基于模糊pid的电阻炉温度控制系统设计

基于模糊pid的电阻炉温度控制系统设计内容摘要：

少优点 ]53[ : (1)增量式 PID 控制算法不需要做累加，控制量增量的确定仅于最近几次误徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 9 差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的影响较小。 (2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中， 只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，当计算机出现故障时，可以保持原值，而且比较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 不会影响系统的工作。 (3)采用增量式算法，便于实现手动到自动的无扰动切换。 但增量式 PID 也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。 因此，选择时不可一概而论。 PID 控制器的优缺点 传统的 PID 之所以有很强的生命力，其主要原因在于： PID控制对于大多数过程都具有良好的控制效果和鲁棒性； PID 算法原理简明，参数物理意义明确 ，理论分析体系完整且应用经验丰富；过程的动态特性大都具有高阶、非线性、大延迟及时变等特性，给以精确数学模型为基础的现代控制理论的应用带来了困难。 但传统的 PID控制也存在许多不足，最突出的一点就是有关 PID参数的问题。 首先，传统的 PID 无自适应能力。 这主要表现在： PID控制器参数只能为满足生产过程控制目标某一个方面的要求。 在设计控制系统的过程中人们主要关心的问题是 PID 控制器，只能通过整定一组“设定值跟踪特性”和“干扰抑制特性”。 而传统的 PID 参数来满足一个方面的要求。 因此常常采 用折中的办法整定控制器参数， 这样得到的控制效果显然 是最佳的。 模糊控制 由于传统控制理论面临着新的控制要求的挑战，促使人们考虑在处理不确定对象时，希望建立一个模拟不确定对象的模型来解决实际控制问题。 模糊控制理论是美国国柏克莱加州大学的 教授最早提出的， 1965 年他首先提出模糊集的概念，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容，开创了模糊数学及其应用的新纪元。 1974 年，英国的 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数 字控制算法更好的效果。 它的成功标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始，从而宣告了模糊控制的诞生。 在此以后，模糊逻辑应用最有效、徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 10 最广泛的领域就是模糊控制，并且在各种领域解决了传统控制理论无法解决的问题，取得了一些令人信服的成效。 其根源是模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，对于模型难以建立的不确定系统或复杂系统的控制，提供了简便模式，是处理推理系统和控制系统中不精确或不确定性的一种有效的方法。 从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立数学模型的对 象实施的一种控制，它是模糊数学与控制理论相结合的产物，同时也构成了智能控制的重要组成部分。 模糊控制的特点如下 ： (1)不需要知道被控对象的数学模型，它只需以对被控对象的控制经验为依据进行设计。 (2)是一种反映人类智慧思维的智能控制， 模糊控制采用人类思维作控制量，控制量由模糊推理导出，这都是人类通常智能活动的体现。 (3)易被人们接受 ， 模糊控制规则是用人类语言表示的，易被一般人接受和理解。 (4)构造容易， 模糊控制系统的硬件结构与一般的数字控制系统无异，模糊控制算法可完全用软件实现。 (5)鲁棒性 好 ， 无论被控对象是线形的还是非线形的模糊控制系统都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 模糊控制作为智能控制的一种，是自动化控制技术中一个非常活跃的领域，由于系统的复杂性，存在多种不确定性及难以确切描述的非线性。 另一方面，现代工业对控制过程不仅要求控制的精确性，还要求控制的鲁棒性、实时性、容错性及对控制参数的自适应性，而传统控制存在的局限性使之不能从根本上解决这些问题。 模糊控制具有不需要建立精确的数学模型、易于实现、抗干扰能力强、鲁棒性较好等优点，因而在控制领域中的应用越来越受到重视。 模糊控制系统组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其系统框图如图 所示。 徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 11 图 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可分为 5 个组成部分 : (1)模糊控制器 :模糊控制系统的核心部分，采用模糊数学知识表示和进行规则推理的语言型控制器，实际上是一台 PC 机或单片机及其相应软件。 (2)输入 /输出接口 :模糊控制器通过输入接口从被控对象获得数字信号量，并将模糊控制器决策的数字信号经输出接口转变为模拟信号去控制被控对象。 (3)执行机构 :主要包括电动和 气动调节装置，如伺服电动机、气动调节阀等。 (4)被控对象 :它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其它各种状态转移过程。 这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量、有滞后或无滞后、也可以是线性或非线性、定常或时变，以及具有干扰和耦合等多种情况。 对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。 (5)变送器 :由传感器和信号调理电路组成，传感器是将被控对象或过程的被控制量转换为电信号的装置，其精度直接影响整个模糊控制系统的精度。 模糊控 制的工作原理 模糊控制是以模糊集合论作为数学基础的控制方式，主要应用于被控对象复杂、可变难以建立数学模型或具有极强的非线性系统中，与传统控制器依赖于系统行为参数的控制设计方法不同的是模糊控制器依赖于操作者的经验。 在传统控制器中，参数或控制输出的调整是根据数学模型所描述的被控过程的状态分析得来的，而模糊控制器的参数和控制输出的调整是从过程函数的逻辑模型产生的，通常是通过优化模糊控制规则来改善模糊控制性能。 模糊控制的基本思想，是把对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以 if(条件 )和 then(作用 )的形式 表示的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。 控制作用集均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“低”、“高”、徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 12 “正常”等。 