模糊自適應PID在化工行業(yè)的應用(自動化專業(yè)文獻檢索)

1、模糊自適應PID在生產工藝中的應用The fuzzy adaptive PID application in the production process摘要： 模糊自適應PID控制結合了自適應控制和常規(guī) PID控制器的優(yōu)點。本文根據生產工藝中的實際情況討論使用模糊自適應的PID參數 ，它能顯著地提升控制效果，使生產過程更穩(wěn)定，產品質量更好。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.關鍵詞： 自適應；PID控制；模糊控制；中圖分類號： TP291 文獻標識碼： A0 引言在控制理論和技術快速發(fā)展的今天，PID控制由于有簡單、穩(wěn)定

3、性好、可靠性高、適應性廣等優(yōu)點，仍然是在生產過程中采用最普遍的控制方法，在冶金、石油、機械、化工等行業(yè)中被廣泛應用。本文研究及介紹基于模糊自適應PID在現今多種工業(yè)生產中的不同應用。本文列舉出在攤鋪機、鋼板橫剪生產以及恒溫爐中的應用。1 攤鋪機行駛控制系統(tǒng)對模糊自適應PID的應用1.1 攤鋪機行駛系統(tǒng) 大中型攤鋪機的兩側履帶由兩套相互獨立的泵馬達閉式系統(tǒng)驅動，以徐RP系列攤鋪例，在攤鋪作業(yè)時，控制器對比兩邊行走馬的轉速即時調整泵的排量，保證兩側行駛速度。操作人員由顯示器控制參數，柴油機全速運行，并通過分動箱力輸出至變量柱塞泵，泵將機械能轉換為液壓勢能，馬達再將液壓勢能轉換為機械能，驅動減速機轉

4、動，減速機通過驅動鏈輪帶動履帶驅動攤鋪機行走；主控制器通過調節(jié)左、右比例電磁閥的驅動電流去控制左、右馬達輸出速度的大小和方向，從而實現前進、后退和轉向等功能。1.2 攤鋪機行駛系統(tǒng) 大中型攤鋪機的兩側履帶由兩套相互獨立的 變量泵一馬達閉式系統(tǒng)驅動，以徐工的R P 系列攤鋪機為例，在攤鋪作業(yè)時，控制器對比兩邊行走馬達的轉速即時調整泵的排量，保證兩側行駛速度一致。操作人員由顯示器 輸入控制參數，柴油機全速運行，并通過分動箱將動力輸出至變量柱塞泵，泵將機械能轉換為液壓勢能，馬達再將液壓勢能轉換為機械能，驅動減速機轉動，減速機通過驅動鏈輪帶動履帶驅動攤鋪機行走；主控制器通過調節(jié)左、右比例電磁閥的驅動電

5、流去控制左、右馬達輸出速度的大小和方向，從而實現前進、后退和轉向等功能。1.3 改進的模糊自適應PID控制算法設計1.3.1 模糊控制規(guī)則和模糊推理 根據PID控制算法的原理，結合工程師技術人員的實際操作經驗以及測試數據的理論分析結果，可以歸納出偏差e 和偏差變化率ec跟PID調節(jié)器的參數kp、ki和kd之間的關系。調節(jié)參數kp的模糊控制規(guī)則如表1所示。表1調節(jié)KP的KP模糊控制規(guī)則1.3.2 去模糊化 由于攤鋪機行駛系統(tǒng)是變量泵馬達閉式系，要求實時性好，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 表中查詢對應的修正量KP、KI和KD量化值，再通過運算變?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PID工作流程圖圖2糾偏環(huán)的模糊自適應PSI2作流程圖1.3.3 糾偏環(huán)模糊控制算法設計選擇攤鋪機左右輪行駛速度差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P工作流程圖如圖2所示。1.4 結論 可以看出，在引入三環(huán)形式的模糊自適應PID控制器后，攤鋪機的恒速和直線行駛性能得到顯著提高。2 鋼板橫剪生產線多電機同步控制系統(tǒng)對自適應模糊PID的應用2.1 多電機同步傳動控制策略一般說來，同步傳動協調關系是各受控量應足的某種線性或非線性函數關系：f（y1,y2.yn)=c 常見的是比例關系：u1y1=u2y2=.=unyn 當比例系數i=1時，即為最簡單的同步關系。 在常規(guī)的多電機同步傳動中，各電機的速度節(jié)器一般都采用比例積分(PI)調節(jié)器。這種調

