模糊PID控制设计（精选12篇）
模糊PID控制设计 第1篇
PID控制器是工业应用领域中非常常见的一种控制器, 在该控制器内通过比例控制器、积分控制器和微分控制器可以实现对大量非线性问题的精确控制[1~3]。而且PID控制器其实现原理由于内部包含了积分控制器和微分控制器, 因此所产生的控制过程既可以对历史阶段产生的误差进行综合控制, 也可以对未来可能的误差趋势进行预测[4,5]。因此应用PID控制器在很多工业领域中得到了广泛的应用。
然而PID控制器在应用过程中最核心的问题是如何对控制器的控制参数进行设定。传统应用过程中PID控制器参数往往是根据经验进行调整和设定的, 其控制的精度和对阶跃信号的响应能力往往不够理想[6]。为了提高PID控制器的控制精度, 国内外有很多学者针对PID控制器开展了深入的研究也提出了很多智能性的PID控制器, 比如:王述彦, 师宇, 冯忠绪等分别研究了PID控制和模糊控制的基本原理后, 将两者进行结合, 设计了模糊PID控制器, 并重点研究了模糊PID自整定的控制方法。详细分析了模糊控制汇中模糊规则和模糊推理的实现过程[7]。杨世勇、徐国林等在对常规PID控制器和一个基本模糊控制器进行对比分析的基础上, 设计了一个模糊PID的复合控制器, 该控制器分小误差和大误差两种输出特征, 采用不同的控制方式, 已满足调节速度、精度和稳定性的要求[8]。朱颖合, 薛凌云, 黄伟等人针对工业应用中非线性和时变性的系统, 设计了一个自组织调整因子的模糊PID控制器, 该控制器采用归一化加速度参数来衡量系统响应速度, 以此作为PID控制器参数调节的重要影响因子。能够适用于调节范围较大的动态应用系统[9]。
本文结合PID控制器应用领域中往往设计很多模糊不确定的参数, 引入了基于模糊理论的PID控制器设计方案, 以此提高PID控制器的控制精度和参数调整的智能程度。
1 模糊控制原理
1.1 模糊集合隶属函数的计算
对于任意一个给定论域空间Y, 在论域Y上定义若干个集合S1, S2, ..., Sn, , 论域空间Y中的任意一个元素yi并非完全属于某个集合, 而是在一定程度上属于论域中定义的不同集合Si, 此时集合S1, S2, ..., Sn, 中的任意一个都称为模糊集合, 记为S~, 1S~2, ...S~n, 。对于任意一个给定集合S~i, 元素和模糊集合的之间的关系均可视为是论域空间Y中的元素yi在[, 0]1空间上的一种映射, 记为S~i:Y[, 0]1。其中元素yi属于该集合的映射关系定义为隶属函数fS~i (yi) , 该函数满足式 (1) 定义。
式中求和表示遍历yi的所有样本值, |yi∈S~i|表示对样本值yi是否属于S~i进行判断, 判断结果由式 (2) 计算得到。
通过对元素yi的所有出现的样本进行统计, 分别记录yi出现的数值与yi所属的模糊集合S~i, 根据统计结果, 可以得到各个模糊集合对应于论域Y中任意一个元素的隶属函数数值, 采用函数模拟的方法, 可以由样本统计的方法计算得到函数表达式。
1.2 基于模糊控制的PID参数整定原理
根据模糊控制的应用理论, 本文设计了如图1所示的基于模糊控制的PID参数整定方案。由于对PID控制器进行模糊控制的时候最关键的是对PID控制器的控制参数进行智能调整, 因此本文设计的PID参数整定方案中将通过模糊推理模块实现PID控制参数的整定, 而模糊推理又是基于预先设置的模糊规则来实现对PID控制参数的智能调整。从图一可以看出模糊推理和模糊控制规则是整个PID参数整定中的核心模块, 在本文设计的参数整定方案中, 模糊规则是依赖于预先选定的大量样本数据进行训练, 通过训练形成模糊控制规则[10], 之后利用本文设计的PID整定方案在工作过程中为了提高模糊控制的控制精度, 选取了PID控制器产生的误差、误差变化率以及误差变化的变化率三个参数来分别进行模糊化并作为模糊推理的输入条件。其中在本文所选定这三个需要进行模糊化的参数中, PID控制器产生的误差可以通过对实际应用系统中的控制参数和预期控制参数之间的差值进行计算, 和误差的变化率则可以通过对误差函数的一次微分得到, 而误差变化的变化率则可以通过对误差函数的二次微分来实现。根据实际的应用经验和大量统计数据表明, 对于绝大多数的非线性控制问题采用误差的一次微分和二次微分作为模糊推理的输入的条件, 足以获得足够高的模糊控制精度, 能够有效的实现对PID控制参数的自动调整[11,12]。
2 基于模糊控制的PID参数整定
2.1 模糊控制规则
应用模糊理论进行控制也是将模糊理论进行实例化的过程。首先需要分别确定模糊控制理论中的论域、元素以及模糊集合。其中论域和元素关系是十分紧密的, 理论上论域和元素可以选取被控系统中物理量, 但是随着人们对模糊控制系统的响应精度、速度等都提出了越来越高的要求, 因此论域和元素选取时, 往往是抽取一般意义的参数进行描述, 所抽取的参数与被控系统中物理量之间通过影响因子进行映射[13]。选定模糊控制的论域、元素之后, 将确定模糊控制器的模糊集合, 选定模糊集合之前需要设定模糊控制器的输入输出变量集合。一般而言, 模糊控制器的输入输出变量数目越多, 所能实现的模糊控制精度将越高, 但所需要耗费的计算资源也越高。模糊控制器的输入输出变量数目越少, 计算速度快, 所实现的控制器能够在更短的时间内做出反应, 但是所得到的控制精度也将越低。
目前针对模糊控制器设计的输入输出量一般选取7个档次, 分别记为NB, NM, NS, O, PS, PM, PB。对每个档次的输入变量建立模糊控制规则, 控制规则的表达形式主要包括六种:
1) if (x) theny
2) if (x) thenyelsez
3) if (xandy) thenz
4) if ( (xory) and (porq) thenz
5) (if (x) thenz) and (if (y) thenz)
6) (if (x) thenz) or (if (y) thenz)
可以证明上对于任意的控制应用, 都可以由这六条控制规则进行描述。
对于其中任意的控制规则表达式, 为了更好地进行控制, 往往可以建立控制决策表的形式进行描述, 本文给出了依照控制规则3的形式给出的控制决策表, 如表1所示。
2.2 控制规则的模糊化
表1给出的是模糊控制的一个决策策略, 其只给出的输出值也是一个模糊集合, 在对具体应用系统进行控制时, 需要将各个输入的精确量映射到模糊集合中, 再根据模糊控制决策表, 产生模糊控制量。但由于对给定应用系统, 其输入量往往不是离散的, 而是由大量连续变量所组成, 因此若对每个离散值都进行模糊化, 则会产生大量的模糊集合, 从而导致计算量过大, 因此在模糊化的过程往往采用图形化的方式进行模糊化。对于一给定的物理控制量, 图2给出了模糊化后的隶属图。
3 仿真与测试
为了验证模糊控制理论对PID控制参数的调整效果, 本文对设计了基于模糊控制理论的PID控制器进行了仿真测试, 在仿真测试环境中, 分别对PID控制器的响应速度和对阶跃信号响应能力分别进行了测试, 测试结果如图3、图4所示。
图3给出的是对PID控制器的响应速度测试结果, 在该图中的测试结果中分别描述了传统的PID控制器的响应速度和本文设计的基于模糊控制理论的PID控制器的响应速度。从图中可以看出采用传统PID控制理论所设计的PID控制器从起动到进入稳定的状态经历了大约17.6秒, 而本文设计的基于模糊控制理论的PID控制器从起动到进入稳定的状态所经历的时间大约为9.1秒, 由此可见, 本文设计的PID控制器比传统的PID控制器在响应速度上要明显的更优。
图4反应的是对PID控制器的阶跃信号响应能力的测试结果, 同样选取了传统PID控制理论所设计的控制器与本文应用模糊控制理论所设计的PID控制器进行对比实验。从实验过程中可以看出, 当两个PID控制器都进入了稳定状态之后, 再选取同样的时间点作为测试起点时间, 在测试时间t等于10秒时, 对PID的应用系统中施加了一个外部阶跃信号, 由于阶跃信号的干扰, 使得PID控制器的实际响应结果与预期响应结果发生较大偏差, 此时可以看出, 传统的PID控制器在输出的控制信号上产生了较大的波动, 而且经历了1秒多钟的震荡时间之后才逐步重新进入平稳状态。而本文设计的基于模糊控制理论的PID控制器只产生了一个非常微小的波动, 而且PID控制器的输出信号很快恢复了稳定状态。由此可见, 本文设计的基于模糊控制理论的PID控制器对阶跃信号具有较强的承受能力。
4 结论
模糊PID控制设计 第2篇
频率特性法和PID控制是光电跟踪控制系统中普遍采用的方法,对于稳态过程它们具有良好的控制性能,但对控制环境以及目标状态发生较大变化时却无法处理.介绍一种既能改善控制系统的过渡过程、减小超调量,又能保证系统跟踪精度的模糊PID控制算法,并给出了相应的`实验数据.实验结果表明,模糊PID控制可显著改善控制系统对高速动态目标的捕获跟踪能力,提高跟踪精度,增强系统的鲁棒性.
