【正文】 同時加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào) 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 6 整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。其特點是簡單、快速，對于具有自平衡性的控制對象可能產(chǎn)生靜差（自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）；而對于帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)的動態(tài)特性也隨之降低 ]1[ 。 本文的工作 基于以上所述日前國內(nèi)外的溫控方法的各自特點，以及溫度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點，本論文考慮采用模糊控制與 PID 控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法。它 是一種無模型控制方案，即在不知道對象精確模型的情況下，通過自我的調(diào)節(jié)作用，使實際響應(yīng)曲線近似于 理想響應(yīng)曲線。 控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合 通過數(shù)學(xué)方法。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制方案有經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方案和智能控制方案。在工業(yè)許多生產(chǎn)過程中，為了提高生產(chǎn)效率，必須對實際生產(chǎn)過程中的主要參數(shù)，比如電壓、溫度、壓力、水流、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） ( 20xx 屆 ) 基于 模糊 PID 控制電阻爐的溫度系統(tǒng)設(shè)計與仿真 院 系 電子信息工程 學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 姓 名 王靜 指導(dǎo)教師 吳劍威 副教授 20xx 年 4 月 學(xué)號： 1208211004 I 摘 要 很多工業(yè)生產(chǎn)過程都需要用到電阻爐溫度控制設(shè)備，電阻爐的溫度控制系統(tǒng)存在很多問題，比如超調(diào)量比較大，超調(diào)時間比較長等問題。準(zhǔn)確地測量溫度并且有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全工業(yè)生產(chǎn)中的重要條件。 第一類 : 經(jīng)典控制方案 經(jīng)典控制方案基本可分為數(shù)字控制器的間接設(shè)計方案和 直接設(shè)計方案。 極 小化預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)確定控制規(guī)律 。 目前，也有一些科研人員運用一些控制理論來控制鍋爐 : （ 1）基于 PID 控制的 鍋爐 控制 傳統(tǒng)的 PID 控制用在 鍋爐 控制中，原理簡單，易于實現(xiàn)，魯棒性較強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方法之一，但是也存在局限性，超調(diào)量大，無法實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制 [1]。 本文首先介紹常規(guī) PID 控制，模糊控制和自適應(yīng)模糊 PID 控制的基礎(chǔ)，然后對電阻爐溫度這一控制對象，選擇了純 PID 控制、純模糊控制和參數(shù)模糊自整定 PID 控制三種控制方 案，并給出了仿真與比較。 積分調(diào)節(jié)（ I） 在積分調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號 u的變化速度 du /dt 與偏差信號 e 成正比，即： 01 tIu edtT? ? （ ） 其中： IT 稱為積分時間常數(shù)可見偏差一旦產(chǎn)生，控制信號不斷增大，偏差信號消失后，控制信號保持原值，顯然，在已知 IT 為常數(shù)的情況下，控制信號為常數(shù)當(dāng)且僅當(dāng) e=0，即對于一個帶積分作用的控制器而言，如果它能夠使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到內(nèi)穩(wěn)，并存在一個穩(wěn)定狀態(tài)，則此時對設(shè)定值 r 的跟蹤必然是無靜差的。 數(shù)字 PID控制 計算機(jī)的誕生與發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)逐漸被數(shù)字控制方式所取代。根據(jù)遞推原理可得 ??? ???????? 1k 0j DIP )2k(e)1k(e[K)j(eK)1k(eK)1k(u （ ） 用式 ()減式 ()得增量式控制算法如下 : )]1k(e)k(e[K)k(eK)k(eK )]2k(e)1k(e2)k(e[K)k(eK)]1k(e)k(e[K)k(u DIP DIP ???????? ?????????? （ ） 式 ()中： )1k(e)k(e)k(e ???? 為了編程方便，可將 ()式整理成如下形式 : )2k(eq)1k(eq)k(eq)k(u 210 ?????? () 其中： TTKq),TT21(Kq),TTTT1(Kq DP2DP1DIP0 ??????? 位置式 PID 算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對誤差進(jìn)行累加，計算機(jī)運算工作量大，而且如果計算機(jī)出現(xiàn)故障，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度的變化，這種情況往往是在生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式 PID 控制的控制算法。 PID 控制器的優(yōu)缺點 傳統(tǒng)的 PID 之所以有很強(qiáng)的生命力，其主要原因在于： PID 控制對于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性； PID 算法原理簡明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗豐富；過程的動態(tài)特性大都具有高階、非線性、大延遲及時變等特性，給以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用帶來了困難。模糊控制理論是美國國柏克萊加州大學(xué)的 教授最早提出的， 1965 年他首先提出 模糊集的概念，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容，開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用的新紀(jì)元。 (3)易被人們接受，模糊控制規(guī)則是用人類語言表示的，易被一般人接受和理解。 (2)輸入 /輸出接口 :模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)輸出接口轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號去控制被控對象。模糊控制的基本思想，是把對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以 if(條件 )和 then(作用 )的形式表示的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程。 (2)模糊推理 根 據(jù)事先己定制好的一組模糊條件語句構(gòu)成模糊規(guī)則庫，運用模糊數(shù)學(xué)理論對模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理計算，從而根據(jù)模糊控制規(guī)則對輸入的一系列條件進(jìn)行綜合評估，以得到一個定性的用語言表示的量，即模糊輸出量。(2)模糊糊控制器不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，可以用于控制那些系統(tǒng)模型無法確定的系統(tǒng) 。 (2)比例 模糊 PI控制 當(dāng)偏差 e大于某個閾值時，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；當(dāng)偏差 e減小到閉值以下時，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程中的超調(diào)。 