基于模糊微分先行PID算法的溫度控制研究

Research on the Temperature Control Based on Fuzzy Differential Forward PID Algorithm

鄧　麗1,2　盧　根1,2　蔣　婧1,2　費(fèi)敏銳1,2

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上?！?00072;上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上?！?00072)

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基于模糊微分先行PID算法的溫度控制研究

Research on the Temperature Control Based on Fuzzy Differential Forward PID Algorithm

鄧麗1,2盧根1,2蔣婧1,2費(fèi)敏銳1,2

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上海200072;上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上海200072)

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度控制直接影響被控對(duì)象的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)目前溫度控制中存在的非線性、大慣性、大滯后、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，提出一種模糊微分先行PID控制算法，在微分先行PID控制器之前加上模糊控制器，對(duì)控制達(dá)到調(diào)節(jié)的效果，使得控制輸出量的變化在受到干擾時(shí)較單純的微分先行PID控制作用大。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效縮減了自整定時(shí)間，表現(xiàn)出更好的抗干擾能力和控制效果，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫度控制PID控制算法模糊控制自整定干擾系統(tǒng)振蕩優(yōu)化智能算法熱電偶繼電器

Abstract：In industrial productions,the production efficiency and product quality of controlled objects are directly affected by temperature control.Because of the features that currently exist in temperature control,such as nonlinearity,large inertia and time delay,accurate mathematical model is difficult to be established,thus the fuzzy differential forward PID control algorithm is proposed.With this algorithm,the fuzzy controller is added prior to the differential forward PID controller for adjusting the control effect; the control action may be stronger than of the simple differential forward PID controller when the process is disturbed.The test results show that the proposed method effectively reduces the self-tuning period,and improves the anti-interference capability and control effect,it offers a wide range of practical application value.

Keywords:Temperature controlAlgorithm of PID controlFuzzy controlSelf-tuningInterferenceSystem oscillationOptimizationIntelligent algorithmsThermocoupleRelay

0引言

溫度控制儀器儀表被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。面對(duì)一些像電阻爐、加熱器等溫控系統(tǒng)，常規(guī)PID控制和一些改進(jìn)的PID控制，都難以取得良好的控制效果，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、超調(diào)量大、抗干擾能力不足等問(wèn)題[1-2]。針對(duì)普通PID控制中存在的問(wèn)題，相繼出現(xiàn)了很多的改進(jìn)方法[3-4]。楊曉生等[5]提出將微分先行PID算法用于鑄錠爐溫控中，對(duì)傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行改進(jìn)，引入微分先行環(huán)節(jié)，提前對(duì)輸出量測(cè)值進(jìn)行微分運(yùn)算，對(duì)溫度設(shè)定值不做微分，使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用變強(qiáng)，避免設(shè)定值的升降引起系統(tǒng)的振蕩，取得了良好的應(yīng)用效果。但簡(jiǎn)單微分先行環(huán)節(jié)的引入，也會(huì)使得被控量的變化較緩和，同時(shí)系統(tǒng)抗干擾的能力也有待進(jìn)一步的提高。

隨著智能控制算法的不斷發(fā)展，將智能算法應(yīng)用于PID控制中得到了廣泛的研究[6-8]。Wati等[9]利用遺傳算法優(yōu)化PID控制參數(shù)，從而控制空氣加熱器溫度，表現(xiàn)出良好的控制性能，但是智能算法的隨機(jī)搜索性對(duì)PID的控制穩(wěn)定性有一定的影響。Yang等[10]在PID控制中引入模糊控制思想，將其應(yīng)用于加熱系統(tǒng)中，能很好地進(jìn)行溫度控制，但是控制性能仍有待改善。模糊控制是一種新型控制方法，對(duì)非線性或不確定對(duì)象有良好的控制效果，能夠解決常規(guī)PID控制難以解決的實(shí)際工程問(wèn)題。本文提出一種模糊微分先行PID控制算法，對(duì)于傳統(tǒng)的PID引入微分先行策略進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，在微分先行PID控制器之前加上模糊控制器進(jìn)行改進(jìn)研究，并應(yīng)用于溫度控制中具有很重要的研究?jī)r(jià)值。

1系統(tǒng)構(gòu)成

本文對(duì)一個(gè)完整的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)由溫度控制儀、繼電器、被控對(duì)象和數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。

