模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1、第3章模糊PID智能限制算法設(shè)計(jì)PID限制是工業(yè)過程中應(yīng)用最廣泛的、常規(guī)限制中最根本的限制方法,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、不依賴于系統(tǒng)精確的模型的優(yōu)點(diǎn).但是當(dāng)其用到復(fù)雜限制系統(tǒng)時(shí),難以取得理想的限制效果,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.智能限制具有學(xué)習(xí)水平、對(duì)變化環(huán)境的適應(yīng)水平以及自組織協(xié)調(diào)水平,能夠應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)的限制中.因此,將智能限制方法和常規(guī)PID限制方法結(jié)合起來,可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn),提升限制系統(tǒng)的整體性能.常規(guī)PID限制的參數(shù)是固定的,在廣義被控對(duì)象發(fā)生變化時(shí),其自身參數(shù)不能根據(jù)變化做出相應(yīng)的調(diào)整.針對(duì)這一問題,已有研究者提出能自校正的PID限制方法.但是在系統(tǒng)非線性的情況下,實(shí)現(xiàn)自校正

2、相當(dāng)困難.因而需要設(shè)計(jì)一種PID參數(shù)自適應(yīng)的限制方法,在對(duì)象發(fā)生變化時(shí),其參數(shù)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整.采用智能限制方法對(duì)自適應(yīng)PID的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,將優(yōu)化的參數(shù)送到限制器,將可以很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID的缺陷,到達(dá)良好的限制效果,智能自適應(yīng)PID限制應(yīng)運(yùn)而生1.PID限制系統(tǒng)的參數(shù)分為比例、積分、微分系數(shù)和PID限制器的參考值兩個(gè)方面,因此改變PID參數(shù)也有改變比例、積分、微分系數(shù)和改變PID回路的參考值兩種方法.通常的自適應(yīng)PID限制是采用前一種方法,對(duì)于被控對(duì)象的模型的改變,通過調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)來調(diào)整三種作用的強(qiáng)弱,從而來適應(yīng)變化.這類限制方法中最具代表性的是模糊自適應(yīng)PID限制方法.模糊自適

3、應(yīng)PID限制是用模糊限制來適時(shí)調(diào)整PID參數(shù)的方法,其主要思想是結(jié)和工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立適宜的模糊規(guī)那么,通過推理得到比例、積分、微分三個(gè)整定參數(shù).由于一維模糊限制精度不夠,而三維模糊限制計(jì)算過于麻煩,通常情況下采用二維模糊限制方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定.具體的方法是通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差及誤差變化率得到模糊限制的輸入,利用模糊規(guī)那么進(jìn)行模糊推理,查詢模糊規(guī)那么表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整.參數(shù)的調(diào)整包括極性和大小兩個(gè)方面.同時(shí),系統(tǒng)要求辨識(shí)機(jī)構(gòu)能夠提供足夠的系統(tǒng)信息,且保證模糊自整定PID有較為廣泛的限制空間.模糊規(guī)那么的設(shè)計(jì)要保證系統(tǒng)滿足快速響應(yīng)、無(wú)靜差的要求3.1 PID限制根本原理比例積分

4、微分(proportionalintegralderivative,PID)限制是到現(xiàn)在為止最通用、最根本的限制方法.目前大多數(shù)的反響回路用該方法或者較小的變形來限制.PID及其改良型是工業(yè)限制中最常見的限制器.雖然自20世紀(jì)初PID限制誕生以來,限制理論與限制技術(shù)取得了令人矚目的成就,先進(jìn)限制策略不斷更新,但該限制器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)模型誤差有魯棒性和易于操作實(shí)現(xiàn)在大多數(shù)過程限制中取得令人滿意的限制性能,現(xiàn)仍然被廣泛用于冶金、電力、化工、機(jī)械和輕工等工業(yè)限制中.3.1.1 PID限制器原理PID限制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的限制方法,是一種比例、積分、微分并聯(lián)限制器.常規(guī)PID限制系統(tǒng)原理框

