Fuzzy-PID在电阻炉温控系统中的应用与设计

马祥兴 南京铁道职业技术学院

电阻炉常用来进行热加工、热处理，广泛应用于冶金、石油、化工、电力等行业。电阻炉是一个非线性、时变和分布参数的系统，很难建立一个精确的数学模型。针对控制对象的这一特点，设计者不仅要关注温控系统采用何种控制模式，实现最优控制，也要考虑系统的节能环保和性价比。随着国家对城市环保和节能减排工作的重视，热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。电阻炉是热处理的主要设备，其加热的过程控制是关键，促使许多学者去研究控制加热过程的方法。目前的电阻炉温控系统很多达不到理想的控制效果，在常规PID控制的基础上融合先进的控制理论是解决该类问题的有效途径，如近年来出现的模糊控制、神经网络控制、专家控制等。本文结合在某铝箔加工企业退火炉的技术改造，分析Fuzzy-PID复合控制在电阻炉温控系统中的应用。

1 控制策略的比较与选取

常规的PID控制由于结构简单、易于实现、鲁棒性好、稳态误差小等优点，被广泛应用于工业过程控制中，它对可建立精确数学模型的定常系统具有很好的控制效果。但由于实际的温控系统工况复杂，被控过程经常存在时变不确定性的特点，尤其在参数多变、大惯性、大滞后的工况下，常规的PID控制表现出明显的不足，鲁棒性能不理想，且不能满足快速升温和超调要求小的场合。

智能控制理论中出现的模糊控制，其鲁棒性强，不依赖于数学模型，凭借操作人员的运行经验，可对系统进行实时控制。非常适用于非线性、时变和滞后系统，在快速性和保持小的超调量方面具有优势。但由于简单的模糊控制不具有积分环节，其静态性能较差，应用范围仍受到限制。

比较上述两种控制的优缺点，本文采用一种复合控制的策略，将常规PID控制与模糊控制相结合，构成一种智能型的Fuzzy-PID控制。Fuzzy-PID控制是以常规PID控制为基础，它既具有PID控制器稳态精度高的特点，又具有模糊控制鲁棒性强、自适应能力高、快速性好、超调小的特点。是一种无需建模、操作方便、开发成本低、控制效果好的控制技术，实践证明该控制技术明显优于常规的PID控制器。

2 Fuzzy-PID温控系统设计

将带有参数自整定功能的模糊控制引入到常规PID控制器，就能构成一种智能模糊温控系统。

2.1 系统硬件设计

硬件部分由系统主控制模块、温度采样、驱动执行、人机对话和接口扩展模块等组成见图l所示。电阻炉温度由热电偶检测并输出温度信号，经变送器、电压放大器，进行电压放大和非线性校正，再由A／D转换器将其转换成数字量，该数字量经滤波、误差校正、标度变换、查表等环节后送给单片机处理，单片机将该数字量代表的实测温度值与设定温度值进行比较，根据控制误差e和误差变化率ec，经模糊PID自整定控制算法，得出输出"控制量"信息。将"控制字"信息与各相过零脉冲同时输入驱动电路，当出现过零脉冲、且主机I/O口输出"控制字"的高电平信号时，驱动电路向晶闸管发出触发脉冲使其触发导通。如输出是"控制字"的低电平信号时，晶闸管不能导通。晶闸管的导通次数由PID的运算结果确定，导通次数增多，晶闸管输出功率增大，电阻炉加温。

图l温控系统硬件结构框图

2.1.1 主控制模块

系统主控制模块以ADUC845单片机为控制核心，构成一个智能控制器，单片机进行实时系统数据处理和智能控制，既可作独立的单片机控制系统，又可与微机构成两级控制系统。ADUC845配有640 KB的非易失RAM数据存储器，用以存放温度设定参数、系统整定参数、控制误差和误差变量等信息。系统在定时中断下完成对温度的采集，经A/D转换后送主机进行模糊PID运算，主机响应触发中断后，则PID的运算结果经相关I/O口输出"控制字"信息，确定晶闸管的"开"与"关"。

2.1.2 温度采集模块

温度采集模块由热电偶、变送器、电压放大器、A／D转换器等组成。为了和ADUC845的A／D转换器相匹配，用ACl226和1B51构成热电偶冷端温度补偿及信号调理器电路。传感器选用镍铬-镍硅热电偶，用于室温到1200°C的温度测量，输出信号在0～45.119 mV。多路模拟开关为CD4051，由ABC端控制分时接通各引脚，分别用于零点校准、增益校准、分时输出各热电偶所对应的电压。多路模拟开关和温度采集过程在单片机协调下工作。

