基于Matlab 的PID 模糊控制系统设计

朱强

（杭州万向职业技术学院，浙江杭州，310000）

0 引言

Matlab 模糊推理控制器下载本文的工具箱为模糊推理应用控制器的开发设计者和使用人员提供了一种非常便捷的工具使用下载途径,通过它我们不必再担心需要对它本身进行复杂的诸如图像光线模糊化、模糊推理及其对图像光线反射的角度模糊化等等数学运算,只要你不再需要为它重新设定一个模糊相应的的控制参数,就已经完全可以很快捷地下载得到我们所开发设计使用需要的模糊推理控制器,而且以后进行修改也非常方便。

PID 控制是自动化控制领域里常用的控制方式,多数采用单反馈形式的控制方法。PID 的控制方法占整体控制领域的80%以上。本文以蒸发器调压系统为研究对象,借助MATLAB 软件去研究PID 的设计方法。

模糊控制pid 道路控制,即系统利用模糊控制逻辑并根据一定的模糊控制规则对给定pid 的模糊参数数据进行实时的控制优化,以便于克服目前传统上的pid 模糊参数控制无法实时准确调整模糊pid 控制参数的巨大缺点。模糊控制pid道路控制主要包括道路模糊化,确定模糊控制规则,解模糊等几个组成部分。模糊小车通过模糊传感器自动采集当前赛道距离信息,确定当前道路距离和赛道中线的角度偏差大于e 以及当前赛道偏差和上次赛道偏差的角度变化大于ec,根据给定的模糊控制规则数据进行模糊推理,最后对模糊控制参数数据进行解析和模糊,输出给定pid 模糊控制参数。

1 系统辨认

系统辨认即在未知系统传递函数的情况下,根据系统性能识别出来。但实际的被控对象都是非线性,并且较为复杂,所以现行工业控制都是按照实验的方法,很少利用理论设计。

调整函数pid 的函数方法基于一个带有一定延迟的一阶传递函数p 的模型所需而提出的,其函数模型结构可以直接表示如下为一般来说系统越大,时间常数越大,l:延迟时间。在实际的系统过程程序控制软件系统中,有大量的系统对象参数模型近似的由一个高阶参数模型直接进行参数表示,若我们无法快速建立连接起来的系统参数模型,则我们可以由系统工程师的经验表来提取一个相应的系统参数。

主要代码如下:

(1)对象模型:

2 调压系统PID 设计

2.1 比例系数

比例控制传统系数kp 因此随之加大,会直接导致甚至使系统的温度动态控制响应速度因此随之加快,减小系统控制器和系统自动进入温度稳态时的温度误差,从而大大提高系统的控制精度。过大的控制系统温度比例控制传统系数通常可能会直接导致甚至使系统控制器和系统内部温度产生器的温度自动超调,并从而直接产生系统内部振荡或间接导致甚至使控制系统内部振荡现象发生时的次数因此随之增多,使控制系统各个调节人员工作持续时间因此随之加长,并间接导致甚至使系统控制器和系统在其中的工作稳定性因此发生重大变坏或间接导致甚至使系统控制器在系统中的工作环境变得不稳定。然而当控制系统系数kp 太小时,又极有可能会直接导致甚至使系统的各个调节人员动作缓慢。

2.2 积分时间常数

一般不单独积分系统需要采用一个超调积分物理函数比例控制器,通常与超调积分函数比例控制或其他积分比例式的超调微分物理函数综合控制系统直接联合起来发挥作用,构成基于p 或p 和pid 的积分控制或直接构成p 和pidd 的积分控制。物理系统超调积分函数控制受控系统作用的控制能力及其强弱主要因素取决于积分系统超调积分时间常数和图表中关于ti 的积分取样数值及其大小,ti 越小,积分控制系统作用越强,反之则可能说明系统积分控制系统作用弱。通过控制增大积分系统超调积分时间常数,有利于大大限度减小积分系统高频超调,减小积分系统超调振荡,使系统超调振荡系统更稳定,但同时也非常需要特别注意如何延长系统超调振荡系统自动化和消除系统超频上调静差的积分作用持续时间。因为系统积分时间常数太大过于偏小会导致大大降低超调系统的消除超调运动稳定性,增大系统的超调振荡系统发生静差次数。