5、圖如圖3.1所示.A比例圖3.1PID限制原理圖模糊PID將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成限制量,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行限制,其限制規(guī)律為：u(t)=Kpe(t)e(t)dtTd也(3.1)Ti-dt其中u(t)限制器輸出；e(t)限制器輸入；Kpe(t)比例限制項(xiàng),Kp為比例系數(shù)；1 g(t)dt積分限制項(xiàng),T為積分時(shí)間常數(shù)；T'Td呵一微分限制項(xiàng),Ti為微分時(shí)間常數(shù)；dtPID限制器的三個(gè)組成局部對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下：1、比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映限制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t),以最快的速度產(chǎn)生限制作用,使偏差向最小的方向變化.隨著比例系數(shù)Kp的增大,穩(wěn)定誤差逐漸減小

6、,但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差,振蕩比擬嚴(yán)重,超調(diào)量增大2、積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差,即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),那么此時(shí)限制輸出量和限制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上.積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱,反之越強(qiáng).隨著積分時(shí)間常數(shù)Ti的減小,靜差在減小；但過小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩,甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定.3、微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,它可以預(yù)測(cè)將來,能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì),并能在偏差信號(hào)值變的過大之前,在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào),從而加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度,減小調(diào)節(jié)時(shí)間.3.1.2 數(shù)字PID限制器計(jì)算機(jī)限制是一種采樣限制,它只能

7、根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算限制量.因此,連續(xù)PID限制算法不能直接使用,需要采用離散化方法.在計(jì)算機(jī)PID控制中,使用的是數(shù)字PID限制器.按模擬PID限制算法,以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)T(k)代表連續(xù)時(shí)間t,以矩形法數(shù)值積分近似代替積分,以一階后向差分近似代替微分,即產(chǎn)t；tkt(k=0,1,2|)jtkkW0e(t)dte(jT)=T£e(j)(3.2)jmj=0de(t)e(kT)-e(k-1)Te(t)-e(k-1),dtT-T將描述連續(xù)PID算法的微分方程,變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID算法的差分方程,為書寫方便,將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k),即為數(shù)字PID位置型限制算法,如式(3.3

8、)、所示.jku(k)=Kpe(t)；,e(j)TDe(k)e(k-1)(3.3)Tij=0T或ku(k)=Kpe(t)Ki=e(j)KDe(k)-e(k1)(3.4)j=0Lu(k)=u(k)-u(k-1)=Kple(k)-e(k1)l：；Kie(k)-Kde(k)-2e(k1)e(k2)(3.5)=KpLe(k)-Kie(k)+Kdl.e(k)-e(k-1).1式(3.5)中&(k)=B(k)e(k1),&(k)即為增量式PID限制量,由第k次采樣計(jì)算得到的限制量輸出增量.可以看出,由于一般計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T,一旦確定了Kp、Ki和Kd,只要使用前3次的測(cè)量

9、值偏差,即可求出限制量的增量.PID限制用途廣泛、使用靈活,已有很多成功的實(shí)例.在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中很多情況下,并不一定需要全部設(shè)定三個(gè)比例、微分和積分限制,可以根據(jù)實(shí)際情況,因地制宜取其中的一個(gè)或兩個(gè)限制即可.但是需說明的是：在設(shè)計(jì)PID限制器中,比例限制是必不可少的.3.1.3 PID限制器的參數(shù)整定PID限制器參數(shù)的調(diào)整方法有好多種,目前采用的方法主要有臨界比例系數(shù)法、響應(yīng)曲線法、Ziegler-Nichols參數(shù)設(shè)定方法、改良的Ziegler-Nichols參數(shù)設(shè)定方法、擴(kuò)充臨界比例系數(shù)法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法、基于交義兩點(diǎn)法的PID整定規(guī)那么和基于增益優(yōu)化的整定方法等等3.(1)擴(kuò)充臨界比例系數(shù)

