張娓娓 陳樂瑞

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 南陽 473000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 鄭州 450001）

基于Fuzzy-PID復(fù)合的電加熱爐溫度控制研究

張娓娓1陳樂瑞2

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 南陽 473000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 鄭州 450001）

在煉鋼生產(chǎn)過程中使用到的電加熱爐是一個(gè)非線性時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，在進(jìn)行溫度控制時(shí)候如果用常規(guī)的PID控制，很難以達(dá)到控制要求，因此本文把PID和模糊控制結(jié)合起來對(duì)電加熱爐溫度進(jìn)行控制，并用Simulink進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表示模糊PID控制具有傳統(tǒng)PID無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

模糊控制；PID；Simulink；溫度控制

1 引言

電加熱爐是工業(yè)企業(yè)常用設(shè)備，其控溫系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)PID控制技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但電加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性特點(diǎn)，單純采用PID控制不會(huì)取得較好的控制效果。大量的理論研究和工程實(shí)踐也充分證明了這一點(diǎn)。模糊控制對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力，魯棒性好。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。因此把PI或PID控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成Fuzzy-PI（或PID）復(fù)合控制，是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑。本文采用Fuzzy-PID復(fù)合控制方法。

2 Fuzzy-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

2.1 Fuzzy-PID控制器的原理

這種復(fù)合控制策略是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成PID控制，二者轉(zhuǎn)換由計(jì)算機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)誤差在某一個(gè)閾值以外時(shí)，采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；當(dāng)誤差落到閾值以內(nèi)的范圍時(shí)，采用PID控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。這種模糊控制與PID控制兩種模式相結(jié)合的控制方法稱為Fuzzy-PID復(fù)合控制。

2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的模糊控制器，采用量輸入一輸出的形式，輸入?yún)?shù)有誤差e和誤差變化率ec，輸出的時(shí)變量設(shè)為u，我們來建立隸屬度函數(shù)。因模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對(duì)模糊量進(jìn)行的，因此控制器首先要對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理。本設(shè)計(jì)中模糊控制器采用兩輸入（e，ec）、單輸出（u）的形式，我們將系統(tǒng)輸入輸出的變化范圍定義為模糊集上的論域，分別為：

e=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，

ec=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，

u=[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。

在模糊控制器中，輸入、輸出變量的語言值均分為7個(gè)，分別為

e={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，

ec={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，

u={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

子集中的元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的三角函數(shù)。

根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出的模糊規(guī)則如表1所示。

表 1 模糊控制規(guī)則表

此處采用中心法進(jìn)行解模糊，本系統(tǒng)是電加熱爐的溫度控制，由于其溫度變化率較慢，因而偏差絕對(duì)值變化較大時(shí)主要考慮偏差的作用例如當(dāng)偏差為正大時(shí)，無論被調(diào)量變化率如何控制量，都取正大當(dāng)偏差為正大時(shí)被調(diào)量為負(fù)則將控制量變化取正大，以盡快消除偏差，若被調(diào)量為正，即偏差有減少的趨勢(shì)，則相應(yīng)減少控制量當(dāng)偏差絕對(duì)值較小時(shí)為避免系統(tǒng)超調(diào)或振蕩應(yīng)相應(yīng)減少控制量。

3 仿真的實(shí)現(xiàn)與分析

3.1 建立模型

電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。然而，對(duì)于二階不振蕩系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識(shí)可以降為一階模型。因而可以用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述其數(shù)學(xué)模型。所以，電加熱爐模型的傳遞函數(shù)可以描述為：

式中，K為對(duì)象的靜態(tài)增益，T為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，τ為對(duì)象的純滯后時(shí)間。K=5，T=150，τ=30。

本文仿真采用Simulink進(jìn)行仿真，仿真模型如圖1所示。

圖 1 電加熱爐Simulink仿真模型

經(jīng)過多次試驗(yàn)，PID控制器的三個(gè)參數(shù)取值分別為：Kp=0.8，Ki=0.005，Kd=3時(shí)候仿真效果比較好。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

其中，紅色的線表示傳統(tǒng)PID控制結(jié)果，綠色的線表示模糊-PID雙模復(fù)合控制結(jié)，由仿真曲線可以看出，模糊-PID雙模復(fù)合控制超調(diào)小，上升快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，無靜差，結(jié)合了傳統(tǒng)PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，使控制效果得到明顯改善。

3.2 抗干擾能力

為了比較模糊PID的抗干擾能力我們?cè)?00S之后加入干擾信號(hào)，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖3所示：

圖 3 系統(tǒng)的仿真結(jié)果（加入干擾信號(hào)）

由仿真曲線可以看出，模糊-PID復(fù)合控制具有較好的抗干擾能力。

4 結(jié)論

由以上仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的FUZZY-PID雙?？刂茰囟瓤刂葡到y(tǒng)，過渡時(shí)間明顯減少，超調(diào)量較傳統(tǒng)PID方法有明顯的改善，而且可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和對(duì)時(shí)變參數(shù)的適應(yīng)能力及魯棒性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，有效提高控制系統(tǒng)品質(zhì)。這種控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而且結(jié)果精度較高，因此具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用價(jià)值。

[1]古樂，史九林.軟件測(cè)試技術(shù)概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]葉振宇.智能手機(jī)軟件開發(fā)中的質(zhì)量控制策略[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，3（7）：23-27.

[3]崔小樂，劉斌，鐘德明，等.實(shí)時(shí)嵌入式軟件仿真測(cè)試平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2003，22（7）：38-40.

[4]舒智勇，譯.Mark Fewster，Dorothy Graham.軟件測(cè)試自動(dòng)化技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000：470-485.

[5]廉小親.模糊控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[6]諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[7]陳永春.從Matlab／Simulink模型到代碼實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

TP273

A

1671-0037（2014）05-81-1.5

張娓娓（1985－），女，本科，助教，研究方向：復(fù)雜工業(yè)過程控制。