基于模糊PID控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了以單片機(jī)為核心，以加熱爐為控制對象的模糊PID溫度控制系統(tǒng)。當(dāng)使用模糊控制時(shí)，雖然系統(tǒng)技術(shù)要求即調(diào)節(jié)時(shí)間與超調(diào)量已經(jīng)滿足，但產(chǎn)生了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。PID控制算法被使用后，系統(tǒng)的技術(shù)要求即超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間不能同時(shí)滿足。因此將具有智能性的模糊控制與具有可靠性的PID控制相互結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種控制器，該控制器具有參數(shù)自整定和模糊PID的功能，在線整定了PID參數(shù)Kp、Ki和Kd。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，理想的控制方案就是采用參數(shù)自整定模糊PID控制。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；加熱爐；模糊PID控制；溫度控制

加熱爐系統(tǒng)具有慣性大、延遲時(shí)間長、非線性的特點(diǎn)，因此采用傳統(tǒng)的PID控制，達(dá)到的效果肯定不令人滿意。將具有智能性的模糊控制與具有可靠性的PID控制相互結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種控制器，該控制器具有參數(shù)自整定和模糊PID的功能，能達(dá)到較好的效果。

1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

加熱爐的溫度控制系統(tǒng)[2]為閉環(huán)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)中智能控制器的重要部件是嵌入式控制器，控制面板和CPU處理器等部件組成了整個(gè)系統(tǒng)。加熱爐內(nèi)的水溫、爐內(nèi)水位高度的采集、數(shù)據(jù)的濾波等都是通過CPU處理器實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)的一些按鍵操作和指示燈等都是通過控制面板實(shí)現(xiàn)的。

2 參數(shù)自整定的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)自整定模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]

延遲、參數(shù)、干擾等因素的測量分析是通過智能控制器實(shí)現(xiàn)的，智能控制器即參數(shù)自整定模糊PID控制器，PID三個(gè)參數(shù)Kp、Ki和 Kd的整定是通過模糊推理方法在線整定的。

該系統(tǒng)是由常規(guī)PID控制器和具有模糊推理的參數(shù)校正部分組成。模糊系統(tǒng)的輸入分別是偏差的變化率EC與偏差E，模糊系統(tǒng)的輸出是三個(gè)PID參數(shù)的變化值，PID參數(shù)的自整定通過參數(shù)校正和在線不斷變化PID參數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 加熱爐控制系統(tǒng)[5]參數(shù)自整定模糊PID控制

實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定首先確立模糊關(guān)系，即偏差e、三個(gè)參數(shù)、偏差變化率ec之間，程序運(yùn)行中不斷的測量e和ec，3個(gè)參數(shù)的在線整定是通過模糊控制原理實(shí)現(xiàn)的，從而來滿足智能控制器參數(shù)的要求。

圖1 為加熱爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。

實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定一定考慮到不同的時(shí)間三個(gè)參數(shù)的相互作用與關(guān)系。通過總結(jié)專業(yè)人員的技術(shù)知識來實(shí)現(xiàn)模糊控制的設(shè)計(jì)，從而才能形成模糊規(guī)則表。下面根據(jù)參數(shù)Kp、Ki和Kd對系統(tǒng)輸出特性的影響特性，在不同的e和ec時(shí)，被控過程對參數(shù)Kp、Ki和Kd的自整定要求為：

（1）當(dāng)e較大時(shí)，即系統(tǒng)[6]響應(yīng)處于圖1的輸出響應(yīng)曲線第I段時(shí)，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，避免因開始時(shí)偏差e的突然變大可能引起微分過飽和，因此應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，同時(shí)為了防止積分飽和這時(shí)應(yīng)該去掉積分作用，即取Ki=0。

（2）當(dāng)e和ec為中等大小時(shí)，即系統(tǒng)的響應(yīng)處于圖1曲線第II段時(shí)，為讓系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減少，則Kp、Ki和Kd都不能取大，為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，就要取適中的Kp，Ki和Kd值。

（3）當(dāng)e較小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖1曲線的第III段中時(shí)，為讓系統(tǒng)達(dá)到良好的穩(wěn)定性能，應(yīng)該增大Kp和Ki值，同時(shí)為防止系統(tǒng)在設(shè)定值左右出現(xiàn)振蕩，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取Kd值，即：當(dāng)ec較小時(shí)，Kd可取中等大?。划?dāng)ec較大時(shí)，Kd應(yīng)取小些。

基本的算法如下：由E，EC及Kp，Ki和Kd的Fuzzy子集的隸屬度，再根據(jù)各Fuzzy子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的Fuzzy調(diào)整規(guī)則模型，運(yùn)用Fuzzy合成推理設(shè)計(jì)出的PID參數(shù)Fuzzy調(diào)整矩陣表，我們將其存入程序存儲器中供查詢。

定義Kp，Ki和Kd調(diào)整算式如下：

式中，Kp，Ki和Kd是PID控制器的參數(shù)，K'p，K'i和K'd是Kp，Ki和Kd的初始參數(shù)?？刂破鲄?shù)的調(diào)整是通過程序運(yùn)行來計(jì)算出偏差與偏差變化率，對其進(jìn)行模糊化操作得到E和EC，三個(gè)參數(shù)調(diào)整是通過Fuzzy的調(diào)整矩陣實(shí)現(xiàn)的。

2.3 仿真結(jié)果

智能控制器通過運(yùn)用二維的Mamdani控制器，運(yùn)用Max-Min的模糊控制決策，運(yùn)用重心法來達(dá)到去模糊的目的，運(yùn)用49條的模糊控制規(guī)則，進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如下圖

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

從圖上看到系統(tǒng)達(dá)到的指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間tss=1000秒，超調(diào)量δ%=0，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。

由仿真曲線圖可以看到，當(dāng)加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用模糊PID控制時(shí)，與原來系統(tǒng)相比，現(xiàn)在的系統(tǒng)具有較短的調(diào)節(jié)時(shí)間，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，滿足了比較理想的技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)重點(diǎn)將具有智能性的模糊控制與具有可靠性的PID控制相互結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種控制器，該控制器具有參數(shù)自整定和模糊PID的功能。智能控制器的控制規(guī)則是通過輸出響應(yīng)確定的，模糊控制規(guī)則是通過Fuzzy邏輯箱進(jìn)行多次的仿真實(shí)驗(yàn)確定的，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡自興.人工智能控制.化學(xué)工業(yè)出版社，2005：1～10.

[2]馮勇.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：2～13.

[3]章衛(wèi)國，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999：15～21.

[4]顧毅.智能控制發(fā)展綜述[J].信息技術(shù)，2002，6：39～40.

[5]蔣智翔，楊小昭.一種新型的電儲熱系統(tǒng)-自儲能電鍋爐介紹.2004.中美工業(yè)鍋爐先進(jìn)技術(shù)研討會會議論文集，2004：380～384.

[6]李丹，謝植，程杰.模糊控制在溫度控制中的應(yīng)用與發(fā)展.黃金學(xué)報(bào)，2002，2（4）：294～269.

作者簡介：胡新新（1989，5-），女，學(xué)歷：碩士，所屬單位：青島科技大學(xué)，研究方向：智能理論及應(yīng)用。