基于模糊PID控制的加热炉温度控制系统

基于模糊PID控制的加热炉温度控制系统
纪亚芳;侯俊华
【摘要】根据某加热炉生产硅钢的特殊的对温度控制要求,本文设计出一种常规PID控制与模糊控制相结合的智能控制系统.该系统在温度偏差较大时,侧重于模糊控制,提高系统的响应;在温度偏差较小时,侧重于PID调节,因此既具有模糊控制的响应快、适应性强等优点,又具有PID控制精度高的特点,目前经调试已获得良好的效果并投入生产.%According to a heating fumaee control requirements for producing silicon steel, we design a intelligent control system eombinationing of PID control and fuzzy control. When the temperature deviation is larger,it focuses on the fuzzy control, improving the system response; When the temperature deviation is smaller, focused on PID control. So it has both merits of them and had ob- tained good effect in production.
【期刊名称】《山西师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(026)002
【总页数】4页(P44-47)
【关键词】模糊控制;PID控制;加热炉
【作者】纪亚芳;侯俊华
【作者单位】山西师范大学物理与信息工程学院,山西临汾041000;山西师范大学物理与信息工程学院,山西临汾041000 深圳大学光电子器件与系统教育部、广东省重点实验室,广东深圳518060
【正文语种】中文
【中图分类】TP273.4
取向硅钢以其生产工艺复杂，各道工序控制精度严，成本高，难度大，成材率低，核心技术在全世界范围保密而被称作“钢中之王”，目前全球仅有10余家企业能够生产，中国市场对取向硅钢的需求为世界之最，不断上涨的价格刺激国内外企业纷纷扩充产能.而截止到2007年年底，国内仅有武钢生产硅钢，在此严峻的情况下，某钢厂新建加热炉拟生产取向硅钢，预计年产量12万t.生产出来钢的质量能否参与国际竞争一般取决于温度控制的精确度，因此加热炉的温度控制成为该工艺过程的关键.
加热炉作为一个典型的复杂的工业被控对象，它具有多变量、时变、非线性、强耦合、大惯性和纯滞后等特点，且炉温分布难以测量，外界扰动因素多，很难对其进行准确建模和控制，采用传统PID控制，效果并不理想，并且存在参数调整不方便、抗干扰能力差、超调量大等缺点.模糊控制是近十几年来迅速发展的一项智能控制技术，无需精确模型，其控制规则是根据操作者的手动控制经验总结出来的，但其也是一种非线性控制，存在着静态误差［1］.结合两者的优点，本文设计出一种新的智能控制系统.
加热炉的燃烧过程是一个参数非线性和时变的复杂系统.因而选用模糊控制与PID 控制相结合的方法，既保持PID控制的优点，又具有模糊控制的特点，加入模糊控制的系统的结构框图如图1所示.
可见控制器的最后输出由PID的输出和模糊控制的输出按比例合成:
其中，Z1为PID输出，Z2为模糊控制器的输出，a为协调因子.通过实时改变协调因子a的值(a的取值范围为［0，1］)，可实现对PID控制和模糊控制的加权程度，充分发挥模糊控制和PID控制各自的优点，避免各自的缺点.
根据实际情况，钢厂加热炉设定温度为1 300℃，允许偏差为±20℃，选取加热炉温度的偏差e和偏差率ee作为模糊控制器的输入语言变量E，EE，选取煤气阀门开度z作为模糊控制器的输出语言变量Z(E、EE和Z是e、d e/d t和z经过模糊
化处理后得到的)，从而构成一个双输入单输出的模糊控制器，从图1可看出模糊
控制器主要包含三个功能环节:用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊
控制算法功能单元以及用于输出解模糊化的模糊判决环节.
2.1.1 确定输入、输出量模糊子集及论域
选用8个语言变量来定义加热炉温度误差E，记为A1，A2，…，A8，误差区间为［－em，em］;用7个语言变量来定义加热炉温度误差变化率EE，记为B1，
B2，…，B7，误差区间为［－eem，eem］;用7个语言变量来定义输出变量即煤气阀的开度Z，记为C1，C2，…，C7，则模糊集为［2］
其中:NB，NM，NS，NO，ZO，PO，PS，PM，PB分别表示负大，负中，负小，负零，零，正零，正小，正中，正大九个模糊概念.将E的论域规定为14个等级，EE的论域规定为13个等级，Z的论域规定为15个等级，即
其隶属度如表1～表3所示.
2.1.2 归纳控制规则
基于加热炉实际工况和专家经验，经总结和反复试验，确定的本系统模糊控制规则如表4所示［3］.当误差为负，且误差变化也是负时，误差有增大的趋势，选择正大或正中的控制量，目的是尽快消除已有的误差.当误差为负，且误差变化是正时，误差有正在减小的趋势，既要尽快消除误差又要防止发生超调，应取较小的控制量.当误差为正，且误差变化为负时，误差有正在减小的趋势，应取较小的控制量.当
误差为正，且误差变化是正时，误差有正在增大的趋势，选择正大或正中的控制量. 根据人工操作经验，控制规则应具有的形式为
If e is A1and ee is B1，then z is C11;If e is A2and ee is B2，then z is C22;If
e is Aiand ee is Bj，then z is Cij.
利用Mamdani法可得出每条规则相应的模糊关系为
控制规则的总和模糊关系为
即
可知，当确定出这个模糊关系总集R后，由系统e和ee就可以求得z的模糊量，即
其赋值见表5.
2.1.3 反模糊化
重心法具有更平滑的推理控制，即使对应于输入信号的微小变化，输出也会发生变化.因此本系统采用重心法进行反模糊化.其计算式为
式中，u(zi)为第i个模糊输出量的隶属度;zi为第i个模糊输出量.
将输出量Z清晰化转换成相应的煤气阀门开度z，可实现调节炉温的效果.
根据设定温度和实际温度的偏差值来决定协调因子a的大小，当偏差较小时，偏重PID调节，a取较大的值，当偏差较大时，偏重模糊控制，a取较小的值，其查询表如下表6所示.(表中的a是实际值，非论域值)
模糊控制与PID控制相结合的控制方法在加热炉加热过程中，炉温的超调量和稳态误差均不大，稳态误差能够控制在±20℃范围.当实际温度偏离设定温度时，系统能很快做出判断，选择相应的控制方法并执行相应的升降温动作.系统自动调节能力强，稳态精度高.
【相关文献】
［1］席爱民.模糊控制技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008.110～135.
［2］刘增环，王利珍，何广祥.脉冲燃烧加热炉炉温模糊控制策略［J］.控制系统，2011，(4):31～33.
［3］张文源，范松，李冬清.基于PLC与模糊PID的步进式加热炉温度控制系统［J］.安徽冶金科技职业学院学报，2009，(2):27～30.。