帶積分的模糊Smith預(yù)估器在電加熱溫度控制中的應(yīng)用

1、帶積分的模糊Smith預(yù)估器在電加熱溫度控制中的應(yīng)用        摘要傳統(tǒng)的Smith預(yù)估器是解決大純滯后系統(tǒng)控制的有效方法，但它依賴(lài)于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，使應(yīng)用受到了限制。帶積分的模糊Smith預(yù)估器兼有前者的特性，又不依賴(lài)于對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，且有較強(qiáng)的魯棒性。論文給出了設(shè)計(jì)方法及在電加熱爐中的應(yīng)用結(jié)果。 關(guān)鍵詞Smith預(yù)估器；模糊控制；電加熱爐 The application of anintegrated fuzzy Smith predictorto thetemperature controlo

2、fan electric ovenSHIXuhua （Information EngineeringInstituteof Ningbo University，ZheJiangNingbo315211，China） Abstract：Though the Smith predictor controlleris usefulfor a timedelay controlsystem，it depends onthe accurate mathematic model of a controlled objectSo its industrial application is limitedTh

3、e integratedfuzzy Smith predictoris also valid for a timedelay systemItcan reduce the limitation ofthe abovesaid modeland guaranteethe robustnesstothe disturbanceThe design method is describedin the paperThe result of application shows thatitis usefulforthe temperature controlof electric ovens Key w

4、ords：Smith predictor controller；Fuzzy control；Electric oven<-關(guān)鍵EN(結(jié)束)->1前言電加熱爐溫度控制要求控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)意地跟蹤設(shè)定的溫度曲線(xiàn)，即要求所設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器具有較強(qiáng)地跟蹤伺服信號(hào)的能力，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能及平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)性能。由于電加熱爐動(dòng)態(tài)特性具有較大的容積滯后，溫度上升和下降具有嚴(yán)重的不對(duì)稱(chēng)性，故采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器控制此類(lèi)對(duì)象，穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，不能很好地滿(mǎn)足工藝要求。如何有效克服大純滯后的影響，理論上已有很多的方法，Smith預(yù)估控制器就是其中之一。傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制器是在估計(jì)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，用一個(gè)

5、預(yù)估模型進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到一個(gè)沒(méi)有時(shí)滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器。它的結(jié)構(gòu)是 在常規(guī)的PID控制器上并聯(lián)一個(gè)時(shí)滯預(yù)估器。Smith預(yù)估控制最大的優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，最大的缺點(diǎn)是過(guò)份依賴(lài)精確的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)估計(jì)模型和實(shí)際對(duì)象誤差較大時(shí)，控制品質(zhì)會(huì)明顯惡化，甚至發(fā)散，而對(duì)于外部擾動(dòng)也非常敏感，魯棒性較差。所以，一般的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)難以在實(shí)際中得到真正的應(yīng)用。論文將傳統(tǒng)的Smith控制方法和模糊控制方法相結(jié)合，構(gòu)成一種模糊Smith預(yù)估補(bǔ)償器，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性13，并成功地應(yīng)用于電加熱爐中。2帶積分的模糊Smith控制器設(shè)計(jì)模糊控制器是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析確定隸屬函數(shù)及

6、控制規(guī)則的，因此不要求知道系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)和操作數(shù)據(jù)來(lái)是有效的方案。具體過(guò)程是將輸入變量的精確值模糊化，根據(jù)輸入變量和模糊控制規(guī)則計(jì)算控制量，再將它反模糊化，得到精確輸出去控制過(guò)程。文中提出的帶積分的模糊Smith控制系統(tǒng)框圖如圖21所示。圖中G（S）為傳遞函數(shù)：為對(duì)象無(wú)滯后部分，Gm（s）為預(yù)估器，理想情況為：，可通過(guò)對(duì)實(shí)際對(duì)象的階躍辨識(shí)獲取。為積分環(huán)節(jié)與模糊控制器并聯(lián)，構(gòu)成具有積分作用的模糊控制系統(tǒng)，模糊控制器的輸入為誤差e和誤差的變化信號(hào)，輸出為um，K1、K2、和K3為尺度變換的比例系數(shù)。實(shí)時(shí)性，針對(duì)有限量化的輸入變量，通過(guò)離線(xiàn)計(jì)算相應(yīng)的控制量，組成控制量表。

7、誤差e和誤差的變化信號(hào)、制量um的語(yǔ)言詞集為：NL，NM，NS，NZ，Z，PZ，PS，PM，PL，輸入信號(hào)隸屬函數(shù)采用高斯型，輸出信號(hào)um的隸屬函數(shù)采用三角型。模糊論域的范圍可根據(jù)具體控制對(duì)象修正。模糊Smith控制器控制的基本原則為：當(dāng)控制量大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量以防止超調(diào)。借鑒模糊控制器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得到語(yǔ)言控制規(guī)則表21。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果此例在研華工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)，加熱爐采用恒電流時(shí)間比例加熱，輸入功率與導(dǎo)通時(shí)間成正比，控制框圖如圖31所示。對(duì)加熱爐的溫度控制輸入端加入階躍信號(hào)，從工控機(jī)測(cè)出階躍響應(yīng)如圖32所示，可見(jiàn)加熱爐存在明顯的滯后非線(xiàn)性和時(shí)變特性。根

8、據(jù)階躍響應(yīng)初步獲得Smith預(yù)估器為：e8s），選擇模糊控制的e、e和um的實(shí)際變化范圍分別為4，4、4，4、2，2，給定溫度為74，采用傳統(tǒng)的Smith預(yù)估和模糊Smith預(yù)估的控制結(jié)果如圖33所示，如選擇預(yù)估器為：Gm2（S）則兩種控制情況下的效果如圖34所示?？梢?jiàn)無(wú)論是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全匹配或不匹配以及滯后時(shí)間發(fā)生變動(dòng)情況下，帶積分模糊Smith預(yù)估器均獲得較好的控制效果，不僅穩(wěn)態(tài)誤差小，而且超調(diào)也明顯較小，魯棒性也有一定的改善。 4結(jié)論電加熱爐的溫度控制應(yīng)用證明，帶積分模糊Smith預(yù)估控制對(duì)純滯后的非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)有較理想的控制效果，比傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制對(duì)參數(shù)的變化更具適應(yīng)能力，在對(duì)象模型發(fā)生較大變化時(shí)也能獲得較好的控制效果，而且通過(guò)誤差積分器的直接作用，消除了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。模糊控制基于自然語(yǔ)言和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，容易被人理解和掌握，是解決純滯后系統(tǒng)的一種具有應(yīng)用前景的控制方案。參考文獻(xiàn) 1孫增忻，等智能控制理論與技術(shù)M北京：清華大學(xué)出版社，19972陶永華，等新型PID控制及應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19983諸靜模糊控制原理與應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19954劉向杰，等模糊控制的現(xiàn)狀與新發(fā)展J信息與控制，19995宋云霞大時(shí)滯過(guò)程控制方法及應(yīng)用J化工自動(dòng)化及儀表，20016