带积分的模糊Smith预估器在电加热温度控制中的应用

1、带积分的模糊Smith预估器在电加热温度控制中的应用        摘要传统的Smith预估器是解决大纯滞后系统控制的有效方法，但它依赖于被控对象精确的数学模型，使应用受到了限制。带积分的模糊Smith预估器兼有前者的特性，又不依赖于对象精确的数学模型，且有较强的鲁棒性。论文给出了设计方法及在电加热炉中的应用结果。 关键词Smith预估器；模糊控制；电加热炉 The application of anintegrated fuzzy Smith predictorto thetemperature controlo

2、fan electric ovenSHIXuhua （Information EngineeringInstituteof Ningbo University，ZheJiangNingbo315211，China） Abstract：Though the Smith predictor controlleris usefulfor a timedelay controlsystem，it depends onthe accurate mathematic model of a controlled objectSo its industrial application is limitedTh

3、e integratedfuzzy Smith predictoris also valid for a timedelay systemItcan reduce the limitation ofthe abovesaid modeland guaranteethe robustnesstothe disturbanceThe design method is describedin the paperThe result of application shows thatitis usefulforthe temperature controlof electric ovens Key w

4、ords：Smith predictor controller；Fuzzy control；Electric oven<-关键EN(结束)->1前言电加热炉温度控制要求控制系统能够满意地跟踪设定的温度曲线，即要求所设计的调节器具有较强地跟踪伺服信号的能力，具有良好的稳态性能及平稳的动态性能。由于电加热炉动态特性具有较大的容积滞后，温度上升和下降具有严重的不对称性，故采用常规的PID调节器控制此类对象，稳定时间较长，不能很好地满足工艺要求。如何有效克服大纯滞后的影响，理论上已有很多的方法，Smith预估控制器就是其中之一。传统的Smith预估控制器是在估计对象动态特性的基础上，用一个

5、预估模型进行补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器。它的结构是 在常规的PID控制器上并联一个时滞预估器。Smith预估控制最大的优点是将时滞环节移到了闭环之外，最大的缺点是过份依赖精确的数学模型。当估计模型和实际对象误差较大时，控制品质会明显恶化，甚至发散，而对于外部扰动也非常敏感，鲁棒性较差。所以，一般的Smith预估控制系统难以在实际中得到真正的应用。论文将传统的Smith控制方法和模糊控制方法相结合，构成一种模糊Smith预估补偿器，提高了控制系统的稳定性和鲁棒性13，并成功地应用于电加热炉中。2带积分的模糊Smith控制器设计模糊控制器是根据经验数据和理论分析确定隶属函数及

6、控制规则的，因此不要求知道系统的精确数学模型，只需要提供现场操作经验和操作数据来是有效的方案。具体过程是将输入变量的精确值模糊化，根据输入变量和模糊控制规则计算控制量，再将它反模糊化，得到精确输出去控制过程。文中提出的带积分的模糊Smith控制系统框图如图21所示。图中G（S）为传递函数：为对象无滞后部分，Gm（s）为预估器，理想情况为：，可通过对实际对象的阶跃辨识获取。为积分环节与模糊控制器并联，构成具有积分作用的模糊控制系统，模糊控制器的输入为误差e和误差的变化信号，输出为um，K1、K2、和K3为尺度变换的比例系数。实时性，针对有限量化的输入变量，通过离线计算相应的控制量，组成控制量表。

7、误差e和误差的变化信号、制量um的语言词集为：NL，NM，NS，NZ，Z，PZ，PS，PM，PL，输入信号隶属函数采用高斯型，输出信号um的隶属函数采用三角型。模糊论域的范围可根据具体控制对象修正。模糊Smith控制器控制的基本原则为：当控制量大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量以防止超调。借鉴模糊控制器设计经验，得到语言控制规则表21。3实验结果此例在研华工控机上实现，加热炉采用恒电流时间比例加热，输入功率与导通时间成正比，控制框图如图31所示。对加热炉的温度控制输入端加入阶跃信号，从工控机测出阶跃响应如图32所示，可见加热炉存在明显的滞后非线性和时变特性。根

8、据阶跃响应初步获得Smith预估器为：e8s），选择模糊控制的e、e和um的实际变化范围分别为4，4、4，4、2，2，给定温度为74，采用传统的Smith预估和模糊Smith预估的控制结果如图33所示，如选择预估器为：Gm2（S）则两种控制情况下的效果如图34所示。可见无论是在系统结构参数完全匹配或不匹配以及滞后时间发生变动情况下，带积分模糊Smith预估器均获得较好的控制效果，不仅稳态误差小，而且超调也明显较小，鲁棒性也有一定的改善。 4结论电加热炉的温度控制应用证明，带积分模糊Smith预估控制对纯滞后的非线性时变系统有较理想的控制效果，比传统的Smith预估控制对参数的变化更具适应能力，在对象模型发生较大变化时也能获得较好的控制效果，而且通过误差积分器的直接作用，消除了系统的稳态误差。模糊控制基于自然语言和经验知识，容易被人理解和掌握，是解决纯滞后系统的一种具有应用前景的控制方案。参考文献 1孙增忻，等智能控制理论与技术M北京：清华大学出版社，19972陶永华，等新型PID控制及应用M北京：机械工业出版社，19983诸静模糊控制原理与应用M北京：机械工业出版社，19954刘向杰，等模糊控制的现状与新发展J信息与控制，19995宋云霞大时滞过程控制方法及应用J化工自动化及仪表，20016