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模糊PID在恒溫箱溫度控制中的應用
更新時間：2011-01-01
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| 模糊PID在恒溫箱溫度控制中的應用 | |
關(guān)鍵詞：恒溫箱溫度控制 模糊 PID 控制 引言 目前常用的恒溫箱可分為3類:高溫恒溫箱,箱溫大于60℃；中溫恒溫箱,箱溫在-10～60℃；低溫恒溫箱，箱溫小于-10℃。本人自己研制了一新型的恒溫箱系統(tǒng)，要求恒溫箱內(nèi)溫度能控制在25℃。由于外界環(huán)境的溫度可比25℃高也可低，因此恒溫箱具有制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，所設計恒溫箱系統(tǒng)由恒溫箱箱體、齒輪泵、壓縮機系統(tǒng)、電加熱管、油管以及控制器等組成。溫度控制系統(tǒng)在箱體外部對流經(jīng)油管的變壓器油控溫，經(jīng)過控溫的變壓器油重新流回恒溫箱的箱體內(nèi)。因為恒溫箱在冬天和夏天，所處的環(huán)境溫度不同，所以恒溫箱的溫度模型也是不同的，也可以說恒溫箱是個時變的系統(tǒng)。通過實驗測試的方法測量出恒溫箱在外界環(huán)境溫度為8℃，15℃和35℃時系統(tǒng)在電加熱情況下的模型分別為
1 模糊PID 控制原理 模糊理論是在美國柏克萊加州大學電氣工程系Lotfi. A. Zadeh 教授于1965 年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學基礎上發(fā)展起來的，他提出了能夠表征人類思維中模糊概念的方式——隸屬度函數(shù)，發(fā)表了題為“Fuzzy Set”的論文[1]。模糊控制器FC （fuzzy controller）也稱為模糊邏輯控制器FLC （fuzzy logic controller）[2~4]。模糊PID 控制器是一種在常規(guī)PID 調(diào)節(jié)器的基礎上，應用模糊集合理論根據(jù)控制偏差、偏差值，在線自動整定比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的模糊控制器。模糊邏輯控制器動態(tài)性能抗擾性和PID 控制器穩(wěn)態(tài)精度高，取兩者的優(yōu)點就構(gòu)成模糊PID 控制器。其控制器不僅保持了常規(guī)PID控制器的優(yōu)點，而且具有很強的魯棒性和適應性。自適應模糊PID 控制器以偏差e 和偏差變化率ec 作為輸入，可以滿足不同時刻偏差e 和偏差變化率ec 對PID 參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對PID 參數(shù)進行修改，便構(gòu)成了自適應模糊PID 控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
2 模糊PID 設計 2.1 控制器結(jié)構(gòu)設計 此處的模糊PID 控制器采用恒溫箱內(nèi)的溫度偏差e 和偏差變化率ec 作為輸入變量[5]，以 ΔKp 、 ΔKi 和 ΔKd作為輸出。模糊集E 及模糊集EC 均取為，論域為[-3，3]；模糊輸出 ΔKp 取為，論域為[-0.3，0.3]； ΔKi 取為，論域為[-0.6，0.6]；ΔKd 取為，論域為[-3，3]；E 、EC 、 ΔKp 、 ΔKi 和 ΔKd 的隸屬函數(shù)曲線分別如圖2 所示。
PID 參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻3 個參數(shù)的作用以及相互的互聯(lián)關(guān)系。根據(jù) Kp 、 Ki 和 Kd 對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可歸納出在一般情況下，在不同的|e|和|ec|時，被控過程對參數(shù) Kp , Ki 和 Kd 的自整定要求如下： ① 當 |e| 較大時，為加快系統(tǒng)響應速度并防止起始偏差e 瞬間變大，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應取較大的 Kp 和較小的 Kd ，同時為避免系統(tǒng)因積分飽和所引起的較大超調(diào)，應對積分作用加以限制，通常取Ki =0 ； ② 當 |e| 和|ec| 為中等大小時，為使系統(tǒng)響應的超調(diào)減小，并保證系統(tǒng)的響應速度， Kp 、 Ki 、 Kd 的值的大小適中； ③ 當 |e| 較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應增加 Kd 和 Ki 的值，同時為了避免系統(tǒng)在設定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的干擾性能，應適當?shù)剡x取 Kd 的值，其原則是：當|ec| 較小時， Kd 可取的大些，通常取為中等大?。划攟ec| 較大時， Kd 應取小些。 根據(jù)以上經(jīng)驗，本文所采用的模糊控制規(guī)則表如表1所示。 表1 模糊控制規(guī)則表 在本控制器中采用如下的推理形式： R1 ：如果e 是 A1 ， ec 是 B1 ，則 Kp 是 CP1 ， KI 是 CI1 ， KD 是CD1 本控制器中，模糊推理采用zui大zui小合成法，模糊量的清晰法采用zui大隸屬度方法，該方法是選擇模糊子集中隸屬度zui大的元素稱為控制量。若對應的模糊決策的模糊集為c ，則決策（所確定的量） u∗ 應滿足
3 控制算法仿真研究 按照上面所介紹的模糊PID，將此方面控制到上面所采用的3 個模型，這時PID 的3 個參數(shù)的初始值分別取為 KP0 =0.9、 KI0 =0.000 85、 KD0 =1.0。此時的仿真曲線如圖3 所示。
表2 系統(tǒng)性能指標 從圖中可以看出，模糊PID 控制的控制效果很明顯。其結(jié)合了傳統(tǒng)的PID 控制的性能穩(wěn)定，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差的特點。同時，也具有模糊控制的不依賴于數(shù)學模型，動態(tài)性能好的特點。從表2 可以看出控制系統(tǒng)在時間1 200 s 就已經(jīng)進入了穩(wěn)定狀態(tài)。其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0.001，*系統(tǒng)要求的在時間1800s 時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0.002 的要求。從這３個模型的仿真的可以看出模糊PID 控制對于時變的、純滯后的、非線性的一階大慣性的系統(tǒng)可以取得很好的效果。
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