【正文】 前面的道路還很長，我一定會在將來的學習和工作中，認真去做好自己的職責。從論文前期材料的準備、選題、撰寫到最后的定稿， 趙 老師都花費了大量的時間和精力，給予了我很 大的指導和幫助。要將理論研究更好地應用于實際，需 要更多地接觸實際與大量實驗。 (3)模糊控制器的設計。自適應模糊 PID 控制器在 PID 的基礎上利用了模糊控制的優(yōu)點進一步完善了 PID控制。它是基于專家的控制經(jīng)驗，以模糊集合理論為基礎，對一些難以確定精確數(shù)學模型的復雜控制對象進行控制，并且在實際應用中取得了良好的控制效果。 因此，通過本文的研究分析得出了電阻爐的 自 適應 PID控制 比 傳統(tǒng) PID控制和模糊控制 的控制效果更好。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 30 圖 54 模糊 PID控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖 利用模糊自適應 PID控制器在 Simulink環(huán)境中建立整個控制系統(tǒng)仿真模型，如圖 55所示： 圖 55 電阻爐模糊自適應 PID控制仿真模型 當給定溫度值為 600℃ 時，電阻爐溫度控制系統(tǒng)的模糊 自 適應 PID控制仿真響應曲線如圖 5— 6所示： 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 31 圖 56 模糊控制系統(tǒng)的響應曲線 在模糊 自 適應 PID控制下，在圖 56中，電阻爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標為：調(diào)節(jié)時間 =600s，超調(diào)量σ％ =0，穩(wěn)態(tài)誤差 =0。 (2) If(E is NB)and(EC is NM)then( is PB)( is NB)( is NS) (3) If(E is NB)and(EC is NS)then( is PM)( is NM)( is NB) (4) If(E is NB)and(EC is Z)then( is PS)( is NM)( is NB) (5) If(E is NB)and(EC is PS)then( is PS)( is NS)( is NB) 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 28 (6) If(E is NB)and(EC is PM)then( is Z)( is Z)( is NM) (7) If(E is NB)and(EC is PB)then( is Z)( is Z)( is PS) ??? (49) If(E is PB)and(EC is PB)then( is NB)( is PB)( is PB) 模糊自適應 PID 控制器 的仿真研究 按照上節(jié)中所設計的模糊自適應 PID控制器，在 MATLAB7． ，首先在 MATLAB的 Fuzzy Logic Toolbox中構建如下 Mamdani型模糊控制器，利用模糊邏輯工 具箱建立一個 FIS型文件，命名為 weilong1． fis，如圖 53所示 。 當 |E|較小時，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應取較大的 和 ，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)震蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。在相位 Ⅲ 時， E EC0，系統(tǒng)輸出朝給定值方向變化。 (1)相位 I：在控制信號作用下，被控參數(shù)處于上升階段。在此控制器中，模糊 自 適應 PID控制器就是要找出 PID三個參數(shù)與 E和 EC之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測 E和 EC，根據(jù)模糊控制原理來對這三個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同的 E和 EC對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。 (3) 當 |E|較 小時 ，為了使系統(tǒng)具有 良 好 的穩(wěn)態(tài)性能，應取較大的 和 ，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)震蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。 自整定設計思想是： 參數(shù)自整定的設計思想是先找出 三個參數(shù)與 偏差 | |和偏差的變化率 | |之間的模糊關系，在工作中通過不斷檢測 | |和 | |，再根據(jù)模糊控制原理對參數(shù) 、 和 進行在線校正，以滿足不同 | |和 | |時對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動 ﹑ 靜態(tài)性能，而且計算量小，便于微機實現(xiàn)。 