10、法模擬限制在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時(shí)經(jīng)常使用的一種方法是臨界比例系數(shù)法,而擴(kuò)充臨界比例系數(shù)法就是在此方法的根底上進(jìn)行擴(kuò)展得到的.此方法利用采樣周期周期最小的一個(gè)值調(diào)節(jié)P值,在通過查表法算出其他的參數(shù).(2)擴(kuò)充響應(yīng)曲線法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是在對(duì)模擬限制器參數(shù)調(diào)整時(shí)所使用的曲線法的根底上進(jìn)行擴(kuò)展得到的.方法為先根據(jù)動(dòng)態(tài)相應(yīng)曲線求出等效時(shí)間常數(shù)Tk.和等效純滯后時(shí)間r,然后再求出Tk/p的值,再根據(jù)表格求出T0、Kp、Ki和Kd的值.(3) Ziegler-Nichols(ZN)參數(shù)設(shè)定方法在實(shí)際的應(yīng)用中,為了使PID限制器調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間,應(yīng)盡量少使用或不使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算,盡可能多的利用以往的操作

11、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)的整定.3.1.4 PID限制器的改良1、積分飽和現(xiàn)象及其抑制采用標(biāo)準(zhǔn)PID位置式算法,在實(shí)現(xiàn)限制的過程中,只要系統(tǒng)的偏差沒有消除,積分作用就會(huì)繼續(xù)增加或減小,最后使限制量到達(dá)上限或者下限,系統(tǒng)進(jìn)入飽和范圍.而對(duì)時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象,在階躍響應(yīng)作用下,偏差通常不會(huì)在幾個(gè)采樣周期內(nèi)消除掉,積分項(xiàng)的作用就可能使輸出值超過正常范圍,造成較大的超調(diào).為了克服這種現(xiàn)象,可以采用過限消弱積分法和積分別離法.過限消弱積分法就是在限制變量進(jìn)入飽和區(qū)后,程序只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算,而停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算積分別離法的根本思想是：當(dāng)誤差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí),刪去積分作用,從而使積分項(xiàng)不至于過大,只有

12、當(dāng)誤差較小時(shí),才引入積分作用,以消除穩(wěn)態(tài)誤差.2、干擾的抑制數(shù)字PID限制器的輸入量是系統(tǒng)的給定值r系統(tǒng)實(shí)際輸出的偏差值e.在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過程后,由于e值不大,此時(shí)相對(duì)而言,干擾對(duì)限制器的影響也就很大.為了消除干擾的影響,除了在硬件采取相應(yīng)的舉措以外,在限制算法上也要采取一定的舉措.對(duì)于作用時(shí)間較短的快速變化的干擾,如A/D轉(zhuǎn)換偶然出錯(cuò),可以用連續(xù)屢次采樣并求平均值的方法予以濾除.在PID限制算法中,差分項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏感.因此一旦出現(xiàn)干擾,由它算出的結(jié)果可能出現(xiàn)很大的非希望值.此時(shí)可以使用四點(diǎn)中央差分法等方法對(duì)差分項(xiàng)進(jìn)行改良,以提升系統(tǒng)抗干擾水平403.2 模糊限制根本理論國(guó)內(nèi)外研究

13、學(xué)者們對(duì)模糊現(xiàn)象的熟悉由來已久,20世紀(jì)20年代開始,對(duì)模糊問題就有學(xué)者一直在進(jìn)行研究.1965年數(shù)學(xué)家Zadeh發(fā)表了論文FuzzySets在該論文中Zadeh首次提出了度量事物模糊程度的概念：隸屬函數(shù),由此產(chǎn)生了模糊集合理論.這一理論的產(chǎn)生突破了迪笛卡爾在19世紀(jì)末創(chuàng)立的經(jīng)典集合論,開創(chuàng)了模糊邏輯和模糊數(shù)學(xué)的新篇章.3.2.1 模糊限制的根本思想模糊限制是將以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言以及模糊邏輯推理為根底的理論,同傳統(tǒng)的限制理論相結(jié)合,來模擬人的思維方式,對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行限制的一種方法.模糊限制的根本思想就是用計(jì)算機(jī)來模擬人對(duì)系統(tǒng)的限制,將人的限制思想,也就是把專家的知識(shí)

