基于模糊pid控制電阻爐的溫度系統設計與仿真畢業論文-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，當計算機出現故障時，可以保持原值，而且比較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。這主要表現在： PID 控制器參 數只能為滿足生產過程控制目標某一個方面的要求。在此以后，模糊邏輯應用最有效、最廣泛的領域就是模糊控制，并且在各種領域解決了傳統控制理論無法解決的問題，取得了一些令人信服的成效。 模糊控制作為智能控制的一種，是自動化控制技術中一個非常活躍的領域，由于系統的復雜性，存在多種不確定性及難以確切描述的非線性。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量或多變量、有滯后或無滯后、也可以是線性或非線性、定常或時變，以及具有干擾和 耦合等多種情況。 R 是 n 個 N 維關系 R1 的組合，每個 R1 代表 一條規則，即 R1:ifthen。就是將模糊輸出量轉化為能夠直接控制執行部件的精確輸出量的過程。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 12 模糊 PID 控制 常規的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認為這種控制器具有 Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy 積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中， 積分控制作用能消除穩態誤差，但動態響應慢；比例控制作用動態響應快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩態精度，又能具有較快的動態響應。故在接近穩態點時切換成 PI 控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時， (這時絕對誤差實際上并不一定為零 )切換至 PI 控制。 自適應模糊 PID 控制的目的就是根據實際工況實時調整比例、積分微分系數，以達到控制作用在任何時候均為最優。?????? 在線運行過程中， 控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成 PID 參數的在線自適應。反之， K越小，被控對象的穩定性就越好。如前所述，比較常用的有 Mamdani 型。 電阻爐模糊控制器的建立方法 ： (1)確定模糊控制器的輸入、輸出變量，模糊控制器采用 3 個模糊變量 : ① E 為溫度誤差；② EC 為溫度誤差的變化率；③ U 為控制加熱的供電電壓 其中 E、 EC 為輸入模糊變量，而 U 為輸出模糊變量 (2)確定各輸入 : 取 3 個語言變量的量化等級都為 7 級，即 x， y， z={3， 2， 1,0,1,2,3}。 各語言變量模糊子集通過隸屬度函數來定義，為了提高穩態點控制的精度， 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 18 量化方式采用非線性量化： 表 32 模糊集的隸屬度函數 誤差 e 30 15 5 0 5 15 30 誤差 率 de 90 30 10 0 10 30 90 控制 v 16 4 2 0 2 4 16 量化 等級 3 2 1 0 1 2 3 狀態 變量 相關的隸屬度函數 PB 0 0 0 0 0 1 PS 0 0 0 1 0 ZE 0 0 0 0 0 NS 0 1 0 0 0 NB 1 0 0 0 0 0 (4)模糊控制規則的確定 模糊控制規則實質上是將操作員的控制經驗加以總結 而得出一條條模糊條件語句的集合。因此有控制規則： 規則 11： 如果誤差 e 是 NS，且誤差變化 de是 NS，則控制 U 為 PS； 規則 12： 如果誤差 e 是 NS，且誤差變化 de是 NB，則控制 U 為 PB； 規則 13： 如果誤差 e 是 ZE，且誤差變化 de是 NS，則控制 U 為 PS； 規則 14： 如果誤差 e 是 ZE，且誤差變化 de是 NB，則控制 U 為 PB； 根據系統工作的特點，當誤差 e和誤差 de 同時變號時，控制 量的變化也應變號。 基于以上相關的理論研究和分析，我們總結出模糊 PID 控制器的設計分為如下部分 : (l)確定模糊 PID 控制器的輸入和輸出變量。模糊控制規則實際上是一組多重條件語句。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 21 模糊 PID控制器的輸入輸出變量及其模糊化 在工程實際應用中，二維模糊控制器的控制性能和控制復雜性較好，是目前較為廣泛采用的一種形式。 IK 的基本論域為 {， }，其量化論域為 {， }，則量化因子 l。選擇較多的詞匯可以更精確的描述變量，提高控制精度，但會使控制規則變得復雜；選擇的詞匯過少則使變量描述粗糙，導致控制性能變壞。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 24 ②根據過程模糊型生成控制規則 。 IK 越大，系統的靜態誤差消除越快，但 IK 過大，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。當 |ec|較大時， DK 取小些。 比較與總結 上個章節曾提到自適應模糊 PID 控制效果比較理想。本文設計的模糊 PID 控制器雖然具有較好的控制品質，但是并不能充分的發揮 模糊 PID 控制的優點。謝謝您們 ! 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 33 參考文獻 [1] 覃強 . 模糊 PID 溫度控制方案的仿真優選及其實現 [D] ：（碩士學位論文） .北京 :中國科學院電工研究所， 20xx. [2] 于海生 . 微型計算機控制技術 [M].北京 :清華大學出版社， 1998. [3] 馮勇 . 現代計算機控制系統 [M].哈爾濱 : 哈爾濱工業大學出版社， 1997. [4] Isidro Sanchez, Julio R Banga， Antonio A Alonso. Temperature control in microwave bination ovens[J]. Journal of Food Engincering, 20xx,46: 2129. [5] 鄢景華 . 