基于模糊微分先行PID算法的溫度控制研究
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鄧麗 盧根 蔣婧 黃敏銳
（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上海200072；
上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2．上海200072）
摘要：在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度控制直接影響被控對(duì)象的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)目前溫度控制中存在的非線性、大慣性、大滯后、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，提出一種模糊微分先行PID控制算法，在微分先行PID控制器之前加上模糊控制器，對(duì)控制達(dá)到調(diào)節(jié)的效果，使得控制輸出量的變化在受到干擾時(shí)較單純的微分先行PID控制作用大。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效縮減了自整定時(shí)間，表現(xiàn)出更好的抗干擾能力和控制效果，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：溫度控制PID控制算法模糊控制自整定干擾系統(tǒng)振蕩優(yōu)化智能算法熱電偶繼電器
O引言
溫度控制儀器儀表被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。面對(duì)一些像電阻爐、加熱器等溫控系統(tǒng)，常規(guī)PID控制和一些改進(jìn)的PID控制，都難以取得良好的控制效果，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、超調(diào)量大、抗干擾能力不足等問題。針對(duì)普通PID控制中存在的問題，相繼出現(xiàn)了很多的改進(jìn)方法。楊曉生等提出將微分先行PID算法用于鑄錠爐溫控中，對(duì)傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行改進(jìn)，引入微分先行環(huán)節(jié)，提前對(duì)輸出量測(cè)值進(jìn)行微分運(yùn)算，對(duì)溫度設(shè)定值不做微分，使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用變強(qiáng)，避免設(shè)定值的升降引起系統(tǒng)的振蕩，取得了良好的應(yīng)用效果。但簡單微分先行環(huán)節(jié)的引入，也會(huì)使得被控量的變化較緩和，同時(shí)系統(tǒng)抗干擾的能力也有待進(jìn)一步的提高。
隨著智能控制算法的不斷發(fā)展，將智能算法應(yīng)用于PID控制中得到了廣泛的研究。Wati等利用遺傳算法優(yōu)化PID控制參數(shù)，從而控制空氣加熱器溫度，表現(xiàn)出良好的控制性能，但是智能算法的隨機(jī)搜索性對(duì)PID的控制穩(wěn)定性有一定的影響。Yang等在PID控制中引入模糊控制思想，將其應(yīng)用于加熱系統(tǒng)中，能很好地進(jìn)行溫度控制，但是控制性能仍有待改善。模糊控制是一種新型控制方法，對(duì)非線性或不確定對(duì)象有良好的控制效果，能夠解決常規(guī)PID控制難以解決的實(shí)際工程問題。本文提出一種模糊微分先行PID控制算法，對(duì)于傳統(tǒng)的PID引入微分先行策略進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，在微分先行PID控制器之前加上模糊控制器進(jìn)行改進(jìn)研究，并應(yīng)用于溫度控制中具有很重要的研究價(jià)值。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
本文對(duì)一個(gè)完整的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)由溫度控制儀、繼電器、被控對(duì)象和數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。
由圖1所示，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)包括控制環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)以及實(shí)時(shí)顯示環(huán)節(jié)。箭頭①為控制環(huán)節(jié)。溫度控制儀表根據(jù)當(dāng)前測(cè)量值與設(shè)定值的差值及其他參數(shù)計(jì)算出控制輸出量，從而達(dá)到控制繼電器開通與關(guān)斷的目的。箭頭②為執(zhí)行環(huán)節(jié)。繼電器為被控對(duì)象與電源之間的電子開關(guān)，通過控制環(huán)節(jié)控制繼電器開通時(shí)間，進(jìn)一步控制被控對(duì)象加熱時(shí)間。箭頭③為反饋環(huán)節(jié)。在被控對(duì)象中安裝了兩根K型熱電偶，其中一根連接到溫度控制儀表，使其能夠測(cè)量出當(dāng)前溫度值，進(jìn)行反饋控制。箭頭④為實(shí)時(shí)顯示環(huán)節(jié)。另一根K型熱電偶用于與數(shù)據(jù)采集儀相連接，采集來的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集儀分析和傳輸給計(jì)算機(jī)，并顯示出來。
2 系統(tǒng)控制算法
2.1微分先行PID控制算法
在工業(yè)過程控制中，因?yàn)镻ID控制具有簡單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。但傳統(tǒng)PID控制器的結(jié)構(gòu)還不完美，普遍存在積分飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)失控，超調(diào)量過大。針對(duì)此種問題，采用微分先行算法來設(shè)計(jì)溫度控制器，解決被控對(duì)象因慣性大而造成的調(diào)節(jié)品質(zhì)差的問題。相對(duì)于普通PID控制算法來說，微分先行PID算法的實(shí)質(zhì)是提前對(duì)輸出量進(jìn)行微分運(yùn)算，算法框圖如圖2所示。
由圖2可以看出：E(S)=R(．S)一U。(S)，其中微分部分的傳遞函數(shù)為：
式中：
相當(dāng)于低通濾波器。
轉(zhuǎn)換為差分形式：
代入式(2)中整理可得：
而傳統(tǒng)的PID控制器的微分環(huán)節(jié)的輸出為：
比較式(4)和式(5)，可以看出微分先行PID控制器只對(duì)輸出測(cè)量值h(t)進(jìn)行微分，對(duì)溫度設(shè)定值r(t)不做微分，微分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)包含了被控量溫度測(cè)量值h(t)及其變化速度值h(t)，將其作為測(cè)量值輸入到比例積分控制器中，可使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用變強(qiáng)，達(dá)到改善系統(tǒng)控制器的目的。因此在溫度設(shè)定值變化時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會(huì)突變，即使設(shè)定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不會(huì)引起微分項(xiàng)的突變。
