大林算法下的木材炭化模糊控制系統(tǒng)

張浩

摘要：隨著中國經(jīng)濟的增長和國民生活水平的提高，使得國家木材供需產(chǎn)量快速增加。隨著森林資源的短缺和環(huán)保經(jīng)濟觀念的加深，炭化木產(chǎn)品順勢走入了市場。根據(jù)木材炭化過程中存在的諸多問題，例如大滯后、非線性等，本文對模糊自適應PID控制、大林算法的原理以及適用性進行學習，并將其結(jié)合形成大林-模糊復合控制方法。這種控制方法采用模糊控制對PID控制器參數(shù)進行在線調(diào)整，使其參數(shù)具有時變的能力，提高系統(tǒng)的響應速度。加入大林算法的主要目的為了減小系統(tǒng)的超調(diào)和震蕩。然后針對炭化過程可能存在的可測干擾，引入前饋控制器。又針對系統(tǒng)會出現(xiàn)震蕩以及超調(diào)，用大林算法改進模糊前饋-反饋控制方法得到良好的效果。

關(guān)鍵詞：模糊自適應?PID;前饋-反饋;大林算法;大時滯;木材炭化

隨著中國經(jīng)濟的快速成長，大中型城市的建設逐步加快，以及鄉(xiāng)村改造陸續(xù)的開展，越來越多的人對家具木材的有了很大的關(guān)注。炭化木，受到了廣大人民的青睞。模糊控制自適應PID控制技術(shù)結(jié)合前饋-反饋控制和大林算法應用到木材炭化控制中，不僅可使木材炭化企業(yè)從中受益，而且對提高整個木材炭化業(yè)的自動化程度具有重要的現(xiàn)實意義。

1?炭化系統(tǒng)中模糊自適應?PID?控制器

木材的炭化過程主要分為?3個步驟：升溫階段;實際熱處理階段;潮濕回潮處理。鑒于此，根據(jù)木材炭化過程的非線性大時滯的特點，將模糊控制結(jié)合PID控制方法，來對炭化系統(tǒng)進行設計。

1.1模糊自適應?PID?控制方法的結(jié)構(gòu)

自適應PID控制器是將被控溫度誤差e和溫度誤差變化率作為輸入，利用專家總結(jié)的模糊控制規(guī)則對PID三個參數(shù)變化量進行在線修改，得到參數(shù)變化量△kP、△kI、△kD，再加上?PID?控制器初始設定值，進而通過?PID?控制器作用于被控對象，以滿足?不同時刻的?e和對PID參數(shù)時變的要求。

模糊?PID?控制器中各參數(shù)用如下方法計算：

其中：K'P、K'I、K'D為?PID?控制器的初始值，由經(jīng)驗進行設定。

綜合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，響應速度、超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，KP、KI、KD的在系統(tǒng)中的作用如下：

（1）?比例系數(shù)?KP主要是對系統(tǒng)的響應速度進行加快，調(diào)節(jié)精度得到提高。

（2）?積分作用系數(shù)KI?主要是對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進行消除。

（3）?微分作用系數(shù)KD?主要是對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行改善，它在系統(tǒng)運行過程中讓它維持穩(wěn)定，提前告知系統(tǒng)偏差變化，使系統(tǒng)不向任何方向波動。

2?炭化系統(tǒng)中大林模糊復合控制方法設計

大林算法的設計目的主要是針對具有一階慣性環(huán)節(jié)的時間滯后系統(tǒng)，它是先設計好閉環(huán)系統(tǒng)的響應再反過來對調(diào)節(jié)器進行求解的方法。設被控對象為帶有純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)，即：

式中：τ?為純滯后時間，T1為時間常數(shù)，K為放大系數(shù)。

大林算法的設計初衷是將系統(tǒng)的整個閉環(huán)期望的傳遞函數(shù)表示為一個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)一個延遲環(huán)節(jié)，即：

式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，純滯后時間?τ?和被控對象的純滯后時間相同，且與采樣周期T有整數(shù)倍的關(guān)系，即為正整數(shù)。一般系統(tǒng)中會帶有零階保持器，設為系統(tǒng)輸出，R（Z）為系統(tǒng)輸入，其所對應的期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：

則控制器為：

若已知被控對象的傳遞函數(shù)是帶有一階慣性環(huán)節(jié)的純滯后系統(tǒng)，則可得到數(shù)字控制器為：

如果消除全部可能引起振鈴的因子，則消除振鈴后的數(shù)學控制器為：

在設計大林算法的時候，我們對于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間關(guān)注的就不那么密切了，而是更加關(guān)注超調(diào)量和振鈴現(xiàn)象。

4總結(jié)

木材炭化的過程具有大時滯的特點，根據(jù)炭化過程特點，本文提出大林模糊復合控制方法，該方法抑制超調(diào)量效果更佳。模糊控制是一種非線性控制，它將專家總結(jié)的經(jīng)驗作為知識庫，形成模糊控制規(guī)則，作用于控制系統(tǒng)。前饋控制是開環(huán)控制，可以對可測干擾在剛開始作用時將其補償?shù)簦蛊渑c?PID?控制進行結(jié)合，可以?縮短干擾調(diào)節(jié)時間，減少反饋控制通過偏差進行調(diào)節(jié)的時間，大林算法主要可以彌補系?統(tǒng)的超調(diào)以及震蕩等問題。本文將幾種控制器進行結(jié)合，形成大林模糊復合控制器，進行互相彌補，使其更好的適應炭化控制系統(tǒng)。

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