自適應(yīng)模糊 PID控制基本特性 模糊控制引入了邏輯推理，有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，對非線性、大延遲等復(fù)雜系有良好的控制效果。 模糊化 模糊 推理 常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器 被控 對象 d/dt 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 14 自適應(yīng)模糊 PID控制工作流程 自適應(yīng)模糊 PID 是在 PID 算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)誤差 e 和誤差變化 ec，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) PID 修正參數(shù)的模糊矩陣表 (在程序中執(zhí)行 )，在線查出修正參數(shù)后帶入下式計算 : d}ec,e{KdKdi}ec,e{KiKip}ec,e{KpKp39。所以，電阻爐溫度模型的傳遞函數(shù)為 () 1sKeGS TS ???? ? （ ） 其中， K， T， ? 分別為對象模型的靜態(tài)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)， s為復(fù)變量。 給定輸入階躍信號 250℃，用熱電偶測量電阻爐的溫度，每分鐘采一次點。同樣， or 操作的方法也有兩種，即最大法（ max）和概率法（ probor）。 (3)在 各輸入和輸出語言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集 ]15[ 。即有如下控制規(guī)則： 規(guī)則 1：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 PB，則控制 U為 PB； 規(guī)則 2：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 PS，則控制 U為 PB； 規(guī)則 3：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 ZE，則控制 U為 PB； 規(guī)則 4：如果誤差 e 是 NB，且誤差變化 de 是 NS，則控制 U為 PB； 當(dāng) 誤差 e為負(fù)小或零時，主要矛盾轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題了。人們運用模學(xué)的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制則以及其有關(guān)信息作為知識存入計算機(jī)的知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實響應(yīng)情況運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對 PID 參數(shù)的最佳調(diào)整，構(gòu)成模糊自整 PID 控制 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 20 器。首先確定模糊子集個數(shù)，確定每個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇合適的隸屬度函數(shù)。模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級 E、 EC與 PID 控制量 PK ， IK ， DK 之間的確定關(guān)系。的基本論域為 :{50,50}設(shè)其量化論域為 {3， 3}，則量化因子 Ke=3/50=。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則更加方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。條件句的前提部分為輸入和狀態(tài)，而結(jié)論部分為控制變量。 PK 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 ②當(dāng)溫度偏差 |e|和偏差變化 |ec|處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 25 的超調(diào)， PK 應(yīng)取得小些， IK 和 DK 取值要適當(dāng)，這時 DK 的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 27 4 仿真研究與比較 PID 控制 以下就是 Simulink 中創(chuàng)建的用 PID 算法控制電電阻爐溫度的結(jié)構(gòu)圖： 圖 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 在圖中的 PID 模塊中對三個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中 , PK =2， IK =， DK =，當(dāng)定值為 10 時得到的仿真結(jié)果如下： 圖 PID 控制響應(yīng)曲線 可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間 ts=400s，超調(diào)量σ %約為 20%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0?？刂埔?guī)則往往是由對被控過程十分熟悉的專門人員給出的，所以模糊控制在本質(zhì)上來說是一種專家控制。段老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度、兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng) 、高尚的道德情操和寬以待人的優(yōu)秀品質(zhì)給我留下了非常深刻的印象。在學(xué)術(shù)上給了我莫大的啟迪和幫助，使我拓展了知識面，更使我在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題方面的能力都有了明顯的提高，這一切都將使我受益終生，在此向段老師表示我最誠摯的敬意 ! 其次我要特別感謝我的老師們、同事們、師兄姐弟妹們和學(xué)生們給予的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝 ! 最后還要感謝在百忙之中抽出寶貴時間對本論文進(jìn)行評審的各位專家們，衷心感謝您們對這篇論文提出的寶貴意見。但它的缺點在于主觀性比較大，不能按給定的控制性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 電阻爐模糊 PID 控制 使用模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，如下圖所示 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 29 圖 自適應(yīng)模糊 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 對應(yīng)的仿真曲線結(jié)果如下面各圖： 圖 自適應(yīng)模糊 PID 控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 由上面?zhèn)€圖看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時間 ts最大約為 180s，超調(diào)量σ %=0，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。同時為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，一般是當(dāng) |ec|較小時， DK 可大些 。 ②積分作用系數(shù) IK 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。模糊控制規(guī)則的生成大致有以下四種方法，即 ①根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成模糊規(guī)則 。 一般選用“大、中、小”三個詞匯來描述溫度變量的狀態(tài)，再加上正、負(fù)兩個方向和零狀態(tài)共有七個詞匯，即 {負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大用英文字頭縮寫為 :{NB， NM， NS， 0， PS， PM， PB}一般情況下，選擇上述七個詞匯比較合適，但也可以多選或少選。 (2)量化因子的選擇 PK 的基本論域為 {， }，其量化論域為 {， }，則量化因子 1。 (7)通過仿真分析模糊 PID 控制性能，再對比例因子和量化因子進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳的控制效果。模糊控制是語言控制，因此用語言歸納專家的手動控制策略，從而建立模糊控