【正文】 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 27 表 53 的模糊控制規(guī)則表 EC E PS NM NS Z PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS Z NS Z NS NM NM NS NS Z Z Z NS NS NS NS NS Z PS Z Z Z Z Z Z Z PM PB PS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 然后根據(jù)上述模糊控制規(guī)則表中整定出的 49條模糊控制規(guī)則進行 、 和 三個參數(shù)的 自 整定校正， 49條模糊控制規(guī)則如下： (1) If(E is NB)and(EC is NB)then( is PB)( is NB)( is PS)。 表 54 仿真曲線對比 性能參數(shù)控制器 調節(jié)時間（ s） 超調量 穩(wěn)態(tài)誤差 PID 控制器 330 25％ 0 模糊控制器 420 0 68 模糊 PID 控制器 550 0 0 模糊 自 適應 PID控制 的仿真結果與 傳統(tǒng) PID控制和模糊控制的仿真 相 比較 可以看出，陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 32 模糊 自 適應 PID控制 的控制效果更好，比 傳統(tǒng) PID控制 的優(yōu)點是超調小，穩(wěn)態(tài)誤差??；比模糊控制相比較是穩(wěn)態(tài)誤差小。 目前模糊控制 已 成為智能自動化控制研究中最為活躍而富有成果的領域之一，而自適應模糊 PID 控制技術的研究非常的廣泛并且仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。 在開展課題過程中，我深深地體會到理論研究與工業(yè)實際應用之間的巨大差距。一段學習生活的結束，也將是一段新的學習生活的開始。在這里，我要感謝席老師在這段時間 對我學業(yè)上的教導和幫助，使我學到了許多知識，開闊了我的視野。模糊系統(tǒng)理論本身還有一些重要理論課題沒有解決：如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)，目前完全靠經驗進行；如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文采用模糊控制的思想，對溫度進行自整定控制，在仿真實驗中取得了良好的控制效果。由模糊自適應 PID控制的電阻爐溫度控制系統(tǒng)仿真結果，可以得出，當電阻爐溫度控制系統(tǒng)采用模糊 自 適應 PID控制時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性強，調 節(jié)時 間短，超調量小于 0． 5％且穩(wěn)態(tài)誤差為 O，能夠達到要求的性能指標。當 |EC|較小時， 值可取大些，通常取為中等大??；當 |EC|較大時， 值可取小些。在這一過程中，系統(tǒng)響應、偏差和偏差變化的過程特性表現(xiàn)為偏差 E=(ry)0并逐漸減小，偏 差 變化 EC0并且其絕對值逐漸加大；在相位 I時， E EC0，系統(tǒng)輸出趨向給定值方向變化。當 |EC|較小時， 值可取大些，通常取為中等大??；當 |EC|較大時， 值可取小些。利用模糊理論在線對 PID參數(shù)進行校正，便構成了自整定模糊 PID控制器，如圖 51所示。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 21 圖 44 模糊語句規(guī)則 接下來，利用模糊控制器在 Simulink環(huán)境中建立整個控制系統(tǒng)仿真模型，如圖 45所示。一旦模糊控制表建立起來，模糊邏輯推理控制的算法就是簡單的查表法，其運算速度是相當快的，完全能夠滿足實時控制的要求。這種方法簡單、直觀、陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 18 容易理解。例如取 {負，零，正 }， {負大，負小，零，正小，正大 }或 {負大，負中，負小，零，正小，正中，正大 )等。 考慮到電加熱爐及各種模糊控制器的特點，本文采用單變量模糊控制器中的二維模糊控制器，輸入為給定溫度與檢測溫度的偏差 E和偏差變化率 EC，輸出為 05V的控制電壓 。如果令 : 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 15 e(t)=r(t)e(t) (42) 稱 (42)式所表達的偏差為負偏差。對于上面所列的多個規(guī)則，其模糊關系為 : R(e， u)= 在實際系統(tǒng)中，控制問題大多是動態(tài)跟蹤或恒值調節(jié)問題，因此在一維模糊控制器中，輸入量通常是系統(tǒng)的跟蹤或調節(jié)誤差，輸出則為某種控制量或控制量的增量。所謂模糊控制 器的結構主要是指它的輸入輸出變量的情況。因為大部分單片機的結構都集成了 CPU、存儲器、 FO接口甚至 A/D和 D/A轉換器等，這就為實現(xiàn)模糊控制應用提供了較為理想的平臺，大多數(shù)的模糊控制應用在單片機上實現(xiàn)已能滿足要求。