【文章內(nèi)容簡介】 糊控制，由于它是以先驗知識和專家經(jīng)驗為控制規(guī)則的智能控制技術(shù)，可以模擬人的推理和決策過程，因此無須知道被控對象的數(shù)學(xué)模型就可以實現(xiàn)較好的控制，且響應(yīng)時間短，可以保持較小的超調(diào)量 。 PID 控制基本理論 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖22 所示。 理想的 PID 控制器根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成的控制偏差 e(t) ? ? ? ? ? ?tctrte ? （ 22） 將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? dt tdeTtdteT1teKtu dip （ 23） 式中 u（ t） —— 控制器的輸出 。 e(t)—— 控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號 。 Kpe（ t） —— 比例控制項， Kp 為比例系數(shù) 。 ? ??t0idtteT1 —— 積分控制項， Ti 為積分時間常數(shù) 。 ??tedtdTd 微分控制項， Td 為微分時間常數(shù)。 模糊控制理論 模糊控制系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)分析 摸糊控制系統(tǒng)是采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字模糊控制系統(tǒng)。智能性的模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心 。 模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖如圖 23 所示。 模糊控制系統(tǒng)是由被控對象、執(zhí)行機構(gòu)、過程輸入輸出通道、檢測裝置、模糊控制器等幾部分組成。本文所研制的電鍋爐控制系統(tǒng)采用的就是后一種組成方式 。 模糊控制器 (FC 一 Fuzzy Controller)又稱為模糊邏輯控制器 (FLC 一 Fuzzy Logic Controller)，它的模糊控制規(guī)則用模糊條件語句來描述，是一種語言型控制器，因此有時又被稱為模糊語言控制器。模糊控制器的機構(gòu)框圖如圖 24 所示。 圖 24 中， ut是被控對象的輸入， y(t)是被控對象的輸出，s(t)是參考輸入， e 為誤差。圖中虛線框內(nèi)就是模糊控制器，它根據(jù)誤差信號產(chǎn)生合適的控制作用，輸出給被控對象。 模糊控制算法的實現(xiàn) 模糊控制算法的實現(xiàn)方法目前有三種，即查表法、硬件專用模糊控 制器和軟件模糊推理等。本論文模糊控制器的設(shè)計采用的正是 查表法 。 查表法適用于輸入、輸出論域為離散有限論域的情況。 查表法是輸入論域上的點到輸出論域的對應(yīng)關(guān)系，它己經(jīng)是經(jīng)過了模糊化、模糊推理和解模糊的過程，它可以離線計算得到，模糊控制器在線運行時，進(jìn) 行查表就可以了，因而可以大大加快在線運行的速度。這一過程可以用 圖 25 表示。 圖 25 查表法 3 控制系統(tǒng)特性及仿真研究 電鍋爐溫度控制系統(tǒng)特性 鍋 爐 允 許 最 高 溫 度95 ℃。 現(xiàn)，由控制 算法計算出輸出量，根據(jù)輸出量判斷繼電器的通斷。 制過程包括兩個階段。 ①自由升溫段 :要求鍋爐水溫快速升至溫度設(shè)定值。 ②保溫段 :水溫升至設(shè)定值后要求溫度維持設(shè)定值基本不變。 水溫的檢測元件采用數(shù)字式傳感器。 圖 31 溫度 上 升曲線 電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)是常見的確定性系統(tǒng)，采用飛升曲線測量方法，測出鍋爐溫控制系統(tǒng)的飛升曲線，即可得到控制對象的數(shù)學(xué)模型。 控制系統(tǒng)仿真研究 PID 控制器設(shè)計 在 Simulink 中創(chuàng)建用 PID算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖 33 所示 : 圖 33 電鍋爐 PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 電鍋爐溫度控制系統(tǒng)是一個大慣性、純滯后系統(tǒng)， PID 控制雖可以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，但調(diào)節(jié)時間過長及超調(diào)量大使系統(tǒng)達(dá)不到理想的控制效果，因此在實際中控制器起的作用不明顯。