【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)技術(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看 , 模糊控制是一種普遍的非線性特征域控制器。 相對(duì)傳統(tǒng)控制 , 包括經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論。模糊控制能避開(kāi)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 (如狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)等 ) , 它力圖對(duì)人們關(guān)于某個(gè)控制問(wèn)題的成功與失敗和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工 , 總結(jié)出知識(shí) , 從中提煉出控制規(guī)則 , 用一系列多維模糊條件語(yǔ)句構(gòu)造系統(tǒng)的模糊語(yǔ)言變量模型 , 應(yīng)用 CRI 等各類模糊推理方法 ,可以得到適合控制要求的控制量 , 可以說(shuō)模糊控制是一種語(yǔ)言變量的控制。 模糊控制雖然已經(jīng)有不少的研究成果 , 而且也被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中 , 但模糊控制的發(fā)展歷史還不長(zhǎng) , 理論上的系統(tǒng)性和完善性、技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性都還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的 , 尤其是模糊控制與其他智能化控制方法相結(jié)合的控制方法 , 還有待于人們?cè)趯?shí)踐中得到驗(yàn)證和進(jìn)一步的提高 本文 的研究?jī)?nèi)容 基于以上當(dāng)前各種的溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及烘干爐溫度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，要求實(shí)時(shí)性較好，需要在集中備選方案中選擇。本文所做的工作是： ，即 PID 控制，模糊控制，模糊自適應(yīng) PID 三種方案的理論響應(yīng)速度，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差等技術(shù)要點(diǎn)。 ，選擇了純 PID 控制、模糊控制、模糊自適應(yīng) PID 控制三種控制方案，運(yùn)用 Matlab 軟件中 Simulink 仿真部分對(duì)它們的控制性 4 能和抗干擾能力進(jìn)行了仿真比較，選出響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤 差小的技術(shù)要求的解決方案作為控制器。 ，詳細(xì)介紹各部分電路圖的主要芯片，并要求完成外圍電路以及大圖的整體設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件部分，需要畫(huà)出程序框圖，并實(shí)現(xiàn)主要部分的源代碼。 5 第 2 章 控制理論 PID 控制方案 智能控制是指在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。對(duì)于許多復(fù)雜的系統(tǒng)，難以建立有效的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的控制理論去進(jìn)行定量計(jì)算和分析時(shí)，控制效果并不好；采用定量方法與定性方法相結(jié)合的控制方式，會(huì)得到更好的控制效果。 智能控制與傳統(tǒng)的或常規(guī)的控制有密切的關(guān)系 ,不是相互排斥的。常規(guī)控制往往包含在智能控制之中 ,智能控制也利用常規(guī)控制的方法來(lái)解決“低級(jí)”的控制問(wèn)題。智能控制方案會(huì)解決更具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜控制問(wèn)題。它實(shí)質(zhì)上是一種無(wú)模型控制方案，即在不需要知道對(duì)象精確模型的情況下，通過(guò)自身的 調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際控制效果達(dá)到理想的控制效果。 PID控制的基本概念 PID 控制，即比例、積分、微分控制的 簡(jiǎn)稱 ，是目前應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID 控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器 。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 6 微 分 圖 21 PID 控制器框圖 + + U(t) + c(t) e(t) 積 分 R(t) + 比例 被控對(duì)象 下面是三種矯正環(huán)節(jié)的主要控制作用： （ 1）比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式 [3]。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。 Kp取值大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但若 Kp取值過(guò)大，則會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： Kpe(t) （ 21） （ 2）積分（ I）控制 能使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。若系統(tǒng)存在誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差，積分調(diào)節(jié)才停止，此時(shí)積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 增大則積分作用變?nèi)?。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，加入積分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： KpTi∫e(t)dt (22) 7 （ 3）微分（ D）控制 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù) Td 決定。Td 越大，則它抑制 e(t)變化的作用越強(qiáng)； Td 越小，則它反抗 e(t)變化的作用越弱。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大影響。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外， 微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： KpTd de(t)dt (23) 根據(jù)上文所述， PID 的整體數(shù)學(xué)模型可由下式表示： U(t) = Kp,e(t)+ 1Ti∫ e(t)t0 dt+Td de(t)dt (24) 其中： u(t)— 控制器的輸出 e(t)— 控制器的輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào) Kp — 控制器的比例系數(shù) Ti— 控制器的積分時(shí)間 Td— 控制器的微分時(shí)間 PID 控制器是一種 經(jīng)典反饋控制 器，它 的主要特征是基于精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的控制 .適于解決線性，時(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題。主要包括自整定 PID 控制、 Smith 預(yù)估控制、大林算法這幾種方法。這些方法雖然理論上比較簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中卻能收到很好的控制效果，因而在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。 PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，而且具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等特點(diǎn)。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制 運(yùn)算不同， 8 PID 控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè) PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 PID 控制的難點(diǎn)在于如何對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定，以求得到最佳控制效果。 