基于PKS 的模糊PID 控制在DTDC 脫溶層溫度系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫明革 趙俊銘

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林132022）

1 模糊PID 控制算法

模糊PID 其實(shí)質(zhì)就是依據(jù)建立的知識(shí)庫(kù)和控制器采集的實(shí)際反饋情況，進(jìn)行模糊推理運(yùn)算，對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整。模糊PID控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 模糊PID 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 基于PKS 系統(tǒng)的模糊PID 功能塊設(shè)計(jì)

PKS 系統(tǒng)中提供了用戶(hù)自定義功能塊（CAB）的功能。用戶(hù)可根據(jù)控制要求獨(dú)立開(kāi)發(fā)功能塊，本文就是應(yīng)用該功能實(shí)現(xiàn)的模糊PID 控制器。用戶(hù)自定義功能塊的開(kāi)發(fā)環(huán)境為微軟的Visual Studio[2]、編程語(yǔ)言為VB.NET、運(yùn)行平臺(tái)為C300。

2.1 模糊PID 功能塊開(kāi)發(fā)。本文選擇兩輸入三輸出的Mamdani型的模糊控制器[3]。其輸入分別為偏差、偏差變化率，輸出分別為比例、積分、微分的增量。模糊PID 算法程序構(gòu)架圖如圖2 所示。

圖2 模糊PID 算法程序構(gòu)架圖

2.1.1 模糊化。模糊化過(guò)程其實(shí)就是將系統(tǒng)的輸入值轉(zhuǎn)化成語(yǔ)言值，并確定語(yǔ)言值的隸屬度。本文輸入輸出均選擇7 個(gè)等級(jí)的語(yǔ)言值，在PKS 程序中用-3、-2、-1、0、1、2、3 表示。輸入輸出隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)，并且隸屬度函數(shù)曲線均一致,隸屬度函數(shù)如圖3 所示。在功能塊程序編寫(xiě)中，采用分段式一元一次方程表示隸屬度函數(shù)。

圖3 隸屬函數(shù)曲線

2.1.2 模糊控制規(guī)則表。本文模糊PID 的控制規(guī)則是根據(jù)PID參數(shù)整定的方法和操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的。在程序中模糊控制規(guī)則用二維數(shù)組表示，該方法能夠方便找出輸出子集，其中偏差變化率為行，偏差為列，對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值為輸出子集。模糊控制規(guī)則程序如下所示：

2.1.3 解模糊化。經(jīng)過(guò)模糊推理后，輸出的是控制量對(duì)應(yīng)的模糊集合，但是在實(shí)際應(yīng)用中被控過(guò)程須用確定值進(jìn)行控制。所以需要在輸出模糊集合中，選取最能代表的隸屬度函數(shù)，計(jì)算其精確值，該運(yùn)算過(guò)程就是解模糊化。本文選擇最大隸屬度平均法解模糊化，表達(dá)式如公式1 所示。

解模糊化計(jì)算結(jié)果為PID 參數(shù)的增量，還需加上初始值才為參數(shù)的調(diào)整值，計(jì)算公式如公式2 所示。

公式中K'P、K'I、K'D為參數(shù)的初始值，ΔKP、ΔKI、ΔKD為參數(shù)的增量。

2.1.4 計(jì)算控制器輸出值。計(jì)算出參數(shù)調(diào)整值后，根據(jù)PID 算法計(jì)算輸出值。本文PID 算法采用位置式類(lèi)型，其公式如3 所示[4]。

2.2 模糊PID 功能塊組態(tài)。根據(jù)上述控制器設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)模糊PID 功能塊。功能塊在控制回路中應(yīng)用，還需進(jìn)行控制策略組態(tài)，其組態(tài)如圖4 所示。

以工程應(yīng)用角度出發(fā)，功能塊還添加了手自動(dòng)切換、算法切換兩種功能。其中START_A 為手自動(dòng)切換按鈕，START_P 為算法切換按鈕。

2.3 模糊PID 上位機(jī)畫(huà)面組態(tài)

為了方便參數(shù)配置，添加上位機(jī)參數(shù)設(shè)定功能，參數(shù)配置畫(huà)面如圖5 所示。

圖4 模糊PID 功能塊組態(tài)

圖5 參數(shù)配置畫(huà)面

圖中EN、ECN、KP、KI、KD、KPN、KIN、KDN 分別表示偏差量化因子、偏差變化率比例因子、比例的初始值、積分的初始值、微分的初始值、比例的比例因子、積分的比例因子、微分的比例因子。

3 DTDC 蒸脫機(jī)脫溶層溫度模糊PID 控制系統(tǒng)仿真

圖6 仿真曲線

從圖中可以看出，系統(tǒng)超調(diào)量較小，并且能夠快速達(dá)到穩(wěn)定，由此可見(jiàn)系統(tǒng)具有較好的魯棒性能。

4 結(jié)論

本文在PKS 系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)模糊PID 功能塊，該功能塊能夠?qū)崿F(xiàn)手自動(dòng)切換、算法切換、上位機(jī)參數(shù)配置等功能，能夠滿(mǎn)足工業(yè)上的需求。在PKS 系統(tǒng)中搭建DTDC 蒸脫機(jī)脫溶層溫度控制仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表示，系統(tǒng)的魯棒性能較好，并且也證明了模糊PID功能塊的可行性。