参数自整定模糊PID在温度控制中的应用
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输入语言变量 e 和 ec 的论域和输出浯言变量 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d 的论域均为{-6 , -5 , -4 , -3 , -2 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6}。
1.5 模糊控制规则
根据上述 PID 参数的作用以及在不同的偏差及 偏差变化率下对 PID 参数的要求 , 可获得输出变量 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d 的模糊控制规则 。 表 1 给出输出变
0 引言
PID 控制器是最早发展起来的控制策略之一 。 由于其具有结构简单 、容易实现 、原理透明 、鲁棒性 较好 、能满足大多数工业过程控制的要求 , 一直为广 大的控制技术人员所青睐 , 被广泛应用于工业过程 控制之中 。 但是 , 随着生产和技术的发展 , 一方面 , 人们对过程控制系统提出了更高的要求 ;另一方面 , 被控过程越来越复杂 , 非线性 、大滞后 、参数时变性 等使得控制愈来愈困难 。这时 , 传统的 PID 控制就 往往不能胜任了 。电加热炉的温度控制系统具有非 线性 、大滞后 , 以及实施控制时需要克服超调量大 、 过渡过程时间长等缺点 。
专题技术 与工程应用
参数自整定模糊 PID 在温度控制中的应用
李俊婷 , 石文兰 , 高 楠
(河北工业职业技术学院 , 河北 石家庄 050091)
摘 要 针对工业过程控制中传统 PID 控制器存在的问题 , 将参数 自整定模 糊控制的灵 活性 、自适应性 与传统 PID 控 制 器相结合 , 实现了对 PID 参数的在 线自动整定 , 以克服控制系统 的大滞后 、非线性等不利因 素的影响 , 并且将该控制器在 温度 控制系统中 的应用进行了研究 。 结果表 明 , 参数 自整 定模糊 PID 控制能 使系 统达到 满意 的控 制效果 , 具 有一 定的应 用推 广 价值 。
48 2007 Radio Engineering Vo1.37 No.7
专题技术 与工程应用
确定该 控制器 的引入 对系 统性 能的改 善 , 本文 用
MATLAB 软件进行了仿真 , 以带纯滞后的二 阶加热
炉对象作为仿真对象 。加热炉控制系统仿真波形如
图 2 所示 。从仿真数据和波形可以看到 :使用传统
1.4 各变量隶属度函数的确定
设在偏差论域 E 和偏差变化论域 EC 上及参数 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d 分别定义了 7 个模糊子集 , 相应的语 言变 量 为 {负 大 (NL), 负 中 (NM), 负 小 (NS ), 零(ZE), 正小(PS), 正中(PM), 正大(PL)}, 采用归一 化论域 。隶属度函数均采用三角形对称的全交迭函 数 , 并依据偏差及偏差变化率在不同阶段对系统动 态过程的影响归纳出具体的模糊控制原则 , 模糊推 理采 用 MAX -MIN 规 则 , 解 模 糊 化 采 用 面 积 重 心法 。
PID 控制器时系统静差为 -0.391 , 超调量为 12.5 %,
比较大 , 调节时间
为105.3 min ;引入
模糊 PID 控 制器
以后, 系统静差为
-0.066 , 超调量为 2.37 %, 调 节 时间
为 92.7 min 。很 明
显 引 入 模 糊 PID 控制器以后 , 全面
改善 了系统 稳态 精度和动态性能 。
况 , 计算 机通过 模糊推 理和 模糊计 算等 自动 调整 PID 参数 。
1 参数自整定模糊 PID 控制器的设计
1.1 常规 PID 控制器的原理
常规 PID 控制器可以描述为 :
k
u(k)=Kpe(k)+K
i
∑
j =0
e(j)+Kd
ec(k)。
式中 , e(k)、ec(k)分别为系统偏差 、偏差变化量 ;Kp
关键词 模糊控制 ;PID 控制 ;自整定 ;温度控制 中图分类号 TP273.4 文献标识码 B 文章编号 1003-3106(2007)07-0047-03
Parameters Auto-tuning Fuzzy PID Controller and Its Application in Temperature Control
LI Jun-ting , SHI Wen-lan ,GAO Nan