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

9、要求VI = V2 = V3，原理如圖3 所示。因此 要求四臺電機必須是在線速度同步條件下運行， 又因為粗矯機、圓盤剪和精矯機三組系統(tǒng)與鋼板 接觸的輥徑不一樣、而要求的力矩也不一樣，所 以各組的轉速比和電動機容量都不一樣，對實現 同步運行的技術水平和控制要求比較高。2.3 輸入輸出變量的選取和量化 轉速外環(huán)中采用的自適應模糊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；設定輸人變量e和ec語言值的模糊子集為負大，負中，負小，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H】。同樣，設計輸

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。2.4 模糊控制規(guī)則庫設計及解模糊 通過總結工程實際操作經驗，針對不同的速度誤差e 和速度誤差變化率ec總結出Kp、Ki、Kd的整定原則：當e較大時，為了使系統(tǒng)具有較好的跟隨性能，應取較大的Kd和較小的Kp，同時為了避免系統(tǒng)響應出現較大的超調，應該取Ki=0；當e和ec適中時，為使系統(tǒng)具有較小的超調，Kp應該取得小些，在這種情況下，Kd的取值也應該小些，Ki取值應該適中。當e較小時，為使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性能Kp和Ki應該取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現振蕩，

11、并考慮系統(tǒng)抗 干擾性性能，當ec較大時Kd應該取得小些；當ec較小時，Kd應該取大些?？山⒛：刂埔?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環(huán)PI控制、轉速外環(huán)基于自適應模糊PID控制的雙閉環(huán)直流調速系統(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直流拖動電機為分析對象 ，額定電壓U=400V，額定電樞電流IN=227A，額定轉速llN=1460rmin，轉速反饋系數=0.0073Vminr，電流反饋系數B：0.022VA；自適應模

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

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，依據模糊規(guī)則在線實時調整PID的3個可調參數Kp、Ki、Kd，從而使系統(tǒng)的控制效果達到最佳。圖4 模糊參數自適應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、響應速度、超調量和 穩(wěn)態(tài)精 度等動態(tài)和靜態(tài)性能指標，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Kp、Ki、Kd的自整定要求如下： (1)當E較大時，響應曲線處于圖5所示第1段，此時必須加快系統(tǒng)的響應速度，Kp應該取較大值；為避免微分過飽和，Kd取較小值；同時避免出現過大的超調，使Ki=0。 (2)當E中等時

14、，系統(tǒng)響應處于圖5的第2段，為減小超調量，Kp取較小；為保證系統(tǒng)的響應速度，Ki和Kd取適中值。圖5 輸出響應曲線 (3)當E較小時，系統(tǒng)響應處于圖5曲線的第3段，Kp和Ki值應取較大(為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能)，適當地選取Kd值(為避免系統(tǒng)在給定值附近出現振蕩)。由以上自整定要求可得Kp、Ki、Kd三個參數的模糊控制表如下：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 仿真結果分析 通過仿真可以看出，模糊參數自適應PID控制比一般PID控制效果更好，具體表現在響應速度快、魯棒性好、超調量小、抗干擾能力強等特點。由于模糊參數自適應PID控制器更為合理，使過程的各項性能指標均

15、達到最佳狀態(tài)。4 結語 傳統(tǒng)Smith預估控制器是基于被控對象具有精確數學模型而設計的，對缺乏精確模型或參數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 型參數變化不敏感，PID控制器對被控的參數變化自適應能力強，本文綜合了各個模型的優(yōu)點，將模糊和PID控制器引入史密斯預估控制系統(tǒng)中。通過對火電機組主汽溫控制系統(tǒng)的仿真分析可知，模糊PID預估控制器對大遲延、純滯后系統(tǒng)有較好的控制效果。由于Smith預估器能夠很好地補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，提前進行動作，最大限度地減小了超調量。仿真結果表明，模糊PID預估控制器對缺乏精確數學模型且參數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PID因其快速、穩(wěn)定、安全性，從以