14、和操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),并將這些經(jīng)驗(yàn)表達(dá)成模糊限制規(guī)那么,然后將這些限制規(guī)那么轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的算法,進(jìn)而完成對(duì)被控對(duì)象的限制6.3.2.2 模糊限制系統(tǒng)工作原理模糊限制無(wú)需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語(yǔ)句表示的限制規(guī)那么,采用模糊限制卻能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的大規(guī)模系統(tǒng)限制取得令人滿意的限制效果.其主要反映在對(duì)對(duì)象復(fù)雜的、機(jī)理不明的限制系統(tǒng),它模仿和升華了人的限制經(jīng)驗(yàn)與策略,實(shí)現(xiàn)了智能化的限制.(1)模糊限制系統(tǒng)組成一個(gè)模糊限制系統(tǒng)必須包含一些必要的部件,模糊限制的系統(tǒng)框圖如圖3.2所示,其中矩形框內(nèi)為模糊限制器局部,模糊限制器是模糊限制系統(tǒng)的核心局部,是模糊限制系

15、統(tǒng)區(qū)別于其它限制系統(tǒng)的標(biāo)志,模糊限制器中存放的是由模糊限制規(guī)那么推導(dǎo)出來的模糊限制算法,一般由微機(jī)編程或者硬件來實(shí)現(xiàn),模糊限制器不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,被控對(duì)象不同,以及對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求不同,模糊限制器的限制規(guī)那么也不盡相同.圖3.2模糊限制系統(tǒng)框圖(2)模糊限制器工作原理模糊限制無(wú)需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的條件語(yǔ)句表示的限制規(guī)那么,采用模糊限制卻能對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的大規(guī)模系統(tǒng)限制取得令人滿意的限制效果.其主要反映在對(duì)對(duì)象復(fù)雜的、機(jī)理不明的限制系統(tǒng),它模仿和升華了人的限制經(jīng)驗(yàn)與策略,實(shí)現(xiàn)了智能化的限制7.模糊限制器的2構(gòu)框圖如圖3.3所示.模糊限制器

16、的輸入是系統(tǒng)給定值和當(dāng)前值的誤差e和誤差變化量ec,模糊限制器的輸出為限制量uo模糊限制器主要由輸入量的模糊化處理、模糊限制規(guī)那么、模糊推理和去模糊化四局部組成.模糊邏輯系統(tǒng)的工作機(jī)理：首先通過模糊化模塊將輸入的精確量進(jìn)行模糊化處理,轉(zhuǎn)換成給定論域上的模糊集合；然后激活規(guī)那么庫(kù)中對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)那么,并且選用適當(dāng)?shù)哪：评矸椒?根據(jù)的模糊事實(shí)獲得推理結(jié)果,最后將該模糊結(jié)果去模糊化處理,得到最終的精確輸出量圖3.3模糊限制器結(jié)構(gòu)框圖(3)模糊限制器的實(shí)現(xiàn)步驟模糊限制器的實(shí)現(xiàn)步驟主要有以下幾步2:第一步、計(jì)算系統(tǒng)設(shè)定值和當(dāng)前值的誤差e和誤差變化量ec.第二步、輸入量的模糊化處理.即將精確值e和ec模糊

