模糊PID算法在溫度對(duì)象中的應(yīng)用

米一博，石紅瑞

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

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模糊PID算法在溫度對(duì)象中的應(yīng)用

米一博，石紅瑞

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

針對(duì)加熱爐溫度存在慣性、滯后等現(xiàn)象，在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，利用模糊控制規(guī)則在線修正PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度更加精準(zhǔn)的控制。實(shí)驗(yàn)采用MCGS工控組態(tài)軟件，結(jié)合VB及Matlab的COM技術(shù)，開(kāi)發(fā)了模糊PID控制算法，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)加熱爐的溫度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 模糊PID控制方案在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等方面具有較好的控制性能。

模糊PID溫度控制MCGS組態(tài)軟件COM技術(shù)

溫度是工業(yè)中常見(jiàn)的一個(gè)控制參數(shù)，在不同程度上存在慣性、滯后及非線性等特點(diǎn)。常規(guī)的PID控制器經(jīng)過(guò)參數(shù)整定后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度對(duì)象的控制，但當(dāng)溫度對(duì)象發(fā)生改變時(shí)，控制器通常難以適應(yīng)變化后的對(duì)象，從而產(chǎn)生偏差和震蕩，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度對(duì)象精確的控制[1-3]。模糊控制是一種智能化控制策略，它的特點(diǎn)是魯棒性較好，對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，具備較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[4-5]。筆者將模糊控制與常規(guī)PID控制器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了模糊PID控制方案應(yīng)用于溫度對(duì)象。

1　溫度控制系統(tǒng)

以電加熱爐實(shí)驗(yàn)裝置為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)如圖1所示的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以工控機(jī)和I/O卡板件(泓格i7017 I/O卡件，泓格i7024O/I卡件，泓格i7052串口通信卡件)為硬件設(shè)備，監(jiān)控軟件采用MCGS工業(yè)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱爐溫度對(duì)象的控制。

2　模糊PID算法

模糊PID控制器是以響應(yīng)偏差e及偏差變化率ec作為輸入，用模糊控制規(guī)則對(duì)PID控制器的參數(shù)P(KP)，I(KI)，D(KD)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以適應(yīng)不同時(shí)刻的偏差及偏差變化率對(duì)PID參數(shù)的要求。模糊PID控制器的控制原理如圖2所示。

圖1　溫度控制系統(tǒng)示意

圖2　模糊PID控制器原理示意

模糊PID控制器的算法主要包括模糊化、模糊策略以及解模糊三部分：

1) 模糊化。定義e的模糊論域?yàn)閧-6，-4， -2， 0， 2， 4， 6}；ec的模糊論域?yàn)閧-3，-2， -1， 0， 1， 2， 3}；KP，KI，KD的模糊論域?yàn)閧1/2，3/5，3/4，1，4/3，5/3，2 }。然后以等腰三角形為隸屬函數(shù)，對(duì)所得e和ec進(jìn)行量化得到模糊論域。

2) 模糊規(guī)則。即KP，KI，KD與e，ec的關(guān)系，其主要的控制規(guī)則[6-7]： 當(dāng)|e|較大時(shí)，應(yīng)該增大KP，減小KD，以提高控制系統(tǒng)的跟蹤性能，同時(shí)為了避免系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大，應(yīng)限制積分作用；當(dāng)|e|中等時(shí)，為了降低系統(tǒng)的超調(diào)量，應(yīng)該減小KP，同時(shí)保持KI，KD的值應(yīng)該適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度；當(dāng)|e|較小時(shí)，KP，KI，KD都應(yīng)該增大，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；同時(shí)為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近抖動(dòng)，提高抗干擾性，當(dāng)ec較小時(shí)，KD可以取大一些；而當(dāng)ec較大時(shí)，KD取得應(yīng)該小一些。具體的KP，KI，KD的模糊控制規(guī)則見(jiàn)表1～表3所列。