自適應模糊 PID控制器以偏差 E和偏差的變化率 EC作為輸入，可以滿足不同時刻偏差 E和偏差的變化率 EC對 PID參數(shù)自整定的要求。 通過對模糊控制器控制系統(tǒng)的仿真曲線，可以得出，當電阻爐溫度控制系統(tǒng)采 用 純模糊控制時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強了 ， 超調(diào) 量為 0，但控制系統(tǒng)卻出現(xiàn)了較 大 的穩(wěn)態(tài)誤差，控制精度大大下降。該 模糊控制器 控制規(guī)則共有 49條，如表 41所示： 表 41 模糊規(guī)則表 EC E NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NB NM NM NS Z NM NB NB NM NM NS Z PS NS NM NM NM NS Z PS PS Z NM NS NS Z PS PS PM PS NS NS Z PS PM PM PM PM NS Z PS PM PM PB PB PB Z PS PM PM PB PB PB 其中用模糊語句構成的控制規(guī)則如圖 44所示。 And操作為取小min， or操作為取大 max，模糊蘊涵 (Implication)為取小 min，合成 (Aggregation)為取 大max，反模糊 (Defuzzification)用 的是 平均 法 bisector。由 于 模糊控制表的建立是離線進行的， 因 此它基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 19 絲毫沒有影響模糊控制器實時運行的速度。 其突破之處就是把模糊蘊含關系 A→B用 A和 B的直積來表示，即 A→ B=A*B （ 46） 即 R(u,v)=A(u) ∧ B(v) 或 (u,v)= (u) ∧ (u) （ 47） 若給定一個輸入 ,∈ U,則可推得結論 ∈ V,且 為 （ 48） 其隸屬函數(shù)形式為 = （ 49） 反模糊化 模糊推理的結果一般都是模糊值，不能直接用來作為被控對象的控制量，需要將其轉換成一個可以被執(zhí)行機構所實現(xiàn)的精確量，這個過程稱為反模糊化或者稱為模糊判決。強度轉移法是當控制系統(tǒng)有精確量輸入時，精確值在條件語句的前件中所得到的語言變量值強度轉移到后件的語言變量值去，從而得到推理結果的方法。控制量變化的原則是：當偏差 大 或較 大 時，選擇控制量以快消除偏差為主；而當偏差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。模糊子集的個數(shù)，實踐表明，一般選取 39個為宜，并且通常取奇數(shù) 個，在“零”、“適中”或“正?！奔系膬蛇叀Ｍ瑯?，由模糊控制算法每次計算給出的輸出量 (控制量 )屬 于 輸出模糊集的論域，不能直接作用于控制對象，必須將其轉換 到 控制對象所能接受的基本論域中去，轉換方法是乘以相應的比例因子。此時模糊控制器的輸出量是輸入量 偏差和偏差變化的非線性函數(shù) (非線性映射 )。模糊規(guī)則的一般形式為 : If is and is then y is 這里 , , 分別為輸入、輸出論域上的模糊子集，模糊控制器只有一個輸出時， q=1。設輸入值為 r(t)，輸出值為 c(t)，偏差為 e(t)，如果令 : e(t)=c(t)r(t) (41) 稱 (41)式所表達的偏差為正偏差。 這種模糊控制器的特點是簡單明了，但控制效果往往不佳。 例如，對 于加熱爐溫度控制系統(tǒng)有 : 規(guī)則 1:若加熱溫度太高，則減小加熱裝置開度 規(guī)則 2:若加熱溫度偏高，則稍微減小加熱裝置開度 ? 等等。 。 模糊控制器的結構選擇 在設計模糊控制器時，首先就是根據(jù)被控對象的具體情況來確定模糊控制器的結構。只有那些非常復雜和時間上有苛刻要求的應用才可能需要用到模糊邏輯專用硬件芯片。如果確定采用模糊邏輯控制，就要決定是用硬 件實現(xiàn)還是用軟件實現(xiàn)。實現(xiàn)模糊控制算法的過程描述如下： 計算機 經(jīng)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誤差信號 E，把誤差信號 E的精確量進行 模糊化變成 模糊量。 模糊控制 的基本理論 模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式， 因此 ，模糊控制系統(tǒng)的組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其基本原理圖如圖 41所示。人的經(jīng)驗是一系列含有語言 變量值的條件語句和規(guī)則，而模糊集合理論又能十分恰當?shù)乇磉_具有模糊性的語言變量和條件語句。因為人腦的重要特點之一就是有能力對模糊事物進行 識別和判決，看起來似乎不確切的模糊手段常常可以達到精確的目的 。隨著科學技術的迅速發(fā)展，各個領域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復雜多變。