(Hebei College of Industry and Technology , Shijiazhuang Hebei 050091, China) Abstract It is hard to get ideal control effect with traditional PID in process control.This paper presents a controller by combining autotuning fuzzy control with traditional PID control.The fuzzy inference method is used to tune the PID parameters.It can conquer the influence of nonlinear and large delay in process control system.And it is applicable to temperature control system.Experiment shows that the controller gives a good control performance. Key words fuzzy control;PID control;auto-tuning ;temperature control
将参数自整定模糊 PID 控制器应用于电加热炉 温度控制系统 , 设计目标是在同样的控制精度条件 下 , 使系统的过渡时间尽可能短 , 改善控制效果 。采 用复合控制 , 即具有模糊控制灵活 、响应快和适应性 能强的优点 , 又具有 PID 控制精度高的特点 , 使系统 能有效抑制纯滞后的影响 , 而且鲁棒性强 , 当参数变 化较大及有干扰时 , 仍能取得较好的控制效果 。 为
图 2 加热炉控制 系统仿真波形
3 结束语
研究了模糊自适应 PID 控制策略 , 将模糊控制
和传统的 PID 控制相结合 , 在常规 PID 调节器的基 础上增加模糊控制环节 , 是基于模糊推理的 PID 参 数自整定 。它将传统 PID 控制经验的优点和模糊控 制的灵活性 、自适应性相结合 , 可以克服控制系统的 大滞后 、非线性等不利因素的影响 , 使系统输出响应 的过渡过程平稳 、系统的超调量小 、过渡时间短 、跟 踪性能好 , 取得了较好的动态性能 , 研究结果具有一 定的应用推广价值 。
收稿日期 :2007-01-24
2007 年 无线电工程 第 37 卷 第 7 期 47
专题技术与工程应用
的控制效果 。参数自整定模糊 PID 控制器的系统结 构其结构如图 l 所示 。
图 1 参数自整定模糊 PID 系统结构
选择模糊推理系统的输入量为期望温度值与 采样得到的实际温度计算得到的偏差 e 和偏差变化 率 ec , 输出量为 PID 参数的修正量 ΔKp 、ΔK i 、ΔKd 。 其设计思想是先找出 PID 的 3 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 , 再根据模糊控制原理对 3 个参数进行在 线整定 , 通过常 规 PID 控制器获 得新的 Kp 、Ki 、K d 后 , 对控制对象输出相应的控制 。使被控对象具有 良好的动态 、静态特性 。采用的 PID 控制器的控制 算式为 :
量 ΔKp(ΔK i 、ΔK d 同理可推)的控制规则 。
表 1 ΔKp 的模糊控制规则
ΔK p NL NM
NS
ZE
PS
PM
PL
NL PL PL PM PM PS
ZE ZE
NM PL PL PM PS
PS
ZE ZE
NS PL PL PM ZE ZE NS NS
ZE
PL
PM
源自文库
PS
NS NM NM NM
参考文献
[ 1] 陶永华 , 尹怡新 , 葛芦 生 .新型 PID 控制 及其应 用[ M] . 北京 :机械工业出版社 , 1998.
[ 2] 刘金琨.先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真[ M] .北京 :电 子工业出版社 , 2003.
[ 3] 姜 楠 , 姜艳姝 .参数 自整定模糊 PID 控制器在转矩 流变 仪系统的应 用研究[ J] .自动化 技术与 应用 , 2006, (11): 34 -36.
u(t)=Kpe(t)+Ki ∫0t e(t)dt +Kd ded(tt)。
式中 , Kp =Kpo +ΔKp ;K i =Kio +ΔK i ;K d =K do + ΔK d 。
1.3 PID 参数模糊控制原理
PID 参数模糊控制原理如下 : ①当偏差较大时 , 为加快系统的响应速度 , 应 取较大的 Kp , 同时为避免由于开始时偏差的瞬时变 大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的 范围 , 应取较小的 Kd , 为防止系统响应出现较大的 超调 , 产生积分饱和 , 应对积分作用加以限制 , 通常 取 K i =0 , 去掉积分作用 ; ② 当偏差和偏差变化率处于中等大小时 , 为使 系统响应具有较小的超调 , K p 应取小一些 , K i 的取 值要适当 , 这种情况 Kd 的取值对系统响应的影响 较大 , 取值要大小适中 , 以保证系统响应速度 ; ③ 当偏差较小即接近于设定值时 , 为使系统有 良好的稳态性能 , 应增加 Kp 和K i 的取值 , 同时为避 免系统在设定值附近出现振荡 , 并考虑系统的抗干 扰性能 , Kd 取值是相当重要的 。 一般是当偏差变化 率较小时 , K d 可取大一些 ;当偏差变化率较大时 , K d 应取小一些 ; ④ 偏差变化率的大小表明偏差变化的速率 , 偏 差变化率值越大 , 则 Kp 的取值越小 , Ki 取值越大 。