17、化成模糊語(yǔ)言變量,把語(yǔ)言變量值化為適當(dāng)論域的模糊子集(如“大、“中、“小等)0第三步、模糊限制規(guī)那么.模糊限制規(guī)那么是模糊限制器的核心,是反映專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的限制策略.第四步、模糊推理,即模糊決策.就是將模糊化后的語(yǔ)言變量和模糊限制規(guī)那么,根據(jù)推理合成規(guī)那么,推出得到模糊限制量的過程.第五步、去模糊化.由于模糊推理的結(jié)果是一個(gè)模糊量,必須將模糊限制量轉(zhuǎn)化為精確量,這一過程成為去模糊化,也可以稱為解模糊.3.3 聚氨酯膠生產(chǎn)線模糊PID智能限制器設(shè)計(jì)聚氨酯膠的RIM過程中,反響物料在模具中發(fā)生反響,產(chǎn)生分子鏈的增長(zhǎng)和鏈的相互聯(lián)結(jié)、纏結(jié).當(dāng)固化完成時(shí),形成閉合的聚合網(wǎng)絡(luò).因此,反響物料的固化過程是

18、人們所關(guān)心的,它由反響動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)決定,同時(shí)也受物理?xiàng)l件的影響,如模具的尺寸和溫度、反響物料的溫度等.通過限制反響的化學(xué)和物理?xiàng)l件,交聯(lián)度可以變化,使得最終聚氨酯膠具有可滿足不同需要的性質(zhì).固化反應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度的變化十分敏感,小幅度的環(huán)境溫度變化會(huì)引起涂料固化反響的明顯加快或減緩.另外,固化溫度對(duì)聚氨酯膠的微觀結(jié)構(gòu)、相轉(zhuǎn)變溫度及熱性能等特性也影響較大,因此,實(shí)現(xiàn)精確的溫度限制是聚氨酯膠生產(chǎn)過程的關(guān)鍵.為了進(jìn)一步提升聚氨酯膠生產(chǎn)線模具溫度的限制精度,閉環(huán)限制器采用了Fuzzy-PI限制器.通常的二維Fuzzy限制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能、魯棒性強(qiáng)、對(duì)參數(shù)變化及外界干擾具有良好的適應(yīng)水平等優(yōu)點(diǎn),但存在

19、著穩(wěn)態(tài)誤差無(wú)法消除的缺點(diǎn),且在工作點(diǎn)附近容易產(chǎn)生極限振蕩.由線性限制理論可知,積分限制的作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差,但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢.因此將PI限制策略引入Fuzzy限制器,構(gòu)成Fuzzy-PI復(fù)合限制方式,通過模糊限制器實(shí)現(xiàn)對(duì)PID限制器參數(shù)的在線調(diào)整,實(shí)現(xiàn)高精度溫度限制.將所設(shè)計(jì)限制器應(yīng)用到聚氨酯膠的RIM過程中.很好的解決了聚氨酯膠反響釜中溫度的升溫、恒溫、降溫限制問題.參數(shù)自整定的模糊PID限制器限制結(jié)構(gòu)如圖3,4所示.其原理為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況,利用模糊限制器在線調(diào)整PID限制中的參數(shù)Kp、Ki和Kd,以到達(dá)在線智能自整定的作用.PID限制的關(guān)鍵是確定PID參數(shù),該方法是用模糊限制來確定PID

20、參數(shù)的,也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec,用模糊限制規(guī)那么在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改.其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec,再根據(jù)模糊限制原理來對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足在不同e和ec時(shí)對(duì)限制參數(shù)的不同要求,使限制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,且計(jì)算量小,易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)4.圖3.4參數(shù)自整定模糊PID限制結(jié)構(gòu)圖模糊PID限制器設(shè)計(jì)主要分為以下步驟8,9：1,確定模糊限制器的結(jié)構(gòu)；2,選擇模糊規(guī)那么；3,模糊推理和模糊判決,得到模糊限制查詢表；4,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析模糊PID的限制性能,再對(duì)量化因子和比例因子進(jìn)行調(diào)整以到達(dá)理想的

