【文章內(nèi)容簡介】 鐵的需求量越來越大。而對于生產(chǎn)鋼鐵的最重要的一環(huán)——高爐——的要求也越來越高。在鋼鐵的冶煉的過程中，越來越多地使用交流電弧爐設(shè)備，溫度控制系統(tǒng)的性能直接影響到鋼鐵的質(zhì)量，所以爐溫控制占據(jù)重要的位置。PID控制是溫度控制系統(tǒng)中一種典型的控制方式，是在溫度控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對溫度控制精度的要求越來越高，經(jīng)典PID在某些場合已經(jīng)不能滿足要求。因此，智能PID控制的引入時(shí)精密溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為了改善電弧爐系統(tǒng)恒溫控制質(zhì)量的現(xiàn)狀，研制具有快速響應(yīng)的、經(jīng)濟(jì)性好的、適合國情的恒溫控制裝置具有十分重要的意義。 系統(tǒng)函數(shù)高爐溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性、滯后性等特性。根據(jù)實(shí)際測量，被控對象近似一階慣性加滯后模型： () Simulink簡介[3]Simulink是個(gè)交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析圖形環(huán)境，是一個(gè)進(jìn)行基于模型的嵌入 式系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境。Simulink可以針對控制系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)建模、仿真、分析等工 作。Simulink提供了一個(gè)建立控制系統(tǒng)方框圖，并對系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真的環(huán)境?！鶱ew→Model。在Simulink模型編輯窗口中單擊View→Library browser， 的Simulink庫瀏覽窗口。根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，用戶可以從模型庫中選擇所需要的各種模塊，按要求連接、修改各 模塊的參數(shù)，建立系統(tǒng)模型。：simulink模型編輯窗口：simulink庫瀏覽器 傳統(tǒng)PID控制Simulink仿真 建立系統(tǒng)模型 在模型庫中，從Simulink庫Continuous子庫中選擇Derivative、 Integrator、Transfer F、Transport Delay模塊，從Math Operations子庫中選擇Gain、Sum模塊，Sinks子庫中選擇Scope，Sources子庫 中 選 擇Step，放 到 模 型 編 輯 窗 口。各 個(gè) 模 塊 的 屬 性 都 可 通 過 雙 擊 該 模 塊 進(jìn) 行 更 改。，連線，就建立了一個(gè)傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)模型。其中Step階躍信號幅值為1，Transport Delay為208秒。在模型編輯器中選擇“start simulink”，就可以開始進(jìn)行仿真。仿真波形可以雙擊scope進(jìn)行觀察。 調(diào)試過程及結(jié)果 參數(shù)整定過程： (1)令ki和kd為0，調(diào)整kp。若kp太小，則控制結(jié)果無法向原定的控制目標(biāo)靠近，kp增大，響 應(yīng)曲線開始出現(xiàn)振蕩。如果振蕩的振幅呈增大趨勢，系統(tǒng)將無法達(dá)到穩(wěn)定。所以應(yīng)該調(diào)整kp， 使響應(yīng)看起來是一條振幅越來越小的曲線。 (2)觀察振蕩趨向的平衡位置，ki為0時(shí)，一般會(huì)存在靜態(tài)誤差。ki從0開始增大，調(diào)整ki，使響應(yīng)曲線保持在控制目標(biāo)上下振蕩。由于ki也加強(qiáng)了控制作用，所以kp應(yīng)該基于第(1)步調(diào)出的值再往小調(diào)。一般通過合適的ki把振蕩的平衡位置修正之后，不必再調(diào)ki了。(3)調(diào) 整kd。kd能 抑 制 響 應(yīng) 曲 線 上 下 振 蕩 的 振 幅，但kd過 大，反 而 降 低 響 應(yīng) 速 度。最 后對kp和ki進(jìn)行聯(lián)合微調(diào)。，即kp=18，ki=，kd=1000。大約3000秒控制達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量30%。 Simulink的Scope中的響應(yīng)曲線原本是黑色背景，黃色曲線。為了便于瀏覽，本人做了一 些反色的處理，不再重復(fù)說明。：傳統(tǒng)PID仿真 模糊PID控制Simulink仿真 在Matlab中建立模糊判決器 用FIS Editor建立模糊判決器[3]在Matlab主窗口中輸入fuzzy，彈出FIS Editor，這是一個(gè)新建的空白的FIS。