模糊自適應(yīng)PID在化工行業(yè)的應(yīng)用(自動化專業(yè)文獻(xiàn)檢索)

1、模糊自適應(yīng)PID在生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用The fuzzy adaptive PID application in the production process摘要： 模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)合了自適應(yīng)控制和常規(guī) PID控制器的優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)生產(chǎn)工藝中的實(shí)際情況討論使用模糊自適應(yīng)的PID參數(shù) ，它能顯著地提升控制效果，使生產(chǎn)過程更穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量更好。The fuzzy adaptive PID control is a combination of the advantages of adaptive control and conventional PID controller. In this a

2、rticle, according to the actual situation to discuss the production process using fuzzy adaptive PID parameters, it can significantly improve the control effect, make the production process more stable, better product quality.關(guān)鍵詞： 自適應(yīng)；PID控制；模糊控制；中圖分類號： TP291 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A0 引言在控制理論和技術(shù)快速發(fā)展的今天，PID控制由于有簡單、穩(wěn)定

3、性好、可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，仍然是在生產(chǎn)過程中采用最普遍的控制方法，在冶金、石油、機(jī)械、化工等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。本文研究及介紹基于模糊自適應(yīng)PID在現(xiàn)今多種工業(yè)生產(chǎn)中的不同應(yīng)用。本文列舉出在攤鋪機(jī)、鋼板橫剪生產(chǎn)以及恒溫爐中的應(yīng)用。1 攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)對模糊自適應(yīng)PID的應(yīng)用1.1 攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng) 大中型攤鋪機(jī)的兩側(cè)履帶由兩套相互獨(dú)立的泵馬達(dá)閉式系統(tǒng)驅(qū)動，以徐RP系列攤鋪例，在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時，控制器對比兩邊行走馬的轉(zhuǎn)速即時調(diào)整泵的排量，保證兩側(cè)行駛速度。操作人員由顯示器控制參數(shù)，柴油機(jī)全速運(yùn)行，并通過分動箱力輸出至變量柱塞泵，泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓勢能，馬達(dá)再將液壓勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動減速機(jī)轉(zhuǎn)

4、動，減速機(jī)通過驅(qū)動鏈輪帶動履帶驅(qū)動攤鋪機(jī)行走；主控制器通過調(diào)節(jié)左、右比例電磁閥的驅(qū)動電流去控制左、右馬達(dá)輸出速度的大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等功能。1.2 攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng) 大中型攤鋪機(jī)的兩側(cè)履帶由兩套相互獨(dú)立的 變量泵一馬達(dá)閉式系統(tǒng)驅(qū)動，以徐工的R P 系列攤鋪機(jī)為例，在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時，控制器對比兩邊行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即時調(diào)整泵的排量，保證兩側(cè)行駛速度一致。操作人員由顯示器 輸入控制參數(shù)，柴油機(jī)全速運(yùn)行，并通過分動箱將動力輸出至變量柱塞泵，泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓勢能，馬達(dá)再將液壓勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動減速機(jī)轉(zhuǎn)動，減速機(jī)通過驅(qū)動鏈輪帶動履帶驅(qū)動攤鋪機(jī)行走；主控制器通過調(diào)節(jié)左、右比例電磁閥的驅(qū)動電

5、流去控制左、右馬達(dá)輸出速度的大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等功能。1.3 改進(jìn)的模糊自適應(yīng)PID控制算法設(shè)計1.3.1 模糊控制規(guī)則和模糊推理 根據(jù)PID控制算法的原理，結(jié)合工程師技術(shù)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗以及測試數(shù)據(jù)的理論分析結(jié)果，可以歸納出偏差e 和偏差變化率ec跟PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp、ki和kd之間的關(guān)系。調(diào)節(jié)參數(shù)kp的模糊控制規(guī)則如表1所示。表1調(diào)節(jié)KP的KP模糊控制規(guī)則1.3.2 去模糊化 由于攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)是變量泵馬達(dá)閉式系，要求實(shí)時性好，因此選擇最大隸屬度法去模，通過計算可以得到KP、KI和KD的查，并保存在控制器中。在實(shí)時控制時，首先行駛速度的偏差e和偏差變化率ec的量化值

6、到 表中查詢對應(yīng)的修正量KP、KI和KD量化值，再通過運(yùn)算變?yōu)榫_量KP、KI和KD，最后將這三個精確量分別與控制器中提前 的PID參數(shù)初始值kD0、ki0和kdo按式( 1 )、式( 2 )和式( 3 )計算得到最優(yōu)的參數(shù)kp、ki和kd，其工作流程如圖1所示。kp=kp0+kp ( 1 )ki=kio+Ki ( 2)kd=kdo+Kd ( 3 )圖1速度環(huán)的模糊自適應(yīng)PID工作流程圖圖2糾偏環(huán)的模糊自適應(yīng)PSI2作流程圖1.3.3 糾偏環(huán)模糊控制算法設(shè)計選擇攤鋪機(jī)左右輪行駛速度差lc和行駛距離差l的語言變量LC與L作為輸入語言變量，選擇P控制器的參數(shù)的語言變量KP3作為輸出語言變量。糾偏環(huán)

