一種基于PI算法的自調(diào)整比例因子模糊控制器

1、第3卷第6期文章編號(hào):1672-4348(2005)06-0625-03福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.3No.6一種基于PI算法的自調(diào)整比例因子模糊控制器陳平(福建工程學(xué)院電子電氣系,福建福州350014)摘要:針對(duì)模糊控制器的缺點(diǎn),提出一種基于PI制器的基礎(chǔ)上,利用PI的應(yīng)用仿真,同時(shí)對(duì)汽包水位的虛假水位現(xiàn)象有較好抑制關(guān)鍵詞:;T文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Acontrollerofself2tuningproportionalityfactorbasedonPIarithmeticCHENPing(ElectronicandElectricalEngineeringDepartment,FujianUniver

2、sityofTechnology,Fuzhou350014,China)Abstract:Becauseofshortcomingsoffuzzycontroller,afuzzycontrollerofself2tuningproportionalityfac2torbasedonPIarithmeticispresented.PIarithmeticisutilizedinfuzzycontrollertoadjustthepropor2tionalityfactoroffuzzycontrollerautomatically.Thesimulationonasystemofboilerd

3、rumwaterlevelcontrolindicatesthatthefuzzycontrollerofself2tuningproportionalityfactorbasedonPIarithmeticcanimprovetheperformanceoffuzzycontrolsystemandcancontrolthefallaciouswaterlevel.Keywords:self2tuningproportionalityfactor;fuzzycontrol;drumwaterlevel0引言模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制。它不要求知道

4、被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,只需要提供現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)。模糊控制器與工業(yè)過(guò)程控制中常用的PID控制器相比具有一定的優(yōu)點(diǎn),而它的一個(gè)最大缺點(diǎn)就是精度不太高。為減小模糊控制器的誤差,最常用的就是將PID控制與模糊控制結(jié)合起來(lái),從而構(gòu)成模糊PID控制。然而由于引入了積分作用,使得控制過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間大大增長(zhǎng),失去了模糊控制響應(yīng)快速的特點(diǎn)?；诖?本文提出了一種采用PI算法調(diào)整模糊控制器比例因子的模糊控制器,該控制器在不增加控制過(guò)程響應(yīng)時(shí)間的情況下提高了控制精度。1自調(diào)整比例因子模糊控制器1.1模糊控制工作原理模糊控制系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)控制的一種形式,其工作的過(guò)程可描述如下:連續(xù)的偏差值經(jīng)量化因

5、子離散為模糊控制器論域范圍內(nèi)的模糊變量,再經(jīng)模糊推理和去模糊化處理,得到輸出量,最后由比例因子將該輸出變量轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。可見,輸出比例因子作為模糊控制器的總增益,它的大小影響著控制器的輸出,也影響著模糊控制系統(tǒng)的特性。1.2基于PID算法的自調(diào)整比例因子模糊控制器結(jié)構(gòu)模糊控制器通常使用二維形式,即以偏差及收稿日期:2005-10-17作者簡(jiǎn)介:陳平(1973-),男(漢),福建閩清人,講師,在職碩士研究生,主要從事電子技術(shù)、自動(dòng)化的研究.626福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)第3卷偏差變化作為輸入變量,因此具有PD控制的特點(diǎn)。而這種二維模糊控制器中的比例因子Ku的作用則與比例控制作

6、用類似,Ku越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,調(diào)節(jié)精度越高,但易產(chǎn)生超調(diào),導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)由控制過(guò)程的響應(yīng)特點(diǎn)可知,當(dāng)偏差較大時(shí),希望比例作用強(qiáng)些,以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度;當(dāng)偏差較小,接近穩(wěn)態(tài)時(shí),可適當(dāng)減小比例作用,以避免產(chǎn)生超調(diào)。根據(jù)上述兩方面的特點(diǎn),結(jié)合常用的PI控制算法,采用一種基于PI算法的自調(diào)整比例因子模糊控制如圖1所示用對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分的運(yùn)算,制器的比例因子。根據(jù)汽包水位的要求和特點(diǎn),為克服虛假水位的影響,采用的三沖量控制方案,系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中,D、W及H分別為蒸汽流量變送器、給水流量變送器、差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。已知某供汽量為120th鍋爐,其給水流量與水位的傳遞函數(shù)G1(

7、S),蒸汽流量與水位的傳遞函數(shù)G2(S)分別為:G1(S=2=;W(S)2-DS)S(6.7S+1)300mm水柱,流量計(jì)的量程為150th;所有變送器均采用DDZII型組合儀表。D、W及H分別為:0.0667、0.0667及0.0333。調(diào)節(jié)閥采用線性閥,增益為15。為便于對(duì)比,控制器分別用常規(guī)的PI控制器(液位控制系統(tǒng)若引入微分作用,則在干擾的作用下會(huì)使控制效果變差,基于這種考慮,這里用PI控制器)、模糊控制器及本文的自調(diào)整比例因子模糊控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.2模糊控制器隸屬函數(shù)及規(guī)則庫(kù)圖1自調(diào)整因子模糊控制器結(jié)構(gòu)Fig.1Structureoffuzzycontrollerofself2tu