作者简介 李俊婷 女 , (1963 -), 河北工业职业技术学院副教授 。 主要 研
究方向 :自动控制技术 。
(上接第 27 页)
数据宿 中的数 据便是 发送 码矢 , 否则 就不 是发 送 码矢 。
交错度与信道特性(衰落与干扰)密切相关 , 确 定最佳交错必须根据信道的长期统计特性 , 所以必 须研究深衰落的持续分布 , 确定信道中存在的突发 错码分布和交错度的分布 。
PS
PM
PS
ZE NM NM NM NM
PM ZE ZE NS NM N L NM NM
PL ZE ZE NS NM NM NM NM
2 实际控制效果
电加热炉炉温控制是一个典型的非线性 、时变 分布参数 、大滞后的复杂受控对象 。 它利用电力作 为能源 , 电炉丝提供功率 。 用热电偶检测炉内温度 , 经温度变送器转换成标准信号 , A/ D 转换后进入计 算机 , 经过 控制器利用一 定算法进行调节 , 经 D/A 转换由调功器对炉温进行调控 。 要求炉温以最快的 速度升到设定温度后保持不变 。
为比例系数 , 加快系统的响应速度 , 提高系统的调节
精度 ;K i 为积分系数 , 消除系统的稳态误差 ;K d 为 微分系数 , 改 善系统的动态特性 。 PID 控制器是通
过对 3 个控制参数的整定 , 获得好的系统控制性能 。
1.2 模糊控制系统结构
常规 PID 控制器无法实现参数的在线调整 , 为 此在常规 PID 的 基础上加设模糊参数 自整定控制 器 , 使其根据系统偏差的大小 、方向和变化趋势等特 征 , 通过 Fuzzy 推理作出相应决策 , 自动地在线调整 PID 的 3 个参数 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d , 以便达到更加满意
为满足对加热炉的温度控制的要求 , 克服传统 PID 控制器的一些缺点 , 本文将模糊控制与 PID 控 制器结合起来 。 模糊控制不要求被控对象的精确模 型 , 适应性强 , 它作为一种新型的控制理论 , 已成功 地应用于工业控制 , 并取得了良好的控制效果 , 成为 自动控制拉术领域中非常有前途的一个分支 。模糊 PID 控制器是人们利用人工智能的方法将操作人员 的调整经验作为知识存入计算机 , 根据现场实际情
1.5 模糊控制规则
根据上述 PID 参数的作用以及在不同的偏差及 偏差变化率下对 PID 参数的要求 , 可获得输出变量 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d 的模糊控制规则 。 表 1 给出输出变
0 引言
PID 控制器是最早发展起来的控制策略之一 。 由于其具有结构简单 、容易实现 、原理透明 、鲁棒性 较好 、能满足大多数工业过程控制的要求 , 一直为广 大的控制技术人员所青睐 , 被广泛应用于工业过程 控制之中 。 但是 , 随着生产和技术的发展 , 一方面 , 人们对过程控制系统提出了更高的要求 ;另一方面 , 被控过程越来越复杂 , 非线性 、大滞后 、参数时变性 等使得控制愈来愈困难 。这时 , 传统的 PID 控制就 往往不能胜任了 。电加热炉的温度控制系统具有非 线性 、大滞后 , 以及实施控制时需要克服超调量大 、 过渡过程时间长等缺点 。
专题技术 与工程应用
参数自整定模糊 PID 在温度控制中的应用
李俊婷 , 石文兰 , 高 楠
(河北工业职业技术学院 , 河北 石家庄 050091)
摘 要 针对工业过程控制中传统 PID 控制器存在的问题 , 将参数 自整定模 糊控制的灵 活性 、自适应性 与传统 PID 控 制 器相结合 , 实现了对 PID 参数的在 线自动整定 , 以克服控制系统 的大滞后 、非线性等不利因 素的影响 , 并且将该控制器在 温度 控制系统中 的应用进行了研究 。 结果表 明 , 参数 自整 定模糊 PID 控制能 使系 统达到 满意 的控 制效果 , 具 有一 定的应 用推 广 价值 。
48 2007 Radio Engineering Vo1.37 No.7
专题技术 与工程应用
确定该 控制器 的引入 对系 统性 能的改 善 , 本文 用
MATLAB 软件进行了仿真 , 以带纯滞后的二 阶加热
炉对象作为仿真对象 。加热炉控制系统仿真波形如
图 2 所示 。从仿真数据和波形可以看到 :使用传统
1.4 各变量隶属度函数的确定
设在偏差论域 E 和偏差变化论域 EC 上及参数 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d 分别定义了 7 个模糊子集 , 相应的语 言变 量 为 {负 大 (NL), 负 中 (NM), 负 小 (NS ), 零(ZE), 正小(PS), 正中(PM), 正大(PL)}, 采用归一 化论域 。隶属度函数均采用三角形对称的全交迭函 数 , 并依据偏差及偏差变化率在不同阶段对系统动 态过程的影响归纳出具体的模糊控制原则 , 模糊推 理采 用 MAX -MIN 规 则 , 解 模 糊 化 采 用 面 积 重 心法 。
