【文章內(nèi)容簡介】 得很好的控制效果，較之通常的配比調(diào)節(jié)有以下優(yōu)點(diǎn)： (l) 節(jié)省燃料，減少污染 使系統(tǒng)在燃燒負(fù)荷增加或要求升溫 時，實(shí)現(xiàn)空氣先行，燃料跟隨 。燃料負(fù)荷降低遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 5 或降溫時，實(shí)現(xiàn)燃料先行，空氣跟隨，以達(dá)到防止燃料燃燒不充分，冒黑煙污染環(huán)境。 (2) 自動調(diào)節(jié)空燃比 使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)的動態(tài)過程中，始終保持空氣一燃料的相互跟隨關(guān)系，控制較好的空燃?xì)馀浔取? (3) 保護(hù)功能 使系統(tǒng)在供風(fēng)設(shè)備一旦發(fā)生故障停風(fēng)時，能自動關(guān)閉燃料調(diào)節(jié)閥，保護(hù)系統(tǒng)的安全，具有自保護(hù)功能。 存在的問題及發(fā)展 加熱爐的溫度控制系統(tǒng)由于存在非線性、滯后性以及時變性等特點(diǎn)，常規(guī)的 PID控制器很難達(dá)到較好的控制效果?？紤]到模糊控制能對復(fù)雜的非線性、時變系統(tǒng)進(jìn)行很好 的控制，但無法消除靜態(tài)誤差的特點(diǎn)，和常規(guī)的 PID 控制器及模糊自適應(yīng)PID復(fù)合控制器相比，模糊自適應(yīng) PID控制改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性，達(dá)到了較好的控制效果。 對于溫度控制，主要有兩類算法，即包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的智能控制形式的算法和包括自整定 PID控制和 Smith預(yù)估計(jì)在內(nèi)的經(jīng)典控制形式的算法。遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 6 2 模糊自適應(yīng) PID 控 制理論 PID 控制器 PID控制的發(fā)展 PID控制策略是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)金使用的 PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于 19151940年期間盡管自 1940年以來，許多先進(jìn)的控制方法不斷的推出，但由于 PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定， P、 I、 D控制規(guī)律各自成獨(dú)立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進(jìn)行組合，而且其應(yīng)用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累大量的 PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)。因此， PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛的應(yīng)用，許多工業(yè)控制器仍然采用 PID控制器 [3]。 PID 控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式、電動式幾個階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。 PID控制理論 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù) 給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)： )()()( tytrte ?? () 將偏差 e(t)的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，因此稱為 PID控制， PID控制系統(tǒng)原理如圖 21所示： 比 例積 分微 分 被 控 對 象e ( t ) n ( t ) c ( t )r ( t ) 圖 21 PID控制系統(tǒng)原理 其控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0???? t DP dt tdeTdtteTteKtu () 或者寫成傳遞函數(shù)形式為 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 7 )11()( DSISP TTKsG ??? () 式 PK ：比例系數(shù)； IK ：積分時間常數(shù)； DK ：微分時間常數(shù)。 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： (1) 比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差； (2) 積分環(huán)節(jié)主要用于 消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度； (3) 微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并且能在偏差信號值變減少調(diào)節(jié)時間。 PID控制算法 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，式 中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理現(xiàn)令 T 為采樣周期，以一系列的采樣時刻點(diǎn) KT 代表連續(xù)時間 t，以累加求和近似代替積分以一階后向差分近似代替微分做如下的近似變換 [4~8]： KTt? () ? ? ?? ???t kj kj jeTjTeTte0 0 0 )()()( () T kekeT TkeKTedt tde )1()(])1[()()( ?????? () 式中， T為采樣周期， e(k)為系統(tǒng)第 k次采樣時刻的偏差值， e(kl)為系統(tǒng)第 (kl)次采樣時刻的偏差值， k為采樣序號， k=0， 1， 2， … 。 將上面的式 PID表達(dá)式： ?? ????? kj DIP kekeTTjeTTkeKku 0 )]1()([)()({)( () 如果采樣周期了足夠小，該算式可以很好的逼近模擬 PID算式，因而使被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。通常把式 PID的位置式控制算法。 若在式 ，令： IPI TTKK ? （稱為積分系數(shù)） TTKK DPD ? (稱為微分系數(shù) ） 則 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 8 ?? ????? kj DII kekeKjeKkeKku 0 )]1()([)()()( () 式 ()即為離散化的位置式 PID控制算法的編程表達(dá)式?？梢钥闯觯看屋敵雠c過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計(jì)算 u(k)，不僅涉及 e(k)和 e(kl)，且須將歷次 e(j)相加，計(jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)內(nèi)存。下面，推導(dǎo)計(jì)算較為簡單的遞推算式。為此，對式 ()作 如果令 )1()()( ???? kukuku ，則： )2()1()()( 210 ?????? keakeakeaku () 式中 0a 、 1a 、 2a 同式 ()中一樣。 如下的變動： 考慮到第（ k1）次采樣時有： })]2()1([)()1({)1( 10??? ???????? kj DIP kekeTTjeTTkeKku () 使 ()兩邊對應(yīng)減去 ()式得 )]}2()1(2)([)()1()({)1()( ??????????? kekekeTTkeTTkekeKkuk DIP 整理后得 )2()1()()1()( 210 ??????? keakeakeakuku () 式中： )1(0 TTTTKa DIP ???； )21(1 TTKa DP ??； TTKa DP?2式 ()就是 PID 位置式的遞推形式 。 因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制中式中 0a 、 1a 、 2a 都可以事先求出，所以，實(shí)際控制時只須獲得 )(ke 、 )1( ?ke 、 )2( ?ke 三個有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的增量，故 ()式通常被稱為 PID控制的增量式算式 [9]。增量式 PID控制算法與位置式控制算法比較，有如下的一些優(yōu)點(diǎn)： (1) 位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值 ? )(je ，容易產(chǎn)生較 大的累計(jì)誤差。