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，當(dāng) PID調(diào)節(jié)難以駕馭控制系統(tǒng)時，常常根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)特性，設(shè)計出一個補償器，調(diào)節(jié)器將把難控對象和補償器看作一個新的對象進(jìn)行控制。 Smith 補償?shù)脑硎?:與PID 控制器并接一個補償環(huán)節(jié)，這個補償環(huán)節(jié)就是 Smith 預(yù)估器， 其傳遞函數(shù)為 (1 一 e τS)G(S)(τ為滯后 時間 )，即加入Smith (38) 分解得 (39) 在 Simulink 中建立的帶 Smith 預(yù)估器的 PID 結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所示 : 圖 34 帶有 Smith 預(yù)估器的 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 PID 參數(shù)的整定 1. ZieglerNichols( 齊格勒一尼柯爾斯 )參數(shù)整定 它是在實驗階躍響應(yīng)的基礎(chǔ)上，或者是在僅采用比例控制作用的條件下，根據(jù)臨界穩(wěn)定性中的 Kp 值建立起來的。當(dāng)被控對象的傳遞函數(shù)可以近似為帶延遲的 一階系統(tǒng) : (310) 齊格勒一尼柯爾斯給出了用表 31 中的公式確定 Tp、 Ti, Td 的值的方法。 表 31 參數(shù)表 用 ZieglerNichols 法則調(diào)整 PID控制器，給出下列公式 : (311) 由電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得 :K= 秒 T=120 秒，τ=122 秒 得 Ti=2τ =2 44 秒， Td== =61秒 根據(jù)齊格勒一尼柯爾斯參數(shù)調(diào)整法則得 PID 三個參數(shù)為 : 圖 35 , 36 為給定值 60 ℃ 時，在該參數(shù)下的系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖，圖 35 為純 PID 控制響應(yīng)曲線圖。圖 36 為帶有 Smith 預(yù)估器的 PID 控制響應(yīng)曲線圖。 由圖 35 可見，在齊格勒一尼柯爾斯參數(shù)整定下純 PID 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時間 tss = 1400秒，超調(diào)量δ %= %，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0 圖 36 ZieglerNichols 參數(shù)整定帶有 Smith 預(yù)估器的 PID 控制響應(yīng)曲線圖 由圖 36 可 見 ，ZieglerNichols 參 數(shù) 整 定 帶 有Smith 預(yù)估器的 PID 控制系統(tǒng) 性能指標(biāo)為 :調(diào)節(jié)時間 tss =1070秒，超調(diào)量δ %=5%，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。 2. ChienHrones(CHR) 參數(shù)整定ChienHrones 參數(shù)整定對設(shè)定問題的關(guān)注主要有兩種情況，一種是帶有 20%超調(diào)量的快速響應(yīng)，另一種是沒有超調(diào)量的快速響應(yīng)，對于本系統(tǒng)最關(guān)注的是沒有超調(diào)量的最快速響應(yīng)，表 32 是ChienHrones(CHR)參數(shù)整定法則 : 表 32 參數(shù)表 得 Ti=122 秒， Td= =61 秒。 根據(jù) ChienHrones 參數(shù)調(diào)整法則得 PID 三個參數(shù)數(shù)： 圖 37 為給定值為 60 ℃ 時，在該參數(shù) 下的仿真響應(yīng)曲線圖。 圖 37 ChienHrones 參數(shù) 整定純PID 控制響應(yīng)曲線圖 由圖 37 可見， ChienHrones參數(shù)整定純 PID 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為 :調(diào)節(jié)時間 tss==20xx 秒，超調(diào)量δ %=20 ℅，穩(wěn)態(tài)誤差 ess==0。 由圖 38 可見， ChienHrones 參數(shù)整定帶有 Smith 預(yù)估器的指標(biāo)為 :調(diào)節(jié)時間 tss= 1250 秒，超調(diào)量δ %=%穩(wěn)態(tài)誤差 ess==0。 對以上仿真結(jié)果分析可見，用經(jīng)典的方法算出的PID 參數(shù)不一定能滿足控制要求。實際控制過程中， 也是通過手