【正文】 調(diào) 溫 旋 鈕爐 門 把 手溫 度 儀 表 圖 31 電阻爐實(shí)物圖 通常電阻爐的溫度控制可用以下模型定性描述 ? ?20dXT X K V tdt ?? ? ? （ ） 式中： X電阻爐內(nèi)溫升 (指爐內(nèi)溫度與室溫溫差 )； K放大系數(shù)； 0? 純滯后時(shí)間； t加熱時(shí)間； T時(shí)間系數(shù)； V控制電壓 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述 ]9[ 。?????? 在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)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)。39?？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)。控制器參數(shù) (比例系數(shù)、積分系和微分系數(shù) )的初值，由用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入，這樣以使用戶仍可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行宏的調(diào)節(jié)。 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)。由此可見，將模糊控制與 PID 控制相結(jié)合，可以很好地克服傳 PID 控制的不足，實(shí)現(xiàn)精確控制 ]8[ 。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。 (4)自適應(yīng)模糊 PID 控制 PID 控制的關(guān)鍵是確定 PID 參數(shù)，該方法是用模糊控制來(lái)確定 PID 參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差 e 和偏差變化率 ec，用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改。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。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分，這就相當(dāng)于模糊控制論域被壓縮，等效于語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。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 雙模控制。模糊控制和 PID 控制結(jié)合的形式有多種 ]6[ : (1)模糊 PID 復(fù)合控制 控制策略是 :在大偏差范圍內(nèi)，即偏差 e在某個(gè)閉值之外時(shí)采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能 :在小偏差范圍內(nèi)，即 e落到闡值之內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換成 PID(或 PI)控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 13 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)。(3)控制器抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快 ，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。 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 。數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放所有輸入 /輸出變量的全部模糊子集和隸屬函數(shù)。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(guò)程。完成這部分功能的過(guò)程就是模糊邏輯推理過(guò)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。 模糊控制的核心部分模糊控制器主要由模糊化、模糊推理 、反模糊化、知識(shí)庫(kù)組成。 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。控制作用集均為一組被量化了的模糊語(yǔ)言集，如“正大”、“負(fù)大”、“低”、“高”、徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 12 “正?！钡取Ｔ趥鹘y(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(guò)程的狀態(tài)分析得來(lái)的，而模糊控制器的參數(shù)和控制輸出的調(diào)整是從過(guò)程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的，通常是通過(guò)優(yōu)化模糊控制規(guī)則來(lái)改善模糊控制性能。 (5)變送器 :由傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，傳感器是將被控對(duì)象或過(guò)程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，其精度直接影響整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的精度。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(wú)滯后、也可以是線性或非線性、定?；驎r(shí)變，以及具有干擾和耦合等多種情況。 (3)執(zhí)行機(jī)構(gòu) :主要包括電動(dòng)和 氣動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，如伺服電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 11 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。模糊控制具有不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。 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)非常活躍的領(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。 (4)構(gòu)造容易， 模糊控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無(wú)異，模糊控制算法可完全用軟件實(shí)現(xiàn) 。 (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) 。從廣義上講，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì) 象實(shí)施的一種控制，它是模糊數(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)也構(gòu)成了智能控制的重要組成部分。在此以后，模糊邏輯應(yīng)用最有效、徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 10 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(wú)法解決的問題，取得了一些令人信服的成效。 1974 年，英國(guó)的 首次用模糊邏輯和模糊推理實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的蒸汽機(jī)控制，并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù) 字控制算法更好的效果。 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(lái)解決實(shí)際控制問題。而傳統(tǒng)的 PID 參數(shù)來(lái)滿足一個(gè)方面的要求。這主要表現(xiàn)在： PID控制器參數(shù)只能為滿足生產(chǎn)過(guò)程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求。 但傳統(tǒng)的 PID控制也存在許多不足，最突出的一點(diǎn)就是有關(guān) PID參數(shù)的問題。因此，選擇時(shí)不可一概而論。 (3)采用增量式算法，便于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。 (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(guò)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(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。所謂增量式 PID 控制是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量。 PK 積分系數(shù)：IPI TTKK ? , DT 微分系 數(shù) : TTKK PD ? 由 Z 變換性質(zhì)可得： 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 8 ?? ????????????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。為書寫方便，將 e (kT)簡(jiǎn)化表示成 e (k)等，即略去了 T。按模擬 PID 控制算法的算式（ ），現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間t，以和式 代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 : )n,3,2,1,0k(kTt ?? ? ? ?? ???t0 k 0j k 0l )l(eT)jT(eTdt)t(e T )]1k[(e)k(eTe ]T)1k[(e)kT(edt )t(de ?????? 式中 T為采樣周期， k 為采樣序號(hào)， k=0， 1， 2， 3??。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， PID 控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)算法程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使用的是數(shù)字PID 控制器，數(shù)字 PID 控制算法通常又分為位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。它有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 特性。調(diào)節(jié)器中增加微分作用相當(dāng)于使控制輸出超前了 DT 時(shí)間， DT 為零時(shí)，相當(dāng)于沒有微分作用。積分作用雖然可以消除靜差，但不能及時(shí)克服靜差，偏差信號(hào)產(chǎn)生后有滯后現(xiàn)象，使調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢，超調(diào)量變大，并可能產(chǎn)生振蕩。積分調(diào)節(jié)主要用于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象可能產(chǎn)生靜差（自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）；而對(duì)于帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也隨之 降低 ]1[ 。其控制規(guī)律為 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tPDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? () 其傳遞函數(shù)形式為 : ( ) 1( ) (1 )() PDIUSG S K T SE S T S? ? ? ? () 式 中： PK 為比例系數(shù)； IT 為積分時(shí)間常數(shù)； DT 為微分時(shí)間常 數(shù) 比例控制（ P） 在比例調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) u與偏差信號(hào) e成正比例，即 Pu Ke? （ ） 被控對(duì)象 積分 微分 比例 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 6 其中 PK 為比例系數(shù)。系統(tǒng)由模擬 PID控制 (虛框內(nèi)部分 )和被控對(duì)象組成。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于模糊 PID 的 電阻爐 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 5 2 模糊 PID 控制基礎(chǔ) 常規(guī) PID控制 模擬 PID 控制 PID 控制是偏差比例 (P)、偏差積分 (I)、偏差微分 (D)控制的簡(jiǎn)稱。 本文 的工作 基于以上所述日前國(guó)內(nèi)外的溫控方法的各自特點(diǎn)，以及溫度 這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，本論文考慮采用模糊控制與 PID 控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 模糊控制都屬于智能控制方法，它們與 PID 控制結(jié)合，適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大滯后、時(shí)變等特點(diǎn)。所以應(yīng)使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展。②模糊整定 PID 參數(shù)的方法 :根據(jù)偏差和偏差變化率，由模糊推理來(lái)調(diào)整 PID 參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制方法。① FuzzyPID 復(fù)合控制 :當(dāng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；偏差較小時(shí)采用 PID 控制，使具有好的靜態(tài)性能。在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為 PID 控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定 PID 控制器參數(shù)的目的，也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定 PID 參數(shù)的方法 。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。③對(duì)輸入量的精確值模糊化，經(jīng)數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確值去驅(qū) 動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度，使其穩(wěn)定的目的。模糊溫控的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為 :①將溫控對(duì)象的偏差和偏差率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語(yǔ)句，形成模糊模型。除了傳統(tǒng)的PID 控制方法，近幾年來(lái)快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用 于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與 PID 控制相結(jié)合及這些智能控制之間的結(jié)合。智能控制方案主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法控制等。 (4)智能控制器具有變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 (3)智能控制器具有非線性。它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性 和不存在己知算法 的生產(chǎn)過(guò)程。它實(shí)質(zhì)仁是一種無(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)際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。 第三類 : 智能控制方案 智能控制方案是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控制對(duì)