辛峰杰

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

1.模糊控制

模糊控制系統(tǒng)是一種以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過(guò)程描述如下：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e，一般選誤差信號(hào)e和誤差變化率△e作為模糊控制器輸入量，對(duì)它們進(jìn)行模糊化，生成模糊量。模糊語(yǔ)言集合的子集E和△E，再由E和△E以及模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量U，再將U解模糊，便可得到精確的控制量u。

模糊控制器的基本組成如圖1所示，它包含有模糊化接口、規(guī)則庫(kù)、模糊推理、清晰化接口等部分。輸入變量是過(guò)程實(shí)測(cè)變量與系統(tǒng)設(shè)定值的差值，輸出變量是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制修正變量。模糊控制的核心部分是包含語(yǔ)言規(guī)則的規(guī)則庫(kù)和模糊推理兩部分。模糊推理就是一種模糊變換，它將輸入變量模糊集變換為輸出變量的模糊集，實(shí)現(xiàn)論域的變換。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)加熱的控制要求，設(shè)計(jì)出一種PID控制與模糊控制相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)。它采用Fuzzy-PID復(fù)合控制算法，使其既具有模糊控制靈活、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，因而特別適用于難以用精確數(shù)學(xué)模型描述的溫度控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性。該系統(tǒng)采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)偏差的智能化處理，以及引人最大最小限幅值，智能分段控制等概念，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象的滿意控制，使系統(tǒng)具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等適合實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特性。

圖1 模糊控制器功能模塊Fig.1 Fuzzy controller functional module

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure drawing

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖2，混合裝置的側(cè)面安裝兩支K分度號(hào)的嵌裝式熱電偶（在數(shù)學(xué)模型中稱為雙輸出），其測(cè)量范圍在0～600℃。熱電偶測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度變送器變換成1～5V（或4～20mA）的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和送到PLC的A/D模塊中，控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的溫升線，經(jīng)控制算法計(jì)算，輸出以2s為周期，占空比為0～100%的脈沖輸出至固態(tài)繼電器，形成0～220V/AC的電壓變化加至蒸汽閥門，此時(shí)的蒸汽閥門需采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，形成對(duì)液體混合裝置內(nèi)液體溫度的閉環(huán)控制。

日本三菱公司是國(guó)際著名的生廠自動(dòng)化設(shè)備制造商，工業(yè)可編程控制器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率一直保持前列。三菱FX2N PLC有小型化、高速度、高性能等特點(diǎn)，是FX系列中最高檔次的超小型程序裝置。FX2N可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出輸入擴(kuò)充設(shè)備，有豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備是系統(tǒng)所必需的。為了滿足本設(shè)計(jì)的工藝要求，整個(gè)控制系統(tǒng)需要可編程序控制器的模擬量輸入、輸出為4點(diǎn)和2點(diǎn)，根據(jù)PLC的I/O原理使用原則，即留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)際所需的I/O點(diǎn)數(shù)，而且系統(tǒng)控制精度要求高，所以選用三菱FX2N-4AD型PLC，不僅可以滿足系統(tǒng)控制的需要，而且能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。

圖3 系統(tǒng)模糊控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System fuzzy control structure drawing

溫度變送器的選用主要根據(jù)測(cè)量范圍、精度要求、信號(hào)接口、結(jié)構(gòu)形式和安裝要求選擇。本裝置采用SBWR、SBWZ系列熱電偶、熱電阻溫度變送器。SBWR、SBWZ系列熱電偶、熱電阻溫度變送器是DDZ系列儀表中的現(xiàn)場(chǎng)安裝式溫度變送器單元，與工業(yè)熱電偶、熱電阻配套使用，它采用二線制傳輸方式（兩根導(dǎo)線作為電源輸入和信號(hào)輸出的公用傳輸線）。將工業(yè)熱電偶、熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與輸入信號(hào)或與溫度信號(hào)成線性的4～20mA、0～10mA的輸出信號(hào)。該溫度變送器可直接安裝在熱電偶、熱電阻的接線盒內(nèi)與之形成一體化結(jié)構(gòu)。它作為新一代測(cè)溫儀表可廣泛應(yīng)用與冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國(guó)防以及科研等工業(yè)部門。

變送器電路模塊由放大單元、線性校正單元、電壓/電流轉(zhuǎn)換、自校正電路、電壓調(diào)整單元和反向保護(hù)電路等組成、對(duì)以熱電偶為測(cè)溫元件的變送器還包括有冷端補(bǔ)償器、以熱電阻為測(cè)溫元件的還包括有R/V變換單元。電壓調(diào)整電路將輸入電壓經(jīng)穩(wěn)壓后給各部分供電，感溫元件（熱電偶、熱電阻）傳出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，由線性化器對(duì)信號(hào)與溫度的非線性關(guān)系進(jìn)行精確補(bǔ)償，處理后的信號(hào)經(jīng)V/I變換成4～20mA電流輸出。通過(guò)確認(rèn)變送器輸出的電流大小就可以知道當(dāng)前的溫度值。

2.2 系統(tǒng)的控制方案

在本系統(tǒng)中我們采用對(duì)輸入偏差和偏差變化率的模糊化處理，通過(guò)查詢模糊規(guī)則表得到PID控制參數(shù)進(jìn)行整定的方法來(lái)設(shè)計(jì)Fuzzy-PID控制模塊，再結(jié)合本系統(tǒng)的控制實(shí)際，利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)最大輸出Kmax、最小輸出Kmin和Fuzzy-PID控制模塊之間的比較，通過(guò)分階段控制的策略實(shí)現(xiàn)控制算法。