21、限制效果3.3.1 模糊限制器的結(jié)構(gòu)選擇模糊限制器的結(jié)構(gòu)選擇,就是確定模糊限制器的輸入輸出變量.理論上講,模糊限制器維數(shù)越高,限制越精密.但是,維數(shù)越高,模糊限制規(guī)那么變得過于復(fù)雜,限制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難.由于系統(tǒng)受控對(duì)象溫度具有非線性與時(shí)滯性,為了得到良好的限制性能,不僅要觀測(cè)系統(tǒng)的溫度偏差e,同時(shí)應(yīng)該觀測(cè)其偏差變化ec的趨勢(shì),因此,系統(tǒng)采用的是二維模糊限制器,輸入變量取為溫度偏差e和偏差變化ec,輸出變量為PID參數(shù)的修正量Kp、Ki和Kd,這樣就構(gòu)成了一個(gè)雙輸入三輸出的模糊限制器,如圖3.5所示,同時(shí)可得模糊限制器在Matlab環(huán)境下的系統(tǒng)參數(shù).圖3.5模糊限制器結(jié)構(gòu)圖3.3.2 模糊限

22、制器的設(shè)計(jì)模糊限制器是基于模糊規(guī)那么設(shè)計(jì)的,模糊規(guī)那么是由假設(shè)干語(yǔ)言變量構(gòu)成的模糊條件語(yǔ)句,它需要設(shè)計(jì)者根據(jù)模糊限制器的結(jié)構(gòu),從大量的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取.其選擇過程可簡(jiǎn)單分成三個(gè)局部,即選擇適當(dāng)?shù)哪：Z(yǔ)言變量,確定各語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù),最后建立模糊限制規(guī)那么10.(1)模糊語(yǔ)言變量確實(shí)定中選擇的模糊詞集較多時(shí),那么輸入和輸出變量的限制規(guī)那么就變的比擬簡(jiǎn)單,不過此時(shí)就需要更多的響應(yīng)規(guī)那么.中選擇的詞集較少時(shí),變量的性能不能完全表達(dá),這就不能發(fā)揮模糊限制器的作用根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要,將溫度誤差e、誤差變化率ec和限制輸出量Kp、Ki和Kd采用七個(gè)詞集來描述,即模糊子集為e、ec、Kp、Ki和Kd

23、=PB,PM,PS,乙NS,NM,NB,各子集中的元素依次代表代表正大,正中,正小,零,負(fù)小,負(fù)中,負(fù)大.表3.1給出了各個(gè)變量的根本論域、模糊論域和量化因子.表3.1語(yǔ)言變量參量表語(yǔ)言變量EECKpKiKd根本論語(yǔ)-5,5:-0.05,0.05-0.1,0.1-0.1,0.1-0.4,0.4模糊論語(yǔ)-10,10-0.25,0.25-0.01,0.01-0.1,0.1-4,4量化因子20.51010.1(2)語(yǔ)言變量隸屬度函數(shù)確實(shí)定在選擇模糊限制器的隸屬度函數(shù)時(shí),要根據(jù)誤差的大小來合理分配.比方在誤差較大的范圍內(nèi),擇較為粗暴的模糊集合.反之,在小誤差范圍內(nèi),采用相比照擬靈敏的模糊集合.通過合理

24、的模糊隸屬函數(shù)的選擇,能對(duì)被控對(duì)象的限制效果滿足發(fā)酵過程溫度限制的要求.本文中對(duì)NB和PB采用正太行分布的隸屬度函數(shù),PM,PS,Z,NS,NM均采用三角形的分布函數(shù).各變量的隸屬度函數(shù)如圖3.63.11所示.圖3.6輸入變量e的隸屬度函數(shù)圖3.7輸入變量ec的隸屬度函數(shù)圖3.8輸出變量Kp的隸屬度函數(shù)圖3.10輸出變量E的隸屬度函數(shù)(3)模糊限制規(guī)那么的建立模糊限制規(guī)那么的選擇是設(shè)計(jì)模糊限制器的核心.它實(shí)質(zhì)上是將操作人員的限制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得出一條條模糊條件語(yǔ)句的集合.根據(jù)限制系統(tǒng)中對(duì)過渡過程要求和專家經(jīng)驗(yàn),對(duì)參數(shù)和的自整定要求如下2:從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮,