而增量式中只須計(jì)算增量，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計(jì)算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果； (2) 由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運(yùn)行有利； (3) 手動與自動切換時沖擊比較小。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 9 模糊控制原理 模糊控制系統(tǒng)的基本概念 人參與的實(shí)際控制系統(tǒng)中，人們發(fā)現(xiàn)，有些有經(jīng)驗(yàn)的操作人員，雖然不懂被控對象或者被控過程的數(shù)學(xué)模型，也不懂自動控制的基本原理，卻能憑借經(jīng) 驗(yàn)采取相應(yīng)的決策，很好的完成控制工作，如圖 22是典型的人機(jī)控制系統(tǒng)框圖。 信 息 人 控 制 對 象 圖 22 典型人機(jī)控制系統(tǒng)框圖 操作者根據(jù)儀表顯示的信息（包括聲、光、及數(shù)字信息），獲得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，然后操作者根據(jù)自己以往的經(jīng)驗(yàn)和積累的知識，做出相應(yīng)的決策，并對控制對象進(jìn)行運(yùn)作，在這個系統(tǒng)中，儀表的信息都是精確量，通過人的感官傳入操作者的大腦，然后在腦中形成具有模糊性的概念，然后操作者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行模糊決策。 顯然，這種人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行的控制是一種模糊控制，人們?yōu)榱四M這種控制過程，設(shè)計(jì)了一種以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)， 模糊控制系統(tǒng)的工作過程同人機(jī)控制系統(tǒng)一樣，都是一種模糊控制，只不過模糊控制系統(tǒng)中的決策者是模糊控制器。模糊控制器將根據(jù)輸入的信息進(jìn)行模糊決策，輸出一個模糊量，然后將它精確化，并作用于被控對象。這樣即使一個控制過程出現(xiàn)了問題，其他的規(guī)則往往可以補(bǔ)償，此時的系統(tǒng)可能不是最佳控制，但是仍然會正常工作。 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)如圖 23所示 輸 入 接口模 糊 控制 器輸 出 接口執(zhí) 行 機(jī)構(gòu)被 控 對象檢 測 裝 置S ( t )+Y ( t ) 圖 23 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個部分： 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 10 (1) 模糊控制器。它是各類模糊控制系統(tǒng)的核心部分。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、 動態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異，可以構(gòu)成各種類型的控制器，在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識表示和規(guī)則推理的語言型“ 模糊控制器 ” ，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所在 [10]。模糊控制器的主要功能有三個：模糊量化處理；模糊推理（決策）；非模糊化處理（精確化處理）。 (2) 輸入 輸出接口。模糊控制器通過輸入 輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在 I/O接口裝置中，除了 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn) 換。 (3) 執(zhí)行結(jié)構(gòu)。包括各種交、直流電動機(jī)、伺服電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等。 (4) 被控對象。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其他的各種的對象過程。這些被控對象可以是確定性的或是不確定的、單變量的或多變量的、有滯后或是無滯后的，也可以是線性或非線性的、定常或時變的以及具有強(qiáng)耦合的和干擾的等多種情況。對于那些難以監(jiān)理精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制。 (5) 檢測裝置。即傳感器，傳感器是將被控對象或各種過程的被控量轉(zhuǎn)化為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置 。被控量往往是非電量，如速度、加速度、溫度、壓力等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個模糊控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。 模糊控制系統(tǒng)的基本原理 模糊控制的基本原理如圖 24 所示，它的核心部分為模糊控制器，即圖中線框內(nèi)部。 模 糊 化 接口模 糊 推 理機(jī)解 模 糊 接口被 控 對 象知 識 庫S ( t ) Y ( t )+uF C 圖 24 模糊控制原理框圖 模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，模糊控制的基本思想是：微機(jī)經(jīng)遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 11 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偏差信號 e。一般選偏差信號 e作為模糊控制 器的一個輸入量，把偏差信號 e的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，偏差 e的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語言表示，得到偏差 e的模糊語言集合的一個子集。再由模糊子集、模糊控制規(guī)則（模糊關(guān)系）和前項(xiàng)推理進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量為： u=E*R，式中 u為一個模糊量。 為了對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量 u轉(zhuǎn)換為精確量，這一步驟稱為解模糊（也稱清晰化）。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對被控對象進(jìn)行一步控制。然后中斷，等待第二次采樣，進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了都被控對象的模糊 控制。 綜上所述，模糊控制過程可概括為以下四個步驟： (1) 根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量； (2) 將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? (3) 根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計(jì)算輸出控制量（模糊量）； (4) 由上述得到的控制量（模糊量），并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 模糊自適應(yīng) PID 復(fù)合控制算法 由于 PID算法只有在系統(tǒng)為非時變的情況下才能獲得較理想的效果，當(dāng)一個調(diào)整好參數(shù)的 PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時變系統(tǒng)，系統(tǒng)控制性能會變差，甚至不穩(wěn)定。而 Fuzzy控制雖然對被控對象的時滯性、非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，同時對噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力，但消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力較弱，難以達(dá)到較高的控制精度。因此單純采用模糊控制都不會取得較好的控制效果。本文采用FuzzyPID復(fù)合控制溫度可以克服上述兩種方法的缺點(diǎn)。 FuzzyPID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則對 PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)誤差 E和誤差變化CE作為輸入，可以滿足不 同時刻的 E和C對參數(shù)要求。 FuzzyPID控制器是在常