由圖1所示，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)包括控制環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)以及實(shí)時(shí)顯示環(huán)節(jié)。箭頭①為控制環(huán)節(jié)。溫度控制儀表根據(jù)當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定值的差值及其他參數(shù)計(jì)算出控制輸出量，從而達(dá)到控制繼電器開通與關(guān)斷的目的。箭頭②為執(zhí)行環(huán)節(jié)。繼電器為被控對(duì)象與電源之間的電子開關(guān)，通過(guò)控制環(huán)節(jié)控制繼電器開通時(shí)間，進(jìn)一步控制被控對(duì)象加熱時(shí)間。箭頭③為反饋環(huán)節(jié)。在被控對(duì)象中安裝了兩根K型熱電偶，其中一根連接到溫度控制儀表，使其能夠測(cè)量出當(dāng)前溫度值，進(jìn)行反饋控制。箭頭④為實(shí)時(shí)顯示環(huán)節(jié)。另一根K型熱電偶用于與數(shù)據(jù)采集儀相連接，采集來(lái)的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀分析和傳輸給計(jì)算機(jī)，并顯示出來(lái)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)控制算法

2.1微分先行PID控制算法

在工業(yè)過(guò)程控制中，因?yàn)镻ID 控制具有簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。但傳統(tǒng)PID控制器的結(jié)構(gòu)還不完美，普遍存在積分飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)失控，超調(diào)量過(guò)大。針對(duì)此種問(wèn)題，采用微分先行算法來(lái)設(shè)計(jì)溫度控制器，解決被控對(duì)象因慣性大而造成的調(diào)節(jié)品質(zhì)差的問(wèn)題[5-6]。相對(duì)于普通 PID 控制算法來(lái)說(shuō)，微分先行PID算法的實(shí)質(zhì)是提前對(duì)輸出量進(jìn)行微分運(yùn)算，算法框圖如圖2所示。

圖2　微分先行PID控制結(jié)構(gòu)框圖

(1)

(2)

轉(zhuǎn)換為差分形式：

(3)

代入式(2)中整理可得：

(4)

而傳統(tǒng)的PID控制器的微分環(huán)節(jié)的輸出為：

(5)

2.2模糊微分先行PID控制算法

模糊控制(fuzzy control)是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，其在提出后得到了廣泛的應(yīng)用[11-13]。模糊控制的過(guò)程主要為輸入量模糊化，經(jīng)過(guò)模糊推理，再通過(guò)去模糊化處理輸出結(jié)果，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的模糊控制。模糊控制不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，非常適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、時(shí)變性和非線性具有一定的自適應(yīng)能力，并且具有較好的魯棒性。鑒于模糊控制的性能特點(diǎn)，本文以微分先行PID控制算法為基礎(chǔ)，引入模糊控制，對(duì)PID控制進(jìn)行改進(jìn)調(diào)節(jié)，用于工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制的研究。

微分先行PID控制算法只對(duì)輸出測(cè)量值h(t)進(jìn)行微分，對(duì)溫度設(shè)定值r(t)不做微分，避免設(shè)定值的升降引起系統(tǒng)的振蕩，但也會(huì)使得被控量的變化較緩和。為了使得被控量在受到除了設(shè)定值以外的其他干擾引起的溫度變化之后，能夠更為快速地恢復(fù)，本文在微分先行PID控制器之前加上模糊控制器。在受到干擾時(shí)，PID參數(shù)能夠相應(yīng)做出變化，使得控制輸出量能夠比單純的微分先行PID控制作用下的變化大。模糊微分先行PID控制算法原理如圖3所示。

圖3　模糊微分先行PID控制算法原理

溫度系統(tǒng)在受到干擾時(shí)能夠及時(shí)反應(yīng)，需要加大輸出控制量。在恢復(fù)到接近設(shè)定值時(shí)，需要盡量減小輸出的控制量，使系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地達(dá)到設(shè)定值而又不出現(xiàn)沖溫的現(xiàn)象。以此為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如表1所示的模糊控制規(guī)則表。

表1　模糊控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，可以有效地控制系統(tǒng)溫度平穩(wěn)的變化，提高抗干擾的能力。模糊微分先行PID 控制算法的應(yīng)用，使得控制輸出量能夠比單純的微分先行PID控制作用增大。當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；當(dāng)溫度偏差較小時(shí)，采用微分先行PID控制，靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)控制精度，從而獲得更好的控制效果。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文以某企業(yè)項(xiàng)目為應(yīng)用背景，驗(yàn)證算法的有效性能。首先在圖1所示溫度控制系統(tǒng)中，利用微分先行PID控制算法和模糊微分先行PID控制算法分別做了兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為初始設(shè)定值同為200 ℃，從室溫開始。上電之后均立即開始自整定，自整定結(jié)束之后會(huì)自動(dòng)切換到相應(yīng)的控制過(guò)程中，然后加上多種干擾，觀察最終穩(wěn)定效果。