表1　KP控制規(guī)則

表2　KI控制規(guī)則

表3　KD控制規(guī)則

3　算法在MCGS組態(tài)軟件中的實(shí)現(xiàn)

MCGS是一種通用的工業(yè)組態(tài)軟件，基于獲取的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)其軟件包中的工具對(duì)硬件、數(shù)據(jù)及圖像等進(jìn)行組態(tài)以快速構(gòu)成控制系統(tǒng)，為用戶提供工程解決方案[8]。MCGS中系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟包括硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)配置、策略組態(tài)及畫(huà)面組態(tài)等，每個(gè)步驟都有對(duì)應(yīng)的軟件包以供使用，其中策略組態(tài)部分包括自編程序和調(diào)用功能構(gòu)件兩種方式。MCGS自帶的編程器只能進(jìn)行有限行數(shù)的代碼編寫(xiě)，且支持的語(yǔ)句類(lèi)型亦有限，而由于模糊PID控制算法的復(fù)雜性，需要應(yīng)用功能構(gòu)件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用MCGS和MCGS高級(jí)開(kāi)發(fā)包實(shí)現(xiàn)模糊自適應(yīng)控制算法的過(guò)程如下：

1) 生成程序框架。MCGS使用Active DLL方式實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)件，通過(guò)規(guī)范的OLE接口將構(gòu)件掛接到軟件中，將它與VB進(jìn)行交互鏈接，利用VB的強(qiáng)大軟件開(kāi)發(fā)功能，可以開(kāi)發(fā)出用戶定制功能的功能構(gòu)件[9]。

a) 安裝MCGS高級(jí)開(kāi)發(fā)包，然后啟動(dòng)VB，選擇“外接程序菜單”—“MCGS開(kāi)發(fā)向?qū)А薄斑\(yùn)行策略功能構(gòu)件”，即可生成功能構(gòu)件的源程序框架。

b) 需要進(jìn)行兩個(gè)步驟： 進(jìn)行構(gòu)件界面的設(shè)計(jì)；根據(jù)構(gòu)件功能按照MCGS規(guī)范接口進(jìn)行編程。根據(jù)模糊PID算法的原理，首先設(shè)計(jì)構(gòu)件在MCGS組態(tài)和運(yùn)行環(huán)境中的兩個(gè)顯示界面，在組態(tài)界面中設(shè)置輸入值誤差e，誤差變化率ec及PID各參數(shù)KP，KI，KD所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象，運(yùn)行界面中顯示當(dāng)前誤差，誤差變化率及PID各參數(shù)的變化量。

c) 根據(jù)界面中每個(gè)對(duì)象的功能對(duì)接口進(jìn)行編寫(xiě)，MCGS的規(guī)范接口包括執(zhí)行菜單命令，設(shè)置構(gòu)件的屬性，執(zhí)行構(gòu)件的功能和編譯查錯(cuò)時(shí)調(diào)用，這里的重點(diǎn)是按照各個(gè)接口的性質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)格式，將功能寫(xiě)入程序中，便能實(shí)現(xiàn)所需的基本構(gòu)件功能。

2) VB與Matlab的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。VB中可以自行編寫(xiě)代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但是實(shí)現(xiàn)的速度和效果遠(yuǎn)不及Matlab，而Matlab在強(qiáng)化自身數(shù)據(jù)分析能力的同時(shí)，還積極擴(kuò)展軟件的外部開(kāi)發(fā)功能。利用Matlab的COM技術(shù)能夠輕松實(shí)現(xiàn)VB與Matlab的通信，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換[10-11]。首先根據(jù)模糊自適應(yīng)算法原理在Matlab中編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)模糊PID控制的M文件，然后在Matlab界面輸入“mbuilder-setup”，選擇外部編譯器，輸入“comtool”，在彈出的對(duì)話框中新建工程，載入編輯好的M文件，點(diǎn)擊Build編譯生成COM組件，此時(shí)會(huì)生成一個(gè)Library文件，這是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)組件，以.dll形式存在，可脫離軟件獨(dú)立運(yùn)行。完成之后在VB的開(kāi)發(fā)環(huán)境中選擇引入COM組件，即添加Library文件，引入該組件后，在VB中配置好輸入和輸出的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)算法功能。