2.2模糊微分先行PID控制算法
模糊控制( fuzzy control)是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，其在提出后得到了廣泛的應(yīng)用。模糊控制的過程主要為輸入量模糊化，經(jīng)過模糊推理，再通過去模糊化處理輸出結(jié)果，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的模糊控制。模糊控制不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，非常適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、時(shí)變性和非線性具有一定的自適應(yīng)能力，并且具有較好的魯棒性。鑒于模糊控制的性能特點(diǎn)，本文以微分先行PID控制算法為基礎(chǔ)，引入模糊控制，對(duì)PID控制進(jìn)行改進(jìn)調(diào)節(jié)，用于工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制的研究。
微分先行PID控制算法只對(duì)輸出測(cè)量值h(t)進(jìn)行微分，對(duì)溫度設(shè)定值r(t)不做微分，避免設(shè)定值的升降引起系統(tǒng)的振蕩，但也會(huì)使得被控量的變化較緩和。為了使得被控量在受到除了設(shè)定值以外的其他干擾引起的溫度變化之后，能夠更為快速地恢復(fù)，本文在微分先行PID控制器之前加上模糊控制器。在受到干擾時(shí)，PID參數(shù)能夠相應(yīng)做出變化，使得控制輸出量能夠比單純的微分先行PID控制作用下的變化大。模糊微分先行PID控制算法原理如圖3所示。
模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，可以有效地控制系統(tǒng)溫度平穩(wěn)的變化，提高抗干擾的能力。模糊微分先行PID控制算法的應(yīng)用，使得控制輸出量能夠比單純的微分先行PID控制作用增大。當(dāng)溫度偏差較大時(shí)，采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；當(dāng)溫度偏差較小時(shí)，采用微分先行PID控制，靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)控制精度，從而獲得更好的控制效果。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
本文以某企業(yè)項(xiàng)目為應(yīng)用背景，驗(yàn)證算法的有效性能。首先在圖1所示溫度控制系統(tǒng)中，利用微分先行PID控制算法和模糊微分先行PID控制算法分別做了兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為初始設(shè)定值同為200℃，從室溫開始。上電之后均立即開始自整定，自整定結(jié)束之后會(huì)自動(dòng)切換到相應(yīng)的控制過程中，然后加上多種干擾，觀察最終穩(wěn)定效果。
3.1設(shè)定值變化
這一工況是模擬被控對(duì)象為了滿足不同需求，在不斷電的情況下改變?cè)O(shè)定值的過程。圖4所示為設(shè)定值從200℃改為250℃時(shí)兩種控制方法下的曲線變化過程，而圖5所示為設(shè)定值由250℃改為150℃的過程。
由圖4可以看出，利用模糊微分先行PID控制算法的響應(yīng)曲線明顯比單純的微分先行PID控制算法的上升速度快，而且平穩(wěn)。圖4 (a)的上升時(shí)間為10 min，而圖4(b)的上升時(shí)間約為5min，有效縮減了響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間。
由圖5(a)可以看出，上升時(shí)間超過12 min，而圖5(b)中的上升時(shí)間大約為11.5 min，仍比單純的微分先行PID控制算法的上升速度快，穩(wěn)定時(shí)間短。
3.2外部干擾
圖6所示的實(shí)驗(yàn)圖是模擬電烤爐的爐門突然被打開又合上的工況。圖6(a)所示為溫度下降10 K之后合上爐門，使用微分先行PID控制算法的曲線變化過程，圖6(b)所示為溫度下降20 K之后再合上爐門，使用模糊微分先行PID控制算法的曲線變化過程。
可以看出，在圖6(a)所示的上升過程中，有加熱不足而產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致升溫過程較長；而圖6(b)所示的上升過程比較迅速并且沒有沖溫，曲線平滑，上升穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短。
3.3上升過程
該組實(shí)驗(yàn)為完成自整定并穩(wěn)定一段時(shí)間后，斷電并使被控對(duì)象溫度降為室溫再重新上電的過程。由于儀表具有記憶功能，在不重新設(shè)定的情況下，再次上電使用的是上次記錄的PID參數(shù)進(jìn)行控制。
圖7設(shè)定值為200℃，圖8設(shè)定值為250 0C。由圖7可以看到這一過程中的兩組曲線都是平滑快速上升，無超調(diào)。
實(shí)驗(yàn)通過自整定得到PID控制參數(shù)，在控制過程中加入不同的干擾，以驗(yàn)證算法的應(yīng)用性能。通過分析比較可知，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化或者存在外部干擾等工況時(shí)，模糊微分先行PID控制算法具有更好的應(yīng)用效果，能夠快速、穩(wěn)定、無超調(diào)地控制溫度變化，有效地縮短了穩(wěn)定時(shí)間，得到了快速恢復(fù)、抗干擾性強(qiáng)的控制效果，并在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能，具有很重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
4結(jié)束語
傳統(tǒng)的PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但要實(shí)現(xiàn)精確快速無超調(diào)的控制，還需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。本文在微分先行PID控制算法的基礎(chǔ)上，加入了模糊控制，提出一種混合型的模糊微分先行PID控制算法，不僅解決了系統(tǒng)振蕩的問題，而且當(dāng)存在外界干擾、設(shè)定值頻繁變化時(shí)，能對(duì)溫度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，抗干擾性強(qiáng)，并且不會(huì)產(chǎn)生沖溫現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用性能。
目前，溫度控制儀器儀表的應(yīng)用極其廣泛，對(duì)控制效果的要求也越來越高，針對(duì)傳統(tǒng)控制方法所存在的局限性，引入更多不同的智能控制算法結(jié)合應(yīng)用是一個(gè)很好的研究方向。
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