【正文】 閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控 量，經(jīng)過傳感器 、 變送器 通過輸入接口送到控制器。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器 ； 電加熱控制系統(tǒng)要采用溫度傳感器 [1]。比如， 工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。 經(jīng)典 PID 控制的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調節(jié)。尤其是當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學模型，控制理論的其它技術難以采用 ， 系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù) 又 必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定 時 ，應用 PID 控制技術最為方便。 沈陽化工大學學士學位論文 第 一 章 緒論 2 經(jīng)典 PID 控制系統(tǒng)的分類與簡介 P 控制 這類控制 輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系， 輸入 偏差越大輸出越大。 在 工業(yè)生產(chǎn)中 ， 比例控制規(guī)律使用較為普遍 ，它 是控制規(guī)律中最基本的、應用最普遍的一種，其最大優(yōu)點就 是控制及時、迅速。但是 不能最終消除 剩余誤差的缺點限制了它的單獨使用。 積分控 制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。只要偏差存在，輸出就會不斷累積，一直到偏差為零，累積才會停止。 PD 控制 當被控對象受到擾動作用后，被控變量沒有立即發(fā)生變化，而是有一個時間上的延遲 。它 比單純的比例作用更快。 比例積分微分（ PID）控制 最為理想的控制當屬比例 積分 微分 控制。當偏差 擾動 出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使 振蕩 幅度減小 。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術 。因此，它的應用受到了很大程度上的限制。在模糊邏輯為基礎的模糊集合理論中，某特定事物具有特色集的隸屬度 ，他可以在“是”和“非”之間的范圍內取任何值。 模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個過程的控制算法。對于參數(shù)精確已知的數(shù)學模型，我們可以用 波特圖或 奈克斯特 圖來分析其過程以獲得精確的設計參數(shù)。對于 電力傳動中的變速矢量控制問題，盡管可以通過 測量得知其模型，但由于其 多變量且非線性變化 的特點 ， 精確控制也是非常困難的。 它 無需 建立設備模型，因此基本上是自適應的，具有很強的魯棒性。 沈陽化工大學學士學位論文 第 一 章 緒論 4 模糊控制的優(yōu)點 對比常規(guī)控制 辦法 ，模糊控制有以下幾點優(yōu)勢 [4]： （ 1）模糊控制完全是在操作人員經(jīng)驗控制基礎上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立數(shù)學模型，是解決不 確定系統(tǒng)的一種有效途徑。 （ 3）由離散計算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實時性、快速性。 模糊控制技術的應用概況 國內在模糊控制方面也同樣取得了顯著成果。隨后，何鋼、能秋思、劉浪舟等人相繼將模糊控制方法成功地應用在堿熔釜反 應溫度、玻璃窯爐等控制系統(tǒng)中。幾種典型的模糊家電產(chǎn)品如下： ⑴ 模糊電視機 這類電視機可根據(jù)室內光線的強弱調整電視機的亮度，根據(jù)人與電視機的距離自動調整音量，同時能夠自動調節(jié)電視機的色度、清晰度和對比度。日本研制了一種模糊空調器，利用紅外線傳感器識別房間信息（人數(shù)、溫度、大小、門開關等），從而快速調整室內溫度， 提高了舒適感。 ⑷ 模糊洗衣機 以我國生產(chǎn)的小天鵝模糊控制全自動洗衣機為例，它能夠自動識別洗衣物人重量、質地、污臟性質和程度，采用模糊控制技術來選擇合適的水位、洗滌時間、水流程序等，其性能已經(jīng)達到國外同類產(chǎn)品的水平。 在 工業(yè)爐方面 、 石化方面 、 煤礦行業(yè) 、 食品加工行業(yè) 領域，模糊控制應用也很廣泛 。尋求 PID 各個控制參數(shù)對系統(tǒng)輸出的作用規(guī)律以及參數(shù)整定方法。 第四章 ： 利用模 糊控制器和傳統(tǒng)的 PID 控制器結合來形成模糊自適應的 PID控制器，通過模糊系統(tǒng)、模糊決策系統(tǒng)和精確化環(huán)節(jié)來在線確定 PID 控制器的比例、積分、微分系數(shù)，再利用 MATLAB 仿真程序，通過 SIMULINK 模塊搭建系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真。 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 PID 控制 6 第二章 PID 控制 PID 的 算法和參數(shù) 位移式 PID 算法 算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常常采用如 圖 21 所 示的 PID 控制 。 ])()(1)([)(0???? t DIp dttdeTdtteTteKtu （ 21） 其中， KP—— 比例系數(shù)； TI—— 積分時間常數(shù)； TD—— 微分時間常數(shù)； e（ t） —— 偏差； u（ t） —— 控制量 ； 經(jīng)過離散化，獲得位置 PID 的離散算法 ，如公式 22 所示 。 另外 ，控制器的輸出 u(k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置 ； 如果計算機出現(xiàn)故障， u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化。 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 PID 控制 7 增量式 PID 算法 依據(jù)位移式 PID 算法，推理得公式 23。 依據(jù)算法形式，顯然可以看出增量式 PID 算法和位置式算法相比具有以下幾個優(yōu)點： 首先，增量式算法只與 e（ k）、 e（ k1） 、 e（ k2）有關，不需要進行累加，不易引起積分飽和，因此能獲得較好的控制效果。而增量式設計 只與本次的偏差值有關，與閥門原來的位置無關，因而易于實現(xiàn)手動自動的無擾動切換。必要時可加邏輯保護，限制或禁止故障時的輸出。 