2.1.3 驱动执行模块

驱动执行模块由过零检测与同步触发电路、驱动电路、晶闸管调功电路等组成。采用过零脉冲触发方式，可避免大电流工况下高次谐波产生电磁辐射。过零检测选用KC08，在交流电压的每个过零点均向驱动电路发出过零脉冲，并向主机发出中断请求。为保证过零脉冲与主电路电压同步，采用同步变压器。驱动电路由光电耦合器TIL117组成，PID运算结果产生的"控制字"信息与各相过零脉冲信号同时输入TIL117。晶闸管调功器由双向晶闸管KS200/900组成，如设定中断数100次为一控制周期，则工频时的控制周期为1 s，在控制周期内调节晶闸管的导通次数，就可调节晶闸管的输出功率。

2.1.4 人机对话模块和接口扩展模块

人机对话模块由键盘、图形液晶显示器LCD、报警电路等组成。接口扩展模块由打印机接口、RS232串行接口等组成。预留打印机接口，可以现场打印输出结果。预留RS232串行接口可和PC机联机，将现场检测的数据传给PC机来进一步处理、显示、打印和存档。

2.2 系统软件设计

系统在控制程序的控制下运行，控制程序主要有主程序、定时中断服务程序、温度采集程序、标度变换程序、模糊控制PID算法程序、INT1中断服务程序、键盘及显示程序、显示设定和操作界面管理程序、PC机通信等组成。显示设定和操作界面用INT0中断完成。

2.2.1 主程序

主程序中安排系统初始化赋值、INT1中断计数赋值、定时中断方式和时间常数设定、键盘及显示调用程序等。一旦中断，首先判断中断源。若是定时中断，则调用定时中断程序完成定时服务；若是INT1中断，则调用INT1中断服务程序，完成晶闸管触发服务；若是人机面板的按键中断，则在识别按键后，调用相应的键盘及显示处理服务程序。主程序流程图见图2。

图2 系统软件主程序流程图

2.2.2 定时中断服务程序

定时中断服务程序用来定时进行温度采集，由T0计数器定时产生中断，包括数字滤波、标度变换、显示刷新等，完成数据预处理及人机交互，中断允许后控制就转入相应的中断服务程序。定时器计数的时间常数设定为50 ms，定时中断循环次数为200，则定时采集周期为10 s。在定时采集等待时，调用显示程序，以及时反映温度值。主机每隔10 s读A/D转换结果一次、模糊控制PID运算结果一次，即在定时周期结束后，完成对温度采集、模糊控制PID运算等。

2.2.3 温度采集子程序

在定时中断服务程序下，调用温度采集子程序，进行温度数据采集，并进行A/D转换，在A/D转换周期内，重复输出同一转换结果200次，在转换结束时，A/D转换器不断输出新的转换结果，同时转入新的转换周期。

2.2.4 模糊控制PID算法程序

模糊控制PID算法程序包括数学运算程序和模糊自整定PID算法程序两部分，而模糊自整定PID算法程序的设计流程是：先进行模糊整定，后根据误差和误差变化率对PID的3个参数进行在线调整，将经过模糊整定后的PID参数作为现行的控制参数进行PID控制。设计时要考虑控制误差e和误差变化率ec的最坏情况，由此建立起控制误差e和误差变化率ec的基本论域，确定数字量化e（k）的论域区间。要对控制误差和误差变化率超过最坏值变换后的e和ec的动态范围限幅压缩，使控制误差和误差变化率在整个调控温度变化范围内，控制量都可起作用。

2.2.5 INT1中断服务程序

INT1中断服务程序嵌套在定时中断服务程序中，用来控制晶闸管的触发脉冲，由过零脉冲产生INT1中断，在中断程序开始时送出上次中断时所确定的"控制字"，然后根据模糊控制PID运算结果确定下次中断时应输出的"控制字"，以控制晶闸管的触发与否。INT1中断控制周期设为1 s，采用T1计数，中断计数100次为一循环。

3 Fuzzy-PID控制器参数自整定的实现

Fuzzy-PID控制策略的核心是模糊自整定PID控制器参数。Fuzzy-PID控制器的设计实质上是模糊自整定控制算法的设计，设计时先确定PID参数与误差e和误差变化率ec之间的模糊关系，以便模糊控制算法的执行，运行中不断检测误差e和误差变化率ec的值，根据实时检测值利用模糊规则对PID的3个参数进行自动调整，以满足不同工况不同时刻对PID参数的不同要求，使系统具有良好的动静态性能。由于Fuzzy-PID控制器能实现在线修改及实时整定PID参数，使温控系统具有较高的控制品质，改善了系统的控制效果。

