基于模糊PID的電熱爐溫度智能控制系統(tǒng)

張少杰

（廣東新功電器有限公司，廣東 潮州 515700）

由于現(xiàn)階段多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中都將應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)，需要控制溫度的對象多種多樣，部分控制對象之間存在一定的差距，參數(shù)的變化幅度較大，且還存在諸多干擾因素。在此背景下，工業(yè)熱處理生產(chǎn)中采用了電熱爐，其具有非線性、升溫和保溫等特征，并且通過智能控制系統(tǒng)使設(shè)備的控制精度得到進(jìn)一步提升。

1 電熱爐溫度智能控制系統(tǒng)的工作機(jī)理

1.1 生產(chǎn)過程及要求

模糊PID電熱爐溫度智能控制系統(tǒng)的主要功能是對產(chǎn)品進(jìn)行加熱和烘干。在實(shí)際加熱過程中，主要通過封閉式的方式進(jìn)行加熱，利用PID調(diào)節(jié)氣對電熱爐的溫度進(jìn)行控制和改變，使其能夠以更加適宜的溫度投入到產(chǎn)品的生產(chǎn)加工工作當(dāng)中。

1.2 基本原理

在模糊PID智能控制原理的應(yīng)用中，作為典型的例子便是電熱爐溫度控制，具有非線性、隨時(shí)間改變、升溫與保溫等特點(diǎn)，其中，升溫主要是通過增加電熱爐溫度的方式來實(shí)現(xiàn)；而降溫則主要是通過對電熱爐溫度的降低來實(shí)現(xiàn)。如果電熱爐的溫度超出了最高或最低的界定值，則很難實(shí)現(xiàn)溫度的改變，此時(shí)便產(chǎn)生了設(shè)備故障問題。對該設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，主要是根據(jù)操作人員的感官條件獲取信息，然后進(jìn)行描述，憑借工作經(jīng)驗(yàn)對控制對象進(jìn)行簡單評估。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

對于熱爐溫度智能控制系統(tǒng)而言，主要的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①由于在增量的過程中，發(fā)生失誤的概率較低，因此，在必要時(shí)可以通過邏輯判斷的方式進(jìn)行。②對于未知的控制算法，由于增量大小的設(shè)置與偏差大小具有直接聯(lián)系，而與原本閥門的位置不具有聯(lián)系，因此，在對增量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)不會喪失對積分的控制，能夠促進(jìn)調(diào)節(jié)效果的提升。但該控制系統(tǒng)也具備一些缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：①對積分截?cái)嘈?yīng)的影響較大，主要體現(xiàn)在靜態(tài)誤差當(dāng)中。②當(dāng)存在溢出現(xiàn)象時(shí)，將會對誤差的大小產(chǎn)生更大的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

在模糊PID控制器的基本結(jié)構(gòu)中，主要由直接和間接兩種控制器構(gòu)成。其中，以常規(guī)PID控制器作為直接控制器，以模糊推理作為間接控制器。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過程中，模糊推理將對當(dāng)前溫度與設(shè)置溫度進(jìn)行對比，偏差記為|e|，偏差變化率記為|ec|，對PID控制器的性能進(jìn)行有效判斷，并依據(jù)實(shí)際控制效果在線對PID數(shù)值進(jìn)行修改，包括KP、K1、KP，使PID控制器的效果處于最理想的狀態(tài)。根據(jù)模糊推理的效果能夠看出，經(jīng)過PID運(yùn)算后得出控制量，按照標(biāo)定值對軟件計(jì)數(shù)寄存器R5的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得出晶閘管的開啟時(shí)間，由P1.7對過零觸發(fā)電路的通斷信號進(jìn)行輸出，以此來調(diào)節(jié)和改變電熱爐的溫度。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，利用單片機(jī)AT89C52進(jìn)行定時(shí)，利用工作寄存器計(jì)數(shù)，采用5 s周期與晶閘通斷周期的方式，計(jì)數(shù)器選擇的是R5。

2.2 確定模糊變量、控制規(guī)則

在本文所研究的系統(tǒng)中，模糊PID屬于輸出的模糊控制器，通過溫度控制系統(tǒng)曲線能夠得出，采用誤差變化率、絕對值的方式，展現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程。因此，將|ec|與|e|作為輸入語言變量，利用單值模糊器降低論域的數(shù)值，使工作量降低。

2.2.1 輸出、輸入變量論域

在|ec|與|e|變量論域當(dāng)中，語言值的代表為：“Z”代表的是“零”；“S”代表的是“小”；“M”代表的是“中”；“B”代表的是“大”，且利用上述語言值對誤差數(shù)值進(jìn)行表示，也就是X的取值范圍為0，1，2，3，通過三角形的方式對各個(gè)語言值的隸屬函數(shù)進(jìn)行分析。在輸出語言變量方面，主要包括KP、K1、KP，對誤差進(jìn)行量化后，通過上述4個(gè)等級進(jìn)行表示，即Y的取值范圍為0，1，2，3，在隸屬函數(shù)方面主要為單點(diǎn)模糊量形式。

2.2.2 PID參數(shù)的自整定規(guī)則

當(dāng)|e|的數(shù)值較大時(shí)，為了提升系統(tǒng)中快速跟蹤性能，緩解強(qiáng)大電流對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，這時(shí)應(yīng)選取數(shù)值額度較大的KP與數(shù)值較小的KD。同時(shí)，為了防止系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的超調(diào)，數(shù)值K1的數(shù)值為0.