3) MCGS調(diào)試與調(diào)用。這里需要啟動(dòng)MCGS工程(新建或打開(kāi)原有工程)才能進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)的顯示對(duì)VB程序進(jìn)行修改，修改完成后將VB工程重新編譯，生成**.dll文件，最后將文件拷貝到“目錄： MCGSProgramAddIns用戶定制構(gòu)件”中，啟動(dòng)MCGS在“工具”—“策略構(gòu)建管理”—“用戶定制構(gòu)建”選擇“模糊PID控制器(在編程環(huán)節(jié)自命名)”進(jìn)行安裝。安裝完成之后在運(yùn)行策略的組態(tài)窗口的策略工具箱內(nèi)，會(huì)顯示“模糊自適應(yīng)控制器”，可在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)直接調(diào)用。

4　應(yīng)　用

首先新建MCGS工程，構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，配置好各種數(shù)據(jù)參數(shù)；然后進(jìn)行組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示溫度參數(shù)曲線和功能畫(huà)面；之后對(duì)設(shè)備窗口進(jìn)行配置，在該窗口中選擇所構(gòu)成的溫度系統(tǒng)硬件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)在此窗口中調(diào)用“模糊PID控制器”，根據(jù)彈出的對(duì)話框選擇參數(shù)進(jìn)行匹配；最后編譯運(yùn)行，系統(tǒng)開(kāi)始工作。

實(shí)驗(yàn)中，在設(shè)備窗口分別選擇軟件自帶的“PID控制器”與編寫(xiě)的“模糊PID控制器”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定目標(biāo)溫度為40℃，調(diào)節(jié)的結(jié)果如圖3所示，圖3a)為調(diào)用PID控制器(參數(shù)為KP=2，KI=0.2，KD=0.05)的結(jié)果，圖3b)為調(diào)用模糊PID控制器(初始參數(shù)設(shè)為KP=2， KI=0.2， KD=0.05，穩(wěn)態(tài)參數(shù)為KP=1.89， KI=0.54， KD=0.26)的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PID控制器的超調(diào)量較大，當(dāng)設(shè)定值為40℃時(shí)，最高溫度達(dá)到77℃，且系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，持續(xù)將近650s；模糊PID算法的超調(diào)量較小，且調(diào)節(jié)時(shí)間為300s左右。模糊PID控制方案體現(xiàn)了較為優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能，無(wú)論在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間還是抗干擾方面都具備較好的控制性能。

圖3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

將模糊算法與PID算法相結(jié)合，通過(guò)模糊規(guī)則在線修正PID控制算法的參數(shù)，以適應(yīng)過(guò)程中對(duì)象的變化，且在溫度對(duì)象中進(jìn)行應(yīng)用，體現(xiàn)了算法較好的動(dòng)態(tài)性能。模糊PID算法無(wú)需精確模型便能實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的控制，對(duì)溫度對(duì)象的控制具有不錯(cuò)的效果，實(shí)際系統(tǒng)中具備可行性。

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Application of Fuzzy-PID Algorithm in Temperature Control

Mi Yibo， Shi Hongrui

(College of Information Science and Technology， Donghua University，Shanghai， 201620， China)

Abstracts： Aiming at problems of temperature inertia and lag， fuzzy control rules are applied to tune PID parameters to realize more accurate temperature control based on classic PID control. The fuzzy-PID control algorithm is developed with adopting MCGS and combination of VB and Matlab’s COM technology， and is applied in temperature control of a heating furnace. The experiment results show fuzzy-PID algorithm has better performance on overshoot and setting time.

fuzzy-PID；temperature control；MCGS configuration software；COM technology

米一博(1991—)，男，東華大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)工業(yè)控制技術(shù)。

TP273

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1007-7324(2016)04-0029-03

稿件收到日期： 2016-03-11。