偏差e和偏差变化ec,在取得相应的语言值后,根据整定规则表,经过公式法模糊决策,分别得出3个修正参数KP,KI,KD的模糊量。3.3输出量的去模糊化经过上述模糊推理后,FuzzyPID控制器整定的3个修正参数要进行去模糊化,取得精确量以计算出控制量,既单位时间电炉通断电百分比。各修正参数比例因子为:ku(KP)=1/6;ku(KI)=1/300;ku(KD)=1/6。3.4仿真比较计算机仿真是在Matlab环境下进行的[4],工业电炉的仿真模型可以用纯滞后环节和一阶惯性环节表示。针对作者研制的弹力纱机电炉温度控制系统,经实验确定其模型:G(s)=Kes/(TS/1)式中:K为增益系数,K=49!/百分点;T为时间常数,T=8s;为滞后时间,=2s。在单位阶跃输入下,对电炉分别使用常规PID控制和zzyPID控制,得到图3及图4所示的仿真结果。对比两图可以看出:参数自整定PID控制比常规PID传统PID更高的快速性和稳定性。4结语模糊PID控制具有较小的超调量和较短的调节时间,具有较好的动态响应特性和稳态特性,他优于常规的PID控制,且有较好的抗干扰性能。当工况发生变化时,与传统PID算法相比,模糊PID参数控制有更好的鲁棒性。显然,模糊PID控制器是一种设计简单、实现方便、控制规则优化,以及性能优良的智能控制器,具有动态性能好、稳态精度高、抗干扰性能好及鲁棒性较强等特点,适用于非线性、时变、强干扰的不确定复杂系统。参考文献[1]陶永华,尹怡欣,葛卢生,新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.[2]宋安国,曹捷,张国琦,用模糊PID算法实现热风回流焊机计算机控制[J].电子工艺技术,2000,21(3):110112.[3]王鸣.基于模糊控制理论的一种PID参数自整定控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表,2000,15(1).[4]王沫然.MATLAB与科学计算[M].北京：电子工业出版社，2003.作者简介
钮王杰
1963年出生,山西运城人,运城学院机电系副教授。从事电路与系统方面的研究。