作 者：侯宏录 周德云 王伟 国蓉 HOU Hong-lu ZHOU De-yun WANG Wei GUO Rong 作者单位：侯宏录,HOU Hong-lu(西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710072;西安工业大学,光电工程学院,陕西,西安,710032)周德云,ZHOU De-yun(西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710072)
模糊PID控制设计 第3篇
关键词：PID；模糊控制；饲喂装置；温度控制；奶牛
中图分类号： S818；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0492-03
收稿日期：2014-11-25
基金项目：新疆生产建设兵团科技支疆项目（编号：2013AB024）。
作者简介：张东虞（1980—），女，贵州铜仁人，硕士，讲师，主要从事智能化检测与自动控制技术研究。E-mail：zdy800809@163.com。
通信作者：曹卫彬，博士，教授，主要从事农业机械化研究。E-mail：cwb-mac@shzu.edu.cn。奶产业作为畜牧产业的一种，具有高效率、高效益双重特点，在现代农业中占据非常重要的地位，一个国家的牛奶产量和人均占有量是衡量一个国家经济发达程度和综合国力的重要指标。因此，奶业是世界各国发展经济的重要产业之一，在发达国家，奶业产值比重占到了畜牧业总产值的30%左右。而在我国奶业现阶段还处于粗放发展阶段，与奶业发达国家相比，仍然存在如下问题：（1）我国的奶牛养殖技术仍然落后，自动化程度较低，装置比较落后；（2）养殖规模化程度低，散户养殖占大多数比例，导致单产水平低、饲养管理水平落后、奶牛的品种问题很难提高等问题。分析表明，奶牛品种和饲养管理水平的问题影响整个奶业比例分别占30%、70%。而在饲养过程中，饲养条件的优劣直接影响奶牛的产奶量和牛奶品质。因此，如何提高奶牛的饲喂技术，将成为我国奶业发展急需解决的问题[1-2]。
我国新疆、内蒙古、河北、甘肃等奶牛养殖大省（自治区），冬季气候寒冷，在冬季进行奶牛喂养过程中，饲料温度过低，影响奶牛的饲喂质量，因此本研究在现有的精准饲喂装置基础上，设计了一种基于模糊自整定PID控制的温控系统应用于广大北方地区的奶牛精准饲喂装置中。
1饲喂装置温控系统对温度控制的要求
温控系统中电加热系统具有较大的纯滞后、非线性和惯性滞后等问题，常规的PID控制算法简单，是在某一特定的条件下整定完成，对于线性稳定的控制对象非常有效，而对于工况时常发生改变的过程，PID的参数很难适应不同的变化过程，而温度控制属于非线性、时变和大滞后过程，传统的PID难以实现精准控制。
本系统采用模糊自整定理论的PID控制器，该控制器以单片机AT89C52作为现场控制装置，通过编写单片机程序来实现控制要求，根据误差e和误差率de对PID进行在线调节，具有较好的动态调节性能和鲁棒性[3-4]。
1.1热电偶的温度控制
如图1所示，根据控制要求利用单片机AT89C52为核心控制元件，通过设置温度控制点，采用PT 100温度传感器采集现场温度信号，实时传送至MAX 6675热电偶信号转换器，该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，直接输出温度的数字信号，与单片机接口连接并采用动态扫描显示方式，使硬件电路大大简化，既降低了成本，又提高了系统可靠性和抗干扰性；整个温控系统通过单片机与PT 100温度传感器以及执行装置交互作用实现温度的智能控制。
1.2加热板的温度控制
该温控系统采用硅橡胶加热板作为加热装置，硅橡胶加热板的主要材质是镍络合金电热丝、硅橡胶高温绝缘层，硅橡胶绝缘层的主要材质是硅橡胶与玻璃纤维布，由两者复合而成，形状呈薄片状，具有柔韧性好、强度高的特点，并且尺寸可以根据系统装置的需要进行定制，具有加热迅速、温度分布均匀、热转化率高、机械强度高、使用方便、安全、寿命长、不易老化等优点。此加热板可以直接与被加热物体紧密接触，加热功率为0.5～0.7 W/cm2。该温控系统选择此加热板作为加热装置非常适合。
PT100温度传感器采集到加热板的温度信号，通过MAX6675控制器将信号传送至单片机，根据系统设置的温控点，单片机通过模糊自整定PID控制运算，将采集信号传输至固态继电器执行，对加热板进行控制。温度低于设定温度时，加热板开始加热，温度高于设定温度时，系统报警，加热装置停止加热，从而使整个温度保持恒定。
2模糊自整定控制的设计
2.1Fuzzy-PID设计
应用PID控制，首先要确定被控对象的数学模型，根据温度偏差e作为输入量，通过计算，驱动执行机构减小误差，从而使被控对象趋于稳定，PID计算式如下：
PID参数模糊自整定是找出PID中3个参数与e和ec之间的模糊关系，在控制系统运行中循环计算e和ec的值，根据模糊控制原理（图2）对Kp、Ki和Kd中的3个参数进行在线修改，满足不同e和ec对控制参数的不同要求，使被控对象的动态、静态性能保持良好的状态。系统整定应从以下几个方面进行综合考虑：（1）系统整体的稳定性；（2）系统的响应速度和响应时间；（3）系统参数的超调量；（4）系统稳态时的精度等方面[5]。
Kp、Ki和Kd3个参数的作用分别是：（1）比例系数Kp：加快系数响应速度，提高系统调节精度；（2）积分系数Ki：消除系统稳态误差；（3）微分系数Kd：改善系统动态特性[6]。
总结人工整定经验，结合操作历史数据和理论分析结果，可归纳出e和ec与Kp、Ki和Kd 3个参数间存在如下关系[7-8]：（1）当︱e（k）︱较大时，加热系统响应速度快，系统应设置较大的Kp，从而减小系统的时间常数和阻尼系数。当然Kp也不得设置过大，否则整个系统将不稳定；为避免在系统刚开始工作时，引起超范围控制作用，Kd值应设置较小，使系统响应加快；为避免系统出现较大的超调量，积分作用可以除去。（2）当︱e（k）︱处于中等大小时，系统应设置较小的Kp，使系统响应的超调量稍小；整个系统中Kd的取值较为关键，为了使整个系统的响应速度得到保证，Kd的取值要恰当；此时Ki取值可适当增加一点，但不得过大。（3）当︱e（k）︱较小时，为使系统达到良好的稳态性能，Kp和Ki的取值可以较大，为避免系统在平衡点出现振荡，Kd的取值要恰当。
nlc202309021428
2.2模糊控制规则的建立
本系统采用温度误差e和误差变化率ec作为输入语言变量，温度控制量u作为输出语言变量，模糊控制规则就是对参数Kp、Ki和Kd进行调整的规则。针对该系统的控制要求和特性，可以列出响应的参数Kp整定规则如Kp的模糊规则表（表1）。
2.3模糊控制算法的程序实现
温度误差e有下列3种情况：（1）e≥5 ℃，取值为 +5 ℃；（2）e≤-5 ℃，取值为-5 ℃；（3）-5 ℃ 3饲喂装置温控系统的软件系统设计 3.1温度控制的软件设计模块 系统软件设计主要3大模块。（1）温度采集模块：MAX 6675 热电偶信号转换器的输出作为单片机的外部中断0输入，根据高电平的时钟周期个数判断温度值。（2）信号输入模块：根据采样值和温度设定值，通过模糊自整定PID算法，改变输出型号的占空比来控制继电器的通断。（3）输出模块：包括显示程序、键盘输入程序以及报警装置等。 3.2温度控制的软件流程 温度控制的系统软件流程如图3所示。 3.3温度控制模糊自整定PID算法的软件实现 本系统采用数据处理且人机交互能力强的C51作为开发语言，利用MAX6675热电偶信号转换器与单片机进行通信，实时对现场温度信号进行读取。整个温控系统的软件编写首先需要设定加热的目标温度T（k），系统开始加热后，实时对温度数据t（k）进行采集，同时对温度数据加入PID算法中计算。通过比较实时温度和目标温度之间的误差，计算出e和ec。程序在执行该步骤后，调用模糊PID自整定模块，通过模糊控制规则的查表、运算及结果的处理，完成PID参数的在线自整定。 4结论 本研究根据奶牛饲喂装置的温控要求，设计了利用单片机AT89C52作为模糊自整定PID现场控制装置对温度进行智能控制。通过现场测试，采用模糊自整定PID系统整定的Kp、Ki和Kd的参数值对温度控制具有结构简单、软件实现容易、编程量小、系统性能稳定、控制精度高等优点。 参考文献： [1]贾建新，孙中才. 我国奶业发展的现状、问题及对策[J]. 动物科学与动物医学，2004，21（2）：6-8. [2]刘涵，胡海林. 我国奶业现状与发展趋势分析[J]. 中国乳业，2006（7）：17-19. [3]李凤林，庄威. 我国乳业现状分析及今后发展对策[J]. 吉林农业科技学院学报，2006，15（2）：21-23. [4]车玉媛，曹有才. 影响奶牛产奶量的因素[J]. 养殖技术顾问，2008（9）：9. [5]张泾周，杨伟静，张安详. 模糊自适应PID控制的研究及应用仿真[J]. 计算机仿真，2009，26（9）：132-135. [6]刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2006. 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[8]席爱民. 模糊控制技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2008.赵建敏，赵忠鑫，李琦. 基于Kinect传感器的羊体体尺测量方法[J]. 江苏农业科学，2015，43（11：495-499. 焦炉是焦化生产的主要设备, 保证集气管压力的稳定是焦炉正常生产的主要指标。本文采用的控制方法是将模糊控制和PID控制结合起来, 运用模糊控制的基本原理和方法, 实现对PID参数的最佳调整, 也就是模糊-PID控制。 