Smith 預(yù)估控制器是一種廣泛應(yīng)用的對(duì)純滯后對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，?shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)為給 PID 控制器并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，將控制通道傳遞函數(shù)中的純之后部分與其他部分進(jìn)行分離，其特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在給定信號(hào)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器 進(jìn)行補(bǔ)償，盡量使被延遲了的超調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)動(dòng)作提前，從而減少超調(diào)量并加速超調(diào)過(guò)程。若預(yù)估模型準(zhǔn)確，則能獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對(duì)系統(tǒng)的不良影響，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)與被控過(guò)程無(wú)純滯后時(shí)相同，如果預(yù)估模型不準(zhǔn)確，則效果不會(huì)理想。 大林算法是由美國(guó) IBM 公司的 Dahlin 于 1968 年針對(duì)工業(yè)過(guò)程控制中的純滯后特性而提出的一種控制算法 .該算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器 D(z),使整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) ,而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間等于被控對(duì)象的純滯后時(shí)間 .大林 算法方法比較簡(jiǎn)單 ,只要能設(shè)計(jì)出合適的且可以物理實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器 D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響 ,因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用 .但它的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)中存在振鈴現(xiàn)象 ,且與 Smith 算法一樣 ,需要一個(gè)準(zhǔn)確的過(guò)程數(shù)字模型 ,當(dāng)模型誤差較大時(shí) ,控制質(zhì)量將大大惡化 ,甚至系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定 .實(shí)際上已有文獻(xiàn)證明 ,只要在 Smith 預(yù)估器中按給定公式設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器 D 伺 ,則 Smith預(yù)估器與 Dahlin 算法是等價(jià)的 ,Dahlin 算法可以看作是 Smith 預(yù)估器的一種特殊情況 . PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn) 作為一個(gè)簡(jiǎn)單 有效，用途廣泛，使用靈活的控制器， PID 控制器 已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（ Kp， Ti 和 Td）即可 [4]。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面： 9 （ 1） PID 控制器原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。 （ 2） PID 參數(shù)較易整定。也就是， PID 參數(shù) Kp， Ti 和 Td 可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化， PID 參數(shù)就可以重新整定。控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。在很多情況下其控制質(zhì)量對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。 PID 控制器也有其局限性，具體表現(xiàn)如下： （ 1）若 PID 控制器自整定參數(shù)是 以模型為基礎(chǔ) 的 ，為了 PID 參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的 PID 參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。 若 自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生不必要的 參數(shù) 轉(zhuǎn)換。 所以常規(guī) PID 控制器無(wú)法同時(shí)滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。 （ 2） PID 在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。 在處理大時(shí)滯、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè) PID 控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果。 模糊控制方案 模糊 控制 理論 模糊控制方法就是 利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng) 10 的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。模糊控制原理框圖 如 圖 22 所示 : 模糊控制器（單片機(jī)） + 圖 22 模糊控制原理框圖 在整個(gè)模糊控制理論中，主要包括 包括模糊集合論（ Fuzzy Set）、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容 。 模糊控制器設(shè)計(jì)步驟 對(duì)于模糊控制器的設(shè)計(jì)，并不是利用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述被控系統(tǒng)的特性，更多的需要靠 專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí) 。 模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素 [5]。 模糊控制器的設(shè)計(jì)分為如下定值 A/D 模糊量 化 計(jì)算變量 模糊控制規(guī)律 模糊 推理 去模糊化處理 被控對(duì)象 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感器 11 幾個(gè)步驟 ： 由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)提出的，而一般操作人員只能觀察到被控對(duì)象的輸出變量和輸出變量的變化，或者觀察到輸出變量和輸出變量的總和這兩個(gè)狀態(tài)，因此，在模糊控制中，總是選取誤差和誤差的變化率或誤差及誤差的和作為它的輸入量，而把控制量的變化作為模糊控制器的輸出變量，這樣就確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)。 在一般控制問(wèn)題上，輸入變量有輸出誤差 E 與輸出誤差的 變化率 EC，而 輸出 變量則為 U。其中 E、EC、 U 統(tǒng)稱為模糊變量。 這時(shí)的模糊控制器就類似于一個(gè) PD 控制器，從而有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少響應(yīng)過(guò)程的超 調(diào)量并減弱系統(tǒng)振蕩。 下面是 常見(jiàn) 的 兩種 模糊控制器的結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的控制規(guī)則的類型： （ 1）模糊 E 為模糊控制器的輸入，而以控制量 U 或控制量的變化△ U 作為模糊控制器的輸出。如圖 23 所示： 這是 非?；A(chǔ)的一類模糊控制器，其控制規(guī)則也比較 簡(jiǎn)單，可用如下模糊條件語(yǔ)句描述其控制規(guī)則： If e is A