【正文】 謝謝您們 ! 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 33 參考文獻(xiàn) [1] 覃強(qiáng) . 模糊 PID 溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實(shí)現(xiàn) [D] ：（碩士學(xué)位論文） .北京 :中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 20xx. [2] 于海生 . 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) [M].北京 :清華大學(xué)出版社， 1998. [3] 馮勇 . 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [M].哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1997. [4] Isidro Sanchez, Julio R Banga， Antonio A Alonso. Temperature control in microwave bination ovens[J]. Journal of Food Engincering, 20xx,46: 2129. [5] 鄢景華 . 自動(dòng)控制原理 [M]. 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1996. [6] 吳為民，王仁麗 . 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 [J]. 工業(yè)爐， 20xx，24(20) :1820. [7] 楊濤，高偉，黃樹紅 . 基于 Matlab 的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真 [J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 20xx,31(4):6365. [8] 胡澤新，周金榮，黃道 . 多變量非線性自整定 PID 控制器 [J].控制理論與應(yīng)用， 1996,4: 268272. [9] 邵紅，李川香 .一種基于 FuzzyPID 的溫度控制系統(tǒng) [J]. 自動(dòng)化儀表， 20xx, 23(9): 7072. [10] 孫凱，李元利 .電阻爐溫度控制系統(tǒng) [J].傳感器技術(shù)， 20xx,22(2): 5052. [11] 旺光陽(yáng) .基于模糊工具箱和 SIMULINK 的模糊控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 [J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 20xx， 8： 5657. 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Control Theory amp。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 32 致謝 首先我要感謝我的指導(dǎo)導(dǎo)師 ，本課題是在段老師的悉心指導(dǎo)下完成的。本文設(shè)計(jì)的模糊 PID 控制器雖然具有較好的控制品質(zhì)，但是并不能充分的發(fā)揮 模糊 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)。 模糊 PID 控制的核心在于它用具有模糊性的語(yǔ)言條件語(yǔ)句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。 比較與總結(jié) 上個(gè)章節(jié)曾提到自適應(yīng)模糊 PID 控制效果比較理想?！?Kp，△ Ki 和△ Kd 為模糊控 制器的輸出值即 PID 的修正量 PK , IK , DK 為 PID實(shí)際控制量。當(dāng) |ec|較大時(shí)， DK 取小些。 由以往的經(jīng)驗(yàn)和溫度控制的特殊 性得知 PID 控制 PK , IK , DK 參數(shù)調(diào)整有如下的規(guī)律 : ①當(dāng)溫度偏差 |e|較大時(shí)，為了加快溫度控制的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的 PK 同時(shí)為了避免由于開始時(shí)溫度偏差 e的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，導(dǎo)致超調(diào)的發(fā)生，應(yīng)取較小的 PK ，同時(shí)為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，對(duì)積分 作用加以限制，通常取 PK =0即去掉積分作用。 IK 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 IK 過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。從系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮， PK , IK , DK 的作用如下 : ①比例系數(shù) PK 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 24 ②根據(jù)過程模糊型生成控制規(guī)則 。 (2)模糊控 制器的規(guī)則設(shè)計(jì) 模糊控制規(guī)則庫(kù)由一系列“ IF 一 THEN”型的模糊條件句所構(gòu)成。選擇較多的詞匯可以更精確的描述變量，提高控制精度，但會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少則使變量描述粗糙，導(dǎo)致控制性能變壞。 (l)變量詞集是描述輸入和輸出變量的詞集 模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語(yǔ)句，在條件語(yǔ)句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯 (如“正大”、“負(fù)小”等 )的集合，稱為這些變量的詞集。 IK 的基本論域?yàn)?{， }，其量化論域?yàn)?{， }，則量化因子 l。電阻爐模糊 PID 控制器輸入輸出變量的模糊化分為以下幾個(gè)步驟 : (l)論域的選擇 通過分析爐溫度變化的特點(diǎn)，選取誤差。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 21 模糊 PID控制器的輸入輸出變量及其模糊化 在工程實(shí)際應(yīng)用中，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性較好，是目前較為廣泛采用的一種形式。 (5)求模糊控制表。模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語(yǔ)句。在每個(gè)變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集。 基于以上相關(guān)的理論研究和分析，我們總結(jié)出模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)分為如下部分 : (l)確定模糊 PID 控制器的輸入和輸出變量。 目前模糊 PID 控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，但工作原理基本一致。因此有控制規(guī)則： 規(guī)則 11： 如果誤差 e 是 NS，且誤差變化 de是 NS，則控制 U 為 PS； 規(guī)則 12： 如果誤差 e 是 NS，且誤差變化 de是 NB，則控制 U 為 PB； 規(guī)則 13： 如果誤差 e 是 ZE，且誤差變化 de是 NS，則控制 U 為 PS； 規(guī)則 14： 如果誤差 e 是 ZE，且誤差變化 de是 NB，則控制 U 為 PB； 根據(jù)系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，當(dāng)誤差 e和誤差 de 同時(shí)變號(hào)時(shí)，控制 量的變化也應(yīng)變號(hào)。