1 焦炉集气管模糊-PID参数自整定控制系统设计 模糊控制系统是一种自动控制系统, 它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础, 采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。 定义Kp, Ki, Kd参数调整算式如下: 式中Kp, Ki, Kd是PID控制器的参数, Kp0, Ki0, Kd0是Kp, Ki, Kd的初始参数, 它们通过Zigeler一NICholS设定公式得到, 然后将它们模糊化得到E和EC, 通过查询Fuzzy调整矩阵即可得到Kp, Ki, Kd三个参数的调整量△Kp, △Ki, △Kd以完成对控制器参数的调整。 本系统采用的PID初始参数的设定方法为Ziegler-Nichols, 整定公式为 24 () sG s e本系统中控制对象的传递函数为:iTdpd 通过上述设定公式得到: 确定E、EC的模糊论域为: 误差和误差变化率的模糊量 (语言变量) E和EC的模糊子集分别为: 式中N表示负、P表示正、B、M、S、Z0分别表示大、中、小和零。 模糊控制规则表的每一条语句都决定一个模糊关系, 它们共有49条, 例如R1、R49计算为: 通过49个模糊关系Ri (i=1, 2, 3, , 49) 的“并“运算, 可获得调整参数控制规则的总的模糊关系R, 即 以上模糊关系运算均可离线进行。如果偏差和偏差变化率分别取E和EC, 49R R R R R R 用重心法解模糊有: 对于每一组输入变量E、EC, 应用以上规则和推理方法, 可得出对应的△Kp、△Ki、△Kd。 2 基于MATLAB对控制系统的仿真和分析 参数自整定PID控制器参数△Kp、△Ki、△Kd随时间t变化曲线如图2.1~2.3所示。 参数自整定PID控制器参数△Kp、△Ki、△Kd随时间t变化曲线, 如图2.1~2.3所示。可以看出△Kp、△Ki、△Kd在20s后都趋近于0。 3 结论 从以上仿真分析可以看出, 在线参数自整定模糊PID控制, 虽然有效抑制了控制初期系统的超调量, 但是调节时间变化不是很大, 还需要改进这一控制系统, 使调节时间缩短。 参考文献 [1]张铭钧.智能控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2006. [2]李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京:电子工业出版社, 2005. 《模糊控制》课程 实验教学设计方法 李士勇教授 Harbin Institute of Technology 2005.11 文件20 《模糊控制》课程实验教学设计方法 一、问题的提出 模糊控制课程作为黑龙江省精品课程，是由哈工大航天学院控制科学与工程系面向自动化专业开设的一门专业课，在自动化专业课程体系中，占有重要地位。 模糊控制教学，在形式上分为理论课教学和实验课教学，二者是一个有机的整体。内容上它们既有联系，又有差别；教学上它们既一致，又各有侧重点；理论与实践上它们相辅相成。然而，伴随着精品课程建设的不断深入，素质教育理念的确立，原有模糊控制课程的教学，无论是理论教学，还是实验教学都明显地缺少科学素质教育的核心内容之一——科学方法教育的支持。 素质教育泛指对学生各方面修养、能力的综合培养；科学素质教育是指对学生发现问题、分析问题、解决问题以及知识更新能力的综合培养。 模式泛指可以使人模仿的标准样式、某种规范的结构或者框架。 方法论教育有两个层次。一个是一般的、共性的、概括性的方法论教育，即哲学方法教育；另一个是特殊的、个性的、具体的方法论教育，如科学方法，思维方法和工作方法等。这两个层次的方法统一于辩证法、认识论和方法论，它们之间既相互区别、又相互联系、相互包含，并且还会在一定条件下相互转换。本文所指科学方法专指具体的逻辑思维方法、创造性方法、研究方法和科学研究成果组织与表达方法（即写作方法）。 本文所指实验设计是指在正式进行科学实验之前，实验者根据一定的目的和要求，运用相关的科学知识、实验原理，科学方法对实验过程中的材料、手段、方法、步骤和策略等全部要素进行定制，以获得优化实验方案的过程。 科学素质教育模式下的理论教学设计应该是原有理论教学设计再加上科学方法的教学设计；而由于实验教学设计的核心内容是实验设计，所以实验教学设计应该是在原有实验设计基础上再加上科学方法的教学设计，并按一定的原则和方式对其进行重新组织。只有这样，才能满足精品课程建设的高水平要求，才能充分体现出素质教育，特别是科学素质教育在人才培养中的重要作用。 基于上述讨论，本文探讨科学素质教育模式下的实验设计问题。有关科学素质教育模式下的理论教学设计问题，限于篇幅将另文讨论。作者认为，尽管目前的素质教育还处于理念的层次上，但是积极探索、研究并着手解决这两个问题将是一件很有意义的事情。值得注意的是，上述问题的提出，也间接说明了各学科专业有结合自己学科专业特点独立开展科学方法教育的趋势。 二、实验设计的基础 1、模糊控制实验的定义 模糊控制实验的定义符合一般科学实验的定义，即人们根据一定的科学研究目的、运用科学仪器或设备等手段，在人为控制或模拟研究对象的条件下，获得科学事实的过程。 科学事实是指通过观察和实验所获得的经验事实，是指对客观事实的感知、描述和记录，作为观察和实验的结果反映到人们的意识中。科学事实一般可为两类：一类是指客体与仪器相互作用结果的表征，如观测仪器上所记录和显示的数字、图像等；另一类是指观察和实验所得结果的陈述和判断。科学事实属于认识论的范畴，是科学研究的基础。 科学实验在科学研究中除了具有明确的目的性和主动性以外，还具有重要的作用，表现在两个方面，首先它是检验理论、原理真理性的标准，是证明科学知识的手段；其次它是获得新假说、新理论的直接来源，是发展科学知识的手段。作者指出，从科学素质教育角度来看，科学实验还是科学方法与实验技能训练的手段。 2、模糊控制实验遵循的一般科学研究方法 模糊控制实验遵循的一般科学研究方法： （1）根据经验或现象的观察提出或确定问题，树立研究目标；（2）观察并记录有关的数据、资料； （3）根据观察数据提出解释性假说，以解释观察到的现象； （4）根据假说进行推演，构造理论体系，同时提出判决实验方案；（5）用实际的实验对假说进行检验； （6）根据实验所得结果，接受、修改或放弃假说。 上述具有归纳特点的科学研究方法，适用于一切科学研究过程，并得到科学界的广泛认可。由此可以看出，要想进行科学实验，首先要对研究对象所表现出来的现象提出某种可能的解释。也就是提出某种设想或假说，然后设计实验来验证这个设想或假说。本文把这种科学实验称为一般意义上的科学实验，它的内涵仅限于科学事实的验证和发现。 与上述一般意义上的科学实验不同，科学素质教育模式下的模糊控制实验已不再局限于一般意义，而是被赋予了明显的方法论意义。此时的实验不仅会被当作科学事实验证和发现的手段，而且还会被当作一种科学方法与实验技能训练的手段。当把它当作训练手段使用时，强调的是人在整个实验过程中的主体意识（动脑）与主体行为（动手）。这一过程包括实验准备、实验设计、实验实施、实验控制以及实验结果处理等实验的各个阶段。例如，我们可以在科学方法方面进行如下问题设计： （1）什么是科学问题？如何定义科学问题？定义科学问题的方法有哪些？（2）什么是科学事实？如何获取科学事实？获取科学事实的方法有哪些？（3）什么是设想或假说？如何提出设想或假说？提出设想或假说的方法有哪些？ （4）什么是理论体系？如何构造理论体系？构造理论体系的逻辑方法有哪些？（5）什么是判决实验？如何设计判决实验？判决实验的设计方法有哪些？对判决实验进行控制的方法有哪些？保证判决实验结果精确性的方法有哪些？（6）什么是设想或假说检验？如何进行设想或假说检验？除检验的实验方法外，检验的理论方法有哪些？确保检验的权威性或可信性的方法有哪些？如何进行佐证？ （7）如何对实验结果进行分析？实验结果的分析方法有哪些？ （8）根据实验结果，如何接受或放弃设想或假说？修改设想或假说的方法有哪些？修改后的设想或假说上升为理论后，其应用范围或领域有哪些？结论是否还能再精确一点？表述再简单一点？应用更方便一点？ （9）如何组织表达或表述所获科学研究成果？组织表达或表述科学研究成果的方法有哪些？（10）上述各个步骤中所包含的方法、原理、手段、措施还能否应用于其他方面？还能解决什么其他问题？ （11）能否归纳、总结并说明上述各个步骤中所包含的逻辑思维方法、创造性方法、研究方法和写作方法？它们各有什么作用？他们之间的相互区别、联系是什么？ 3、模糊控制实验的分类 可以按照科学实验的定义、目的、作用、性质、用途和方式等对其进行分类。依据实验的作用进行分类，模糊控制实验可分为验证性实验、探索性实验、综合性实验和训练性实验四大类。验证性实验则用于知识证明或知识迁移；探索性实验用于科学发现；综合性实验则既包含知识发现也包含知识证明；训练性实验则是把实验作为训练手段而使人们通过它掌握科学方法与实验技能。依据实验的性质进行分类，模糊控制实验可分为模拟控制系统实验、数字控制系统实验、非线性控制系统实验等等。 二、实验设计的原则 虽然模糊控制实验可以划分成不同类型，但是它们的设计程序或实验过程却是大致相同的。依据一般科学研究方法进行实验规划时，实验的基本过程可分为三个阶段：一是准备阶段；二是实施阶段；三是结果处理阶段。其中准备阶段的实验设计是整个研究过程中极其重要的环节，它不仅影响实验能否得到科学的结果，而且关系到实验的人力、物力和实验经费的合理性等。因此，应按一定的原则进行实验设计。 1、安全性原则 无论什么实验都应在安全、可靠的环境下进行，要确保实验人员、环境的绝对安全。这是任何实验都必须满足的先决条件，模糊控制实验也不能例外。 2、科学性原则 所谓科学性是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离本学科专业基本知识、基本原理以及其他相关学科领域的基本原则。 