解模糊算法默認(rèn)是Mamdani法，如果要改變算法，Matlab提供的另一種算法為Sugeno。在新建FIS時(shí)，點(diǎn)擊FileNew FISSugeno即可。 ：FIS Editor點(diǎn)擊EditAdd variableinput(或output)，添加判決器的輸入和輸出，我們使用的模糊PID判決器是2個(gè)輸入3個(gè)輸出。把這5個(gè)變量(variable)的名字(Name)改成e、ec、kp、ki和kd。雙擊任一個(gè)variable ，彈出Membership Function Editor，可以設(shè)定這個(gè)variable 的取值范圍(range)。新建的variable默認(rèn)只有3個(gè)子集，在Membership Function Editor中點(diǎn)擊EditAdd MFs ，添加子集，加到7個(gè)。按照模糊隸屬度設(shè)定每個(gè)子集的名字(Name)、形狀(Type)和覆蓋范圍(Params)。添加規(guī)則：在FIS Editor中點(diǎn)擊EditRules，彈出Rule Editor。新建的模糊判決器有0條規(guī)則，按照模糊控制規(guī)則表，使用Rule Editor底部的“添加規(guī)則(Add rule)”和“修改規(guī)則(Change rule)”按鈕設(shè)定模糊控制的49條規(guī)則。先添加條數(shù)，再按規(guī)則修改。最后將該FIS保存，在FIS Editor中點(diǎn)擊FileExportTo Disk， 。：Membership Function Editor：Rule Editor 用Matlab程序生成模糊判決器[1]。 a=newfis(’fuzzpid’)。 建立一個(gè)新的FIS，取名fuzzpid。 escale=1。a=addvar(a,’input’,’e’,[3*escale,3*escale])。添加variable a=addmf(a,’input’,1,’NB’,’zmf’,[3*escale,1*escale])。本行往下共7行分別添加MFsa=addmf(a,’input’,1,’NM’,’trimf’,[3*escale,2*escale,0])。 a=addmf(a,’input’,1,’NS’,’trimf’,[3*escale,1*escale,1*escale])。 a=addmf(a,’input’,1,’Z’,’trimf’,[2*escale,0,2*escale])。 a=addmf(a,’input’,1,’PS’,’trimf’,[1*escale,1*escale,3*escale])。 a=addmf(a,’input’,1,’PM’,’trimf’,[0,2*escale,3*escale])。 a=addmf(a,’input’,1,’PB’,’smf’,[1*escale,3*escale])。這幾行代碼添加了e這個(gè)variable，作為input，range為[3,3]，e有7個(gè)子集，Name、Type和 Params各不相同。ec、kp、ki、kd的添加方式完全類似，只需更改scale和input(output)， “addmf(a,’input’,1? ?”中 的“1”依 次 改 為5。個(gè) 人 感 覺 這 樣 子 生 成FIS比 用FIS Edit還 快。FIS Edit雖 然 有 友 好 的 用 戶 界 面，但 每 個(gè)variable、每 個(gè)mfs、49條 規(guī) 則 都 要 一 一 輸 入；而 上 述 程 序 具 有 通 用 性，比 如e的range變 為[30,30]，只 需 要 將escale賦 值 為10即 可。ec、kp、ki、kd的scale的更改完全類似。rulelist=[1 1 7 1 5 1 1。1 2 7 1 3 1 1。 。 。 7 6 1 7 5 1 1。 7 7 1 7 7 1 1]。 （↑總共49行）a=addrule(a,rulelist)。 這幾十行代碼實(shí)現(xiàn)49條模糊控制規(guī)則的添加。每一行代表一條規(guī)則，由前5個(gè) 數(shù)字來完成對規(guī)則的描述。數(shù)值1～7按順序代表從NB到PB7個(gè)子集，5個(gè)數(shù)字的位置對應(yīng)e、ec、kp、ki、kd。比如，第一行前5個(gè)數(shù)字為：11715，代表NBNBPBNBPS，其對應(yīng)的模糊規(guī)則為：If (e is NB) and (ec is NB) then (kp is PB)and (ki is NB) and (kd is PS)。 這個(gè)rulelist可以完全按照模糊控制規(guī)則，用數(shù)字代表7個(gè)字母符號列出來的。這個(gè)rulelist也是通用的。a=setfis(a,’DefuzzMethod’,’mom’)。解模糊的算法設(shè)定為Mandani，也可以改為Sugeno。writefis(a,’fuzzpid’)。a=readfis(’fuzzpid’)。 模糊判決器的使用 這個(gè)模糊判決模塊，可以作為一個(gè)模塊嵌