基于模糊自适应PID的温度控制系统

1、文章编号:1004-5422(2011)04-0361-03基于模糊自适应PID的温度控制系统王晓员(合肥学院基础实验与实践教学中心,安徽合肥󰀁230022)摘󰀁要:将传统PID控制技术与有着广泛应用的模糊控制技术相结合,设计了一种模糊自适应PID控制器,并实现了基于PLC的自适应模糊PID温度控制系统,该控制系统具有模糊控制的简单、有效的非线性控制作用,稳定性好,有较强的鲁棒性.关键词:可编程控制器;模糊控制;自适应;比例󰀁积分󰀁微分控制器中图分类号:TP273󰀁󰀁󰀁𘀀

2、1;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A0󰀁引󰀁言在电气系统控制的发展中,PID控制在电气系统控制中占据重要的地位.但传统PID控制参数一经确定后,无法随着对象的变化而调整,而在实际电气控制中,会出现时变的、非线性、易受到随机干扰的情况,为了使系统具有很好的动态性能,希望参数能依据当前系统的状况来做出相应的调整.模糊控制是以模糊语言集、模糊变量和模糊推理为基础的新型智能控制算法,其特点是无需知道被控系统的1,2数学模型,控制性能鲁棒性强.目前,PLC的功能指令越来越强大,依据模

3、拟量的输入输出模块就能够实现许多复杂的控制算法.将模糊控制理论与PLC相结合,对无法建立精确数学模型的、复杂的非3-5线性控制系统,有较好的控制效果.本文将模糊控制理论与PID控制算法相结合,设计了一种基于PLC的模糊自适应PID温度控制系统,在实际应用测试中,取得了良好的控制效果.󰀁Kj=图1󰀁模糊自适应PID温度控制系统结构示意图󰀁󰀁(e,ec)󰀁K󰀁(e,ec)jiljilji(1)式中,󰀁Kj分别代表󰀁Kp、󰀁Ki、󰀁Kd.模糊

4、控制器的输出󰀁Kp、󰀁Ki、󰀁Kd分别经过修正系数修正后,和常规PID控制器的Kp󰀁、Ki󰀁、Kd󰀁分别相加,相加之和作为PID控制器的实际参数.Kp=Kp󰀁+󰀁Kp󰀁qpKi=Ki󰀁+󰀁Ki󰀁qiKd=Kd󰀁+󰀁Kd󰀁qd式中,qp、qi、qd分别为󰀁Kp、󰀁Ki和󰀁Kd的修正系数.Kp、Ki、Kd是PID控

5、制器的实际控制参数.1󰀁2󰀁PID参数调整规则数字PID控制算法为,u(k)=Kpe(k)+Kie(k-1)(2)1󰀁模糊自适应PID控制器设计1󰀁1󰀁模糊自适应PID控制系统结构模糊自适应PID温度控制系统结构如图1所示.由图1可见,控制系统由模糊控制器与PID控制器2部分组成.模糊控制器是由SFC1、SFC2、SFC3子模糊控制器构成的复合模糊控制器.模糊推理系统利用系统的误差和误差变化率作为输入,依据设计好的模糊推理规则来进行模糊推理运算,分别控制PID控制器的参数,Kp、Ki、Kd,使系统达到较好的动态、静

6、态性能.本控制系统的子模糊控制器的输出为:收稿日期:2011-07-28.󰀁e(i)+lKde(k)-(3)(󰀁,󰀁362󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁成都大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁b

7、3041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第30卷󰀁󰀁通常,模糊规则的建立依赖于操作者的经验与技术专家的技术知识.依据Kp、Ki、Kd对系统输出的影响,得出Kp、Ki、Kd的调整规则如下:(1)当|e|较大时,可加快系统的响应速度,取较大的Kp,较小的Kd,为防止积分饱和,去掉积分,取Ki=0.(2)当|e|、|ec|的值处于中间时,为防止系统产生过大的超调量,可取较小的Ki值,适中的Kp、Ki,以保证系统的响应速度.(3)当|e|较小时,适当选取Kd值.如果|ec|较小,Kd可取大些;如果|ec|较大时

8、,Kd可取小些,以保证系统响应具有良好的稳态性.同时,依据PID参数的作用,在不同的偏差和偏差变化率时,对PID参数的要求,可制定相应的󰀁Kp、󰀁Ki、󰀁Kd模糊控制规则.1󰀁3󰀁论域和隶属度函数本控制系统利用采样得到的温度信号和给定值相比较,得系统的误差和误差变化率,再通过量化,得到系统的输入变量e和ec,输出变量󰀁Kp、󰀁Ki、󰀁Kd.隶属函数是论域元素对于变量从属程度的描述,根据控制对象的具体情况,本文选用三角型隶属函数,输入变量e和ec,输出󰀁

9、Kp、󰀁Ki、󰀁Kd均采用三角型隶属函数.误差e和误差变化率ec的模糊子集为,PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB,其对应的论域为,3、2、1、0、-1、-2、-3.输出变量󰀁Kp、󰀁Ki、󰀁Kd的模糊子集为,PB、PMB、PM、PMS、PS、ZO、NS、NMS、NM、NMB、NB,其对应的模糊论域为,1、0󰀁8、0󰀁6、0󰀁4、0󰀁2、0、-0󰀁2、-0󰀁4、-0󰀁6、-0󰀁8、-1