PID 控制器时系统静差为 -0.391 , 超调量为 12.5 %,
比较大 , 调节时间
为105.3 min ;引入
模糊 PID 控 制器
以后, 系统静差为
-0.066 , 超调量为 2.37 %, 调 节 时间
为 92.7 min 。很 明
显 引 入 模 糊 PID 控制器以后 , 全面
改善 了系统 稳态 精度和动态性能 。
况 , 计算 机通过 模糊推 理和 模糊计 算等 自动 调整 PID 参数 。
1 参数自整定模糊 PID 控制器的设计
1.1 常规 PID 控制器的原理
常规 PID 控制器可以描述为 :
k
u(k)=Kpe(k)+K
i
∑
j =0
e(j)+Kd
ec(k)。
式中 , e(k)、ec(k)分别为系统偏差 、偏差变化量 ;Kp
关键词 模糊控制 ;PID 控制 ;自整定 ;温度控制 中图分类号 TP273.4 文献标识码 B 文章编号 1003-3106(2007)07-0047-03
Parameters Auto-tuning Fuzzy PID Controller and Its Application in Temperature Control
LI Jun-ting , SHI Wen-lan ,GAO Nan
(Hebei College of Industry and Technology , Shijiazhuang Hebei 050091, China) Abstract It is hard to get ideal control effect with traditional PID in process control.This paper presents a controller by combining autotuning fuzzy control with traditional PID control.The fuzzy inference method is used to tune the PID parameters.It can conquer the influence of nonlinear and large delay in process control system.And it is applicable to temperature control system.Experiment shows that the controller gives a good control performance. Key words fuzzy control;PID control;auto-tuning ;temperature control
将参数自整定模糊 PID 控制器应用于电加热炉 温度控制系统 , 设计目标是在同样的控制精度条件 下 , 使系统的过渡时间尽可能短 , 改善控制效果 。采 用复合控制 , 即具有模糊控制灵活 、响应快和适应性 能强的优点 , 又具有 PID 控制精度高的特点 , 使系统 能有效抑制纯滞后的影响 , 而且鲁棒性强 , 当参数变 化较大及有干扰时 , 仍能取得较好的控制效果 。 为
图 2 加热炉控制 系统仿真波形
3 结束语
研究了模糊自适应 PID 控制策略 , 将模糊控制
和传统的 PID 控制相结合 , 在常规 PID 调节器的基 础上增加模糊控制环节 , 是基于模糊推理的 PID 参 数自整定 。它将传统 PID 控制经验的优点和模糊控 制的灵活性 、自适应性相结合 , 可以克服控制系统的 大滞后 、非线性等不利因素的影响 , 使系统输出响应 的过渡过程平稳 、系统的超调量小 、过渡时间短 、跟 踪性能好 , 取得了较好的动态性能 , 研究结果具有一 定的应用推广价值 。
收稿日期 :2007-01-24
2007 年 无线电工程 第 37 卷 第 7 期 47
专题技术与工程应用
的控制效果 。参数自整定模糊 PID 控制器的系统结 构其结构如图 l 所示 。
图 1 参数自整定模糊 PID 系统结构
选择模糊推理系统的输入量为期望温度值与 采样得到的实际温度计算得到的偏差 e 和偏差变化 率 ec , 输出量为 PID 参数的修正量 ΔKp 、ΔK i 、ΔKd 。 其设计思想是先找出 PID 的 3 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 , 再根据模糊控制原理对 3 个参数进行在 线整定 , 通过常 规 PID 控制器获 得新的 Kp 、Ki 、K d 后 , 对控制对象输出相应的控制 。使被控对象具有 良好的动态 、静态特性 。采用的 PID 控制器的控制 算式为 :
量 ΔKp(ΔK i 、ΔK d 同理可推)的控制规则 。
表 1 ΔKp 的模糊控制规则
ΔK p NL NM
NS
ZE
PS
PM
PL
NL PL PL PM PM PS
ZE ZE
NM PL PL PM PS
PS
ZE ZE
NS PL PL PM ZE ZE NS NS
ZE
PL
PM
源自文库
PS
NS NM NM NM
参考文献
[ 1] 陶永华 , 尹怡新 , 葛芦 生 .新型 PID 控制 及其应 用[ M] . 北京 :机械工业出版社 , 1998.
