基于模糊PID技術的加熱爐溫度控制的優(yōu)化

摘 要：在精密成型工藝中，需要對加熱爐的溫度進行精確控制，而傳統(tǒng)的串級控制方式和常規(guī)PID控制不能完全滿足這方面的需求，其原因在于被控溫度的非線性、滯后性、時變性等特點，因此迫切的需要改進和優(yōu)化。文章提出將模糊機制融入到PID算法當中，結合兩種控制策略的優(yōu)勢，利用模糊機制動態(tài)調整PID的各個參數(shù)，有效的提高了傳統(tǒng)PID的控制精度和響應速度，同時明顯改善了精密成型系統(tǒng)溫度的控制效果，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：模糊機制PID；溫度控制；改進；優(yōu)化

1 概述

精密成型工藝對于零部件加工領域而言有著關鍵的影響，通過該工藝生產(chǎn)的零部件同最終形狀的差異被大大縮小了，這就省去了后期大量的機械加工過程，節(jié)約了大量的勞動力和勞動時間，提高了生產(chǎn)效率，同時產(chǎn)品質量也得到了良好的控制。

雜精密加工過程中，對產(chǎn)品質量的影響因素很多，而其中最主要也最難控制的就是加熱爐溫度，原因就在于溫度易受周圍環(huán)境影響，且具有非線性、滯后性、時變性等特點，傳統(tǒng)的過程控制方案均不能取得滿意的效果，尤其在系統(tǒng)響應速度上明顯落后于實際系統(tǒng)的動態(tài)變化。

在精密成型過程控制領域，之前應用最多的控制方式為PID控制，其優(yōu)點在于結構簡單，可靠性好，并且具有一定的自適應性；但PID仍然無法克服其自身的一些弱點，如必須建立精確的數(shù)學模型，處理時延較長、響應速度減慢、對非線性系統(tǒng)控制質量較低等。

模糊控制充分的利用了人類的先驗知識，并將其應用到過程控制中，其最大的優(yōu)點在于不需要建立精確的數(shù)學模型也可以對非線性被控對象進行高質量、高響應的控制效果，而其缺點則在于無法消除靜態(tài)誤差，因此將PID同模糊機制有機的結合在一起，相互取長補短，在大偏差范圍內采用模糊推理控制，小偏差范圍采用PID精確輸出，就可以有效的提高被控對象的控制質量。

2 精密成型系統(tǒng)的模糊PID溫度控制器的設計

模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器結合而成，其結構如圖1所示：

本控制器采用溫差e和溫差變化率ec作為模糊控制器的輸入，通過模糊機制的動態(tài)調節(jié)功能計算出本次PID控制的三個參數(shù)Kp、Ki和Kd，接著完成PID的控制過程，實現(xiàn)了PID參數(shù)的實時優(yōu)化，提高了控制系統(tǒng)整體的響應速度和穩(wěn)態(tài)精度，其控制規(guī)律如下：

Y=f（U0，E，D，K0，K1，L）

上式中的U0為預設值，E為誤差值，D為誤差E的絕對值變化率，K0為比例系數(shù)，K1為積分系數(shù)，L為控制策略，Y是控制器的輸出。通過該函數(shù)實現(xiàn)控制參數(shù)K和K1對E、D的在線自整定。控制原理為：當被控對象處在干擾因素的影響中時，將導致系統(tǒng)輸出的誤差，而次誤差隨著影響因素的變化成動態(tài)趨勢，當誤差絕對值的變化率為正時，被控對象的輸出U逐漸偏離預設值U0，即誤差呈增大趨勢，此時必須對比例系數(shù)K0進行調整，通過增大K0的方式來提高控制器的控制能力，使U回歸至U0，反之則適當降低K0，避免回調過量導致的波動出現(xiàn)。積分系數(shù)K1的自整定與K0相同。

而上式中的控制策略L的作用是進行控制方式的切換，實現(xiàn)系統(tǒng)控制能力的大小調整，在粗調階段，采用PD控制來實現(xiàn)最快的相應速度，而在微調階段則采用PID控制來實現(xiàn)較高的調節(jié)精度。

在模糊控制階段，將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec作為模糊系統(tǒng)的輸入變量，經(jīng)模糊化處理得到模糊語言變量e和ec，在其各自取值范圍上定義模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；輸出量Kp、Ki、Kd也做同樣定義。選取模糊語言變量e、ec以及Kp、Ki、Kd的論域均為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。為了實現(xiàn)PID參數(shù)（Kp，Ki，Kd）根據(jù)e和ec的變化進行自適應調整，必須找出Kp、Ki、Kd和e、ec之間的對應關系。通過借鑒大量的先驗知識，可形成針對Kp、Ki、Kd這3個參數(shù)分別整定的模糊控制規(guī)則表，根據(jù)規(guī)則表可將各參數(shù)調節(jié)規(guī)則寫成如下的條件語句形式：

If E is Ai and EC is Bi，then Kp is Ci，Ki is Di，Kd is Ei；

這里Ai、Bi、Ci、Di、Ei是在相應支集上的模糊集合，共有49條模糊規(guī)則。根據(jù)Ki、Kd的模糊控制規(guī)則，分別求出Ki、Kd參數(shù)在不同的e和ec下所有模糊取值的隸屬度，運用反模糊化加權平均法進行模糊判決，可求PID控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd的精確值。

3 仿真分析

采用Matlab7.0進行仿真，通過模糊邏輯工具箱和Smiulink設計自適應模糊PID控制器。采用被控對象為1/（s2+3s+2），分別對常規(guī)PID控制、模糊控制和模糊PID控制進行仿真，結果對比如圖2所示。

如圖2所示，曲線1和2分別為常規(guī)PID控制和模糊控制，曲線3為自適應模糊PID控制，可明顯看出，模糊PID控制無論在超調量方面還是在相應速度方面，都比之前有了顯著的改善，證明了該控制策略的有效性。

參考文獻

[1]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真（第二版）[M].電子工業(yè)出版社，2005.

[2]王芳.模糊自調整PID控制在鍋爐汽包水位控制中的應用[D].濟南：山東大學，2007.