2.3 微分时间常数

微分过度自动控制器的处理作用只对系统内的动态控制处理过程系统才能起作用,而对系统内的稳态自动控制处理过程系统没有任何直接影响,且对系统内的振动噪声非常敏感,所以单一的操作系统每个微分过度自动控制器都非常小而不宜广泛地被采用。通常与一个系统微分比例控制或系统微分比例复式微型积分控制系统直接联合起来发挥作用,构成一个系统比例pd 复式微分幅度控制或构成系统比例pid 复式积分控制。一个系统对于微分幅度处理过程作用的自动控制能力强弱主要还是取决于一个系统内的微分时间常数是否大于一个td 的微分幅度控制大小,td 越大,微分幅度控制处理作用越强,反之则越弱。而由于当系统微分时间常数偏大或微分幅度常数偏小时,系统的超协同和可调量都较大,调节时所需的持续时间都较长,只有真正能够选择合适的,才能真正能够获得比较满意的系统微分过度自动控制处理过程。

ziegler 和r 和nnnichols 他所个人提出的临界最优工程动态比例等幅振荡度增益法则也是一种非常著名的一种提高工程比例过渡度的整体确定性的处理过程方法。通过上述两个实验由于原理和实际经验结合计算公式我们可以直接得到一个给定控制器的近似最优工程过渡度在整个调定处理过程中的参数,用来用于分析如何确定具有已知一个被控工程控制系统对象的各种工程动态等幅振荡增益特性的两个重要过程参数:临界比例振荡周期增益波峰中的k 与ku 和临界振荡周期过程中的k 和tu。临界上的工程比例滤波振荡周幅度法则已广泛适用于在只能向一个已知给定被控控制对象传递函数的各种控制场合,在一个完全闭合的临界工程比例控制容量管理软件系统里,将一个给定控制器中的器件容量置于纯临界工程比例等幅振荡增益作用下,从大到小逐渐通过不断改变一个给定控制器的临界工程比例等幅振荡周期增益,得到等幅振荡的临界工程比例过渡处理整个调定处理过程。此时的临界工程比例等幅振荡周期增益被我们所统称为临界比例振荡周期增益,相邻两个比例振荡增益波峰间的连续滤波时间振荡增益可以间隔为临界振荡周期过程中的k 和tu。

用临界值的比例和梯度法进行整合给定函数pid 两个参数的主要步骤描述如下:(1)将积分控制器的平衡积分时间常数数值置于最大(Ti =∞),微分时间常数可设置零(td=0),比例积分系数kp 可设置适当的积分值,平衡积分操作持续一段时间,把积分系统全部投入自动模式运行。(2)将一定幅度比例滤波振荡周期增益变化频率峰值kp 逐渐向前增大然后减小,直至此时可以直接得到等幅临界滤波振荡周期增益变化过程,记下此时的临界滤波振荡周期增益变化频率峰值ku 和临界振荡周期内的增益频率tu 值。(3)根据图中ku和以及tu 值,按照函数表l 和图中的一个经验函数公式,计算并得出智能控制器各个点的参数,即表中kp、ti 和以及td 的参数值。

2.4 仿真实验

在控制传统的其中pid 控制调节器中,参数的最终整定记录问题一直是工业控制系统面临的最主要的一个问题,控制管理系统的设计关键之处之一便是将其中kp、ti、td三个控制参数的整定值最终一一确定记录下来。而在传统工业控制过程中的控制中首先我们需要对其中pid 三个控制系统中三三个参数变量对系统控制动态性的直接影响问题进行实际深入地分析了解,才能最终确定怎样将三控制参数通过调节器达到最佳控制状态。在本文的实验中,对各控制参量单独波动变化对系统产生控制活动作用的直接影响问题进行深入讨论,其中在对一个控制参量单独变化可能引发的控制影响问题进行深入讨论时,需要将其余两个控制参数分别设定为控制常数。

2.5 P 控制作用分析

分析这个比例控制器的作用。可以设计为td=0、ti=∞、kp=3～10.输人阶跃信号输出阶跃响应函数,分别对此进行模拟仿真,如下图图3 所示是展示的仿真系统的输出阶跃信号响应函数曲线。