3、可行性原则 可行性原则是指在设计本学科专业实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都具有可行性。 4、简便性原则 设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，消耗品、易耗品比较便宜，实验操作过程比较简单，实验步骤比较少，实验时间比较短。 5、可重复性原则 重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则，多年来为研究者所公认。因此，在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验都必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，所获结论可信度极差。可重复性是进行一切科学实验所必须满足的条件。 6、方法论原则 当把科学实验作为科学方法训练手段使用时，就应在两个层次上考虑方法论原则。在哲学方法层次上要依据方法论中所贯穿的辩证法精神及其基本原则，认识论中感性认识、理性认识与实践之间的准则关系等进行方法论问题设计并加以检验；在科学方法层次上要依据实验中可能用到的具体的逻辑思维方法、创造性方法、研究方法和科学研究成果组织与表达方法进行方法论问题设计并加以检验。只有这样，才能突出和强化科学实验在科学素质教育中的作用。 三、实验设计的内容 根据模糊控制实验的定义及其分类，科学素质教育模式下的模糊控制实验设计的内容应有利于下述目标的实现。 1、有利于通过实验证明知识； 2、有利于通过实验实现知识的迁移； 3、有利于通过实验发现知识； 4、有利于通过实验建立知识体系（理论体系）； 5、有利于通过实验训练，掌握科学方法。 基于上述目标，一个较为完整的模糊控制实验设计，应包含以下几方面的内容： 1、确定实验题目； 2、提出实验验设想与假说； 3、确定实验方法和实验步骤（包括实验过程控制以及重复、随机和对照等实验策略的制定）； 4、提出实验预期结果； 5、确定要观察、记录和搜集的数据及其方法； 6、确定数据预处理的内容与方式； 7、确定数据分析的内容与方法； 8、实验报告格式、内容及其编写（填写）要求的设计； 9、上述各项内容中所包含的有关的具体的方法论问题设计。 与此相对应，能够体现上述设计思想与内容的模糊控制实验报告一般应具有如下结构： 1、实验题目； 2、实验目的（验证、探索、综合和训练）； 3、实验要求（实验前、实验中及实验后）； 4、实验原理（隐含实验假说和实验预期）； 5、实验设备、仪器与材料； 6、实验内容； 7、实验方法与步骤（隐含实验类型、实验控制及实验策略）； 8、实验结果（实验数据）； 9、实验结论（数据分析、比较和评价等）； 10、实验讨论与思考。 四、实验设计实践 在精品课程建设过程中，在精品意识和科学素质教育理念的推动下，模糊控制实验设计的目标已发生了根本性转变。实验设计目标已从过去单一的验证性实验设计目标向验证性实验、探索性实验、综合性实验和训练性实验目标群迈进。这一目标群的建立，一方面使得模糊控制实验不再是知识的简单验证、再现和迁移；另一方面也使得实验指向了未知的过程、科学方法的训练以及实验技能的培养。同时，这一目标群的建立，也为营造学生人人动手和人人动脑的科学实验研究气氛，改善实验条件和实现模糊控制“用理论指导实验，用实验深化理论”的良性循环提供了良好的契机。 关键词：全闭环伺服系统；位置控制；模糊PID；超声探伤 引言 棒材送料伺服系统是设计的超声探伤装置的重要组成部分，是由交流伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，来带动液压夹具组件在导轨上移动，而液压夹具夹持棒材在滚筒上移动，棒材由探头进行内部探伤，探测到棒材有内部缺陷时发生报警信号并通过运动控制卡给伺服电机发出停止脉冲指令，在液压夹具组件上安有光栅尺作为该伺服系统的位置反馈装置。为满足探伤过程中对缺陷位置的定位精度要求，棒材送料伺服系统的稳态精度应较高，以及棒材输送过程中需要频繁的启动，响应要快速。为提高伺服系统的性能，采用全闭环的模糊自适应PID控制器作为位置控制器，将机械传动装置考虑在位置环之内，通过反馈回路的耦合与电气伺服系统形成综合的机电系统，研究机械传动对位置控制的影响。 1.伺服系统全闭环数学模型 棒材送料传动装置的结构见图1。 图1 棒材送料装置的结构简图 其中θ_m为电动机轴的输出转角，J_1 〖、K〗_1为电动机轴及其上联轴器的转动惯量和扭转刚度，K_2 、J_2、θ_L、M_D为滚珠丝杠的扭转刚度、转动惯量、转角和折算到丝杠上的摩擦转矩，m、c、K_3为液压夹具组件的质量、导轨间的阻尼系数、滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，f为棒材与滚筒的摩擦力。则该系统的动力学微分方程为[1]： M_L=J_L （d^2 θ_L）/（dt^2 ）+C_L （dθ_L）/dt+（mgu+f） P_h/2π M_L=K_L （θ_M-θ_L） 式中M_L为折算到丝杠轴上的总转矩，J_L=J_1+J_2+m（P_h/2π ）^2为总转动惯量，C_L=（P_h/2π ）^2 c为等效转动阻尼参数，u为摩擦因数，K_L=1?（（1/K_1 +1/K_2 +1/（K_3 （P_h?2π ）^2 ）））为总当量扭转刚度。 文中重点讨论的是负载位置环的控制算法，交流伺服电机的数学模型将不在做推导，交流伺服系统具有电流环、速度环和位置环，把送料传动装置作为负载考虑在位置环内，可以建立棒材送料伺服系统的高阶仿真模型。当位置环采用PID控制策略时，通过MATLAB语言进行编程仿真，给以输入rin=sgn（sin?（4πt））的方波信号，仿真结果如图2所示。 图2 PID控制和模糊PID控制的位置跟踪 2.模糊自适应PID控制器 模糊自适应PID控制器核心是对位置的误差e和误差变化率ec两个输入量进行模糊化处理，得到模糊量，然后按照模糊推理规则，计算得到PID三个控制参数的模糊控制量，最后，把模糊控制量去模糊处理得到实际可以利用的PID参数[2]。在位置环采用模糊自适应PID控制器，以位置的误差和误差变化率作为输入，采用模糊推理对PID参数进行在线调整，可以满足不同的误差和误差变化率对控制器参数的不同要求。 2.1设计模糊语言变量 设定输入模糊语言变量位置误差e的论域为[-5，5]，误差变化率ec的论域为[-3，3]，输出模糊语言变量?K_p、〖?K〗_i、?K_d的论域为[-3，3]，将其量化为7个等级，其模糊子集均为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，其隶属函数曲线采用Z形函数、三角形函数和S形函数曲线。 2.2模糊控制规则和模糊推理 通过反复实验调整，可以得到针对?K_p、〖?K〗_i、?K_d三个参数分别整定的模糊控制规则表。 模糊推理算法采用Mamdani的极小—极大推理法进行合成，即推理时，根据模糊蕴涵关系，选择“极大与极小”运算作为合成运算，求出模糊输出值，解模糊采用重心法，即加权平均法[3]。仿真结果如图2所示，结果表明模糊PID控制器降低了系统的位置超调量，提高了系统的动态响应能力，对位置的跟踪精度大大提高。 3.结论 通过建立机械传动装置的数学模型，将其考虑在位置环之内，成功的构建了棒材送料伺服系统的全闭环仿真模型。与常规PID控制器相比较，采用位置环的模糊PID控制器减小了系统的超调量，提高了该伺服系统的动态性能和对位置的跟踪能力，说明该复合控制器能够满足棒材送料过程中对缺陷位置的定位精度，对实现探伤自动化提供了理论依据。 参考文献： [1]宋玉.机床伺服控制性能及动态特性研究[D].西南交通大学，2010：27-29. [2]周志刚，简献忠.基于模糊PID算法的转速控制系统的研究[J].微计算机信息，2010，26（10）：70-71. 烧结混合料中的水分在烧结过程中起着制粒、导热、润滑、助燃等各种作用, 水分过高过低都会对烧结过程产生不利影响, 导致混合制粒效果不好, 影响混合料透气性, 最终造成烧结矿烧不透或过烧, 直接影响产量和质量。因此, 烧结料水分的相对稳定是保证烧结过程顺利进行, 提高烧结矿质量和产量必不可少的条件之一, 混合料水分的准确检测和自动控制是烧结工艺中至关重要的环节[1]。 1 控制策略 烧结混合料水分控制系统由电动执行器、电动调节阀、电磁流量计、压力开关、水分检测仪、称重装置和控制装置等组成[2], 如图1所示, 系统比较复杂, 具有时变性、非线性和时滞性等特点。在此种情况下, 如果单纯采用常规PID控制算法, 系统存在调节时间长、超调量大等缺点, 而且参数不易在线实时调整, 难以满足系统实时控制的要求;此外, 系统频繁的调节也容易引起系统的振荡, 造成系统的不稳定和鲁棒性差。PID控制效果的好坏完全取决于PID参数的调整。针对传统PID控制的不足, 将模糊控制与PID控制结合起来, 本文采用参数自整定模糊PID控制算法[3~6], 误差较小时采用PID控制, 误差较大时采用模糊控制, 共同应用于烧结混合料水分的控制。 由操作工在上位计算机输入混合料目标水分值rin, 控制系统根据当前生产工艺数据核算出混合料入料量, 依据混合料入料量和混合料目标水分值rin核算出当前所需加水量, 对混合料进行加水。同时利用红外水分仪实时检测加水后的混合料含水量yout, 与目标水分值值rin进行比较, 根据两者偏差e采用模糊PID算法对加水量进行修正, 确保混合料水分稳定在控制目标范围内, 满足生产需求。烧结混合料水分模糊PID控制系统的结构框图如图2所示。 