基于自整定PID的烘干爐溫度控制軟件設(shè)計(jì)與仿真

程瑞鵬

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安，710300）

基于自整定PID的烘干爐溫度控制軟件設(shè)計(jì)與仿真

程瑞鵬

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安，710300）

傳統(tǒng)的烘干爐溫度控制系統(tǒng)在烘干過(guò)程中，烘干爐溫度保持恒溫，并不利于產(chǎn)品整體的烘干，而為了達(dá)到更好的效果，其溫度應(yīng)由低到高逐漸升高，以利于溶劑的充分揮發(fā)。本文分析了PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，將PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，采用模糊規(guī)則在線整定PID的PK、IK、DK三個(gè)參數(shù)的模糊自整定PID控制方法。基于模糊自整定PID控制算法的控制系統(tǒng)有相當(dāng)好的靈活性，能進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、利用模糊PID算法進(jìn)行處理及控制結(jié)果顯示等功能，可以獲得較高的控制精度。

PID；烘干爐；溫度控制系統(tǒng)

0 前言

在烘干爐控制系統(tǒng)中, 由于電熱絲的功率、 通風(fēng)管氣流之間存在非線性和不確定的關(guān)系, 再加上外界干擾,很容易使系統(tǒng)失去精確控制。在當(dāng)控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí),傳統(tǒng)的PID控制必須對(duì)參數(shù)重新整定,才能重新實(shí)現(xiàn)對(duì)烘干爐精確穩(wěn)定的控制，而這正是它的最大缺點(diǎn)[1]。

在實(shí)際烘干過(guò)程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度和控制元件延時(shí)等因素的不同，因此烘干爐本身具有非常大的不確定性。傳統(tǒng)控制方法是基于被控對(duì)象精確模型的控制方式，缺乏靈活性和應(yīng)變能力，適于解決線性、時(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題，而實(shí)際系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性等，無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。在某些復(fù)雜的和包含不確定性的控制過(guò)程無(wú)法用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，即無(wú)法解決建模問(wèn)題。傳統(tǒng)的控制任務(wù)要求低，對(duì)復(fù)雜的控制任務(wù)難以適應(yīng)。

所以，對(duì)于此類復(fù)雜性比較大的控制系統(tǒng)，需要采用智能控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制。

1 模糊自整定PID控制程序設(shè)計(jì)

1.1 模糊自整定PID控制程序方案

由于在控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，模糊理論是解決這一問(wèn)題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息（如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等）作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自整定PID控制[2]。

模糊自整定PID結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 模糊自整定PID結(jié)構(gòu)框圖

模糊控制由常規(guī)PID控制部分和模糊推理兩部分組成，模糊推理部分是一個(gè)模糊控制器，只不過(guò)它的輸入是偏差e和偏差變化率ec，輸出是ΔKp，ΔKi，ΔKd。PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)和偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

1.2 程序設(shè)計(jì)的三個(gè)步驟

（1）確定系統(tǒng)的輸入輸出變量

PID參數(shù)的校正部分實(shí)質(zhì)是一個(gè)模糊控制器。系統(tǒng)的輸入量是設(shè)定的溫度值，所以這里選擇模糊控制器的輸入量為溫度的偏差e和偏差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)的修正量ΔKp，ΔKi，ΔKd。[3]

（2）確定PID參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則

找出在不同時(shí)刻PID三個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制表來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，用來(lái)修改PID參數(shù)。

（3）解模糊化

使模糊控制輸出的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號(hào)，用于系統(tǒng)的輸入。模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎(chǔ)是模糊邏輯，推理方法Mamdani方法和Sugeno方法等，采用Mamdani方法推理方法進(jìn)行推理（極大極小值法)。

2 控制系統(tǒng)的仿真

2.1 PID控制系統(tǒng)的仿真

（1）PID控制器的模型

在對(duì)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，輸出Kp，Ki，Kd控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，并進(jìn)行反饋修正。

圖2 PID控制模型

（2）PID控制的響應(yīng)曲線

2.2 模糊自整定PID控制系統(tǒng)的仿真

自整定PID控制器以誤差e以及誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的需求。利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)修改，可以得到自整定模糊控制器。

圖3 PID控制曲線

3 結(jié)論

PID控制器和模糊自整定PID控制器響應(yīng)曲線對(duì)比圖，如圖5所示。

圖5 控制器響應(yīng)曲線對(duì)比圖

經(jīng)過(guò)對(duì)PID控制和模糊自整定PID控制兩種控制方案的仿真以及比較，結(jié)果表明，采用自整定模糊PID控制，系統(tǒng)的相應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)精度提高，超調(diào)量小。所以，本系統(tǒng)選擇模糊自適應(yīng)PID控制器作為烘干爐單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的控制器。

[1]張持健等.高精度模糊 PID 控制器及其在溫度控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2002, 25～28.

圖4 模糊PID控制器模型

[2] K.J.Hunt,D.Sbarbaro,R.Zbikowski,P.J.Gawthrop[J].Neural Networks for Control Systems-A Survey.Automatica， 1992，28(6):1083～1112.

Design and Simulation of temperature control software for drying oven based on self-tuning PID

Cheng Ruipeng
（Shaanxi Vocational College of National Defense Industry, School of Mechanical Engineering,Xi’an Shaanxi,710300）

The traditional drying furnace temperature control system keeps constant temperature in the drying process, which is not conducive to the overall product, to achieve better results; the temperature should be gradually increased highly full of volatile solvents This paper analyzes the advantages and disadvantages of PID control and fuzzy control, which combine the advantages of fuzzy control, the fuzzy tuning rules of PID online PK, IK, DK three parameters fuzzy self-tuning PID control method The fuzzy self-tuning PID control algorithm of the control system based on flexible enough can carry out real-time data collection, using fuzzy PID algorithm for processing the results showed that the function and control,can obtain higher control precision

PID; Drying furnace; temperature control system

程瑞鵬（1990.07-），男，漢族，陜西咸陽(yáng)人，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、高等職業(yè)教育。