大林算法下的木材炭化模糊控制系統(tǒng)

張浩

摘要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和國(guó)民生活水平的提高，使得國(guó)家木材供需產(chǎn)量快速增加。隨著森林資源的短缺和環(huán)保經(jīng)濟(jì)觀念的加深，炭化木產(chǎn)品順勢(shì)走入了市場(chǎng)。根據(jù)木材炭化過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，例如大滯后、非線性等，本文對(duì)模糊自適應(yīng)PID控制、大林算法的原理以及適用性進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將其結(jié)合形成大林-模糊復(fù)合控制方法。這種控制方法采用模糊控制對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使其參數(shù)具有時(shí)變的能力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。加入大林算法的主要目的為了減小系統(tǒng)的超調(diào)和震蕩。然后針對(duì)炭化過(guò)程可能存在的可測(cè)干擾，引入前饋控制器。又針對(duì)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)震蕩以及超調(diào)，用大林算法改進(jìn)模糊前饋-反饋控制方法得到良好的效果。

關(guān)鍵詞：模糊自適應(yīng)?PID;前饋-反饋;大林算法;大時(shí)滯;木材炭化

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速成長(zhǎng)，大中型城市的建設(shè)逐步加快，以及鄉(xiāng)村改造陸續(xù)的開(kāi)展，越來(lái)越多的人對(duì)家具木材的有了很大的關(guān)注。炭化木，受到了廣大人民的青睞。模糊控制自適應(yīng)PID控制技術(shù)結(jié)合前饋-反饋控制和大林算法應(yīng)用到木材炭化控制中，不僅可使木材炭化企業(yè)從中受益，而且對(duì)提高整個(gè)木材炭化業(yè)的自動(dòng)化程度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1?炭化系統(tǒng)中模糊自適應(yīng)?PID?控制器

木材的炭化過(guò)程主要分為?3個(gè)步驟：升溫階段;實(shí)際熱處理階段;潮濕回潮處理。鑒于此，根據(jù)木材炭化過(guò)程的非線性大時(shí)滯的特點(diǎn)，將模糊控制結(jié)合PID控制方法，來(lái)對(duì)炭化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1模糊自適應(yīng)?PID?控制方法的結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)PID控制器是將被控溫度誤差e和溫度誤差變化率作為輸入，利用專家總結(jié)的模糊控制規(guī)則對(duì)PID三個(gè)參數(shù)變化量進(jìn)行在線修改，得到參數(shù)變化量△kP、△kI、△kD，再加上?PID?控制器初始設(shè)定值，進(jìn)而通過(guò)?PID?控制器作用于被控對(duì)象，以滿足?不同時(shí)刻的?e和對(duì)PID參數(shù)時(shí)變的要求。

模糊?PID?控制器中各參數(shù)用如下方法計(jì)算：

其中：K'P、K'I、K'D為?PID?控制器的初始值，由經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。

綜合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，響應(yīng)速度、超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮，KP、KI、KD的在系統(tǒng)中的作用如下：

（1）?比例系數(shù)?KP主要是對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度進(jìn)行加快，調(diào)節(jié)精度得到提高。

（2）?積分作用系數(shù)KI?主要是對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行消除。

（3）?微分作用系數(shù)KD?主要是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行改善，它在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中讓它維持穩(wěn)定，提前告知系統(tǒng)偏差變化，使系統(tǒng)不向任何方向波動(dòng)。

2?炭化系統(tǒng)中大林模糊復(fù)合控制方法設(shè)計(jì)

大林算法的設(shè)計(jì)目的主要是針對(duì)具有一階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后系統(tǒng)，它是先設(shè)計(jì)好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過(guò)來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行求解的方法。設(shè)被控對(duì)象為帶有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)，即：

式中：τ?為純滯后時(shí)間，T1為時(shí)間常數(shù)，K為放大系數(shù)。

大林算法的設(shè)計(jì)初衷是將系統(tǒng)的整個(gè)閉環(huán)期望的傳遞函數(shù)表示為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，即：

式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，純滯后時(shí)間?τ?和被控對(duì)象的純滯后時(shí)間相同，且與采樣周期T有整數(shù)倍的關(guān)系，即為正整數(shù)。一般系統(tǒng)中會(huì)帶有零階保持器，設(shè)為系統(tǒng)輸出，R（Z）為系統(tǒng)輸入，其所對(duì)應(yīng)的期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：

則控制器為：

若已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是帶有一階慣性環(huán)節(jié)的純滯后系統(tǒng)，則可得到數(shù)字控制器為：

如果消除全部可能引起振鈴的因子，則消除振鈴后的數(shù)學(xué)控制器為：

在設(shè)計(jì)大林算法的時(shí)候，我們對(duì)于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間關(guān)注的就不那么密切了，而是更加關(guān)注超調(diào)量和振鈴現(xiàn)象。

4總結(jié)

木材炭化的過(guò)程具有大時(shí)滯的特點(diǎn)，根據(jù)炭化過(guò)程特點(diǎn)，本文提出大林模糊復(fù)合控制方法，該方法抑制超調(diào)量效果更佳。模糊控制是一種非線性控制，它將專家總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫(kù)，形成模糊控制規(guī)則，作用于控制系統(tǒng)。前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，可以對(duì)可測(cè)干擾在剛開(kāi)始作用時(shí)將其補(bǔ)償?shù)簦蛊渑c?PID?控制進(jìn)行結(jié)合，可以?縮短干擾調(diào)節(jié)時(shí)間，減少反饋控制通過(guò)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)間，大林算法主要可以彌補(bǔ)系?統(tǒng)的超調(diào)以及震蕩等問(wèn)題。本文將幾種控制器進(jìn)行結(jié)合，形成大林模糊復(fù)合控制器，進(jìn)行互相彌補(bǔ)，使其更好的適應(yīng)炭化控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張金龍，徐慧，劉京南，內(nèi)田敬久，郭怡倩.?基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精密角度定位?PID?控制?[J].?儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，（03）：549-554.

[2]王志文，劉毅，高增梁.?時(shí)變間歇過(guò)程的?2D-PID?自適應(yīng)控制方法[J].?化工學(xué)?報(bào)，2016，03：991-997.

[3]彭勛.?一種自適應(yīng)模糊?PID?節(jié)能控制的改進(jìn)研究與仿真[J].?計(jì)算機(jī)仿真，2016，12：333-?337.

[4]卞和營(yíng)，薛亞許，王軍敏.?溫室大棚溫濕度模糊控制系統(tǒng)及?PLC?程序設(shè)計(jì)[J].?農(nóng)機(jī)化研?究，2014，09：147-151.

[5]周承仙，富巍.?基于前饋控制與反饋控制的位置伺服研究?[J].?火力與指揮控?制，2016，12：162-164+168.