系统的运行速度一旦超过解调量很有可能会随着其对一个kp 响应值的系统速度减小增大而逐渐慢慢加大,系统运行中的多个响应速度也很有可能会同时会继续跟著随着对一个kp 响应值的系统速度减小增大而逐渐慢慢加快。但是系统的整体运行状态稳定度和系统性能还是会随着一个响应值对kp 的系统速度减小增大而逐渐慢慢变差。

蒸发器是供热及发电系统中普遍使用的设备,同时也适用于冶金、化工、矿山等部门。文中以蒸发器的调压控制系统为被控对象,进行PID 的参数整定及设计。

该压力系统中自动调节控制阀可以作为最终自动控制阀的组件,通过自动调节控制阀阀门开度的数值大小函数来自动调节控制蒸汽输出流量的数值高低,从而得到来自于调节蒸汽压力的数值大小,压力的数值通过采用压力自动变送器可以远穿到压力控制器,通过组态采集软件可以进行组态数据采集,利用aamatlab 线图绘出压力系统运动特性曲线图,从而可以得到传递函数。

系统的稳定启始终止压力及稳定开始压力差平均值为m/k,系统力学特性近像曲线为近似斜度曲线并可作为力学辅助,最大的剪切斜度曲率与它的系统力学特性近似曲线两个交点的持续时间差值为延迟处的时间,即L。通过系统法在特性辨识图中的应用了解系统特性辨识法在获得了部分硬件参数和系统的传递函数后,只要你需要在图中使用ziegler-nicholg 时的经验分算法即可得出系统相应的传递函数。

3 回转窑模糊控制系统的设计

水泥熟料回转窑的煅烧生产工艺过程中,基于目前水泥熟机煅料窑烧烧造工艺,烧成带周围温度和电机窑尾偏差气体周围温度的稳定变化是继续保证生产水泥熟料回转窑煅烧热工工艺制度稳定和继续生产高标准质量化的水泥窑窑熟料的重要质量标志,常规的模糊温度控制器大多数是采用一维二阶,多数是使用电机烧成带周围温度的气体偏差和窑尾偏差温度变化率的值作为进出输入量,而电机燃料的使用量偏差作为进入输出量的控制量,考虑到目前现实情况下转速影响的环境因素相对较多,仅用电机烧成带的气体温度偏差作为主输入量不能完全准确描述水泥回转窑的工作情况,因此一般采用电机喂主排煤输入量和电机主排煤在风机内的转速偏差作为被输入控制燃用量,烧成带内的温度、窑尾气体温度偏差作为输入控制燃用量的温度控制解决方案,设计一个双入二输入一双入三输出的二维一阶模糊温度控制器,因为该回转窑的电机转速基本上一直保持稳定不变,所以暂不需要考虑水泥回转窑温对转速的直接影响。

在这个simulinkx 的环境下,基于应用matlab 模糊推理逻辑控制工具箱自主建立模糊推理控制系统,设计开发出模糊自动调整定义的pid 控制参数在线控制器,并自主开发出了相应的piactivex 限制控件,将应用matlab 逻辑工具箱与模糊监控组态管理软件有机结合,在能够实现所有pid控制参数在线自定义整定的功能同时,实现将复杂的控制算法广泛应用于整个工业现场。这对于深入研究应用matlab 及复杂控制算法在模糊控制相关工程技术领域的实际应用中都是有意义的。

模糊计算函数温度控制器一般是将随机输入的一个可变量模糊函数烧成带一定范围温度的论域为[一50℃,50℃],模糊计算函数中的子集为{正大中小负大,负中,负小,负零,零,正零,正小,正中,正大},记为{nbl,nml,nsl,nz1,zo1,pz1,ps1,pm1,pb1},隶属度模糊计算函数一般都是采用一定温度为的三角形模糊计算函数。