圖3為模糊控制結(jié)構(gòu)圖。其中E和△E是經(jīng)過(guò)模糊量化后得到的e和△e的量化輸入，而U是模糊控制算法得出的模糊控制輸出量，U經(jīng)過(guò)模糊量化得到實(shí)際輸出u。

針對(duì)單變量溫度控制系統(tǒng)，模糊控制器由兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出變量組成，輸入變量分別為溫度的誤差E和誤差變化率△E，誤差E取值為NB、NS、ZO、PS、PB，其中NB=Negative Big（負(fù)大），NS=Negative Small（負(fù)?。?，ZO=Zero（零），PB=Positive Big（正大），PS=Positive Small（正?。?。誤差變化率△E取值為NB、NS、ZO、PS、PB，輸出語(yǔ)言變量為PID整定參數(shù)KP和KI，它的取值為ZO、PS、PM、PB，系統(tǒng)的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 系統(tǒng)的模糊規(guī)則表Tab.1 System's fuzzy regular table

當(dāng)溫度誤差E為最大，溫度誤差變化率△E為最小時(shí)，系統(tǒng)全功率加熱即蒸汽閥門完全打開(kāi)，通入蒸汽；當(dāng)溫度誤差E為最小，溫度誤差變化率△E也為最小時(shí)，系統(tǒng)停止加熱即完全關(guān)閉蒸汽閥門；當(dāng)溫度誤差E為最小，溫度誤差變化率△E為最大，即系統(tǒng)溫度不高，但系統(tǒng)的溫升很快時(shí)，為防止系統(tǒng)溫度的超調(diào)，采用較小功率加熱即蒸汽閥門部分打開(kāi)。另外，當(dāng)控制溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，理論上系統(tǒng)應(yīng)停止加熱，但考慮到系統(tǒng)在環(huán)境中的熱量損失，仍采用小功率加熱，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。

由于在本溫控系統(tǒng)中被控對(duì)象溫度是一個(gè)連續(xù)變化的溫升曲線，具有純滯后、延遲比較大的特性。所以將溫控系統(tǒng)的誤差情況分成四個(gè)階段，通過(guò)對(duì)各階段實(shí)行不同的智能化控制策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度跟蹤的滿意控制。

圖4 系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)控曲線Fig.4 System actual monitoring curve

當(dāng)e(k)＞0，△e(k)＜0時(shí)，當(dāng)前的溫度值低于給定值，且誤差的絕對(duì)值是朝減小的方向變化。此時(shí)，打開(kāi)蒸汽閥門，進(jìn)行加熱。在這一階段的控制策略中Kmax和Kmin是很重要的控制參數(shù)。由于溫控系統(tǒng)被控對(duì)象的時(shí)變特性，隨著溫度的升高，液體混合裝置保溫材料的內(nèi)外壁溫度梯度將逐步增大，使得液體混合裝置溫度越高熱能損失越厲害，因此在實(shí)際系統(tǒng)中隨著溫度的升高應(yīng)當(dāng)逐步增大Kmax和Kmin，以達(dá)到更佳的溫度控制效果。

當(dāng)e(k)＜0，△e(k)＜0，時(shí)，當(dāng)前溫度值大于給定值，且誤差絕對(duì)值朝增大的方向變化。由于本液體混合裝置系統(tǒng)無(wú)制冷裝置，采用零輸入控制策略即完全關(guān)閉蒸汽閥門，停止加熱，使溫度迅速下降。

當(dāng)e(k)＜0，△e(k)＞0時(shí)，當(dāng)前溫度值仍大于給定值，但誤差變化的趨勢(shì)是逐漸減小的。采用模糊分級(jí)預(yù)熱智能控制策略，其預(yù)熱輸出值根據(jù)開(kāi)環(huán)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得出。

當(dāng)e(k)＞0，△e(k)＞0，時(shí)，當(dāng)前溫度值小于給定值，誤差變化趨勢(shì)漸大。在此階段采取最大輸出Kmax作為控制輸出的控制策略，即完全打開(kāi)蒸汽閥門，進(jìn)行加熱。這里應(yīng)用Kmax作為輸出是為了使系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到最快。

3.控制效果分析

圖4為實(shí)際控制曲線圖，給定溫升曲線與實(shí)際溫升曲線幾乎重疊在一起，說(shuō)明控制效果良好。超調(diào)最大為3℃，誤差最大為6℃，滿足系統(tǒng)要求。通過(guò)監(jiān)測(cè)可以看到，本系統(tǒng)的控制算法極大地提高了控制精度，采取了多種基于經(jīng)驗(yàn)的智能化處理方法，對(duì)于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型不確定、大延遲、純滯后的系統(tǒng)，本算法具有相當(dāng)?shù)倪m用性。

4.結(jié)論與展望

本文主要對(duì)溫度控制系統(tǒng)模糊PID控制算法進(jìn)行了研究，對(duì)混合裝置溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。人們?cè)趯?duì)PID應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)其進(jìn)行了各種改進(jìn)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)常規(guī)本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，即變結(jié)構(gòu)PID控制，另一方面，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制是目前智能控制中最為活躍的領(lǐng)域，它與常規(guī)PID控制相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成所謂智能PID控制。這種新型控制器已引起人們的普遍關(guān)注和極大的興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。它具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的魯棒性。

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