长沙通信职业技术学院学报 第ｌ０卷第４期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖ０１．１Ｏ Ｎｏ．４ ２０１１年１２月 ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｄｅｃ．２０１ １ 模糊自整定ＰＩＤ在工业温度控制系统中的应用与研究 黄金侠，李凤霞，韩华，宋国义 （佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯１５４００７） 【摘要】文章通过工业温度的特点选择合适的控制算法，讨论了模糊ＰＩＤ控制器的原理及设计，建立了被控对象的数学模 型，通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具建立了仿真模型。在单位阶跃输入下，比较了常规的模糊控制、ＰＩＤ控制和模糊ＰＩＤ控制的仿真 结果。仿真结果表明，文章建立的模糊自整定ＰＩＤ控制能获得更好的动态响应。 【关键词】工业温度；模糊自整定ＰＩＤ；仿真 ｎ ｃ ｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７１—９５８１．２０１ １．０４．０２４］ 【中图分类号］ＴＰ２７３＋．２ 【文献标识码ＩＡ 【文章编号】ｌ６７１—９５８１（２０１１）４０—０１０１—０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｆｕｚｚ￣ｓｅｌｒｅｓｅａｒｃｎ Ｏｒ ｔｕｚｚｙ ｓｅｌ ｔｕｎｉｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤｎ￣ ｉ。ｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ＨＵＡＮＧ Ｊｉｎ－ｘｉａ，ＬＩ Ｆｅｎｇ－ｘｉａ，ＨＡＮ Ｈｕａ，ＳＯＮＧ Ｇｕｏ－ｙｉ （Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｍｕｓｉ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ １ ５４００７） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｈｏｏｆ￣ｓ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｎｉｔ ｓｔｅｐ ｉｎｐｕｔ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉＳ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｆｕｚｚｙ ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ｆｕｚｚｙ ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 温度是流程工业中极为常见的热工参数，由于 差。本文将模糊控制和常规ＰＩＤ控制相结合，构成 加热机理、加热装置特殊结构等具体原因，使得过 模糊ＰＩＤ控制法，既具有模糊控制的灵活、适应性 程对象经常具有大时滞、非线性、难以建立精确数 强的优点，又具有ＰＩＤ控制精度高的特点。 学模型等特点。传统ＰＩＤ控制依赖准确的数学模型 １控制系统结构及工作原理 为控制对象，在线整定参数的能力差，不能满足系 由热电偶采集温度信号经调理后输入模糊自整 统在不同条件下对参数的自整定要求，从而限制了 定ＰＩＤ控制器运算，输出结果经信号调理电路得到 控制效果的进一步提高。模糊控制是研究人的控制 Ｏ－５Ｖ或４～２０ｍＡ信号，经单片机内部Ｄ／Ａ转换后 行为而最终用机器替代人控制的一门学科。而模糊 驱动可控硅触发电路以及功率调节装置，达到控制 控制的核心是模拟人的思维方式对一些无法得到精 温度的目的：同时被测量的温度值可以通过ＲＳ一 确数学模型的被控对象设计模糊控制器，可以较好 ２３２传到ＰＣ机，从而实现对工业现场实时监控。 地处理纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确 控制系统结构如图１所示。 定复杂系统，研究表明，常规模糊控制存在稳态误 ［收稿日期］２０１１－１０—２１ ［作者简介］黄金侠（１９７９一）。女，黑龙江佳木斯人，佳木斯大学信息电子技术学院讲师，工学硕士，研究方向：智 能控制、电工电子。 １Ｏｌ 长沙通信职业技术学院学报 第ｌ０卷 化（ ）之间的模糊关系；接着在系统运行中不断 检测Ｐ和ｅｃ，并将它们作为控制器的输入Ｉｌｌ。根据 单片机 模糊控制原理来对ＰＩＤ的三个（ Ｐ、 ，和 Ｄ） 参数进行在线修改，以满足不同ｅ和ｅｃ时控制参 数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态 性能。最后根据调整后的 、 ，和 重新代入 囱 整模控定糊制Ｐ器自Ｉ【 ） 图１控制系统结构框图 ＰＩＤ公式（１）中进行计算，计算结果即为控制器的 最终输出。模糊自整定ＰＩＤ控制器的结构如图２ 所示。 ｋ ２模糊ＰＩＤ控制器的结构设计 ２．１模糊ＰＩＤ控制原理 （ ）＝ 尸Ｐ（七）＋ ，∑Ｐ（ ）＋ ＤＡｅ（ｋ）（Ｄ ｊ＝ｌ 模糊ＰＩＤ控制器是利用模糊控制器对ＰＩＤ控制 进行ＰＩＤ参数的在线自整定。