窑尾关于窑炉温度的论域为[一25℃,25℃],模糊直接定义一个子集为{燃料煤量密度负大,负小,零,正小,正大},记为{nb2,ns2,z02,ps2,pb2},隶属度积分三角形在函数中也可以直接采用一个角度三角形中的角度积分函数。柴煤燃料质量输出关于燃煤喂料和燃烧煤的燃气质量的论域为[8.1,lo.3],模糊直接定义一个子集为{燃料煤量密度负大,负中,负小,负零,零,正零,正小,正中,正大},记为{nb3,nm3,ns3,z03,ps3,pm3,pb3},隶属度积分三角形在函数中也可以直接采用一个角度三角形中的角度积分函数。

输出转速主排列式风机最高转速的论域为[720,880],模糊度的子集为{值是负大,负小,零,正小,正大},记为{nb4,ns4,z04,ps4,pb4},隶属度微分函数可以采用一个三角形微分函数。

模糊运动控制器系统设计的一个核心任务是,建立模糊控制规则数据库,常用的设计方法主要是通过借鉴专业操作管理人员的实践经验和现场使用控制器的情况对模糊控制器的规则进行作适当性的修改。模糊规则库所选取的系统总体设计原则主要是:当系统误差较大时,选择模糊控制器的量以如何消除系统误差超调为主。而当系统误差较小时,选择其他控制量时需要特别注意如何防止误差超调,以系统的运行稳定性要求为主。

4 结束语

文中以蒸发器为对象,基于MATLAB 进行了压力控制系统PID 的设计。针对上述问题研究试验结果测试对象分别自动应用一套matlab 模拟仿真试验软件对上述该型通用pid模式中的系统参数调制进行自动整制及其制定采用仿真试验方法分别两次自动进行了一套系统模拟设计仿真,仿真方法试验后的结果确实充分证明上述该型通用微控制器中的系统模拟设计有效合理。

(1)对于上述两种pid 模型中的系统参数调制整定分别采用一套matlab 仿真软件自动进行系统参数整制制定和进行系统管理仿真,使用系统管理操作起来不仅快捷、方便,而且更为直观,同时也大大地地避免了用户采用一套传统模拟仿真整制方法反复多次进行参数修改和对系统参数反复进行调试。

(2)一个系统的静差超调操作响应速度极很可能不仅会因为随着与超调kp 值相差越值的超调大小相差增大而逐渐逐步加快,同时也极很可能还会有助于整个系统超调静差的减小,而一个超调系统kp 差的超调值越小过大则极有可能会直接导致了即使两个超调系统之间将会有较大量的静差超调,稳定性也可能会随之变坏;此外,系统的超调动态操作响应速度可能会因为过小的值与超调kp 值相差越差的值大而逐渐减慢。

(3)时间超调的减小、振荡器的变小以及积分系统运动稳定性的大大增加都可能取决于整个积分系统时间ti 的幅度增大,但是积分系统的时静差增大消除后的时间差也会因为ti 的幅度增大而逐渐变长。

(4)由于参数增大导致系统中的微分调节超出系统时间增大系统中的td 对于能够提高系统的事件运行性和稳定性、系统中对事件处理响应速度的大大大幅加快以及对于使得整个系统自动调节微分超出时系统调量的大大幅度减小来说,这都会相对显得系统有所大的实际帮助。但是如果使得系统td 过大,则很有可能会直接导致系统使得整个系统微分调节中的微分超出时间相对较长,超出的系统调量也很有可能会随之有所增大;如果使得系统td 过小,同样自然地也很有可能会直接导致系统发生以上两种超出状况。

(5)总之针对pid 三个参数的相互整定必须综合考虑在不同空间时刻三个不同参数的相互作用以及它们彼此之间的参数作用相互关系。

pid 过程控制应用领域极为广泛,可将其广泛应用于我国电力、化工、轻工、冶金以及工程机械等众多工业中的过程质量控制中。通常这种情况下,最终的适合我们采用这种pid 过程控制系统技术的基本条件可能是:当我们对一个目标控制系统或其他被控控制对象的内部结构特征不完全了解清楚时,或者是系统的全部控制参数不能经过有效的科学测量分析手段才能来准确获取,同时必须完全依赖于行业经验和现场自动调试技术来最终确定目标系统和主控制器的内部结构并在参数值的情况下才能采用该控制技术。