8、ningproportionalityfactor但比例因子的調(diào)整并不能從根本上解決模糊控制器存在余差的缺點(diǎn),只能在一定程度上提高其控制精度。2在鍋爐汽包水位控制中的應(yīng)用及根據(jù)上述自調(diào)整比例因子模糊控制器的結(jié)構(gòu)及汽包水位控制系統(tǒng)的特點(diǎn),確定模糊控制器的輸入變量分別為偏差e及偏差的變化ec,二者都采用7個(gè)模糊子集即正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)及負(fù)大(NB),均用正態(tài)型隸屬函數(shù)。其輸出變量也采用與輸入變量相同的模數(shù)語(yǔ)言值和隸屬函數(shù)。如圖3所示。仿真2.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備,對(duì)鍋爐的自動(dòng)控制十分重要。在其主要

9、控制對(duì)象中,汽包水位是一個(gè)非常重要的被控變量。汽包水位在蒸汽流量變化時(shí)存在著“虛假水位”現(xiàn)象,屬于反向特性。由于其變化速度很快,給控制帶來(lái)一定困難。圖2汽包水位控制系統(tǒng)Fig.2Controlsystemofdrumwaterlevel圖3輸入量與輸出量的隸屬函數(shù)Fig.3Membershipfunctionofinputandoutputvariables第6期陳平一種基于PI算法的自調(diào)整比例因子模糊控制器627根據(jù)鍋爐水位控制的要求采用如表1所示的規(guī)則庫(kù)。輸出變量的解模糊采用中位數(shù)判決法。表1模糊控制器規(guī)則庫(kù)Tab.1RuleslibraryoffuzzycontrollerEcEPI控制

10、器時(shí),相應(yīng)的參數(shù)整定為Kp=6,Ki=0.045;在500s時(shí)加入10%的蒸汽量擾動(dòng),結(jié)果見圖4中虛線(曲線1)所示。只采用簡(jiǎn)單模糊控NBOONSNMNMNBNBNMOONSNMNMNBNBNSPMPMONSNMNBNBZOPBPBPMONMNBPSPBPBPMPSONMPMPBPBPMPMPSPBPBPBPMPMPSO制器時(shí),在250s時(shí)加入10%的蒸汽量擾動(dòng),結(jié)果見圖4中點(diǎn)劃線(曲線2)所示。從仿真結(jié)果可見,常規(guī)的PI控制器無(wú)論是動(dòng)態(tài)誤差還是響應(yīng)時(shí)間都比較大,;簡(jiǎn)單模,虛P(yáng)I算法的自調(diào)整、動(dòng)態(tài)誤差等方面又比簡(jiǎn)單模糊控制器進(jìn)一步提高,同時(shí)虛假水位現(xiàn)象也得以減小,在干擾的作用下靜態(tài)誤差比簡(jiǎn)單模

11、糊控制器要小很多?？紤]到這種自調(diào)整比例因子模糊控制器在干擾作用下存在穩(wěn)態(tài)誤差,由于PI控制算法中的積分器對(duì)偏差的積分作用,使得PI算法輸出值不斷增加,造成模糊控制器的比例因子也不斷增大。此時(shí)可在PI控制算法后串接一限幅環(huán)節(jié),其限幅范圍可根據(jù)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)PI控制算法的輸出來(lái)確定。上述鍋爐水位控制系統(tǒng),在仿真中發(fā)現(xiàn)PI控制算法在干擾作用下接近穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸出略大于3,因此利用Simulink仿真時(shí),在PI控制器后串接一飽和非線性模塊,其限幅范圍為-3,+3。采用此方法后,最終的仿真結(jié)果與未串接該模塊時(shí)的輸出曲線基本一致,但卻可防止由于積分作用而產(chǎn)生的比例因子不斷增大的問(wèn)題。PBPMPSZONSNMNB3

12、根據(jù)上述控制器的設(shè)計(jì),取模糊控制器的量化因子分別為Ke=15,Kec=240;模糊輸出的比例因子Ku=0.83。PI算法中的比例系數(shù)整定為6,積分系數(shù)整定為0.09。利用MATLAB中的Simulink進(jìn)行仿真,仿真時(shí)間1000s,當(dāng)在設(shè)定值的階躍作用下(階躍值為1,相對(duì)應(yīng)的水位為30mm),系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定之后,即在250s時(shí)加入10%的蒸汽量擾動(dòng),仿真結(jié)果如圖4中實(shí)線(曲線3)所示。4結(jié)語(yǔ)模糊控制與常規(guī)PID控制相比,不僅響應(yīng)速圖4仿真結(jié)果Fig.4Simulationresult同時(shí),在同一圖中給出相應(yīng)的只采用PI控制以及只采用簡(jiǎn)單模糊控制時(shí)的響應(yīng)曲線。只采用度快,且動(dòng)態(tài)誤差也較小,但由于其存在控制精度低的缺點(diǎn),對(duì)其使用有一定的限制。本文以工業(yè)鍋爐為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)的基于PI算法的自調(diào)整比例因子模糊控制器,不僅提高了響應(yīng)速度、動(dòng)態(tài)