積分分離 PID 算法 積分分離 PID 算法基本思想是：設置一個積分分離閾值β，當 |e(k)|≤ |β |時，采用 PID 控制，以便于消除靜差，提高控制精度；當 |e(k)|＞ |β |時，采用PD 控制。 )]2()1(2)([)()]1()([)( ?????????? kekekeKkeKkekeKku DIP ? （ 24） 其中， α為邏輯變量，其取值原則為 ： 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 PID 控制 8 ??? ??? |||)(|0 |||)(|1 ??? ke ke 對同一控制對象，分別采用普通 PID 控制和積分分離 PID 控制，見圖 22。 不完全微分 PID 算法 在 PID 控制器的輸出端再串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)（比如低通濾波器）來抑制高頻干擾，平滑控制器的輸出，這樣就組成了不完全微分 PID 控制，見圖 23。 )(39。 ?????????? kekekeKkeKkekeKku DIP TT Tf ??? 通過這樣的算法，可以延長微分作用的時間，見圖 24。 sU )(sU沈陽化工大學學士學位論文 第二章 PID 控制 9 圖 24 不完全微分 PID 和完全微分 PID 控制特性比較 不完全微分 PID 控制中的微分作用能緩慢地維持 多個采樣周期，使一般的工業(yè)執(zhí)行機構能較好地跟蹤微分作用的輸出。 PID 參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響 比例系數(shù) KP 對系統(tǒng)性能的影響 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。 KP 太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。 KP 可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。 積分 時間常數(shù) Ti 對系統(tǒng)性能的影響 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， Ti ?。ǚe 分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 Td 偏大時，超調量較大，調節(jié)時間較短 ； Td偏小時，超調量也較大，調節(jié)時間也較長。 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 PID 控制 10 PID 控制器的選擇 與 PID 參數(shù) 整定 PID 控制器的 選擇 在引入 PID 之前要確定用哪種類型， 即選定 PID 控制器的基本類型。 表 21 PID 控制類型選定原則 被控參數(shù) 控制器 備注 溫度 /成分 流量 /壓力 液位 /料位 PID PI P *K *K：當工業(yè)對象具有較大的滯后時，可引入微分作用；但如果測量噪聲較大，則應先對測量信號進行一階或平均濾波。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間 的大小。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。 二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。三種方法各有其 特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程 經(jīng)驗公式 對控制器參數(shù)進行整定?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。 圖 31 模糊控制器 控制流程 為了了解 模糊控制器的工作原理 [5]，圖 32 列出其結構框圖。 模糊控制器 各部分 組成 模糊化接口 模糊化接口接受的輸入只有誤差信號 e（ t） ，由 e（ t） 再生成誤差變化率或模糊化 模糊推理 知識庫 解模糊 被控對象 FC?模糊化 模糊推理 知識庫 解模糊 被控對象 FC沈陽化工大學學士學位論文 第三章 模糊 控制器及其設計 12 誤差的差分Δ e（ t） ，模糊化接口主要完成以下兩項功能： ⑴ 論域變換 ⑵ 模糊化 知識庫 知識庫中存 儲 著有關模糊控制器的一切知識，它們決定著模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心 [6]。 ⑵ 規(guī)則庫（ Rule Base） 模糊控制規(guī)則集，即以“ if? then?”形式表示的模糊條件語句，如 R1： If e* is A1, then u* is C1, R2： If e* is A2, then u* is C2, ? 其中， e*就是前面所說的模糊語言變量， A1， A2，?， An 是 et*的模糊子集， C1， C2，?， Cn 是 u*的模糊子集。 模糊推理機 模糊控制應用的是廣義前向推理。 解模糊接口 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 模糊 控制器及其設計 13 ⑴ 解模糊 ⑵ 論域反變換 模糊推理方式 Mamdani 模糊模型（邁達尼型） Mamdani 型的模糊推理方法最先將模糊集合的理論用于控制系統(tǒng) [7]。 其 采用極小運算規(guī)則定義表達的模糊關系 。 式中： x 為輸入語言變量 ； A 為推理前件的模糊集合 ； y 為輸出語言變量 ； B 模糊規(guī)則的后件 。 ? ???? ).,()()(, yxfyxBAR BAYXC ?? （ 31） 當 x 為 39。 ./)))()(()((39。 yyBxAxRAB AXxYC ? ?????? ? ??? （ 32） TakagiSugeno 模糊模型 (高木 關野 ) Sugeno 模糊模型也稱 TSK 模糊模型，旨在開發(fā)從給定的輸入 — 輸出數(shù)據(jù)集合 產(chǎn)生模糊規(guī)則的系統(tǒng)化方法。這是因為 Sugeno 型模糊規(guī)則的后件部分表示為輸入量的線性組合。 與 Mamdani 型類似 ； 其中輸 入量模糊化和模糊邏輯運算過程完全相同，主要差別在于輸出隸屬函數(shù)的形式。 式中： x 和 y 為穿入語言變量 ； A 和 B 為推理前件的模糊集合 ； z 為輸出語言變量 ； k 為常數(shù)。 當然，以上兩種解模糊方法各有千秋 。 因而能夠方便地表達人類的知識， 但存在計算復雜、不利于數(shù)學分析的缺點； Sugeno 型模糊推理則具有計算簡單，利于數(shù)學分析的優(yōu)點，是具有優(yōu)化與自適應能力的控制器或模糊建模工具。 ⑵ 二維模糊控制器 見圖 34， 它的兩個輸入變量基本上都選用受控變量值和輸入給定值的偏差e 和偏差變化 ec， 由于它們能夠嚴格地反映受控過程中輸出量的動態(tài)特性，故在控制效果上要比一維控制器好得多， 目前采用較廣泛。但由于這種模糊控制器結構復雜，推理運算時間長 。 圖 33 一維模糊控制器