7、語言值隸屬度函數(shù)的選取、模糊控制規(guī)則的取得方法和去模糊化的方法與速度環(huán)類似，這里 僅給出糾偏環(huán)的模糊自適應(yīng)P工作流程圖如圖2所示。1.4 結(jié)論 可以看出，在引入三環(huán)形式的模糊自適應(yīng)PID控制器后，攤鋪機(jī)的恒速和直線行駛性能得到顯著提高。2 鋼板橫剪生產(chǎn)線多電機(jī)同步控制系統(tǒng)對自適應(yīng)模糊PID的應(yīng)用2.1 多電機(jī)同步傳動控制策略一般說來，同步傳動協(xié)調(diào)關(guān)系是各受控量應(yīng)足的某種線性或非線性函數(shù)關(guān)系：f（y1,y2.yn)=c 常見的是比例關(guān)系：u1y1=u2y2=.=unyn 當(dāng)比例系數(shù)i=1時，即為最簡單的同步關(guān)系。 在常規(guī)的多電機(jī)同步傳動中，各電機(jī)的速度節(jié)器一般都采用比例積分(PI)調(diào)節(jié)器。這種調(diào)

8、節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，抗擾性好，穩(wěn)態(tài)精高等優(yōu)點(diǎn)。但采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)然有超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生。文獻(xiàn)【1】中提出了一種在度調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的方法，它可抑制甚至消除轉(zhuǎn)速超調(diào)，降低由負(fù)載擾動引起動態(tài)速降，但過強(qiáng)的微分負(fù)反饋會使系統(tǒng)的響變緩。 本鋼板橫剪生產(chǎn)線同步傳動系統(tǒng)，同一給定方案中各電機(jī)采用同一電壓給定，每臺電機(jī)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制策略，如圖3所示，電流環(huán)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，用工程設(shè)計法設(shè)計，而轉(zhuǎn)速環(huán)采用自適應(yīng)模糊PID控制。圖3同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 同步傳動系統(tǒng) 鋼板橫剪生產(chǎn)線中，粗矯機(jī)、圓盤剪和精矯 機(jī) 由三組 四臺直流電動機(jī)共 同拖動 同一塊鋼板 ， 生產(chǎn)工藝

9、要求VI = V2 = V3，原理如圖3 所示。因此 要求四臺電機(jī)必須是在線速度同步條件下運(yùn)行， 又因為粗矯機(jī)、圓盤剪和精矯機(jī)三組系統(tǒng)與鋼板 接觸的輥徑不一樣、而要求的力矩也不一樣，所 以各組的轉(zhuǎn)速比和電動機(jī)容量都不一樣，對實(shí)現(xiàn) 同步運(yùn)行的技術(shù)水平和控制要求比較高。2.3 輸入輸出變量的選取和量化 轉(zhuǎn)速外環(huán)中采用的自適應(yīng)模糊PID控制器是二 輸入三輸出的形式，e和ec為輸入，Kp、Ki、Kd為輸出；設(shè)定輸人變量e和ec語言值的模糊子集為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，并簡記為NB，NM，NS，O，PS，PM，PB)，將誤差e 和誤差變化率ec量化到(0，10)的區(qū)域內(nèi)H】。同樣，設(shè)計輸

10、出量Kp、Ki、Kd的模糊子集NB，NM，NS，O，PS，PM，PBl，并將其分別量化到區(qū)域(0，5)、(0，3)、(0，3)內(nèi)。2.4 模糊控制規(guī)則庫設(shè)計及解模糊 通過總結(jié)工程實(shí)際操作經(jīng)驗，針對不同的速度誤差e 和速度誤差變化率ec總結(jié)出Kp、Ki、Kd的整定原則：當(dāng)e較大時，為了使系統(tǒng)具有較好的跟隨性能，應(yīng)取較大的Kd和較小的Kp，同時為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)該取Ki=0；當(dāng)e和ec適中時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)該取得小些，在這種情況下，Kd的取值也應(yīng)該小些，Ki取值應(yīng)該適中。當(dāng)e較小時，為使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性能Kp和Ki應(yīng)該取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，