1.1 目标水分值确定 由于烧结原料中主要料种铁精粉的产地不确定, 造成烧结过程中对混合料水分需求不同, 控制系统无法获得准确的目标水分值。因此, 由厂矿实验室对不同原料烧结过程对水分需求进行试验后得到理论数据, 再根据实际生产中混合料料比结构确定混合料水分目标中线, 控制系统将输入的烧结混合料目标水分值rin作为控制目标值, 由操作工在上位计算机中设置。 1.2 混合料水分检测 实现自动加水首先要解决的问题是混合料水分的在线检测。本系统选用NDC红外技术公司的MM710型红外水分仪进行混合料水分在线检测, 并将监测数据传入PLC控制系统, 以便控制系统根据水分偏差调节混合料加水量。 1.3 水流量检测 为了稳定混合料水分, 需要在线实时检测水流量, 实现恒定供水。本系统选用上海仪华测控仪表有限公司的SDLDBE插入式电磁流量计, 它是一种测量导电流体体积流量的感应式仪表, 对水流量进行在线自动检测, 并将监测数据送入PLC控制系统, 作为过程参数。 1.4 加水量控制 一烧车间一次混合共有3台混合机, 为6台烧结机提供混合料, 其独立划分为3个系统。烧结混合料加水一般采用公式 (混合机加水量= (混合机干料量+物料总水量) 目标水分-配合料入料水量) 进行计算, 但是由于一次混合机入料是由料仓下的给料圆辊直接将物料送至混合机内部, 入料端无法安装电子秤等物料重量检测设备, 给加水量确定和调节带来了很大难度。根据现场实际情况, 采用反算法得出混合机入料量参与控制。 因生产现场管网压力不稳, 使用调节阀控制时会因管网压力变化造成加水量波动, 造成系统调节频繁, 控制精度降低。因此本系统采用变频水泵加水方式, 通过调节水泵转速达到调节水量的目的, 实现加水量的实时调节。 为解决管道内水流量波动造成加水量不稳定, 满足恒定加水需求, 控制系统最后一级采用PID调节方式对水流量进行控制。系统根据当前加水量与模糊控制输出调节量核算出新的加水控制量作为目标值, 与电磁流量计检测的实时流量进行对比调节, 做到定量加水。 2 参数自整定模糊PID控制器设计 由于外界干扰因素的影响, 或者系统负载的变化, 烧结混合料水分控制系统的特征参数或结构将发生改变, 采用常规PID算法难以取得理想的控制效果, 下面采用参数自整定模糊PID算法对系统进行控制。 2.1 输入变量模糊化 在烧结混合料水分模糊PID控制系统中, 采用二维模糊控制器, 根据偏差和偏差的变化来进行控制。因此, 模糊控制器的输入变量取为系统偏差e和偏差变化率ec, 可按照公式 (1) 计算。 式中:rin为混合料加水目标值;yout为混合料出口红外线水分仪测量的实际水分值。 对于偏差e, 可把其基本论域[-e, e]通过偏差量化因子量化变换到整数论域{-6, -5, -4, -3, -2, -1, -0, +0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}。结合工程实际, 通过统计分析、操作手实际操作经验及专家经验, 综合控制精度、控制规则、控制算法的复杂程度及控制的稳定性等因素, 取正大 (PB) 、正中 (PM) 、正小 (P S) 、正零 (P 0) 、负零 (N 0) 、负小 (NS) 、负中 (NM) 、负大 (NB) 八个语言变量值档次, 偏差模糊集选取正零 (P0) 、负零 (N0) , 主要是着眼于提高系统稳态精度。根据专家经验, 人们对事物的判断往往采用正态分布的思维特点。因此, 对输入语言变量E选用正态函数作为其隶属度函数。 对于偏差变化率ec, 可把其基本论域[-ec, ec]通过偏差量化因子量化变换到整数论域{-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}, 并取正大 (P B) 、正中 (PM) 、正小 (PS) 、零 (0) 、负小 (NS) 、负中 (NM) 、负大 (NB) 七个语言变量值档次, 其隶属度函数选用正态函数 2.2 输出变量模糊化 PID控制器的离散化算式[7]为: 式中:kp为比例系数;ki为积分系数;kd为微分系数;k为采样序列;e (k) 和e (k-1) 分别为第k和第 (k-1) 时刻系统的偏差信号。 因此, 模糊控制器输出语言变量为比例系数积分系数微分系数设定的模糊子集为{NB, NM, NS, 0, PS, PM, PB}, 选用正态函数作为它们的隶属度函数。 2.3 建立模糊控制规则 参数自整定模糊PID控制以误差e和误差变化率ec作为输入, 根据模糊控制规则, 在线对PID参数进行修改, 以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求[7,8]。 根据操作工的实际操作经验, 总结工程技术人员的专家知识, 并综合考虑系统响应速度、稳态精度、超调量、稳定性和鲁棒性等性能指标, 构建模糊规则表。 1) 整定原则:当响应在上升过程时 (e为正) , 取正, 即增大kp;当超调时 (e为负) , 取负, 即降低kp;当误差在零附近时 (e为零) , 分三种情况:ec为负时, 超调越来越大, 此时取负;ec为零时, 为了降低误差, 取正;ec为正时, 正向误差越来越大, 取正[7]。整定的模糊规则如表1所示。 2) 整定原则:采用积分分离策略, 即误差在零附近时, 取正, 否则取零[7]。整定的模糊规则如表2所示。 3) △KD整定原则:△KD整定的模糊规则如表3所示。 2.4 模糊推理与输出量解模糊 系统控制算法主要由两个部分组成:一是PID算法, 它可以根据水分设定值与实际值之间的偏差计算得到电动调节阀的控制量, 从而达到对水分的控制;二是模糊控制算法, 用来根据系统的状态变量对PID参数进行在线调整, 以期达到最优控制。烧结混合料水分模糊PID控制算法流程图如图3所示。 由系统偏差和偏差变化率的量化论域, 根据输入语言变量偏差E和偏差变化率E C, 应用Mamdani模糊推理合成规则, 求出相应输出语言变量△KP、△KI、△KD的模糊集合, 应用最大隶属度法对此模糊集合进行模糊判决, 可得到△KP、△KI、△KD的精确值△kp、△ki、△kd, 并带入参数修正公式 (3) 即可求出ki、ki、kd。将ki、ki、kd带入公式 (2) , 可求出k时刻加入到被控系统的控制量u (k) , 从而在线对PID参数实现最佳调整[15~17]。 2.5 实验结果 经过在线仿真调试, 得到烧结混合料水分控制系统在常规PID算法和模糊PID算法两种不同情况下的性能曲线, 如图4所示。 根据仿真结果分析比较, 可以看出模糊PID控制比常规PID控制具有响应速度快、超调量小、稳定时间较长、鲁棒性好等优点, 显示出良好的稳态性能, 控制效果比常规PID算法有了显著的提高。 3 系统实现及运行情况 烧结混合料水分控制系统中, 采用上位机和下位机方式实现控制。上位机采用GE公司的i FIX组态软件, 对生产现场进行监控, 采集并处理PLC上传的现场数据, 再以动画形式显示, 上位机还负责报警处理、流程控制等任务, 并输出历史曲线、实时曲线及报表。下位机采用施耐德昆腾140系列PLC, PLC采集现场仪表的信号, 应用模糊PID控制算法进行数据处理, 实现控制量输出控制现场设备, 从而实现烧结混合料水分的检测与实时控制。烧结混合料加水系统上位机人机监控界面如图5所示。 由于PLC采用循环扫描工作方式, 导致控制系统一定的滞后, 影响系统控制精度。为了满足烧结混合料水分控制系统对实时性的要求, 在进行PLC程序设计时, 根据建立的模糊语言变量赋值表和模糊控制规则表, 建立离线的模糊控制查询表, 并存放在PLC的内部存储区域中, PLC对采样得到的精确量e、ec进行等级量化, 得到其相应的模糊化论域元素, 进行模糊推理与模糊判决, 再通过查表获得输出控制量的量化值, 最后将此量化值乘以比例因子后即可得到最终的精确控制量, 这样可以节省在线实时计算工作量, 满足系统对实时性的要求。 一混加水控制系统投入运行后, 使一混系统混合料水分稳定率由77.62%提高到93.15%, 稳定率提高15.53%。一混加水的稳定, 二混混合制粒效果明显, 混合料透气性变好, 烧结机热状态参数明显改善:冷、热段负压均降低, 其中热段负压降低0.21KP, 冷段负压降低0.36KP, 垂直烧结速度提高0.92mm/min。从整体上看系统在实际生产中取得了良好的效果, 改善了烧结生产状况, 促进了产能提升, 为稳定烧结主机生产效率奠定了坚实基础。 4 结束语 烧结混合料水分模糊PID控制系统综合运用了模糊控制和PID控制的优点。实践表明, 通过在线调整PID参数, 改善了系统的响应速度, 有效地解决了系统运行中误差不稳定和动态特性不理想的问题, 增强了系统的鲁棒性, 保证了烧结混合料湿度精度的控制要求。烧结混合料水分模糊PID控制系统提高了设备作业率和烧结矿产量、质量, 降低了能耗物耗, 使烧结机的能力得到充分发挥以满足烧结生产的工艺要求。 摘要：烧结混合料水分控制系统具有时变性、非线性和时滞性等特点, 难以建立其精确的数学模型。由于传统PID控制技术在固定参数下难以保证系统性能的缺陷, 基于烧结炉的结构特点和控制性能要求, 本文提出了采用模糊推理方式自整定PID控制参数, 设计了参数自整定模糊PID控制器, 并将该模糊PID控制器用于烧结混合料水分控制系统。实际运行效果证明, 该控制器比原有的PID控制器在性能上有较明显的提高, 稳定了烧结混合料水分, 改善了烧结生产状况, 促进了产能提升。 关键词：烧结混合料,水分控制,参数自整定,模糊PID控制器 参考文献 [1]陈略峰, 吴敏, 曹卫华, 等.原料工况自适应的烧结混合制粒水分控制系统[J].计算机与应用化学:2011, (07) :12-13. [2]孙建杰.烧结混合料自动加水控制及主要设备选型[J].南钢科技与管理:2005, (02) :76-78. [3]王宏文, 何小炜, 林乐歆, 徐津娜.