3.1 Fuzzy-PID控制器的组成

Fuzzy-PID控制器由模糊化、知识库、模糊推理和去模糊化4个模块组成，控制器结构图如图3所示。模糊化是把输入的精确量转化为模糊量，将基本论域转化到模糊集合论域；知识库由数据库和模糊规则库两部分组成，数据库主要包括尺度变换因子、模糊空间分割、模糊集合的隶属函数等；规则库包括用模糊语言变量表示的一系列控制规则，反映了控制专家的经验和知识；模糊推理是基于模糊逻辑中的蕴含关系及模糊控制规则，推断出应施加的输出控制量；去模糊化是将模糊推理得出的模糊量转换为用于控制的清晰量，即新的 KP、Ki、Kd，最后由决策结果确定晶闸管导通与否。

图3 Fuzzy-PID控制器结构图

3.2 控制规则设计

当输入量为控制误差e和误差变化率ec、输出量为PID参数的调整量△KP、△Ki、△Kd时，选择模糊集 E 及 EC为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，论域为［-6，6］。为保证模糊集能较好地覆盖论域避免失控现象，设计将［-6，6］离散成［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6］13个等级。△KP取｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，论域为［-3，3］；△Ki取为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝， 论 域 为［-0.6，0.6］；△Kd取｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，论域为［-3，3］。选择 E、EC、△KP、△Ki、△Kd的隶属函数曲线为正态型。

PID参数的整定必须考虑到在不同时刻3个参数的作用以及相互间的关联影响。根据KP、Ki和Kd对系统控制的影响，并总结控制系统的设计经验，可归纳出在不同的|e|和|ec|时，被控过程对参数 KP、Ki和 Kd的自整定要求：当|e|较大时，KP应较大而Kd应较小，使系统响应加快，并使Ki=0以免大的超调；当|e|中等时，KP应较小使超调较小，Ki、Kd应适当，并关注Kd对系统的响应；当|e|较小时，KP和Ki应较大，使系统有较好的稳态性能，Kd应适当避免出现振荡。原则是：当|ec|较小时，Kd可大些，当|ec|较大时，Kd应小些。

根据上述PID参数的作用和|e|和|ec|的不同组合，结合实际工况下对PID参数的要求，可获得KP、Ki和Kd的模糊控制规则表。下面结合KP控制规则的设计，分析模糊控制规则表的建立。在调节初期应取较大的KP值以提高响应速度，在调节中期取较小的KP值，使系统有较小超调并有一定的响应速度；而在后期再将KP值调到较大值以减小静差，提高控制精度。KP的控制规则表设计如表1所示。对于Ki和Kd的控制规则表，可结合各自的调节要求仿照KP进行设计。

表1 KP控制规则表

根据模糊控制规则和输入量可求出模糊控制器的输出。将采样得到的误差e和误差变化率ec经模糊处理后，代入模糊控制规则表，得出PID参数的调整量，再经过PID算法的计算就得出了最后的输出量，这样就构成了模糊控制表。因PID有3个参数，所以有3个模糊控制表。根据模糊控制规则对3个参数进行在线调整，对量化因子和比例因子再进行调整就能达到理想的控制效果。模糊PID的参数调整算式为：

式中 KP0、Ki0、Kd0是 KP、Ki和 Kd的初始值，可通过常规的方法得到，△KP、△Ki、△Kd是模糊控制器的输出，即PID参数的调整量。通过常规PID控制器获得新的 KP、Ki、Kd后，对控制对象作出相应的控制。

4 结束语

通过对铝箔退火炉温控系统的现场实验和在线调试，实际使用表明，由Fuzzy-PID自整定控制器构成的温控系统，控制效果非常满意，退火处理后的铝箔其金属压延加工性能明显提高，成品率大大增加。温控系统的鲁棒性、自适应性、快速性、超调量和稳态误差都非常理想，控制精度达±1°C，控制性能明显优于常规PID控制器。这样的改造升级具有较强的典型性，开发速度快，改造成本低，性价比高，可靠性强，节能减排也有新的成效，可推广到其它温控场合。

实验环境为：室温26℃，进炉1.5 t筒卷铝箔，设定退火的恒温温度为470℃。经近2 h的加温，炉温进入设定温度范围，实验所得响应曲线如图4所示。

图4 退火炉实际输出响应曲线