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 13 圖 41 模糊控制系統(tǒng)基本原理圖 模糊控制系統(tǒng)工作原理如圖 41所示，一般由傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元獲取被控變量，經轉換和運算處理后，輸出精確值，然后此精確值與給定值進行比較獲得精確偏差，經模糊控制器進行模糊化處理，模糊規(guī)則及推理運算等，最后經過精確化處理輸出精確量，再經 D/A轉換器轉換成模擬量推動執(zhí)行器，使之達到控制被控對象的目的。 在生產實踐中，人們發(fā)現(xiàn)有經驗的操作人員雖然不懂被控對象的數(shù)學模型，但卻能十分有效地對系統(tǒng)執(zhí)行控制。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 11 圖 33 PID控制系統(tǒng)的響應曲線 可見性能指標為：調節(jié)時間 =330s，超調量 σ ％ , 約為 25％ ， 穩(wěn) 態(tài) 誤差 。 越 大 ，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但容易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 PID控制器是一種基于偏差“現(xiàn)在、過去和 未來 ”的信息估計而進行的有效、簡單的控制算法。 R，稱為對象的時間常數(shù)。一個好的智能控制器本身應該具有多模式、變結構、變參數(shù)等特點，可以根據(jù)對被控動態(tài)過程特征識別、學習、自組織的控制模式，自適應地改變控制器結構和自調整參數(shù)，以獲得最佳的控制效果，這也正是控制專家們孜孜追求的目標。 智能控制 智能控制是為了適應自動控制的發(fā)展，將人工智能的理論與技術運用到自動控制中，以解決面臨的復雜問題而形成的一門新興學科，它是人工智能和自動控制的重要部分和研究領域。這種系統(tǒng)簡單可靠，適用于變化慢、不能建立系統(tǒng)數(shù)學模型的控制對象。 40年代后，生產過程自動化發(fā)展很快。 (3)60年代末發(fā)展起來的智能控制是傳統(tǒng)控制的高級階段，是現(xiàn)代科學技術高度綜合的產物。不僅如此，自動控制技術的應用范 圍現(xiàn)已 擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經濟管理和其它許多社會生活領域中，自動控制已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。 （ 2）對 模糊控制、 PID控制的基本原理及各參數(shù)對控制效果的影響 進行了研究分析 。 ℃左右，穩(wěn)定快、魯棒性強，控制效果十分理想。在 20 世紀 90年代，美國、英國相續(xù)發(fā)表《智能控制專輯》，日本、德國 等 國也連續(xù)發(fā)表多篇智能控制方面的論文，涉及到軍事、工業(yè)、家用電器等眾多領域，包括智能溫度控制在各個領域的應用。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現(xiàn)其目標的自動控制，隨著科學技術和控制理論的發(fā)展，國外的溫度測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，實現(xiàn)對溫度的智能控制。與火焰爐相比，電加熱爐的溫度容易準確的控制，爐內氣氛較易控制，熱效率高，容易實現(xiàn)生產過程的機械化和自動化。結果表明 PID控制系統(tǒng)超調量太 大，模糊控制系統(tǒng)雖然能有效減少超調量 ，但穩(wěn)態(tài)誤差較 大 。因此本文將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構成智能模糊控制系統(tǒng)，利用模糊控制規(guī)則自適應地在線對 PID 參數(shù)進行修改，借此提高其控制效果。 對電阻爐的模糊自適應 PID控制系統(tǒng)進行仿 真分析，結果表明模糊 自 適應 PID控制可實現(xiàn)調 節(jié) 時問短、超凋量小、穩(wěn)態(tài)誤差在177。其控溫方法簡單，沒有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導致系統(tǒng)控制精度低、超調 量大 、震蕩明顯。 傳 統(tǒng)的 PID 控制及改進型 PID 控制原理簡單、 工 作穩(wěn)定、可靠性高、魯棒性強，曾 經 在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中得 到 了普遍的采用，其缺點是必須預先建立控制對象的精確數(shù)學 模型 ，因而其對于一些 大 滯后、多輸入、時變性電阻爐系統(tǒng)，控制效果難以滿意。模糊控制應用 于 核反應堆、城市交通等控制中。 呂小紅等人在基 于 單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計中采 用 純模糊控制方法進行溫度控制，控制結果 表明其系統(tǒng)具有超調小、控制精度高、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點 。