基于模糊PID的电阻炉温度控制系统

1、TOC o 1-5 h z摘要1 HYPERLINK l bookmark4 0引言1 HYPERLINK l bookmark6 PID控制以及模糊PID控制1 HYPERLINK l bookmark8 PID控制1 HYPERLINK l bookmark10 模糊PID控制2电阻炉温度控制系统4 HYPERLINK l bookmark14 电阻炉系统数学模型的建立4 HYPERLINK l bookmark16 建立被控对象模型5 HYPERLINK l bookmark18 电阻炉模糊控制器的建立6 HYPERLINK l bookmark20 2.4模糊PID控制器的输入输出变量

2、及其模糊化7 HYPERLINK l bookmark22 3模型仿真以及结果比较9PID控制9电阻炉模糊控制10 HYPERLINK l bookmark26 电阻炉模糊PID控制11 HYPERLINK l bookmark30 比较与总结124总结13 HYPERLINK l bookmark34 参考文献14基于模糊PID的电炉温度控制以及仿真嵇朋朋南京信息工程大学信息与控制学院南京210044摘要模糊PID的温度控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的温度控制系统都基于模糊PID算法而设计。为了提高对复杂系统的控制性能，要使用模糊PID温度控制器。本文设计了一种基于模糊PID的温

3、度控制系统，首先介绍了模糊PID控制理论基础、然后对电阻炉温度这一控制对象，选择了纯PID控制、纯模糊控制和参数模糊自整定PID控制三种控制方案，并给出了仿真与比较。关键词：模糊控制、PID控制、Matlab仿真0引言温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电阻炉、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。可见温度控制电

4、路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。由于温度自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案使其调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。1PID控制以及模糊PID控制1.1PID控制PID控制是偏差比例（P）、偏差积分（I）、偏差微分（D）控制的简称。在模拟控制系统中，常规模拟PID控制系统原理框图如图11所示。系统由模拟PID控制（虚框内部分）和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r

5、(D与实际输出值y(t)构成偏差：e(t)=r(t)-y(t)将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为de(t)dt1tu(t)=Kpe(t)e(t)dtTD其传递函数形式为：式中：*为比例系数；T,为积分时间常数；TD为微分时间常数G(S)EU(SS)Kp(1TS1TDS)E(S)pT|SD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

6、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Fuzzy-PI(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：(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Fuzzy-PI双模控制。

7、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。自适应模糊PI

8、D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。其原理框图如图1.2所示。2.1电阻炉系统数学模型的建立电阻炉的实物图如图2.1所示温度仪表图2.1电阻炉实物图通常电阻炉的温度控制可用以下模型定性描述TdXX=KVt-2dt式中：X-电阻炉内温升（指炉内温度与室温温差）

9、；K-放大系数；0-纯滞后时间；t-加热时间；T-时间系数；V-控制电压理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。所以电阻炉温度模型的传递函数为TS1其中，K,T,分别为对象模型的静态增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数，s为复变量。1）静态增益K放大系数K又称为放大系数,是被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量和输入变化量之比，它是不随时间变化的量。在相同的输入变化作用下，被控对象的K越大，输出变化量就越大，即输入对输出的影响越大，被控对

10、象的自身稳定性越差；反之，K越小，被控对象的稳定性就越好2）滞后时间T在过程控制中，很多被控对象在受到输入变量的作用以后，其被控量并不立即发生改变，而是经过一定时间才发生变化，这就是滞后现象，滞后时间下是描述这种现象的动态参数。3）时间常数.时间常数.反映了被控对象受到输入作用以后，输出变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短，是被控对象的动态特性参数。2.2建立被控对象模型目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃应然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩公式确定近似传递函数。给定输入阶跃信号250C,用热电偶测量电阻炉的温度，每分钟采一

