CN109612289A - 基于预测控制的模糊pid电阻炉温度控制方法 - Google Patents

基于预测控制的模糊pid电阻炉温度控制方法 Download PDF

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Abstract

一种工业过程领域的基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，由于电阻炉是一个时变、纯滞后、大惯性对象,传统的PID控制算法具有温度偏差大，调节时间长、控制精度低等问题。本发明基于预测控制理论指导下设计了模糊PID电阻炉温度进行控制方法，这样能够克服电阻炉的滞后对控制的影响，并且利用了模糊控制的响应速度快，调节时间短，PID控制精度高等优点，实现对温度的控制，提高了控制的准确性、稳定性，鲁棒性，保证了控制系统的性能，具有很强的实用性和应用价值。

Description

基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法
技术领域：
本发明涉及一种关于工业控制领域的控制系统与控制方法。具体是基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法。
背景技术：
电阻炉具有容积滞后大，对象增益、滞后时间均与工作温度有关等特点，传统的PID控制算法只能在工作点附近小范围内取得好的控制效果，对于整个过程控制效果不好。虽然采用大林算法、Smith预估补偿算法可以提高控制精度，但是这些算法都是建立在获得精确的对象模型基础上的，在实际应用时很难得到对象的精确模型，因此控制效果不是很理想。寻找一种对模型精度要求不高又同样能实现高质量控制性能的方法是期待解决的问题。
预测控制是近年来发展起来的一类先进控制方法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。
最近发展起来的模糊控制算法由于具有对对象模型要求低，响应速度快的特点，经常被应用于温度控制系统中。传统的PID具有控制精度高，参数调整方便，广泛应用与工业控制中。因此有必要将模糊控制和PID有效结合，来提高控制系统的稳定性和快速性。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，有效地克服电阻炉容积滞后大，对象增益、滞后时间随工作温度变化的特点，提高了控制系统的稳定性和快速性。
本方案采用以下方法实施：
一种基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，电阻炉温度控制在预测控制的基础上，采用模糊PID控制方法，当电阻炉预测温差大且预测温差变化率小时，采用模糊控制，当预测温差小且预测温差的变化率较大时，采用传统PID控制。
利用模糊控制对电阻炉温度进行控制的步骤如下：
（1）首先由热电偶测出电阻炉温度，通过与设定的温度信号进行比较，计算温度误差e和温度变化率ec；
（2）当电阻炉温度偏差大且温度变化率小时，采用模糊控制；
（3）所述的温度偏差信号和温度变化率信号共同输入模糊控制器；
（4）所述的模糊控制器对输入信号进行模糊化，根据模糊规则得出模糊值；
（5）所述的模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到所需要的控制器输出信号q；
（6）所述的控制器输出信号输出到对象上，进行温度调节。
步骤(1) 中温度偏差信号e和温度变化率信号ec，经过模糊推理后输入到模糊控制器。步骤(5) 中对输出信号进行解模糊化后输出控制量q。步骤(1) 中所述的温度误差e的论域是-1 至1，温度误差变化率ec 的论域是-1 至1。步骤(5)中所述的控制器输出信号q论域是-1 至1。步骤(1) 中新建立一个误差e 的隶属函数，隶属函数采用三角函数，将零值设置为正零单个三角形分布，用以提高收敛温度的效果。
根据温度误差和误差的变化率，修改PID控制器中比例P，积分I，微分D参数的大小，使温度平稳上升。
本发明基于预测控制理论指导下设计了模糊PID电阻炉温度进行控制方法，这样能够克服电阻炉的滞后对控制的影响，并且利用了模糊控制的响应速度快，调节时间短，PID控制精度高等优点，实现对温度的控制，提高了控制的准确性、稳定性，鲁棒性，保证了控制系统的性能，具有很强的实用性和应用价值。
附图说明
图1是本系统结构框图；
图2是隶属度函数图；
图3是本发明实施案例中阶跃响应曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明实施做详细说明：本发明案例是在本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
如图1所示本系统包括以下几部分：预测模型、控制器和闭环预测三个典型的组成部分。预测模型是描述对象动态行为的基础模型，为预测模型输出，开环预测输出，送入闭环预测。将第k步实际对象的输出值与预测模型的输出之间的误差附加到模型的预测输出上，得到闭环预测输出值。反馈到控制器的输入端，与输入信号做比较，计算预测误差。根据和的变化率的大小和方向，来决定控制器输出的大小。
将对象单位阶跃响应，从0变化到已趋向稳定的时刻TN划分为60段，采用周期为T=Tn/60，对每个采用时刻jT，就有一个相应的,这60个的集合称为预测模型，为相应的稳态值，为控制器输出。假定预测的步长为10，预测模型的输出为，则可根据预测模型计算得到从k时刻起预测到i步的输出：
如图1所示将第k步实际对象的输出值与预测模型的输出之间的误差附加到模型的预测输出上，得到闭环预测输出值。
根据文献研究结果和试验结果，电阻炉是一个大滞后系统，可用一阶惯性滞后环节来描述其数学模型。所以，电阻炉温度模型的传递函数为,式中：K，T，分别为对象模型的静态增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数；s为复变量。
在对象上施加阶跃输入信号，测取对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。给定输入温度阶跃信号600℃ ，用热电偶测量电阻炉的温度，具体数据见表1。根据Cohn—Coon公式得：
式中：ΔM 为系统阶跃输入；△C为系统的输出响应；t0.28为对象飞升曲线为0．28△C时的时间(min) ，t0.63为对象飞升曲线为0．63△C时的时间(min)。求得K=0．93，T=143 =30s，所以电阻炉的温度模型为：。
表1:每5分钟温度采样值
时间（min） 0 5 10 15 20 25 30
温度（T） 30 150 280 390 470 545 600
根据电阻炉温度变化的特点，选取温度偏差的基本论域为{一600，600}，设其量化论域为{一1，1}，则量化因子K =1／600=0.0017。电阻炉炉温度变化速率Δe的基本论域取为{一100，100}，其量化论域为{一1，1}，则量化因子K =1／10=0.01。分别定义和和的模糊词集为：
，
。采用三角形隶属度函数，隶属函数如图2所示，通过总结熟练工人的实际操作经验得到由49条控制规则，如表2所示。
PID控制控制规律的表达式为：
式中：e(k)为系统误差; Δe(k)为系统误差变化率；KP为比例作用系数，影响系统响应速度和精度；KI为积分作用系数，影响系统稳态精度；KD为微分作用系数，影响系统动态特性。采用人工设置的方法进行参数设定。
表2： 模糊规则表
本实例电阻炉需要达到的温度为600°C。（1）当| e(k)|>200°C且|Δe(k)|<20时,为使系统具有较好的快速性，采用模糊控制。（2）当| e(k)|<200°C，|Δe(k)|>20时，为使系统响应具有较小的超调，这时切换成PID控制，KP应取较小值；同时KD的取值对系统响应的影响较大，也应取较小值。
当电阻炉模型是，要求达到的温度为600°C，对其进行常规PID控制和基于预测的模糊PID控制，其中KP=2，KI =0.06，KD =0.03，得到的仿真图如图3所示。据仿真结果，对比调节时间、超调量可以看出，基于预测控制的模糊PID控制动态响应曲线比较好，没有超调量或超调量较小，响应速度较快，较常规PID控制在性能上有了极大改善。