先找出ＰＩＤ调节器的 三个参数（Ｋ 、Ｋｌ和Ｋ ）与偏差（ｅ）和偏差变 分和微分系数。 式中：Ｋ Ｋ，和 Ｄ——调节器的比例、积 图２模糊自调整ＰＩＤ控制器结构图 ２．２模糊自整定ＰＩＤ控制器设计 个端点处，为了实现隶属函数曲线的平滑，分别 采用Ｓ型和Ｚ型的隶属函数。隶属函数曲线如图 本文构建二维模糊控制的输入为采样得到的温 为模糊自调整ＰＩＤ控制器的输入，输出控制量为 “，ＰＩＤ控制器 、 ，、 的变化量 Ｐ、ＡＫ，、 ＡＫＤ作为模糊控制器的输出。 根据工程实际和模糊控制中常用的隶属函数， 度偏差ｅ（ｔｏ－ｆ）与温度偏差变化ｅｃ［ｄ（ｔｏ－ｔ）ｌｄｔ］作 ３、４所示。将温度偏差ｅ和温度偏差变化ｅｃ的论域定位 （一３，３），将输出量 Ｐ、 ，、ＡＫ。的论域定 为（一Ｏ，０６，０．０６）。其模糊子集均分为七个等级： ｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大ｊ，通 常简记为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ）。 本系统采用三角型隶属函数，并在论域区间两 １０２ ３ ｅ和∞的隶属函数曲线 第４期 模糊自整定ＰＩＤ在工业温度控制系统中的应用与研究 模糊自整定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∞，利用模糊 规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调 整。 根据以上原则，采用“ＩＦＡ ａｎｄ Ｂ ＴＨＥＮ Ｃ ａｎｄ Ｄ ａｎｄ Ｅ”形式，通过多次反复试验对比，最终确 立 ，、 ，和 Ｄ控制规则，如表１所示。 图４ Ｐ、 、 的隶属函数曲线 表１△ ，／ＡＫ，／ＡＫＤ自整定规则表 图５为ＡＫＰ、ＡＫＩ、ＡＫＤ对应ｅ、卯的曲面关系图。 图５△ 、ＡＫ，、△ 对应Ｐ、８ｃ的曲面关系图 １０３ 长沙通信职业技术学院学报 第ｌＯ卷 根据各模糊子集的隶属赋值表和各参数模糊控 制模型，应用模糊合成推理的ＰＩＤ参数模糊矩阵 式中： 一增益系数；Ｔ一时间常数；ｒ－－滞 后时间。 表，查出修正参数代入下式计算： 根据文献【３】，参数整定采用阶跃响应曲线法 Ｋ ＝ ，ｐ＋ Ｋ，＝Ｋ：＋ＡＫ， ＫＤ＝ ＋ Ｄ （又称飞升曲线法）进行拟合，人工测定参数， ・ （２） 得： ＝０．５； ＝６；Ｋ＝２０；ｒ＝ｏ．５・ 控制对象的传递函数为： 式中： ，ｐ、 ：、 ，ｎ为先前整定好的参数。 根据Ｚｉｅｇｌｅｒ－－－Ｎｉｅｈｏｌｓ条件［２１，利用ＭＡＴＬＡＢ软件 Ｇ（ ）＝ 、 ２０ｅ－Ｏ．￣， ＝ 而２０ Ｐ劬（４） 、．ｒ （０．５ ＋１）（６ ＋１） ３ ＋６．５ ＋ｌ 编程得到ＰＩＤ控制器参数为 ０．０２５， ＝ｏ．ｏ４。 ＝０．０８，Ｋ：＝ ３．２仿真模型建立与分析 在系统的传递函数建立并选用合适的控制算 法后，我们采用动态仿真来对系统进行定量分析。 利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立常规ＰＩＤ控制、模糊控 制和模糊自整定ＰＩＤ控制结构模型。其中，Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ由上节ｆｕｚｚｙ．ｉｆｓ提供，ＰＩＤ 在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规 则的结果处理、查表和运算，完成对ＰＩＤ参数的在 线自校正。 ３基于ＭＡ，ｒＩＡＢ，ＳＩＭＵＵＮＫ软件仿真及分析 ３．１被控对象近似传递函数的确定 温度过程近似传递函数可表示带有滞后的二阶 对象： ㈤ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ环节即为系统的ＰＩＤ控制器，内部结构 如图６、７所示。 图６常规的ＰＩＤ和模糊控制Ｓｉｅｒｕｌｉｎｋ仿真框图 １ｏ４ 第４期 模糊自整定ＰＩＤ在工业温度控制系统中的应用与研究 图７模糊自整定ＰＩＤ控制Ｓｉｅｒｕｌｉｎｋ仿真框图 仿真曲线如图８（１一常规ＰＩＤ：２一常规模糊； 真结果都是三种控制在最佳状态下调整所获得的。 ３一单位阶跃输入）、图９所示（１一模糊ＰＩＤ）。该仿 图８常规的ＰＩＤ和模糊仿真曲线 图９模糊自整定ＰＩＤ仿真曲线 通过比较以上三个图可得出如下结论， 如表２所示。 表２仿真结果比较 ＰＩＤ控制的仿真结果可以看出，模糊自整定ＰＩＤ控 ＼类型＼指标 调节时间（ ｓ） 超调量（％） 稳态误差（％） 制器控制效果明显优于常规的ＰＩＤ控制器和模糊 控制器，具有良好的动态性能。该控制系统经过 ＰＩＤ控制 ｌｌ ３０ ０．０８ 现场实际应用也达到了很好的控制效果。 模糊控制 ７ １０ Ｏ．２ 模糊自整定ＰＩＯ控制 ５ ０．１ Ｏ 【寡考文阑 采用模糊自整定ＰＩＤ控制器，动态性能明显提 『１１王立新．自适应模糊系统与控制——设计与稳定性分析 １高，超调量近乎为零，系统的动态响应时间短，具 『Ｍ１．北京：国防工业出版社，Ｉ９９５． 有良好的鲁棒性，说明控制算法选择合理。 【２１魏克新，王云亮，陈志敏，等．ＭＡＴＬＡＢ语言与自动控制 ４结论 系统设计『Ｍ１ Ｅ京：机械工业出版社，２００４． 通过常规的ＰＩＤ控制、模糊控制和模糊自整定 【３】刘美霞．智能温度控制系统ｆＤ１．南京：南京航空航天大学， ）３．２８—２９． １０５