[ 2] 刘金琨.先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真[ M] .北京 :电 子工业出版社 , 2003.
[ 3] 姜 楠 , 姜艳姝 .参数 自整定模糊 PID 控制器在转矩 流变 仪系统的应 用研究[ J] .自动化 技术与 应用 , 2006, (11): 34 -36.
u(t)=Kpe(t)+Ki ∫0t e(t)dt +Kd ded(tt)。
式中 , Kp =Kpo +ΔKp ;K i =Kio +ΔK i ;K d =K do + ΔK d 。
1.3 PID 参数模糊控制原理
PID 参数模糊控制原理如下 : ①当偏差较大时 , 为加快系统的响应速度 , 应 取较大的 Kp , 同时为避免由于开始时偏差的瞬时变 大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的 范围 , 应取较小的 Kd , 为防止系统响应出现较大的 超调 , 产生积分饱和 , 应对积分作用加以限制 , 通常 取 K i =0 , 去掉积分作用 ; ② 当偏差和偏差变化率处于中等大小时 , 为使 系统响应具有较小的超调 , K p 应取小一些 , K i 的取 值要适当 , 这种情况 Kd 的取值对系统响应的影响 较大 , 取值要大小适中 , 以保证系统响应速度 ; ③ 当偏差较小即接近于设定值时 , 为使系统有 良好的稳态性能 , 应增加 Kp 和K i 的取值 , 同时为避 免系统在设定值附近出现振荡 , 并考虑系统的抗干 扰性能 , Kd 取值是相当重要的 。 一般是当偏差变化 率较小时 , K d 可取大一些 ;当偏差变化率较大时 , K d 应取小一些 ; ④ 偏差变化率的大小表明偏差变化的速率 , 偏 差变化率值越大 , 则 Kp 的取值越小 , Ki 取值越大 。
作者简介 李俊婷 女 , (1963 -), 河北工业职业技术学院副教授 。 主要 研
究方向 :自动控制技术 。
(上接第 27 页)
数据宿 中的数 据便是 发送 码矢 , 否则 就不 是发 送 码矢 。
交错度与信道特性(衰落与干扰)密切相关 , 确 定最佳交错必须根据信道的长期统计特性 , 所以必 须研究深衰落的持续分布 , 确定信道中存在的突发 错码分布和交错度的分布 。
PS
PM
PS
ZE NM NM NM NM
PM ZE ZE NS NM N L NM NM
PL ZE ZE NS NM NM NM NM
2 实际控制效果
电加热炉炉温控制是一个典型的非线性 、时变 分布参数 、大滞后的复杂受控对象 。 它利用电力作 为能源 , 电炉丝提供功率 。 用热电偶检测炉内温度 , 经温度变送器转换成标准信号 , A/ D 转换后进入计 算机 , 经过 控制器利用一 定算法进行调节 , 经 D/A 转换由调功器对炉温进行调控 。 要求炉温以最快的 速度升到设定温度后保持不变 。
为比例系数 , 加快系统的响应速度 , 提高系统的调节
精度 ;K i 为积分系数 , 消除系统的稳态误差 ;K d 为 微分系数 , 改 善系统的动态特性 。 PID 控制器是通
过对 3 个控制参数的整定 , 获得好的系统控制性能 。
1.2 模糊控制系统结构
常规 PID 控制器无法实现参数的在线调整 , 为 此在常规 PID 的 基础上加设模糊参数 自整定控制 器 , 使其根据系统偏差的大小 、方向和变化趋势等特 征 , 通过 Fuzzy 推理作出相应决策 , 自动地在线调整 PID 的 3 个参数 ΔKp 、ΔK i 、ΔK d , 以便达到更加满意
为满足对加热炉的温度控制的要求 , 克服传统 PID 控制器的一些缺点 , 本文将模糊控制与 PID 控 制器结合起来 。 模糊控制不要求被控对象的精确模 型 , 适应性强 , 它作为一种新型的控制理论 , 已成功 地应用于工业控制 , 并取得了良好的控制效果 , 成为 自动控制拉术领域中非常有前途的一个分支 。模糊 PID 控制器是人们利用人工智能的方法将操作人员 的调整经验作为知识存入计算机 , 根据现场实际情