3.1設(shè)定值變化

這一工況是模擬被控對(duì)象為了滿足不同需求，在不斷電的情況下改變?cè)O(shè)定值的過(guò)程。圖4所示為設(shè)定值從200 ℃改為250 ℃時(shí)兩種控制方法下的曲線變化過(guò)程，而圖5所示為設(shè)定值由250 ℃改為150 ℃的過(guò)程。

圖4　設(shè)定值由200 ℃改為250 ℃時(shí)曲線變化過(guò)程

圖5　設(shè)定值由250 ℃改為150 ℃時(shí)曲線變化過(guò)程

由圖4可以看出，利用模糊微分先行PID控制算法的響應(yīng)曲線明顯比單純的微分先行PID控制算法的上升速度快，而且平穩(wěn)。圖4(a)的上升時(shí)間為10 min，而圖4(b)的上升時(shí)間約為5 min，有效縮減了響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間。

由圖5(a)可以看出，上升時(shí)間超過(guò)12 min，而圖5(b)中的上升時(shí)間大約為11.5 min，仍比單純的微分先行PID控制算法的上升速度快，穩(wěn)定時(shí)間短。

3.2外部干擾

圖6所示的實(shí)驗(yàn)圖是模擬電烤爐的爐門突然被打開又合上的工況。圖6(a)所示為溫度下降10 K之后合上爐門，使用微分先行PID控制算法的曲線變化過(guò)程，圖6(b)所示為溫度下降20 K之后再合上爐門，使用模糊微分先行PID控制算法的曲線變化過(guò)程。

圖6　在200 ℃處受到干擾時(shí)曲線變化過(guò)程

可以看出，在圖6(a)所示的上升過(guò)程中，有加熱不足而產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致升溫過(guò)程較長(zhǎng)；而圖6(b)所示的上升過(guò)程比較迅速并且沒(méi)有沖溫，曲線平滑，上升穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短。

3.3上升過(guò)程

該組實(shí)驗(yàn)為完成自整定并穩(wěn)定一段時(shí)間后，斷電并使被控對(duì)象溫度降為室溫再重新上電的過(guò)程。由于儀表具有記憶功能，在不重新設(shè)定的情況下，再次上電使用的是上次記錄的PID參數(shù)進(jìn)行控制。

圖7設(shè)定值為200 ℃，圖8設(shè)定值為250 ℃。由圖7可以看到這一過(guò)程中的兩組曲線都是平滑快速上升，無(wú)超調(diào)。

圖7　升溫到200 ℃時(shí)曲線變化過(guò)程示意圖

實(shí)驗(yàn)通過(guò)自整定得到PID控制參數(shù)，在控制過(guò)程中加入不同的干擾，以驗(yàn)證算法的應(yīng)用性能。通過(guò)分析比較可知，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化或者存在外部干擾等工況時(shí)，模糊微分先行PID控制算法具有更好的應(yīng)用效果，能夠快速、穩(wěn)定、無(wú)超調(diào)地控制溫度變化，有效地縮短了穩(wěn)定時(shí)間，得到了快速恢復(fù)、抗干擾性強(qiáng)的控制效果，并在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能，具有很重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖8　升溫到250 ℃時(shí)曲線變化過(guò)程示意圖

4結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的PID控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但要實(shí)現(xiàn)精確快速無(wú)超調(diào)的控制，還需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。本文在微分先行PID控制算法的基礎(chǔ)上，加入了模糊控制，提出一種混合型的模糊微分先行PID控制算法，不僅解決了系統(tǒng)振蕩的問(wèn)題，而且當(dāng)存在外界干擾、設(shè)定值頻繁變化時(shí)，能對(duì)溫度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，抗干擾性強(qiáng)，并且不會(huì)產(chǎn)生沖溫現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用性能。

目前，溫度控制儀器儀表的應(yīng)用極其廣泛，對(duì)控制效果的要求也越來(lái)越高，針對(duì)傳統(tǒng)控制方法所存在的局限性，引入更多不同的智能控制算法結(jié)合應(yīng)用是一個(gè)很好的研究方向。

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中圖分類號(hào)：TH81;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602018

上海市科委專項(xiàng)課題基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14DZ1206302)。

修改稿收到日期： 2015-04-05。

第一作者鄧麗(1978-)，女，2008年畢業(yè)于東南大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制理論及應(yīng)用、智能優(yōu)化算法以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等。