理论上，模糊控制器由 N维关系 R表示，关系 R为受约于 [0， 1]区间的 n 个变量的函数。 R 是 n 个 N 维关系 R1 的组合，每个 R1代表一条规则，即 R1:ifthen。 控制器的输入 X 被模糊化为一关系 x，模糊输出 Y可应用合成推理规则进行计算，对模糊输出 Y 进行模糊判决 (解模糊 )得到精确的数值输出 y，对控制对象进行控制。 模糊控制的核心部分模糊控制器主要由模糊化、模糊推理 、反模糊化、知识库组成。 (1)模糊化 所谓模糊化就是先将某个输入量的测量值作标准化处理，把该输入量的变化范围映射到相应论域中，再将论域中的各输入数据以相应的模糊语言值的形式表示，并构成模糊集合。 这样就把输入的测量值转换为用隶属度函数表示的某一模糊语言变量。 (2)模糊推理 根据事先己定制好的一组模糊条件语句构成模糊规则库，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行推理计算，从而根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行综合评估，以得到一个定性的用语言表示的量，即模糊输出量。 完成这部分功能的过程就是模糊逻辑推理过程。 (3)反模糊化 反模糊化 (Defuzzification)有时又叫模糊判决。 就是将模糊输出量转化为能够直接控制执行部件的精确输出量的过程。 (4)知识库 由数据库和规则库两部分组成。 数据库用来存放所有输入 /输出变量的全部模糊子集和隶属函数。 规则库用来存放全部模糊控制规则。 模糊控制系统优缺点 优点是 :(l)模糊控制器是易于控制、易于掌握的非线性控制器，是一种语言控制器。 (2)模糊糊控制器不依赖被控对象的精确数学模型，可以用于控制那些系统模型无法确定的系统。 (3)控制器抗干扰能力强，响应速度快 ，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。 缺点是模糊控制存在稳态误差和模糊规则不易确定。 徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 13 模糊 PID控制 常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有 Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy 积分控制作用，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。 故把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，构成 FuzzyPI(或 PID)复合控制，使动静态性能都得到 很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。 模糊控制和 PID 控制结合的形式有多种 ]6[ : (1)模糊 PID 复合控制 控制策略是 :在大偏差范围内，即偏差 e在某个闭值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能 :在小偏差范围内，即 e落到阐值之内时转换成 PID(或 PI)控制，以获得良好的稳态性能。 二者的转换阐值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。 常用的是模糊控制和 PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为 FuzzyPI 双模控制。 (2)比例 模糊 PI 控制 当偏 差 e 大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差 e 减小到闭值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。 在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。 但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。 故在接近稳态点时切换成 PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时， (这时绝对误差实际上并不一定为零 )切换至 PI 控制。 (3)模糊 积 分混合控制 是将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。 (4)自适应模糊 PID 控制 PID 控制的关键是确定 PID 参数，该方法是用模糊控制来确定 PID 参数的，也就是根据系统偏差 e 和偏差变化率 ec，用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改。 其实现思想是先找出 PID 各个参数与偏差 e 和偏差变化率 ec之间的模糊徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 14 关系，在运行中通过不断检测 e 和 ec，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同 e 和 ec 对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能 ]7[。 其原理框图 如图所示 图 自适应模 糊 PID控制的原理图 较常用的是模糊 PID 复合控制和自适应模糊 PID 控制两种方法。 自适应模糊 PID控制基本特性 模糊控制引入了逻辑推理，有较强的自适应能力，对非线性、大延迟等复杂系有良好的控制效果。 由此可见，将模糊控制与 PID 控制相结合，可以很好地克服传 PID 控制的不足，实现精确控制 ]8[。 并且使系统具有较强的适应性和鲁棒性，可以更效地实现人的控制策略和经验。 自适应 模糊 PID 控制的目的就是根据实际工况实时调整比例、积分微分系数，以达到控制作用在任何时候均为最优。 自适应调整过程是模仿人的思维过推理实现的，由于人固有的特性，这一过程又一定是模糊的，如“如果当前偏差很大而偏差变化的速度仍很慢，则加大调节作用，以提高系统响应速度”，“如果前偏差已很小而偏差变化的速度仍很大，则减小调节作用，以便减小系统超调”等为简化运算，使问题求解难度降低，以满足实时性的要求，在不降低其它性能标的前提下，本文将模糊推理器设计成二输入三输出的推理器，即输入是偏差 e和差变化率 ec，输出是△ Kp，△ Ki，△ Kd，用来分别调节 PK ， IK ， DK 的值。 控制器参数 (比例系数、积分系和微分系数 )的初值，由用户根据经验输入，这样以使用户仍可对控制参数进行宏的调节。 并在很大程度上弥补了模糊推理中对变量进行模糊化所造成的误差，提高控制器主动适应系统或环境的能力。 控制器参数的每一次调节都是在具体情况下的时修正，因而可达到调节作用的时间最优。 模糊化 模糊 推理 常规 PID 调节器 被控 对象 d/dt 徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊 PID 的 电阻炉 温度自动控制系统 15 自适应模糊 PID控制工作流程 自适应模 糊 PID 是在 PID 算法的基础上，通过计算当前系统误差 e和误差变化 ec，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设 PID 修正参数的模糊矩。