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 3 2 自動控制技術的發(fā)展及電阻爐的數(shù)學模型 自動控制技術的發(fā)展 自動控制技術及應用 在現(xiàn)代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。 (2)60至 70年代，稱為現(xiàn)代控制理論階段。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 4 過程控制的發(fā)展 過程控制通常是指石油、化工、冶金、機械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門的生產過程的自動化。集散控制系統(tǒng) （ DCS） 是集計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示技術為一體的裝置。當各種外部環(huán)境發(fā)生變化對過程產生擾動時，控制器也做出相應變化，以達到自動控制跟隨目標值的目的。不過，這也不足為奇，因為傳統(tǒng)控制理論 (包括古典的和近代的 )主要是涉及對伺服機構有關的系統(tǒng)或裝置進行操作和數(shù)學運算，而人工智能所關心的則是與符號運算、邏輯推理及計算智能有關的問題。 當爐內溫度 遠遠大于環(huán)境溫度 時， 可忽略，于是有： （ 24） 公式 (2— 4)兩邊取拉普拉斯變換得： （ 25） 所以： （ 26） 由于測 量元件的時間滯后，加上電阻爐本身所 固 有的熱慣性，使得控制信號與溫度測 量 值之間存在著一個時滯環(huán) 節(jié) τ 。再由輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值就可以得到 一階對象 的放人倍數(shù) K。作為一種線性控制器， PID控制器根據(jù)給定值 r和實際輸出值 y構成控制偏差，即： （ 31） 然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。若 過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。隨著科學技術的迅速發(fā)展，各個領域對自動控制系統(tǒng)控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復雜多變。人的經驗是一系列含有語言 變量值的條件語句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當?shù)乇磉_具有模糊性的語言變量和條件語句。實現(xiàn)模糊控制算法的過程描述如下： 計算機 經中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號 E，把誤差信號 E的精確量進行 模糊化變成 模糊量。只有那些非常復雜和時間上有苛刻要求的應用才可能需要用到模糊邏輯專用硬件芯片。 。 這種模糊控制器的特點是簡單明了，但控制效果往往不佳。模糊規(guī)則的一般形式為 : If is and is then y is 這里 , , 分別為輸入、輸出論域上的模糊子集，模糊控制器只有一個輸出時， q=1。同樣，由模糊控制算法每次計算給出的輸出量 (控制量 )屬 于 輸出模糊集的論域，不能直接作用于控制對象，必須將其轉換 到 控制對象所能接受的基本論域中去，轉換方法是乘以相應的比例因子?？刂屏孔兓脑瓌t是：當偏差 大 或較 大 時，選擇控制量以快消除偏差為主；而當偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。 其突破之處就是把模糊蘊含關系 A→B用 A和 B的直積來表示，即 A→ B=A*B （ 46） 即 R(u,v)=A(u) ∧ B(v) 或 (u,v)= (u) ∧ (u) （ 47） 若給定一個輸入 ,∈ U,則可推得結論 ∈ V,且 為 （ 48） 其隸屬函數(shù)形式為 = （ 49） 反模糊化 模糊推理的結果一般都是模糊值，不能直接用來作為被控對象的控制量，需要將其轉換成一個可以被執(zhí)行機構所實現(xiàn)的精確量，這個過程稱為反模糊化或者稱為模糊判決。 And操作為取小min， or操作為取大 max，模糊蘊涵 (Implication)為取小 min，合成 (Aggregation)為取 大max，反模糊 (Defuzzification)用 的是 平均 法 bisector。 通過對模糊控制器控制系統(tǒng)的仿真曲線，可以得出，當電阻爐溫度控制系統(tǒng)采 用 純模糊控制時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強了 ， 超調 量為 0，但控制系統(tǒng)卻出現(xiàn)了較 大 的穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度大大下降。 自整定設計思想是： 參數(shù)自整定的設計思想是先找出 三個參數(shù)與 偏差 | |和偏差的變化率 | |之間的模糊關系，在工作中通過不斷檢測 | |和 | |，再根據(jù)模糊控制原理對參數(shù) 、 和 進行在線校正，以滿足不同 | |和 | |時對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動 ﹑ 靜態(tài)性能，而且計算量小，便于微機實現(xiàn)。在此控制器中，模糊 自 適應 PID控制器就是要找出 PID三個參