是控制量 u 應(yīng)取正大。 各語(yǔ)言變量模糊子集通過隸屬度函數(shù)來定義，為了提高穩(wěn)態(tài)點(diǎn)控制的精度， 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 18 量化方式采用非線性量化： 表 32 模糊集的隸屬度函數(shù) 誤差 e 30 15 5 0 5 15 30 誤差 率 de 90 30 10 0 10 30 90 控制 v 16 4 2 0 2 4 16 量化 等級(jí) 3 2 1 0 1 2 3 狀態(tài) 變量 相關(guān)的隸屬度函數(shù) PB 0 0 0 0 0 1 PS 0 0 0 1 0 ZE 0 0 0 0 0 NS 0 1 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 (4)模糊控制規(guī)則的確定 模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié) 而得出一條條模糊條件語(yǔ)句的集合。則各比例因子為： Kp=4/50=2/25, Ki=4/150=2/75, Kd=64/4=16。 電阻爐模糊控制器的建立方法 ： (1)確定模糊控制器的輸入、輸出變量，模糊控制器采用 3 個(gè)模糊變量 : ① E 為溫度誤差；② EC 為溫度誤差的變化率；③ U 為控制加熱的供電電壓 其中 E、 EC 為輸入模糊變量，而 U 為輸出模糊變量 (2)確定各輸入 : 取 3 個(gè)語(yǔ)言變量的量化等級(jí)都為 7 級(jí)，即 x， y， z={3， 2， 1,0,1,2,3}。 MATLAB工具箱內(nèi)置兩種 and 操作方法，即最小法（ min）和乘積法 (prod)。如前所述，比較常用的有 Mamdani 型。具體用科恩 庫(kù)恩公式確定近似傳遞函數(shù)。反之， K越小，被控對(duì)象的穩(wěn)定性就越好。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述 溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。?????? 在線運(yùn)行過程中， 控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成 PID 參數(shù)的在線自適應(yīng)?？刂破鲄?shù)的每一次調(diào)節(jié)都是在具體情況下的時(shí)修正，因而可達(dá)到調(diào)節(jié)作用的時(shí)間最優(yōu)。 自適應(yīng)模糊 PID 控制的目的就是根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)整比例、積分微分系數(shù)，以達(dá)到控制作用在任何時(shí)候均為最優(yōu)。其原理框圖如圖所示 圖 自適應(yīng)模糊 PID 控制的原理圖 較常用的是模糊 PID 復(fù)合控制和自適應(yīng)模糊 PID 控制兩種方法。故在接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn)時(shí)切換成 PI 控制，一般都選在偏差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為零時(shí)， (這時(shí)絕對(duì)誤差實(shí)際上并不一定為零 )切換至 PI 控制。常用的是模糊控制和 PI 控制兩種控制模式相結(jié)合的控制方法稱之為 FuzzyPI雙?？刂?。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 12 模糊 PID 控制 常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認(rèn)為這種控制器具有 Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy 積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中， 積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；比例控制作用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 模糊控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)是 :(l)模糊控制器是易于控制、易于掌握的非線性控制器，是一種語(yǔ)言控制器 。就是將模糊輸出量轉(zhuǎn)化為能夠直接控制執(zhí)行部件的精確輸出量的過程。這樣就把輸入的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為用隸屬度函數(shù)表示的某一模糊語(yǔ)言變量。 R 是 n 個(gè) N 維關(guān)系 R1 的組合，每個(gè) R1 代表 一條規(guī)則，即 R1:ifthen。在傳統(tǒng)控制器中，參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是根據(jù)數(shù)學(xué)模型所描述的被控過程 的狀態(tài)分析得來的，而模糊控制器的參數(shù)和控制輸出的調(diào)整是從過程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的，通常是通過優(yōu)化模糊控制規(guī)則來改善模糊控制性能。這些被控對(duì)象可以是確定的或模糊的、單變量或多變量、有滯后或無滯后、也可以是線性或非線性、定常或時(shí)變，以及具有干擾和 耦合等多種情況。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 10 圖 模糊控制系統(tǒng)框圖 模糊控制系統(tǒng)一般可分為 5 個(gè)組成部分 : (1)模糊控制器 :模糊控制系統(tǒng)的核心部分，采用模糊數(shù)學(xué)知識(shí)表示和進(jìn)行規(guī)則推理的語(yǔ)言型控制器，實(shí)際上是一臺(tái) PC 機(jī)或單片機(jī)及其相應(yīng)軟件。 模糊控制作為智能控制的一種，是自動(dòng)化控制技術(shù)中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，存在多種不確定性及難以確切描述的非線性。 (2)是一種反映人類智慧思維的智能控制，模糊控制采用人類思維作控制量，控制 量由模糊推理導(dǎo)出，這都是人類通常智能活動(dòng)的體現(xiàn)。在此以后，模糊邏輯應(yīng)用最有效、最廣泛的領(lǐng)域就是模糊控制，并且在各種領(lǐng)域解決了傳統(tǒng)控制理論無法解決的問題，取得了一些令人信服的成效。 模糊控制 由于傳統(tǒng)控制理論面臨著新的控制要求的挑戰(zhàn)，促使人們考慮在處理不確定對(duì)象時(shí)，希望建立一個(gè)模擬不確定對(duì)象的模型來解決實(shí)際控制問題。這主要表現(xiàn)在： PID 控制器參 數(shù)只能為滿足生產(chǎn)過程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求。因此，選擇時(shí)不可一概而論。 (2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以保持原值，而且比較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 PK 積分系數(shù)：IPI TTKK ? , DT 微分系數(shù) : TTKK PD ? 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 7 由 Z 變換性質(zhì)可得： ?? ????????????K0j 11)1()(E)]j(e[)(E)]1k(e[ 得式 ()的 Z變換式為： )]z(Ez)z(E[Kz1 )z(EK)z(EK)z(U 1D1IP ?? ????? （ ） 由式 ()便可得到數(shù)字 PID 控制器的 Z傳遞函數(shù) 為： 21D1IP )z1(Kz1 KK)z(E )z(U)z(G ?? ?????? （ ） 增置式 PID 控制算法 增量式 PID 控制算法可由 ()導(dǎo)出。按模