烧结混合料加水的模糊自适应分数阶PIλDu控制[J].仪表技术与传感器:2012, (2) :78-81. 在直流调速系统的控制器设计方法中,目前大多采用PID或PI控制技术。PID或PI控制器的设计需要已知被控对象的精确模型,而且直流电机的非线性和结构参数易变化等特点使PID或PI参数整定比较麻烦。模糊控制技术不需要知道被控对象的数学模型,利用实际经验来确定控制规则,但是简单的模糊控制中由于没有积分环节,系统输出存在稳态误差,故我们将模糊控制和PID控制技术相结合进行设计转速环,并给出了仿真结果。 2 直流调速系统结构 模糊控制以模糊集合论作为其数学基础,通过模糊逻辑和近似推理方法让计算机把操作人员在实践中积累的丰富经验形式化,模糊化,并根据所得的语言控制规则进行模糊推理,给出模糊决策,将模糊量转化为精确量,作为送到被控对象(或过程)的控制量[1]。 然而,由于常规模糊控制相当于PD控制,这样使得系统输出存在稳态误差,为了消除稳态误差我们将其与PID控制相结合,PID控制鲁棒性强,能克服系统的扰动。故为了得到一个较好的控制结构,我们在误差E达到一定阀值时,由模糊控制改为PID控制。其系统结构图如图1所示。 3 直流调速系统控制器设计 3.1 直流调速系统电流环设计 电流环设计中我们仍然采用工程整定方法,电流环的主要性能是跟随型,故电流环应设计成I型系统[2],即把电流调节器设计成PI控制器。其传递函数为: 式中Ki为电流调节器的比例系数; τi为电流调节器的超前时间常数。 比例系数Ki根据所需要的动态性能指标选取,为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消,τi等于被控对象的大时间常数。 3.2 直流调速系统转速环设计 3.2.1 模糊控制器设计[4,5,6] 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的智能控制,模糊控制器是模糊控制系统的核心,一个模糊控制系统的性能优劣,主要取决于模糊控制器的结构,所采用的模糊规则,合成推理算法,以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器的结构框图如图2所示 在模糊控制偏差E和控制量U均取为负大(N B),负中(NM),负小(NS),零(ZE),正小(PS),正中(PM),正大(PB).为了使响应快速,偏差变化EC取负(N),零(ZE),正(P)。偏差E和控制量U的模糊论域均为[-10,10],偏差变量EC[-1,1]。他们的隶属度函数为梯形和三角形函数。 据直流电机起动和稳态运行的特点来确定模糊规则。 设转速的变化如图4所示,在A区,转速上升阶段。偏差E及偏差变量EC为:e=n-Nn<0,ec=e2-e1>0。被控量正向小于给定量,误差有大变小。则控制量根据误差变化量的范围采用正大至正小;在B区,转速超调阶段,偏差E及偏差变量 EC的大小为:e=n-Nn>,0ec=e2-e1<0。偏差E有小到大,偏差变量EC有大到小,为了抑制超调,控制量U应取负大到负中;在C区,转速退饱和。此时e=n-Nn>,0ec=e2-e1>0。此时控制量U应该根据偏差变量EC取有负大到负小,当转速趋近给定值时,控制量U取正小值;同理可分析D区和E区。可得控制规则,如表1所示。 模糊推理采用Mamdani’s规则,采用重心法进行解模糊。 3.2.2 PID控制器设计[3] 我们采用Ziegler-Nichols方法整定PID参数。ZieglerNichols方法是基于稳定分析的PID整定方法,该方法整定整定参数的思路是:首先至KD=KI=0,然后增加KP直至系统开始振荡。整定公式如下: 式中,Km为系统开始振荡时的K值,ωm为振荡频率。 4 仿真研究 一直流电机参数为: 电枢回路总电阻R=0.5Ω,电机机电时间常数Tm=.018s,电机电磁时间常数Tl=.003s,电流反馈系数为β=.005V/A,电流反馈通道滤波时间常数Toi=.0002s,转速反馈系数为α=.0007V⋅min/r,转速反馈通道滤波时间常数Ton=0.01s。晶闸管放大倍数为KS=40,时间常数为TS=0.0017s经过反复时凑,在空载起动过程中,E和EC的量化因子取值的范围为Ke+Kec=1,,由于偏差较大,Ke应取得大些,表示对E的加权较大,以消除误差,在本例中Ke=0.95,Kec=0.05,Ku=1,有模糊控制切换到PID控制器的条件:E>=0。 当带负载时,E的量化因子eK取值范围为(0,1.8),我们取Ke=1.6,Kec=0.,1Ku=1,有模糊控制切换到PID控制器的条件:E>=0.9。 仿真结果如图5和图6所示,可知基于模糊/PID控制的直流调速系统转速无超调,起动时间较短,具有较好的抗扰性。 5 结束语 本文详细介绍了直流电机调速系统的模糊/PID控制器的设计方法,MATLAB仿真结果表明模糊/PID控制方法具有超调小,相应快,运行稳定等特点,它包含了模糊控制和PID控制方法的优点,该控制器对电机的控制性能的改善强于传统的控制方法,而且能够提高系统的抗干扰能力,具有较强的鲁棒性。 参考文献 [1]诸静等.模糊控制原理与应用[M].第2版.北京:机械工业出版社,2005.1 [2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京:机械工业出版社,2003.7 [3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].第2版.北京:电子工业出版社,2004.9 [4]亢海伟等.基于MATLAB模糊逻辑工具箱的模糊控制系统仿真[J].自动化与仪器仪表.2000(2):14-15 [5]张春等.双环模糊调速系统的设计与仿真研究[J].安徽工程科技学院学报.2003,18(2):22-25 锅炉自控系统是一个典型的大惯性、大滞后、多变量的过程控制系统, 其涉及到压力、温度、水位等多个物理参数检测与控制, 需要同时控制风机、补水泵、加热装置, 自动排除故障等。由于模拟输入量多, 需要的硬件电路也多, 控制起来不简单。现阶段, 很多厂家都是利用PLC对锅炉进行控制, 其自动化程度和可靠性较高, 但是成本也很高, 而且程序修改和参数设置比较困难。以单片机为控制核心的智能控制系统由于成本低、可靠性好、安全性高, 受到了更多企业的欢迎[1]。本文在借鉴现有各类单片机温度控制系统的基础上, 设计一个中档单片机锅炉压力控制器系统, 该系统采用STC89C51单片机作为核心, 具体控制采用基于模糊的PID方式。 1 系统硬件电路设计[2] 基于模糊PID的锅炉压力控制器的控制系统主要包括单片机芯片、键盘、LED显示、蜂鸣器报警电路、开关电路和输入信号采集电路组成。硬件原理图如图1所示。 该方案设计相对简单, 硬件电路中采用的STC89C51是台湾宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机, 指令代码完全兼容传统8051单片机, 12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择, 最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。 输入信号采集电路主要是采集水位信号和压力控制器信号, 水位信号包括水位极低、低水位、正常水位、高水位、水位极高;压力控制器包括低压、高压、超高压;开关电路主要是负责控制一段火燃烧机、二段火燃烧机、补水泵和鼓风机的控制;LED显示主要是负责各种水位的显示、各种压力的显示和各种故障显示;蜂鸣器报警电路主要是缺水水位、超高水位、超高压状态、各种故障的蜂鸣报警。 该系统完成的功能主要是根据锅炉的水位和压力, 来控制水泵是否补水, 控制一二段火开关的加热, 并根据具体情况控制风机进行降温, 并随时可以进行故障报警。而且相应状态都可以通过控制面板上的LED显示出来。图2为一段火开关控制电路。 燃烧机控制过程:运行过程中, 当压力状态显示“低位”时, 一段火、二段火同时启动;当压力状态显示“正常”时, 二段火灭、一段火仍开;当压力状态显示“高位”时, 一段火、二段火全灭, 继续控制燃烧机风机吹扫30 s。当压力下降, 状态再次显示“低位”时, 一段火、二段火再次同时启动, 如此循环直到停止运行。总之:低压启动, 常压保持, 高压停止, 超高压保护。在压力状态显示“正常”时按“运行”键开始运行的话, 一段火、二段火都不启动, 等压力下降到“低位”时才启动。 2 模糊PID调节规律的选择[3,4] 该系统采用常用的PID调节规律: 其中:e (t) =r (t) -y (t) 作为单片机的输入信号, r (t) 是给定值。但由于单片机只能处理数字信号, 故用数字PID来表示: 上式中, U (n) 为n次采样时的偏差值和PID的输出量; KP, KI和KD分别为比例、积分和微分系数。 在现实系统中, 所测控的对象多具有大滞后、强耦合、时变等特征, 仅采用PID控制往往存在调整时间长、超调量大、PID参数不易确定等不足。此处引入模糊思想对PID参数进行实时调整, 以期获得较好的控制效果。 具体的调整方式如下式所示, 其中a、b和c分别为比例系数、积分系数和微分系数的调整系数;K′P, K′I和K′D分别为调整后用于求取PID输出的比例系数、积分系数和微分系数;KP, KI和KD为别为起始的比例系数、积分系数和微分系数。 3 系统软件设计[5] 本系统中的软件主要是根据系统要求运用C语言设计的, 软件能可靠地实现系统的各种功能。系统软件设计采用模块化思想。根据功能将系统软件分为初始化系统、数据采集并对采集所得的数据进行处理。系统软件主流程图和中断处理程序流程图如图3所示。 