11、次点。表2.1每分钟温度采样值表时间t（分）01234567温度T（度）2050105150180210240250实验数据如表2.1:根据Cohn-Coon公式如下:式中：ck=：MaT.5（t0.632to.28）10.632o.281.=1.5（t3M为系统阶跃输入；C为系统的输出响应t0.28是对象飞升曲线为0.28C时的时间（分）从而求得K=092,T=144s,丁=30s,所以电阻炉模型为G（卄牡0144s+1电阻炉模糊控制器的建立模糊逻辑工具箱中模糊推理系统有五个过程：输入变量的模糊化、模糊关系运算、模糊合成运算、不同规则结果的综合、去模糊化。电阻炉模糊控制器的建立方法：(1)确

12、定模糊控制器的输入、输出变量，模糊控制器采用3个模糊变量E为温度误差；Ec为温度误差的变化率；U为控制加热的供电电压其中E、Ec为输入模糊变量，而U为输出模糊变量(2)确定各输入：取3个语言变量的量化等级都为7级，即x,y,z=-3,-2,-10123+Scops图3.1控制系统仿真结构图0.02SubtractDiscretePIDContiodcrTransferFenTransportDelay在图中的PID模块中对三个参数进行设定，通过不断调整PID三参数，得到最佳仿真曲线，其中，KP=2,K|=0.02,kd=0.01，当定值为10时得到的仿真结果如下:可见性能指标为：调节时间ts=

13、400s,超调量d%约为20%，稳态误差Ess=0。3.2电阻炉模糊控制使用模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统，如下图所示:A200图3.3纯模糊控制系统仿真结构框图SubtradFuzyLogicContnoltrTransportD电I期Gjin1T“盘rFcr144S+1仿真结果如下图:可见性能指标为：调节时间ts=200s,超调量（T%勺为3%可稳态误差稳态误差&=0。电阻炉模糊PID控制使用模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统，如下图所示0ProductSubtractL1fixativeFuzmvLugicConirollerProductlProdyd2:卜

14、InteGrjtofSaturdfiondu/dtTransferFcnTvnspo吐D凶艸图3.5自适应模糊PTD控制系统仿真结构图对应的仿真曲线结果如下面各图：图3.6自适应模糊PID控制系统的响应曲线由上面个图看出性能指标：调节时间ts最大约为180S，超调量（T%=0稳态误差巳s=0。s3.4比较与总结上个章节曾提到自适应模糊PID控制效果比较理想。本章节经过以上对PID控制、模糊控制和自适应模糊PID控制三种方案的仿真研究和分析，从下表中明显看出：表3.1三种控制方法的比较超调量调整时间稳态误差PID控制400s20%模糊控制200s3%0模糊PID控制180s0%0PID控制响应曲

15、线超调量较大，纯模糊控制有超调量但是较小，而自适应模糊PID控制方法可实现调节时间短、超调量为零、稳态误差为零等非常理想的性能指标。总结本文主要研究了电阻炉温的模糊PID控制器设计。对比纯PID控制、纯模糊控制自适应模糊PID控制方法，单纯PID控制使得超调量比较大，单纯模糊控制使超调量也比较大，只有自适应模糊PID控制方法能够保证超调量和稳态误差都很小可以几乎不计。模糊PID控制的核心在于它用具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。控制规则往往是由对被控过程十分熟悉的专门人员给出的，所以模糊控制在本质上来说是一种专家控制。这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。但它的缺点在于主观

16、性比较大，不能按给定的控制性能指标进行优化设计。本文设计的模糊PID控制器虽然具有较好的控制品质，但是并不能充分的发挥模糊PID控制的优点。参考文献覃强模糊PID温度控制方案的仿真优选及其实现D北京：中国科学院电工研究所，2002.冯勇现代计算机控制系统M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.IsidroSanchEz,JulioRBanga,AntonioAAlonso.TEmpEraturEcontrolinmicrowavEcombinationovEnsJ.JournalofFoodEngincEring,2000,46:21-29.吴为民，王仁丽温度控制系统的发展概况J工业炉，2002,24(20):18-20.杨涛，高伟，黄树红基于Matlab的锅炉过热汽温模糊控制系统仿真J华中科技大学学报，2003,31:63-65邵红，李川香一种基于Fuzzy-PID的温度控制系统J自动化仪表，2002,23(9):70-72.孙凯，李元利电阻炉温度控制系统