25、Kp、Ki和Kd作用如下：1.比例系數(shù)Kp的作用是成比例的反映限制系統(tǒng)的偏差信號(hào),偏差一旦產(chǎn)生,限制器立即產(chǎn)生作用以減小偏差.2,積分作用系數(shù)Ki的作用是用于消除靜差,提升系統(tǒng)的無(wú)差度.積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T,T越大,積分作用越弱,反之積分作用就越強(qiáng).3.微分作用系數(shù)Kd的作用是反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)即變化速率,并能在偏差信號(hào)變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào),從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,減少調(diào)節(jié)時(shí)間.針對(duì)不同時(shí)刻的的e和ec以及PID參數(shù)的整定規(guī)那么對(duì)Kp、Ki和Kd進(jìn)行以下設(shè)定：1 .當(dāng)e較大,為了能快速的對(duì)偏差就行修正,此時(shí)應(yīng)選取較大的Kp,同時(shí)選擇較小的Ki、Kd

26、防止系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量；2 .當(dāng)e和ec中等大小時(shí),應(yīng)取較小的Kp以防止出現(xiàn)較大的超調(diào),同時(shí),由于Kd的取值會(huì)對(duì)系統(tǒng)的限制效果影響較大,應(yīng)取小一些,將Ki定位于一個(gè)較宜的位置即可；3 .當(dāng)e較小時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能,Kp和Ki均應(yīng)取大些,同時(shí)為防止系統(tǒng)在設(shè)定值時(shí)出現(xiàn)震蕩,并考慮系統(tǒng)抗干擾的性能,當(dāng)ec較大時(shí),Kd可取小些；ec較小時(shí),Kd可取得較大些,通常Kd為中等大小.由以上PID參數(shù)整定規(guī)那么和專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn),得到針對(duì)本文所研究的聚氨酯膠膠生產(chǎn)線溫度智能PID限制系統(tǒng)中Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊限制規(guī)那么表,如表3.2、3.3和3.4所示.表3.2Kp的限制規(guī)那么調(diào)整

27、表pECEKpPBPMPSZNSNMNBPBNBNBNMNMNMZZPMNBNMNMNMPSZPSPSNMNMNSNSZPSPSZNMNMNSZPSPMPMNSNSNSZPSPMPMPMNMNSZPSPSPMPBPBNBZZPSPMPMPBPB表3.3Ki的限制規(guī)那么調(diào)整表屋PBPMPSZNSNMNBPBPBPBPMPMPSZZPMPBPBPMPSPSZZPSPBPMPSPSZNSNMZPMPMPSZNSNMNMNSPSPSZNSNSNMNBNMZZNSNSNMNBNBNBZZNSNMNMNBNB表3.3Kd的限制規(guī)那么調(diào)整表VecNdPBPMPSZNSNMNBPBPBPSPSPMPMPMPB

28、PMPBPSPSPSPSZPBPSZZZZZZZZZNSNSNSNSNSZNSZNSNSNMNMNSZNMZNSNMNMNBNSPSNBPSNMNBNBNBNSPS(4)模糊推理和模糊判決模糊算法的推理與確定是限制器設(shè)計(jì)的核心局部.本文中,通過模糊限制規(guī)那么對(duì)PID限制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,其關(guān)鍵在于找出誤差e和誤差改變量ec與PID限制器參數(shù)之間的模糊關(guān)系.具體操作是,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不斷的檢測(cè)誤差e和誤差改變量ec的值,根據(jù)模糊限制原理以及e、ec和Kp、Ki和Kd之間的模糊關(guān)系,對(duì)Kp、Ki和Kd進(jìn)行在線修正,使其能夠針對(duì)不同的運(yùn)行工況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,最終獲得良好的限制性能.根據(jù)表3.2、3