10、.1󰀁4󰀁建立模糊控制表由于模糊推理过程必须进行复杂的矩阵运算,计算量很大,在线实施推理很难满足控制系统实时性的要求,据此本文采用查表法来进行模糊推理运算,依据制定的模糊控制规则也就是推理语句,求出控制量,并以此来制定模糊控制表.根据图1,控制系统的推理语句形式可表示为,󰀁󰀁IfeisAi、andecisBithen󰀁KjisCi其中,Ai、Bi、Ci分别是e、ec和输出量󰀁Kj(j=p、i、d)的模糊子集,其合成关系是,󰀁󰀁Ri=Ai󰀁Biϗ

11、041;Ci*i*i*量Ci求并,可得到模糊输出C,󰀁󰀁C*=i󰀁Ci=lk*(5)模糊控制输出C是模糊量,运用反模糊加权平均法求得输出控制量󰀁Kj的精确值,并且经Matlab仿真加以修正,最后获得如表1所示模糊控制表.表1󰀁模糊控制表󰀁KiPBPMPSeZONSNMNPecPB1.00.80.60.40.200PM0.90.70.50.30.100PS0.70.50.30.10-0.1-0.3ZO0.50.30.10-0.1-0.3-0.5NS0.30.10-0.1-0.3-0.5-0.7NM00

12、-0.1-0.3-0.5-0.7-0.9NB0-0.1-0.3-0.5-0.7-0.9-1.02󰀁模糊自适应PID温度控制系统2󰀁1󰀁温度控制系统组成本文设计的模糊自适应PID温度控制系统由PLC、输入󰀁输出模块、EM235模块、接触器等组成.PLC采用西门子S7-200系列CPU224.依据不同的输入指令,PLC进行各数字量的逻辑控制、模拟量的处理、数据运算,通过变频器控制电机控制泵的速度,从而使系统温度稳定在设定值范围中.温度控制系统结构如图2所示.图2󰀁温度控制系统结构图2󰀁2󰀁

13、;系统控制过程系统控制过程的具体步骤为:(1)系统的各项操作指令通过触摸屏及通讯电缆传送到PLC.PLC依据操作指令与预先设计好的程序进行相应的动作控制.(2)PLD控制器的参数在触摸屏上设定.通过触摸屏来读取PLC相应存储器的数值,显示被控系统的数值与变化情况.(4)对于特定的输入量A、B,通过式(4)可以计i第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王晓员:基于模糊自适应PID的温度控制系统换.系统的温度经温度传感器检测并经过EM235模块转换后,利用电流传输,来减

14、少干扰信号的影响.(4)触摸屏和PLC间采用RS-485通讯方式,数据类型是8位数据位,1位停止位.(5)PLC依据采集到的误差与误差变化率输入信号,通过限幅量化处理,所对应的模糊论域中的值,查询模糊控制表,求出󰀁Kp、󰀁Ki、󰀁Kd的值并加以修正,和Kp󰀁、Ki󰀁、Kd󰀁相加,得到PID调节器的控制参数Kp、Ki、Kd,依据PID控制算法计算输出控制量.2󰀁3󰀁结果与分析本文设计的模糊自适应温度控制器应用在锅炉温度控制系统中后,结果如图3所示.参考文献:♦

15、41;363󰀁单一PID控制器控制时效果较差,与常规PID控制相比,模糊自适应PID控制波动度小、超调量小、稳定性好、过渡时间短,有较强的鲁棒性,其性能明显优于常规PID控制.3󰀁结󰀁语在PID控制与模糊控制技术的基础上,设计了基于模糊自适应PID的温度控制系统,系统具有很好的控制品质与较好的鲁棒性.实际应用表明,此温度控制系统方法简单、经济,具有一定的推广应用价值.1谭伟,徐玲.智能温室温湿度控制系统设计及其仿真J.东北林业大学学报,2008,36(8):88-89.2谢书明,柴天佑.一种参数自适应模糊PID控制器J.信息与控制,1998,27

16、(4):255-259.3李祖欣.Matlab在模糊控制系统设计和仿真的应用J.系统仿真学报,2003,15(1):132-134.4刘金琨.先进PID控制Matlab仿真M.北京:电子工业出版社,2004.󰀁󰀁󰀁常规PID控制󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁模糊自适应PID控制5SIEMENS.SIMATICS7-200可编程控制器系统手册G.SI-EMENS,2004.6诸静.模糊控制原理与应用M.北京:机械工业出版社,2003.图3󰀁锅炉温度实时曲线由于锅炉温度为非线性变化,由图3可见,采用TemperatureControlSystemBasedonFuzzySelf-adaptingPIDWANGXiaoyuan(CenterofBasalExperimentandPracticalTeaching,HefeiUniversity,Hefei230022,China)Abstract:CombiningthetraditionalPIDcontroltechnologywithfuzzycontroltechnology,asel-fadaptingfuzzy-PIDcontrollerwasdes