Claims (8)

1.基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，电阻炉温度控制在预测控制的基础上，采用模糊PID控制方法，当电阻炉预测温差大且预测温差变化率小时，采用模糊控制，当预测温差小且预测温差的变化率较大时，采用传统PID控制。
2.根据权利要求1 所述基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于利用模糊控制对电阻炉温度进行控制的步骤如下：
（1）首先由热电偶测出电阻炉温度，通过与设定的温度信号进行比较，计算温度误差e和温度变化率ec；
（2）当电阻炉温度偏差大且温度变化率小时，采用模糊控制；
（3）所述的温度偏差信号和温度变化率信号共同输入模糊控制器；
（4）所述的模糊控制器对输入信号进行模糊化，根据模糊规则得出模糊值；
（5）所述的模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到所需要的控制器输出信号q；
（6）所述的控制器输出信号输出到对象上，进行温度调节。
3.根据权利要2 所述的基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，所述的步骤(1) 中温度偏差信号e和温度变化率信号ec，经过模糊推理后输入到模糊控制器。
4.根据权利要求2 所述的基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，在步骤(5) 中对输出信号进行解模糊化后输出控制量q。
5.根据权利要求2 所述的基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，在步骤(1) 中所述的温度误差e 的论域是-1 至1，温度误差变化率ec 的论域是-1 至1。
6.根据权利要求2 所述的基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，在步骤(5)中所述的控制器输出信号q 论域是-1 至1。
7.根据权利要求6 所述的基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，在步骤(1) 中新建立一个误差e 的隶属函数，隶属函数采用三角函数，将零值设置为正零单个三角形分布，用以提高收敛温度的效果。
8.根据权利要求1 所述基于预测控制的模糊PID电阻炉温度控制方法，其特征在于，根据温度误差和误差的变化率，修改PID控制器中比例P，积分I，微分D参数的大小，使温度平稳上升。
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