自動控制原理 [M]. 哈爾濱 : 哈爾濱工業大學出版社， 1996. [6] 吳為民，王仁麗 . 溫度控制系統的發展概況 [J]. 工業爐， 20xx，24(20) :1820. [7] 楊濤，高偉，黃樹紅 . 基于 Matlab 的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統仿真 [J].華中科技大學學報， 20xx,31(4):6365. [8] 胡澤新，周金榮，黃道 . 多變量非線性自整定 PID 控制器 [J].控制理論與應用， 1996,4: 268272. [9] 邵紅，李川香 .一種基于 FuzzyPID 的溫度控制系統 [J]. 自動化儀表， 20xx, 23(9): 7072. [10] 孫凱，李元利 .電阻爐溫度控制系統 [J].傳感器技術， 20xx,22(2): 5052. [11] 旺光陽 .基于模糊工具箱和 SIMULINK 的模糊控制系統計算機仿真 [J]. 安徽工業大學學報， 20xx， 8： 5657. [12] Roger Jang J S. ANFIS: Adaptive Networkbased Fussy Interence Systems[J]. IEEE ， Man and Cybematics,1993,23(3): 665685. [l3] Zhang Bin, Wang Jingcheng, Zhang Jianmin. Dynamic model of reheating furnace based on fuzzy system and geic algorithm[J]. Control Theory amp。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 32 致謝 首先我要感謝我的指導導師 ，本課題是在段老師的悉心指導下完成的。 模糊 PID 控制的核心在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規則去執行控制。△ Kp，△ Ki 和△ Kd 為模糊控 制器的輸出值即 PID 的修正量 PK , IK , DK 為 PID實際控制量。 由以往的經驗和溫度控制的特殊 性得知 PID 控制 PK , IK , DK 參數調整有如下的規律 : ①當溫度偏差 |e|較大時，為了加快溫度控制的響應速度，應取較大的 PK 同時為了避免由于開始時溫度偏差 e的瞬時變大可能出現的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，導致超調的發生，應取較小的 PK ，同時為了防止系統響應出現較大的超調，產生積分飽和，對積分 作用加以限制，通常取 PK =0即去掉積分作用。從系統溫度控制的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面來考慮， PK , IK , DK 的作用如下 : ①比例系數 PK 的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。 (2)模糊控 制器的規則設計 模糊控制規則庫由一系列“ IF 一 THEN”型的模糊條件句所構成。 (l)變量詞集是描述輸入和輸出變量的詞集 模糊控制器的控制規則表現為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態的一些詞匯 (如“正大”、“負小”等 )的集合，稱為這些變量的詞集。電阻爐模糊 PID 控制器輸入輸出變量的模糊化分為以下幾個步驟 : (l)論域的選擇 通過分析爐溫度變化的特點，選取誤差。 (5)求模糊控制表。在每個變量的量化論域內定義模糊子集。 目前模糊 PID 控制器有多種結構形式，但工作原理基本一致。是控制量 u 應取正大。則各比例因子為： Kp=4/50=2/25, Ki=4/150=2/75, Kd=64/4=16。 MATLAB工具箱內置兩種 and 操作方法，即最小法（ min）和乘積法 (prod)。具體用科恩 庫恩公式確定近似傳遞函數。因而一般可用一階慣性滯后環節來描述 溫控對象的數學模型。控制器參數的每一次調節都是在具體情況下的時修正，因而可達到調節作用的時間最優。其原理框圖如圖所示 圖 自適應模糊 PID 控制的原理圖 較常用的是模糊 PID 復合控制和自適應模糊 PID 控制兩種方法。常用的是模糊控制和 PI 控制兩種控制模式相結合的控制方法稱之為 FuzzyPI雙模控制。 模糊控制系統優缺點 優點是 :(l)模糊控制器是易于控制、易于掌握的非線性控制器，是一種語言控制器 。這樣就把輸入的測量值轉換為用隸屬度函數表示的某一模糊語言變量。在傳統控制器中，參數或控制輸出的調整是根據數學模型所描述的被控過程 的狀態分析得來的，而模糊控制器的參數和控制輸出的調整是從過程函數的邏輯模型產生的，通常是通過優化模糊控制規則來改善模糊控制性能。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 10 圖 模糊控制系統框圖 模糊控制系統一般可分為 5 個組成部分 : (1)模糊控制器 :模糊控制系統的核心部分，采用模糊數學知識表示和進行規則推理的語言型控制器，實際上是一臺 PC 機或單片機及其相應軟件。 (2)是一種反映人類智慧思維的智能控制，模糊控制采用人類思維作控制量，控制 量由模糊推理導出，這都是人類通常智能活動的體現。 模糊控制 由于傳統控制理論面臨著新的控制要求的挑戰，促使人們考慮在處理不確定對象時，希望建立一個模擬不確定對象的模型來解決實際控制問題。因此，選擇時不可一概而論。 PK 積分系數：IPI TTKK ? , DT 微分系數 : TTKK PD ? 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統 7 由 Z 變換性質可得： ?? ????????????K0j 11)1()(E)]j(e[)(E)]1k(e[ 得式 ()的 Z變換式為： )]z(Ez)z(E[Kz1 )z(EK)z(EK)z(U 1D1IP ?? ????? （ ） 由式 ()便可得到數字 PID 控制器的 Z傳遞函數 為： 21D1IP )z1(Kz1 KK)z(E )z(U)z(G ?? ?????? （ ） 增置式 PID 控制算法 增量式 PID 控制算法可由 ()導出。它有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定，