本系统水泵自动控制过程如下:当炉水水位下降超过低位时, 泵1启动自动补水, 当炉水水位上升超过高位时, 泵1停止, 当炉水水位再次下降超过低位时, 泵1又启动自动补水。如此循环直到停止运行。在水位状态显示“正常”时按“运行”键开始运行的话, 泵1不启动, 等水位下降到“低位”时才启动。在压力控制运行过程中, 当发生缺水、压力超高、水位超高、燃烧机故障、烟温超高等故障时声光报警停机保护。 下面是燃烧机故障程序: 4 结束语 本文设计了一个具有普遍实用意义的中档单片机锅炉压力控制器系统。该系统采用了STC89C51作为核心, 具体控制算法采用能进行实时调整的模糊PID方式, 该系统能克服常规单片机PID控制系统的一些不足之处, 达到较为理想的控制效果。该系统已经被厂家使用, 系统运行稳定。 摘要：介绍了一款基于单片机控制的全自动锅炉压力控制器的设计。该系统能根据锅炉现场检测的各个状态实时精确地自动控制, 如实现温度、压力、水位等的监控, 数码管显示, 报警, 系统参数设置等功能。该系统还采用模糊PID方法进行温度控制, 能克服普通的单片机PID温度控制系统的一些不足之处, 达到较为理想的控制效果。 关键词：单片机,锅炉压力控制器,模糊PID 参考文献 [1]张秀松, 范美芳, 何仲.基于单片机的智能锅炉控制系统设计.现代电子技术, 2006;13:118—119 [2]李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2001 [3]许丽佳.MCS—51单片机炉温控制设计方法.信息技术, 2002;11:39—40 [4]李建伟, 李惠琴, 刘军.基于C8051F020单片机的模糊PID温度测控系统设计.机电产品开发与创新, 2006;19 (6) :127—128 随着全球能源供应的日益紧张,人们对太阳能的利用越来越关注。而DC-DC变换器由于其具有成本低、可靠性高、结构简单等诸多优点,被广泛地应用在工业生产中。伴随着2008年奥运会以及2010年上海世博会的召开,开关电源芯片市场规模预计将超过54亿美元,未来发展前景可观。结合DC/DC和DC/AC的两级式光伏发电系统也越来越受到重视[1]。同时,由于光伏并网系统亦是一个非线性系统,对控制策略的研究也更加值得关注。 本研究先对DC/DC变换器进行建模,然后设计相应模糊PID控制策略,并用Matlab仿真验证模糊PID算法的可行性。最后给出基于DC/DC变换器和模糊PID控制的光伏并网发电系统的模型,并用Simulink仿真验证模型是可行的。 1 DC/DC变换器的建模 DC/DC变换器是一个典型的强非线性系统,可分为Buck降压电路、Boost升压电路、Buck-Boost升-降压电路以及Cuk升-降压电路等[2]。Buck降压电路和Boost升压电路分别如图1、图2所示。 对DC/DC变换器的建模方法一般可以分为两类,一类是数字仿真法,用如PSIM、Matlab等仿真软件建模;另一类是解析建模仿真法,如状态空间平均法、离散法以及符号法等。本研究采用直接数字仿真法,以Buck电路为例的Matlab仿真[3]图如图3所示。 现假定Uin=20 V,Uo=12 V,f=20 kHz,R=20 Ω,L=0.24 mH,C=0.26 mF,可得到如图4所示的Buck输出电压曲线图。 图4中,Buck降压电路的输出电压最终稳定在12 V左右,但存在着一定的超调现象。 2 模糊PID设计 由于DC/DC变换器本身具有非线性,且线性控制策略(如PID控制)仅能保证工作点附近的局部稳定,难以获得比较理想的动态性能,本研究设计了一模糊PID控制器来实现DC/DC变换器的控制策略。一种基于模糊PID控制算法的DC/DC变换器结构框图[4]如图5所示(图中e为变换器的实际输出电压与理想输出电压的偏差,ec为其变换量,u是提供给PWM发生器的脉冲信号宽度;在设计模糊控制器时,将e和ec作为系统输入,u作为控制器的输出)。 模糊控制系统的输入量是电压的偏差e和偏差变化率ec,输出量为PID参数的修正量△Kp、△Ki、△Kd。把在论域内变化的变量分成7个等级,每个等级作为一个模糊变量,对应一个模糊子集或隶属度函数,即:正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(Z)、负小(NS)、负中(NM)和负大(NB)。模糊控制规则如表1、表2、表3所示[5]。 根据模糊控制规则得到△Kp、△Ki、△Kd的曲面图形如图6～图8所示。 采样Buck降压电路的输出电压,经过模糊控制器对PID参数进行整定,并通过PWM控制Buck电路中的MOSFET开关管。模糊PID控制和传统PID控制的响应曲线对比图如图9所示(其中实线为模糊PID,虚线为传统PID控制)。 从图中可以看到传统PID控制的响应曲线仍存在超调现象,系统稳定速度也较慢。相比之下,模糊PID控制的响应曲线具有超调量小、稳定性好以及动态响应好等优势,便于控制非线性系统。 3 光伏并网发电系统设计 在环境污染能源枯竭日益严重的今天,光伏发电越来越得到人们的重视,同时也将成为世界各国竞相发展的热点。其中,光伏并网发电系统[6]将是光伏发电应用的发展趋势。 光伏并网发电系统是一非线性系统,在设计过程中,MPPT[7]、孤岛效应等问题一直是研究的重点,其中MPPT问题可采用扰动观测法或电导增量法来实现,分别如图10和图11所示。本研究将模糊PID控制策略运用到光伏并网发电系统中,并结合Boost升压电路,利用上述的模糊推理设计控制策略,构成两级式并网发电系统。两级式PV并网系统总体结构框图和主电路图分别如图12、图13所示。 从图中可以看出,两种方法都能及时、准确地跟踪光伏阵列的最大功率点电压。但扰动观测法相对而言波动较大,在MPPT跟踪过程中会有部分功率的损失。因此,电导增量法能更好地实现MPPT的跟踪。 利用Matlab/Simulink[8]对上述建立的光伏并网发电系统的模型进行仿真,基于模糊PID控制的Boost输出电压响应曲线图如图14所示,0.1 s前和0.2 s前的光伏并网发电系统的输出电压曲线图如图15、图16所示。 从图中可以看出,系统的输出电压为交流220 V左右,频率为50 Hz,符合本国对交流电使用的情况,且系统稳定性好,验证了此模型的可行性。 随着DSP技术的日趋完善和进步,针对光伏并网发电系统,可以利用TMS320LF2407A[9]对控制系统进行数字化设计,以更好地实时修改参数,对过压、欠压、超温以及孤岛等故障进行处理,如图17所示。 从光伏并网系统的输出采样电压电流信号给DSP[10],设计相应的控制算法,结合PWM馈送回主电路中,实现整个系统的数字化控制。 4 结束语 利用模糊PID控制算法来设计DC/DC变换器,相较于常规的PID控制,具有更好的动态性能和稳定性,且易于对参数进行非线性整定。而作为DC/DC变换器的一个应用,将其与模糊PID运用到光伏并网发电系统中,具有一定的可行性。 伴随着科技的不断进步,DC/DC变换器本身也在不断地发生变化,如最近德州仪器(TI)宣布推出两款适用于便携式电子应用的高效2 A降压DC/DC转换器。与此同时,随着DSP技术的日趋成熟与完善,这将为更好地为研究DC/DC变换器及其应用带来便利。 参考文献 [1]BOSE B K.Energy,environment,and advances in power e-lectronics[J].IEEE Trans.Power Electron,2000,15(4):688-701. 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[9]张毅刚,赵光权,孙宁,等.TMS320LF240X系列DSP原理、开发与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006. 摘 要：为改善因电机参数变化和负载波动等因素引起异步电机矢量控制系统性能变差的问题，研究设计了一种模糊自整定PID控制器。模糊控制器的量化因子、比例因子可以根据输入变量的大小调整，从而自动调整模糊控制规则。并在matlab/simulink上建立系统仿真模型进行了仿真试验验证，给出了试验波形及分析结果。仿真结果说明，该异步电机矢量控制系统动态和稳态性能都得到提高，而且具有很好的鲁棒性。 关键词：模糊自适应控制；矢量控制；PID；异步电机；matlab/simulink 0 引言 PID控制在动态控制过程中有过去、现在和将来的信息，可以通过参数设定将其配置做到最优，是交流电机驱动系统中最基本的控制形式，其应用广泛，PID控制在定常线性系统中能得到很好的控制效果，但是其在处理非线性、大滞后等复杂工业对象以及难以建立数学模型或者模型非常粗糙的工业系统时，难以到达预想的效果[1，2]。智能控制理论不依赖于控制对象数学模型的精确建立，可以很好的解决系统鲁棒性问题。但是大多数智能控制方法原理过于复杂或是附加条件过多，这些不利条件严重影响了它们的工程实用化进程。只有尽可能简单的控制方法才是工程应用中实用的控制方法[3]。通过分析，本文在传统PID基础上加入模糊自整定模块，充分利用传统PID控制控制简单有效的特点，还能实现控制过程PID参数模糊自整定，从而实现了最佳的控制效果，提高了系统的鲁棒性及自适应能力。 1 模糊PID控制系统基本原理 模糊PID控制器由一个常规的PID控制器和一个模糊自调整机构组成。其结构框图如图1所示。该系统一改传统PID控制器的固定参数Kp，Ki，Kd的控制策略，基于常规PID控制器，首先对输入量e和ec进行模糊化处理，再根据预设知识库中的控制规则进行模糊推理，最后对输出清晰化处理，实现对PID各参数的动态自整定， 使PID控制器对被控对象的控制效果达到最佳，使系统具有较强的鲁棒性[4]。 图1 模糊自整定PID控制结构框图 2 模糊PID控制器设计 2.1 PID参数模糊自整定的原则。 