通過不斷調(diào)整 PID三參數(shù)，得到仿真曲線，其中 ， =， ， 當給 定值為 600℃ 時得到的仿真結果如圖 33。若 過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響 到 PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞，其對控制性能的影響如下： （ 1） 比例作 用 對控制性能的影響 比例系數(shù)后 的作 用 是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調(diào) 節(jié) 精度。作為一種線性控制器， PID控制器根據(jù)給定值 r和實際輸出值 y構成控制偏差，即： （ 31） 然后對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 9 3 PID 控制 系統(tǒng) PID 控制的基本理論 基 于偏差 的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)的控制器簡稱為PID控制器，它是 工 業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。再由輸出穩(wěn)態(tài)值除以輸入幅度值就可以得到 一階對象 的放人倍數(shù) K。 R，稱為對象的靜態(tài)增益； T=C 當爐內(nèi)溫度 遠遠大于環(huán)境溫度 時， 可忽略，于是有： （ 24） 公式 (2— 4)兩邊取拉普拉斯變換得： （ 25） 所以： （ 26） 由于測 量元件的時間滯后，加上電阻爐本身所 固 有的熱慣性，使得控制信號與溫度測 量 值之間存在著一個時滯環(huán) 節(jié) τ 。 智能控制系統(tǒng)是以模擬智能為核心的控制，它研究的重點不在是被控對象，而是控制器的本身。不過，這也不足為奇，因為傳統(tǒng)控制理論 (包括古典的和近代的 )主要是涉及對伺服機構有關的系統(tǒng)或裝置進行操作和數(shù)學運算，而人工智能所關心的則是與符號運算、邏輯推理及計算智能有關的問題。這種控制算法實際上在一定程度上也是模仿人的手動控制作用。當各種外部環(huán)境發(fā)生變化對過程產(chǎn)生擾動時，控制器也做出相應變化，以達到自動控制跟隨目標值的目的。 圖 21 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是用人 (操作者 )作為控制器與被控對象的中間環(huán)節(jié)，僅對被控對象的狀態(tài)信息進行采集，然后通過處理輸出數(shù)據(jù)，操作者根據(jù)輸出結果對系統(tǒng) 進行操作 。集散控制系統(tǒng) （ DCS） 是集計算機技術、控制技術、通信技術和圖形顯示技術為一體的裝置。 在本世紀 40年代前后，工業(yè)生產(chǎn)大多處于手工操作的狀態(tài)，人們主要是憑經(jīng)驗 用人工去控制生產(chǎn)過程，生產(chǎn)效率很低。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 4 過程控制的發(fā)展 過程控制通常是指石油、化工、冶金、機械、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門的生產(chǎn)過程的自動化。但是，實際上，許多工業(yè)對象和控制目標常常具有非線性、時變性和各種不確定性，難以建立精確的數(shù)學模型。 (2)60至 70年代，稱為現(xiàn)代控制理論階段。近幾十年來，隨著電子計算機技術的發(fā)展和應用，在宇宙航行、機器人控制、導彈制導以及核動力等高新技術領域中，自動技術更具有特別重要的作用。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度控制器的設計與仿真研究 3 2 自動控制技術的發(fā)展及電阻爐的數(shù)學模型 自動控制技術的發(fā)展 自動控制技術及應用 在現(xiàn)代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。 1． 3 本文的研究內(nèi)容 （ 1） 對 工業(yè)生產(chǎn)中常用的電加熱設備電阻爐對象的特性和特點 進行了分析 。 呂小紅等人在基 于 單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計中采 用 純模糊控制方法進行溫度控制，控制結果 表明其系統(tǒng)具有超調(diào)小、控制精度高、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定等優(yōu)點 。 王樹清、劉興池采用日本生產(chǎn)的 SR70智能模糊控制器對電阻加熱爐進行控制，穩(wěn)態(tài)精度達 到 177。模糊控制應用 于 核反應堆、城市交通等控制中。這也是控制史上首次利用模糊控制 來 進行溫度控制。 傳 統(tǒng)的 PID 控制及改進型 PID 控制原理簡單、 工 作穩(wěn)定、可靠性高、魯棒性強，曾 經(jīng) 在電阻爐溫