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、        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，但它依賴于被控對象精確的數(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，又不依賴于對象精確的數(shù)學(xué)模型，且有較強的魯棒性。論文給出了設(shè)計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 controlofan electric ovenSHIXuhua

2、（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 limitedThe integratedfuzzy Smith pr

3、edictoris 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 words：Smith predictor contr

4、oller；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)能夠滿意地跟蹤設(shè)定的溫度曲線，即要求所設(shè)計的調(diào)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(diào)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(yù)估控制器就是其中之一。傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制器是在估計對象動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，用一個預(yù)估模型進行補償，從而得到一個沒有時滯的被調(diào)節(jié)量反饋

5、到控制器。它的結(jié)構(gòu)是 在常規(guī)的PID控制器上并聯(lián)一個時滯預(yù)估器。Smith預(yù)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(shù)學(xué)模型。當(dāng)估計模型和實際對象誤差較大時，控制品質(zhì)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(yù)估控制系統(tǒng)難以在實際中得到真正的應(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)計模糊控制器是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和理論分析確定隸屬函數(shù)及控制規(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

6、提供現(xiàn)場操作經(jīng)驗和操作數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)：為對象無滯后部分，Gm（s）為預(yù)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(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，輸出為um，K1、K2、和K3為尺度變換的比例系數(shù)。實時性，針對有限量化的輸入變量，通過離線計算相應(yīng)的控制量，組成控制量表。誤差e和誤差的變化信號、制量um的語言詞集為：NL，

7、NM，NS，NZ，Z，PZ，PS，PM，PL，輸入信號隸屬函數(shù)采用高斯型，輸出信號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，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量以防止超調(diào)。借鑒模糊控制器設(shè)計經(jīng)驗，得到語言控制規(guī)則表21。3實驗結(jié)果此例在研華工控機上實現(xiàn)，加熱爐采用恒電流時間比例加熱，輸入功率與導(dǎo)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(yīng)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。根據(jù)階躍響應(yīng)初步獲得Smith預(yù)估器為：e8s），選擇

8、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(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。可見無論是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全匹配或不匹配以及滯后時間發(fā)生變動情況下，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(yù)估控制對參數(shù)的變化更具適應(yīng)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(jīng)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(yīng)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(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：機械工業(yè)出版社，19983諸靜模糊控制原理與應(yīng)用M北京：機械工業(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宋云霞大時滯過程控制方法及應(yīng)用J化工自動化及儀表，20016T