3 在异步电机矢量控制系统中的应用及Matlab仿真 3.1 仿真模型的建立和算法实现。在Matlab中Simulink 环境下将模糊逻辑工具箱（fuzzy logic tool box） 与Matlab函数相结合对上面提出的PID模糊控制系统进行了仿真研究，推理方法采用工程上常用的Mamdani方法，利用“极大-极小”合成模糊规则，进行模糊运算[8，9]。根据表1，调节规则可以写成49条模糊条件语句。模糊规则编辑窗口如图3.1。 建立模糊推理规则后，可以通过操作查看规则图示或三维曲面图形（图3.2、3.3）。 ASR速度调节器的传统PID及自适应模糊PID控制模块如图3.4、图3.5所示。 图3.7为本文搭建的带转矩内环，转速、磁链闭环的矢量控制系统仿真模型[8]，其中，主电路由直流电源DC、逆变器inverter、电动机AC motor和电动机测量模块组成，其中由电流滞环脉冲发生器模块产生逆变器的驱动信号，转子磁链观测器采用了两相旋转坐标系上的磁链模型，系统仿真模型还包括3s/2r及2r/3s转换模块、速度调节器、转矩调节器和磁链调节器。其中转速控制可切换为两种不同控制方式，即传统PID控制和模糊自整定PID控制。矢量控制调速系统仿真模型如图3.6、图3.7所示： 3.2 仿真结果与分析。分别在空载无扰动、空载加扰动、转速改变三种情况分别对系统传统PID和模糊自整定PID控制器进行了仿真实验，得到下列曲线。 空载无扰动的仿真结果如图3.8.1所示，由图中仿真曲线看出模糊自整定PID控制相比传统PID控制响应速度快、响应时间短，系统稳态性要好。 空载加扰动的仿真结果如图3.8.2所示，由图中仿真曲线看出，当系统负载波动时，模糊自整定PID控制相比传统PID控制响应速度快、超调量小、稳态性能更好。 转速改变的仿真结果如图3.8.3所示，由图中仿真曲线看出，当改变系统转速，对系统进行调速操作时，模糊自整定PID控制相比传统PID响应速度快、稳态性能更好。 4 结语 本文建立的模糊自整定PID控制器将模糊自适应控制应用到传统PID控制中。保留了传统PID控制器简单有效的优点，通过模糊自整定模块实时在线调整控制器的比例、积分、微分因子，克服了其在复杂非线性系统中控制性能差的缺点。仿真实验对模型进行了验证，也表明该新型控制器在响应速度、响应时间和稳定性上较传统PID控制有了很大提升，具有很好的实用价值。 参考文献： [1]Rohrs CE， et.al.Robustness of Adaptive Control Algorithms in the Presence of Unmodelled Dynamics[C].Proc.21st IEEE Conf.Deci Contr.，Orlando， FL，1982. 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[8]高芳.模糊控制在异步电动机变频调速系统中的应用研究[D].西安科技大学，2012（06）. 传统的控制理论是利用受控对象的数学模型对系统进行定量分析,而后设计控制策略。这种方法由于其本质的不溶性,当系统变得复杂时,难以对其工作特性进行精确描述。而且,这样的数学模型结构也不利于表达和处理有关受控对象的一些不确定信息,更不利于人的经验、知识、技巧和直觉推理,所以难以对复杂系统进行有效地控制。与传统的PID控制方式相比,模糊控制理论特别适合用在难以建立精确数学模型的时候。 1 模糊控制理论 模糊控制是近几年兴起的基于数学原理的新型控制方法。过去的控制的优劣是取决于系统模式的精确度,也就是说,要想达到精确控制的目的,必须持有丰富的关于系统动态的信息和指令。但是在实际操作中我们发现,系统越复杂,往往变量就越多,造成了描述系统动态的难度。一直以来,工程师都希望通过各种方法来达到简化系统的目的,但是控制的效果却不理想。因此,过去的控制理论其实更适应简单而又明确的系统控制,面对处理变量较多的复杂系统或者精确系统,模糊控制理论的用处显得很局限。模糊控制理论也在此背景下应运而生。 模糊控制器是利用模糊集合理论将专业人员的经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略,其设计不依靠对象精确的数学模型,而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。随着时代推移,模糊控制系统逐渐成为学者的研究热点,也取得了很多成就。比如模糊系统的万能逼近特性、模糊状态方程及稳定性分析、软计算技术等等研究逐步丰富和发展了模糊系统的理论体系。这些应用多集中在理论领域,但是也越来越多地、成功地应用于现实世界中。 2 PID控制系统描述 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型,控制理论的其他技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。除了PID控制,在实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。 PID控制器是将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。PID控制器是一种线性控制器,它的传递函数为: 式中,KP为比例系数:T1为积分时间常数;TD为微分时间常数。 PID控制器各控制环节的作用: (1)比例环节能加快系统的响应速度,提高系统的调节精度,控制系统一旦产生偏差信号,控制器就发出控制指令,调节系统,最大限度地减小偏差; (2)积分环节的作用是消除系统的稳态误差,提高系统的无差度; (3)微分环节的作用是改善系统的动态特性,在偏差信号值变到太大之前,控制器就产生一个早期修正信号指令,从而加快系统的调节速度,减少调节时间。 3 模糊PID控制原理 目前,国内温度检测和控制比较常见,下面以此应用为例详细说明模糊控制。温度控制在很多领域都有涉及和应用,但是大都采用传统的PLC或单片机控制,也就是传统的PID控制算法,然而随着科学技术的进步,温度控制要求更精确、更智能化的控制体系。 3.1 模糊PID控制系统结构 模糊PID控制系统分为2个部分,即可控PID系统和模糊控制系统。可控系统主要任务是完成直接通知,模糊控制主要任务是对PID参数的在线修正。 3.2 PID参数调整规则 数字式PID控制器一般用以下函数表示: 式中,e (k)表示系统误差;ec(k)表示系统误差的变化量;KP表示比例作用系数,可以影响系统响应速度和精度:Ki表示积分作用系数,跟系统精度相关联;xd表示微分作用系数,主要描述动态特性。通常情况下,针对不同的e和ec、KP、Ki和Kd的选择遵循以下原则: (1)当|e|较小时,可以说明系统稳定性很好,KP与Ki均应取得大些;同时,为避免系统在设定值附近出现振荡,|ec|较大时,Kd取较小值;|ec|较小时,Kd取值则较大。 (2)当|e|处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调,Kd应取较小值;同时Ka的取值对系统响应的影响较大,也应取较小值。 (3)当|e|较大时,为使系统具有较好的动态性能,应取较小的Kd与较大的Kd。同时,为避免系统响应出现较大超调,应限制积分作用,通常取KI=0。 模糊PID控制器的本质在于通过模糊推理,根据不同的e和ec,在线实时修订3个PID作用系数,即可制定出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊控制规则。 4 自适应模糊PID控制器设计 4.1 模糊PID控制器的组成 自适应模糊PID控制器系大体上分为2类,即模糊控制区和直接控制区,模糊控制区和直接控制区会在不同时间启动。当所要控制的温度处于预先设置温度的误差内时,往往采用模糊控制算法,保证温度在一定范围波动。一旦温度变化幅度(下转第147页)超过了预先设置的误差范围,就会采用直接控制算法。模糊PID控制器可以高效稳定地控制温度。模糊控制系统采用二输入三输出模糊控制器,输入为温度误差e和温度变化ec,输出为3个PID作用系数KP、Ki和Kd。 4.2 试验仿真结果 根据大量的理论依据和实践,得出实际系统的近似数学模型,通过在PC机上编程分别得出常规PID和模糊PID系统曲线图,如图1(a)和(b)所示。 从图中可看出模糊PID温度调节系统对于温室温度的变化调节更加平稳,显示了很好的控制效果。具体表现为变频器的频率上升和下降更为平稳,基本没有出现过采用传统PID时频率的跳跃式上升和下降情况。 5 模糊控制系统的应用及发展前景 模糊控制理论是控制领域中非常有前途的一个分支,在工程上也取得了很多成功的应用。20世纪80年代末,在日本兴起了一次模糊控制技术的高潮,其成果被广泛应用于各个领域。现如今,模糊控制引起大量专家学者的关注和研究,研究范围除了温度控制,也涉及蒸汽控制、合金钢铁冶炼控制、石油催化裂化控制等。甚至被应用到高科技行业,如机器人、航天飞船等。相信在不久的将来,模糊控制一定会极大地改善我们的生活质量。 摘要：首先介绍了模糊控制理论,然后对PID系统及其工作原理进行描述,最后完成实例自适应模糊PID控制器设计并对模糊控制理论的发展前景予以展望。 关键词：模糊控制,PID系统,智能控制,温度控制 参考文献 [1]刘曙光,魏俊民,竺志超.模糊控制技术[M].北京:中国纺织出版社,2001 [2]王振宇,成立.基于模糊控制的温室调节装置的研究[J].浙江大学学报(农业与生命科学版),2006,32(2) 模糊PID控制设计 第4篇
《模糊控制》课程实验教学设计方法 第5篇
模糊PID控制设计 第6篇
模糊PID控制设计 第7篇
模糊PID控制设计 第8篇
模糊PID控制设计 第9篇
模糊PID控制设计 第10篇
模糊PID控制设计 第11篇
模糊PID控制设计 第12篇