11、并考慮系統(tǒng)抗 干擾性性能，當(dāng)ec較大時Kd應(yīng)該取得小些；當(dāng)ec較小時，Kd應(yīng)該取大些。可建立模糊控制規(guī)則表如表2所示。表2 Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則表2.5 仿真模型建立 綜合以上分析，利用MATLABSimulink中豐富的模塊庫可以建立電流內(nèi)環(huán)PI控制、轉(zhuǎn)速外環(huán)基于自適應(yīng)模糊PID控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)的被控對象是晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置選用三相橋式電路。選取粗矯90KW直流拖動電機(jī)為分析對象 ，額定電壓U=400V，額定電樞電流IN=227A，額定轉(zhuǎn)速llN=1460rmin，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.0073Vminr，電流反饋系數(shù)B：0.022VA；自適應(yīng)模

12、糊PID控制器的參數(shù)：Gain3=0.2，Gain5=2.1，Kp=4，Ki=0.5，Kd=0.2。2.6 仿真結(jié)果分析 電動機(jī)帶負(fù)載起動，在0.5s時加一負(fù)載擾動。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)起動過程迅速，轉(zhuǎn)速無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)；當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載擾動時，采用自適應(yīng)模PID控制的同步調(diào)速系統(tǒng)具有理想 的抗擾性能和動態(tài)性能，且擾動消除后，能快速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)無靜差。3 恒溫爐對模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用3.1 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)設(shè)計 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，被控象還是采用常規(guī)PID控制器進(jìn)行控制，不過常規(guī)PID3個參數(shù)比例系數(shù)Kp、積分作用系數(shù)Ki、微分作用系數(shù)由模

13、糊控制器在線提供。模糊控制器不斷檢測系統(tǒng)誤e和誤差變化e，依據(jù)模糊規(guī)則在線實(shí)時調(diào)整PID的3個可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd，從而使系統(tǒng)的控制效果達(dá)到最佳。圖4 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng) 其中：E(k)為系統(tǒng)偏差、EC(k)為偏差變化率。 綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和 穩(wěn)態(tài)精 度等動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)，在不同E和EC時，PID控制器的 比例(P)、積分(I)和微分(D)的參數(shù)Kp、Ki、Kd的自整定要求如下： (1)當(dāng)E較大時，響應(yīng)曲線處于圖5所示第1段，此時必須加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Kp應(yīng)該取較大值；為避免微分過飽和，Kd取較小值；同時避免出現(xiàn)過大的超調(diào)，使Ki=0。 (2)當(dāng)E中等時

14、，系統(tǒng)響應(yīng)處于圖5的第2段，為減小超調(diào)量，Kp取較?。粸楸ＷC系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Ki和Kd取適中值。圖5 輸出響應(yīng)曲線 (3)當(dāng)E較小時，系統(tǒng)響應(yīng)處于圖5曲線的第3段，Kp和Ki值應(yīng)取較大(為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能)，適當(dāng)?shù)剡x取Kd值(為避免系統(tǒng)在給定值附近出現(xiàn)振蕩)。由以上自整定要求可得Kp、Ki、Kd三個參數(shù)的模糊控制表如下：表3kp的模糊規(guī)則表4 ki的模糊規(guī)則表5 kd的模糊規(guī)則3.2 仿真結(jié)果分析 通過仿真可以看出，模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制比一般PID控制效果更好，具體表現(xiàn)在響應(yīng)速度快、魯棒性好、超調(diào)量小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器更為合理，使過程的各項性能指標(biāo)均

15、達(dá)到最佳狀態(tài)。4 結(jié)語 傳統(tǒng)Smith預(yù)估控制器是基于被控對象具有精確數(shù)學(xué)模型而設(shè)計的，對缺乏精確模型或參數(shù)時變且具有純滯后的過程控制系統(tǒng)，其控制效果欠佳。由于模糊控制對被控對象模 型參數(shù)變化不敏感，PID控制器對被控的參數(shù)變化自適應(yīng)能力強(qiáng)，本文綜合了各個模型的優(yōu)點(diǎn)，將模糊和PID控制器引入史密斯預(yù)估控制系統(tǒng)中。通過對火電機(jī)組主汽溫控制系統(tǒng)的仿真分析可知，模糊PID預(yù)估控制器對大遲延、純滯后系統(tǒng)有較好的控制效果。由于Smith預(yù)估器能夠很好地補(bǔ)償被控對象中的純遲延部分，使控制器可以提前感知到被控量發(fā)生了變化，提前進(jìn)行動作，最大限度地減小了超調(diào)量。仿真結(jié)果表明，模糊PID預(yù)估控制器對缺乏精確數(shù)學(xué)模型且參數(shù)變化的大遲延的工業(yè)過程具有良好的控制效果。 模糊自適應(yīng)PID因其快速、穩(wěn)定、安全性，從以