PID参数自整定模糊控制器的应用

第30卷增 刊 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2011年5月

V ol.30 Suppl. Journal

of Liaoning Technical University （Natural Science ） May 2011 收稿日期：2011-03-02

文章编号：1008-0562(2011)增刊Ⅰ-0190-03

PID 参数自整定模糊控制器的应用

李付举

（辽宁工程技术大学 理学院，辽宁 阜新 123000）

摘 要：针对电加热炉大惯性、纯滞后、参数时变的非线性对象的控制的特点，以及常规PID 控制参数不易调节的特点，提出了一种PID 参数自整定模糊控制方法，设计了PID 参数自整定模糊控制器，并在炉温控制系统中应用。实验结果表明： PID 参数自整定模糊控制消除了系统的稳态误差，没有超调和振荡，鲁棒性较强，而且简单易行，具有一定的实用价值。

关键词：PID 参数自整定；模糊控制；电加热炉；温度；误差 中图分类号：TM 924 文献标识码：A

Application of fuzzy logic controller with self-tuning PID parameters

LI Fuju

（College of Science, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China ）

Abstract ：In view of electrical heating furnace's non-linear control object characteristics of large inertia, pure time-delay and parameters time-variation and the hard-to-tune characteristic of conventional PID control parameter, a new method for fuzzy control with self-tuning PID parameters was put forward. A fuzzy controller with self-tuning PID parameters was designed and applied in the furnace's temperature control system. The result shows that fuzzy control with self-tuning PID parameters eliminates the system's steady state error, has neither overshoot nor oscillation but great robustness, and is easily handled; therefore it is of some practical value . Key words ：self-tuning PID parameters ；fuzzy control ；electrical heating furnace ；temperature ；error

0 引 言

电加热炉在现代工业生产中得到广泛应用。对这样一个大惯性、纯滞后、参数时变的非线性对象的控制，目前是研究的热点和难点问题。由于很难准确建立起电加热炉的数学模型，而且纯滞后时间

和惯性时间不易确定，仅用传统的控制方法难以完

成良好的控温任务。电加热炉温度控制系统，无论是启动或设定值升降，还是扰动影响，既希望时间上的快速性，也希望较平稳动态过程和精确的稳态

值。由于电加热炉的升温保温是靠电阻丝加热，降

温则是靠环境自然冷却，所以当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温。这类电加热炉控制对象具有非线性，时滞以及不确定性[1-2]

。电加热炉装置工业控制系统一般采用传统PID 控制方法，该方法

在特定的使用工况下具有较好的控制效果，但由于控制器的参数不便于调节，当使用工况发生变化

时，不能取得好的控制效果[3]。为了解决这一问题，

本文将模糊控制中模糊推理的思想和常规PID 控制

结合起来，将误差和误差变化作为模糊推理机的输

入，然后对PID 的3个参数进行在线自整定。这种方法能消除系统的稳态误差与颤振现象，显著改善

模糊控制系统的稳态性能。 1 PID 参数自整定模糊控制器 1.1 基本原理 常规PID 调节器因其算法简单而广泛用于工业过程控制中，通过调节PID 控制器的三个系数p I D k k k 、、，使其应用于各种不同的对象，并取得较好的控制效果。用计算机实现常规PID 的控制算法为

()()()()k

p I D i u k k E k k E i k EC k ==++∑

(1) 式中，()E k 、0

()k

i E i =∑

、()EC k 分别为被控对象在采样时刻k 的误差、误差和、误差变化。

p I D k k k 、、分别为PID 的比例、积分和问题，虽

增 刊 李付举：PID 参数自整定模糊控制器的应用

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然目前已有一些整定PID 调节3个参数的方法，但是这些方法都是对被控过程在线辨识的基础上，分别对PID 的3个参数进行，若被控对象的数学模型比较精确，该方法比较实用。但是对于那些难以建立被控对象数学模型的复杂过程却难以奏效[4]。本文将模糊控制中模糊推理的思想和常规PID 控制结合起来，将误差和误差变化作为模糊推理机的输入，然后对PID 的3个参数进行在线自整定。 1.2 性能研究

传统PID 控制算法存在过渡过程时间与超调量之间的矛盾，无论怎样调节PID 的3个参数，也无

法解决。若要超调量小，则过渡过程时间增长；如果要求过渡过程快，则必然出现较大的超调，二者难以求全。PID 参数自整定模糊控制算法很好地解决了这个矛盾，过渡过程的快慢几乎与超调无关，因而可以方便灵活的改变参数，以最快速无超调进行稳态。下面对PID 参数自整定模糊控制器性能进行仿真分析，经过仿真，得到阶跃响应曲线图，如图1。微分的系数、数字PID 二者存在3个系数的整定。

当加入一个幅值为0.05的阶跃干扰信号后，响应曲线如图2。

图1 PID 参数自整定模糊控制器阶跃响应曲线

Fig.1 step-response curve of fuzzy controller with self-tuning PID parameters

图2 PID 参数自整定模糊控制器抗干扰响应曲线

Fig.2 anti-interference step-response curve of fuzzy controller with self-tuning PID parameters

输出

1

0.8

0.6

0.4

0.2 0

150 200 250

300 350 400 450 500

时间/s

加入+0.05阶跃

加入-0.05阶跃

1

0.8 0.6

0.4 0.2

输出

100

200 300

400

500600700800900 1 000

时间/s