當(dāng)|e|的數(shù)值適中時(shí)，為了縮短系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，應(yīng)盡量縮小KP的取值范圍，KP與KD的取值大小應(yīng)盡量適中，以此來提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。當(dāng)|e|的數(shù)值較小時(shí)，要想提升系統(tǒng)中的穩(wěn)定性能，則KP與KD的取值都應(yīng)盡量加大，以此來防止系統(tǒng)在設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)波動，并且要為其他因素對系統(tǒng)造成的干擾預(yù)留空間；當(dāng)|ec|的數(shù)值較小時(shí)，KD的數(shù)值應(yīng)盡量選擇適中大?。划?dāng)|ec|的數(shù)值較大時(shí)，KD的數(shù)值應(yīng)盡量較小。

2.3 控制策略的實(shí)現(xiàn)

在加熱爐運(yùn)行的過程中，屬于一個(gè)具有非線性特征的多樣化系數(shù)，因此，需要采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，保證PID控制中具有的優(yōu)勢，還能夠具備模糊控制的特征，將模糊系統(tǒng)融入到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架當(dāng)中，能夠計(jì)算出PID與模糊控制二者之間的比例關(guān)系：

式（1）中：Z1為PID輸出；Z2為模糊控制器輸出；a為協(xié)調(diào)因子，利用實(shí)時(shí)改變對因子數(shù)值進(jìn)行協(xié)調(diào)，使其取值范圍能夠始終保持在0～1的范圍內(nèi)，能夠?qū)ID控制與模糊控制進(jìn)行加權(quán)程度，使PID控制與模糊控制的作用與優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，并且對二者的缺陷和不足進(jìn)行隱藏。

2.4 模糊PID電熱爐系統(tǒng)仿真結(jié)果對比

在鋼廠的運(yùn)行中，對電熱爐溫度智能控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，將設(shè)備的溫度設(shè)置為1 300℃，允許偏差上下相差的數(shù)值為20℃，在對系統(tǒng)進(jìn)行正式安裝和調(diào)試之前，需要在Matlab環(huán)境下，利用計(jì)算機(jī)對控制系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行仿真處理。通過仿真處理，對溫度控制系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)與不足進(jìn)行分析，最后制訂出理想的控制方案，使以往蓄熱式的電熱爐的溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行改變。對PID系統(tǒng)的控制結(jié)果進(jìn)行仿真處理，對控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，以具備滯后慣性環(huán)節(jié)為被控目標(biāo)，構(gòu)建傳遞函數(shù)。G為被控目標(biāo)，假設(shè)被控目標(biāo)的函數(shù)對象為

當(dāng)室內(nèi)溫度為20℃時(shí)，PID控制其中的參數(shù)可以被設(shè)置為：KP的數(shù)值為1.6，KD的數(shù)值為10，K1的數(shù)值為0.08；在穩(wěn)定后的3 000 s處加入5K的干擾。通過仿真結(jié)果能夠看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間較長，大約在3 000 s，并且具備較大的超調(diào)，系統(tǒng)整體抗干擾的能力較低。

要想提升對溫度的控制效果，將Smith融入其中，并且對系統(tǒng)中大滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，通過上述仿真結(jié)果能夠看出，溫度控制效果得到極大的提升。但在實(shí)際使用的過程中卻難以對系統(tǒng)進(jìn)行完全的補(bǔ)償，需要建立模糊控制規(guī)則表，對模糊控制器進(jìn)行仿真處理，仿真結(jié)果即為超調(diào)量為0，穩(wěn)定時(shí)間為1 000 s，上升時(shí)間為900 s，這時(shí)系統(tǒng)的抗干擾能力最強(qiáng)。將上述三種類型控制器的仿真效果進(jìn)行對比之后，便能夠看出在超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、上升時(shí)間幾個(gè)重要動態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比分析后得出，控制器為PID時(shí)，超調(diào)量為52.4%，穩(wěn)定時(shí)間為3 000 s，上升時(shí)間為500 s；控制器為帶Smith的PID時(shí)，超調(diào)量為28.6%，穩(wěn)定時(shí)間為1 500 s，上升時(shí)間為500 s；控制器為模糊控制時(shí)，超調(diào)量為0，穩(wěn)定時(shí)間為1 000 s，上升時(shí)間為900 s。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果能夠看出，該系統(tǒng)的基本原理較為簡單，開發(fā)時(shí)間較短，且控制效果較為理想。采用PID控制與模糊控制相結(jié)合的方式進(jìn)行加熱的過程中，電熱爐溫度的超調(diào)量與穩(wěn)定狀態(tài)的誤差較小，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)的升溫和降溫處理，使系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)的能力提升，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

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