帶積分的模糊Smith預估器在電加熱溫度控制中的應用

1、帶積分的模糊Smith預估器在電加熱溫度控制中的應用        摘要傳統(tǒng)的Smith預估器是解決大純滯后系統(tǒng)控制的有效方法，但它依賴于被控對象精確的數學模型，使應用受到了限制。帶積分的模糊Smith預估器兼有前者的特性，又不依賴于對象精確的數學模型，且有較強的魯棒性。論文給出了設計方法及在電加熱爐中的應用結果。 關鍵詞Smith預估器；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<-關鍵EN(結束)->1前言電加熱爐溫度控制要求控制系統(tǒng)能夠滿意地跟蹤設定的溫度曲線，即要求所設計的調節(jié)器具有較強地跟蹤伺服信號的能力，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能及平穩(wěn)的動態(tài)性能。由于電加熱爐動態(tài)特性具有較大的容積滯后，溫度上升和下降具有嚴重的不對稱性，故采用常規(guī)的PID調節(jié)器控制此類對象，穩(wěn)定時間較長，不能很好地滿足工藝要求。如何有效克服大純滯后的影響，理論上已有很多的方法，Smith預估控制器就是其中之一。傳統(tǒng)的Smith預估控制器是在估計對象動態(tài)特性的基礎上，用一個

5、預估模型進行補償，從而得到一個沒有時滯的被調節(jié)量反饋到控制器。它的結構是 在常規(guī)的PID控制器上并聯(lián)一個時滯預估器。Smith預估控制最大的優(yōu)點是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，最大的缺點是過份依賴精確的數學模型。當估計模型和實際對象誤差較大時，控制品質會明顯惡化，甚至發(fā)散，而對于外部擾動也非常敏感，魯棒性較差。所以，一般的Smith預估控制系統(tǒng)難以在實際中得到真正的應用。論文將傳統(tǒng)的Smith控制方法和模糊控制方法相結合，構成一種模糊Smith預估補償器，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性13，并成功地應用于電加熱爐中。2帶積分的模糊Smith控制器設計模糊控制器是根據經驗數據和理論分析確定隸屬函數及

6、控制規(guī)則的，因此不要求知道系統(tǒng)的精確數學模型，只需要提供現場操作經驗和操作數據來是有效的方案。具體過程是將輸入變量的精確值模糊化，根據輸入變量和模糊控制規(guī)則計算控制量，再將它反模糊化，得到精確輸出去控制過程。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：為對象無滯后部分，Gm（s）為預估器，理想情況為：，可通過對實際對象的階躍辨識獲取。為積分環(huán)節(jié)與模糊控制器并聯(lián)，構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，輸出為um，K1、K2、和K3為尺度變換的比例系數。實時性，針對有限量化的輸入變量，通過離線計算相應的控制量，組成控制量表。

7、誤差e和誤差的變化信號、制量um的語言詞集為：NL，NM，NS，NZ，Z，PZ，PS，PM，PL，輸入信號隸屬函數采用高斯型，輸出信號um的隸屬函數采用三角型。模糊論域的范圍可根據具體控制對象修正。模糊Smith控制器控制的基本原則為：當控制量大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量以防止超調。借鑒模糊控制器設計經驗，得到語言控制規(guī)則表21。3實驗結果此例在研華工控機上實現，加熱爐采用恒電流時間比例加熱，輸入功率與導通時間成正比，控制框圖如圖31所示。對加熱爐的溫度控制輸入端加入階躍信號，從工控機測出階躍響應如圖32所示，可見加熱爐存在明顯的滯后非線性和時變特性。根

8、據階躍響應初步獲得Smith預估器為：e8s），選擇模糊控制的e、e和um的實際變化范圍分別為4，4、4，4、2，2，給定溫度為74，采用傳統(tǒng)的Smith預估和模糊Smith預估的控制結果如圖33所示，如選擇預估器為：Gm2（S）則兩種控制情況下的效果如圖34所示。可見無論是在系統(tǒng)結構參數完全匹配或不匹配以及滯后時間發(fā)生變動情況下，帶積分模糊Smith預估器均獲得較好的控制效果，不僅穩(wěn)態(tài)誤差小，而且超調也明顯較小，魯棒性也有一定的改善。 4結論電加熱爐的溫度控制應用證明，帶積分模糊Smith預估控制對純滯后的非線性時變系統(tǒng)有較理想的控制效果，比傳統(tǒng)的Smith預估控制對參數的變化更具適應能力，在對象模型發(fā)生較大變化時也能獲得較好的控制效果，而且通過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言和經驗知識，容易被人理解和掌握，是解決純滯后系統(tǒng)的一種具有應用前景的控制方案。參考文獻 1孫增忻，等智能控制理論與技術M北京：清華大學出版社，19972陶永華，等新型PID控制及應用M北京：機械工業(yè)出版社，19983諸靜模糊控制原理與應用M北京：機械工業(yè)出版社，19954劉向杰，等模糊控制的現狀與新發(fā)展J信息與控制，19995宋云霞大時滯過程控制方法及應用J化工自動化及儀表，20016