29、.3和3.4整理出的49條模糊限制規(guī)那么對(duì)Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行自校正校正,獲得的模糊限制規(guī)那么如圖3.11所示.根據(jù)輸入變量(模糊量)和模糊限制規(guī)那么,按模糊推理規(guī)那么計(jì)算輸出量,即根據(jù)模糊限制規(guī)那么進(jìn)行模糊推理,然后查詢模糊限制可以計(jì)算出在不同的偏差和偏差變化時(shí),PID參數(shù)的調(diào)整量的輸出值,但該值還是模糊量,不能直接用于修正PID參數(shù),還需乘以比例因子.這樣,就得到了PID參數(shù)的整定算式.KpKp.Ki=Kj.K(3.6)Kd二九.Kd式中Kp0、Ki0和Kd0分別是Kp、Ki和Kd的初始值,可由湊試法得到.Kp、Ki和Kd是模糊限制器的輸出,即PID參數(shù)的校正量.將式(3.6)帶入

30、式(3.4)就得到數(shù)字PID位置型參數(shù),經(jīng)PID限制算法,即可得出限制輸出量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后限制粗精回路的切換,從而實(shí)現(xiàn)溫控箱溫度限制.3.3.3聚氨酯膠生產(chǎn)線溫度模糊PID限制系統(tǒng)仿真采用模糊PID參數(shù)自整定溫控箱溫度限制系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真,仿真模型圖如圖3.12所示.圖3.12模*®PID限制系統(tǒng)仿真模型其中,PIDFunction和S-Function分別為模糊PID限制器和被控對(duì)象的M文件,為了在Simulnik模型或M文件中應(yīng)用這個(gè)調(diào)節(jié)器,必須以矩陣的形式把它保存到工作空間,選擇“Savetoworkspace項(xiàng)保存.Matlab仿真實(shí)驗(yàn)中,選取江蘇波士粘合劑聚氨酯膠

31、生產(chǎn)線物料反響罐為被控對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行溫度限制,其傳遞函數(shù)為：(3.7)525e70s1106s設(shè)給定設(shè)為50C,仿真結(jié)果如圖3.13和3.14所示圖3.13模*®PID限制仿真結(jié)果圖3.14傳統(tǒng)PID限制仿真結(jié)果由圖3.13可知,當(dāng)采用模糊限制器限制聚氨酯膠生產(chǎn)線溫度限制系統(tǒng)時(shí),其調(diào)節(jié)時(shí)間tss不大于2.8X104秒,超調(diào)量不大于3%,穩(wěn)態(tài)誤差ess近似為零.該算法增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,且計(jì)算量小,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),具有良好的限制效果.根據(jù)系統(tǒng)誤差和誤差變化率在線修正PID限制器參數(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)有效的限制,具有一定的智能性,能很好的解決系統(tǒng)中存在的非線性、時(shí)滯等問題3.4Fuz

32、zycontrol+生成自適應(yīng)模糊PID限制塊程序Fuzzycontrol+是西門子工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)開發(fā)出的一款模糊限制軟件,該軟件可以將常規(guī)的模糊計(jì)算機(jī)算法轉(zhuǎn)化成西門子的300或者400CPU都可以識(shí)別和應(yīng)用的功能塊程序,這樣就可以使得模糊算法程序與過程限制程序一并在中央限制器中運(yùn)行.從而可以實(shí)現(xiàn)完全意義上的模糊限制與傳統(tǒng)過程限制之間的無(wú)縫連接.Fuzzycontrol+主要有SIMATICS7功能塊,而SIMATICWinCC分為兩種運(yùn)行模塊的S7-4K、S7-20K、WinCC、CFC4K、CFC20K等五種應(yīng)用目標(biāo)的系統(tǒng).結(jié)合該工程的實(shí)際要求,我們選擇采用PCS7平臺(tái)的CFC_4K目標(biāo)系統(tǒng).該目標(biāo)系統(tǒng)目前支持最大包含8個(gè)模糊輸入量,4個(gè)模糊輸出量,100條推理規(guī)那么,其典型的執(zhí)行時(shí)間最快可以到達(dá)大約4ms.其大概的過程是在Fuzzycontrol+中建立合成中溫的模糊限制工程,編輯和設(shè)置輸入