自適應(yīng)模糊PID在溫度控制中的應(yīng)用

摘 要:溫度控制具有非線性、大慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)，常規(guī)PID控制和常規(guī)模糊控制還不能使溫度的控制達(dá)到理想效果。設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)模糊PID控制器，該控制器在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，根據(jù)偏差和偏差變化的需要實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，小偏差范圍內(nèi)采用PID精確控制。介紹自適應(yīng)模糊PID控制器的構(gòu)成和原理，并利用Matlab/Simulink和模糊邏輯工具箱對(duì)其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，這種自適應(yīng)PID控制器既具有模糊控制靈活、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，改善了溫度控制的效果。

關(guān)鍵詞:自適應(yīng)模糊;PID;Matlab;Simulink

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)05-110-02

Application of Self-adaptive Fuzzy PID in Temperature Control System

CAO Jianhua

(Shunde Polytechnic College，Shunde，528300，China)

Abstract:As temperature system has the characteristics of non-linearity，large inertia and time variability，normal PID and normal fuzzy control can not meet the requirement of precise molding system.A self-adaptive fuzzy control in large area and PID precision output in small area，which adjusts PID parameters based on deviation and the deviation change.The structure and principle of self-adaptive fuzzy PID controller are analysed，and Matlab/ Simulink and fuzzy logic toolbox are simulated，the results of simulation show that the self-adaptive fuzzy controller posses the flexible and adaptability advantages of fuzzy control and the precise character of PID control.It improves the control effect on temperature system.

Keywords:self-adaptive fuzzy;PID;Matlab;Simulink

0 引 言

傳統(tǒng)PID控制原理簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程，但是，傳統(tǒng)PID控制也有缺點(diǎn)，如:參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定的過(guò)程，最優(yōu)參數(shù)的選取比較困難，對(duì)于時(shí)變、非線性的被控系統(tǒng)，其精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，使用傳統(tǒng)的PID控制不能得到理想的控制效果。采用基于模糊算法的自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，不但可以使控制系統(tǒng)更加可靠，而且能得到很好的控制效果[1]。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是重要的控制參數(shù)之一，對(duì)溫度的有效控制對(duì)于保證生產(chǎn)質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。溫度控制系統(tǒng)具有非線性、滯后性和時(shí)變性等特點(diǎn)，本文針對(duì)溫度控制的特點(diǎn)，采用模糊控制和自適應(yīng)相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)模糊PID溫度控制系統(tǒng)。

一般的溫度控制系統(tǒng)可以近似用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示，其傳遞函數(shù)是:

G(s)=K1+Tse-ts

(1)

式中:K為對(duì)象的靜態(tài)增益;

T為對(duì)象的時(shí)間常數(shù);

t為對(duì)象的純滯后時(shí)間

。

1 自適應(yīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻誤差e和誤差變化率ec對(duì)PID參數(shù)整定的要求。利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。自適應(yīng)模糊PID控制器的原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 自適應(yīng)模糊PID原理圖

2 PID參數(shù)自整定的原理

PID參數(shù)自整定的實(shí)現(xiàn)方法是先找出比例增益KP、積分增益KI(xiàn)和微分增益KD與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系。在運(yùn)行中不斷檢測(cè)誤差e和誤差變化率ec，再根據(jù)模糊控制原理在線對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同的e 和ec對(duì)控制器參數(shù)的要求，從而達(dá)到較理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[3]。由于計(jì)算量不大，既可以用單片機(jī)也可以用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)參數(shù)KP，KI(xiàn)和KD對(duì)系統(tǒng)性能的影響情況，可歸納出一般情況下，在不同的|e|和|ec|時(shí)，被控過(guò)程對(duì)KP，KI(xiàn)和KD的自整定要求:

(1) 當(dāng)|e|較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并避免因開(kāi)始時(shí)誤差e瞬間變大，可能引起微分過(guò)飽和，應(yīng)該選擇較大的KP和較小的KD，同時(shí)，為了防止積分飽和現(xiàn)象，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，取KI(xiàn)=0。

(2) 當(dāng)|e|和|ec|為中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小，KP，KI(xiàn)和KD對(duì)都不能取大，應(yīng)該取較小的KI(xiàn)值，KP和KD的取值大小要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

(3) 當(dāng)|e|較小時(shí)，為了使系統(tǒng)獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增大KP和KI(xiàn)值，同時(shí)為避免出現(xiàn)振蕩，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取KD值。具體原則是:當(dāng)|ec|較大時(shí)，KD應(yīng)選擇較小，當(dāng)|ec|較小時(shí)，KD要取較大值。

3 模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)KP，KI(xiàn)，KD三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。

KP，KI(xiàn)，KD三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表建立好后，可根據(jù)如下方法進(jìn)行KP，KI(xiàn)，KD三個(gè)參數(shù)的自適應(yīng)校正。在模糊控制中取誤差絕對(duì)值|e|和誤差變化率絕對(duì)值|ec|為輸入語(yǔ)言變量，以構(gòu)成一個(gè)二維模糊控制器，每個(gè)語(yǔ)言變量取負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)七個(gè)語(yǔ)言值[4]。其隸屬函數(shù)圖見(jiàn)圖2。根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入式(2)計(jì)算:

KP=K′P+{ei，eci}P

KI(xiàn)= K′I(xiàn)+{ei，eci}I(xiàn)

KD=K′D+{ei，eci}D

(2)

模糊控制規(guī)則可以用如下語(yǔ)句表示:

If e is Ai and ec is Bj then U is Cij

其中:Ai為偏差的語(yǔ)言變量，Bj為偏差變化率的語(yǔ)言變量，Cij為對(duì)應(yīng)的控制量的語(yǔ)言變量，模糊關(guān)系為式(3):

R=∪ijAi ×Bi ×Cij

(3)

式(3)中R為模糊關(guān)系矩陣。

圖2 隸屬函數(shù)圖

4 采用Matlab/Simulink對(duì)自適應(yīng)模糊PID控制器進(jìn)行仿真

仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3所示

圖3 仿真結(jié)構(gòu)圖

仿真結(jié)果如圖4~圖6所示。

圖4 仿真結(jié)果

圖5 KP的自適應(yīng)調(diào)整

圖6 常規(guī)PID輸出仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，自適應(yīng)模糊控制器與常規(guī)PID比較，系統(tǒng)的輸出具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，得到了較好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊PID控制器，該控制器在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，根據(jù)偏差和偏差變化的需要實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，小偏差范圍內(nèi)采用PID精確控制。通過(guò)仿真結(jié)果表明，這種控制器是一種實(shí)現(xiàn)方便、性能優(yōu)良的智能控制器，并具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)，適合非線性、大滯后、強(qiáng)耦合等復(fù)雜特性的控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]席愛(ài)民.模糊控制技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[2]蔡自興.智能控制——基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[3]程燕慶.工程智能控制[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4]劉金錕.先進(jìn)PID控制及Matlab仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]金以慧.過(guò)程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社，1993.

[6]馮冬青，謝宋和.模糊智能控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[7]洪乃剛.自動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[8]趙娜，彭繼慎，呂鐵亮.異步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)矢量控制系統(tǒng)[J].電機(jī)技術(shù)，2007(5):31-34.

[9]侯利民.基于Simulink的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真[J].電機(jī)技術(shù)，2006(2):23-25.

[10]鄭阿奇.Matlab實(shí)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.