基于Fuzzy-PID復合的電加熱爐溫度控制研究

張娓娓 陳樂瑞

（1.河南工業職業技術學院電氣工程系，河南 南陽 473000；2.鄭州鐵路職業技術學院電氣工程系，河南 鄭州 450001）

基于Fuzzy-PID復合的電加熱爐溫度控制研究

張娓娓1陳樂瑞2

（1.河南工業職業技術學院電氣工程系，河南 南陽 473000；2.鄭州鐵路職業技術學院電氣工程系，河南 鄭州 450001）

在煉鋼生產過程中使用到的電加熱爐是一個非線性時變的復雜系統，在進行溫度控制時候如果用常規的PID控制，很難以達到控制要求，因此本文把PID和模糊控制結合起來對電加熱爐溫度進行控制，并用Simulink進行仿真，仿真結果表示模糊PID控制具有傳統PID無法比擬的優點。

模糊控制；PID；Simulink；溫度控制

1 引言

電加熱爐是工業企業常用設備，其控溫系統多采用傳統PID控制技術，具有結構簡單、易實現等優點。但電加熱爐具有大慣性、純滯后等非線性特點，單純采用PID控制不會取得較好的控制效果。大量的理論研究和工程實踐也充分證明了這一點。模糊控制對被控對象的時滯、非線性和時變性具有一定的適應能力，同時對噪聲也具有較強的抑制能力，魯棒性好。但模糊控制器本身消除系統穩態誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度。因此把PI或PID控制策略引入模糊控制器，構成Fuzzy-PI（或PID）復合控制，是改善模糊控制器穩態性能的一種途徑。本文采用Fuzzy-PID復合控制方法。

2 Fuzzy-PID復合控制器設計

2.1 Fuzzy-PID控制器的原理

這種復合控制策略是在大偏差范圍內采用模糊控制，在小偏差范圍內轉換成PID控制，二者轉換由計算機程序根據事先給定的偏差范圍自動實現。即當誤差在某一個閾值以外時，采用模糊控制，以獲得良好的瞬態性能；當誤差落到閾值以內的范圍時，采用PID控制，以獲得良好的穩態性能。這種模糊控制與PID控制兩種模式相結合的控制方法稱為Fuzzy-PID復合控制。

2.2 模糊控制器的設計

設計的模糊控制器，采用量輸入一輸出的形式，輸入參數有誤差e和誤差變化率ec，輸出的時變量設為u，我們來建立隸屬度函數。因模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進行的，因此控制器首先要對輸入量進行模糊化處理。本設計中模糊控制器采用兩輸入（e，ec）、單輸出（u）的形式，我們將系統輸入輸出的變化范圍定義為模糊集上的論域，分別為：

e=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，

ec=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，

u=[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。

在模糊控制器中，輸入、輸出變量的語言值均分為7個，分別為

e={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，

ec={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，

u={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

子集中的元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。隸屬度函數采用靈敏性強的三角函數。

根據人們的經驗，設計出的模糊規則如表1所示。

表 1 模糊控制規則表

此處采用中心法進行解模糊，本系統是電加熱爐的溫度控制，由于其溫度變化率較慢，因而偏差絕對值變化較大時主要考慮偏差的作用例如當偏差為正大時，無論被調量變化率如何控制量，都取正大當偏差為正大時被調量為負則將控制量變化取正大，以盡快消除偏差，若被調量為正，即偏差有減少的趨勢，則相應減少控制量當偏差絕對值較小時為避免系統超調或振蕩應相應減少控制量。

3 仿真的實現與分析

3.1 建立模型

電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統純滯后環節來描述。然而，對于二階不振蕩系統，通過參數辨識可以降為一階模型。因而可以用一階慣性滯后環節來描述其數學模型。所以，電加熱爐模型的傳遞函數可以描述為：

式中，K為對象的靜態增益，T為對象的時間常數，τ為對象的純滯后時間。K=5，T=150，τ=30。

本文仿真采用Simulink進行仿真，仿真模型如圖1所示。

圖 1 電加熱爐Simulink仿真模型

經過多次試驗，PID控制器的三個參數取值分別為：Kp=0.8，Ki=0.005，Kd=3時候仿真效果比較好。仿真結果如圖2所示。

圖2 仿真結果

其中，紅色的線表示傳統PID控制結果，綠色的線表示模糊-PID雙模復合控制結，由仿真曲線可以看出，模糊-PID雙模復合控制超調小，上升快，調節時間短，無靜差，結合了傳統PID控制和模糊控制的優點，使控制效果得到明顯改善。

3.2 抗干擾能力

為了比較模糊PID的抗干擾能力我們在400S之后加入干擾信號，系統的仿真結果如圖3所示：

圖 3 系統的仿真結果（加入干擾信號）

由仿真曲線可以看出，模糊-PID復合控制具有較好的抗干擾能力。

4 結論

由以上仿真結果可以看出，本文設計的FUZZY-PID雙模控制溫度控制系統，過渡時間明顯減少，超調量較傳統PID方法有明顯的改善，而且可以提高系統的抗干擾能力和對時變參數的適應能力及魯棒性，同時實現動態和穩態性能，有效提高控制系統品質。這種控制器結構簡單，易于實現，而且結果精度較高，因此具有廣泛的應用領域和應用價值。

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1671-0037（2014）05-81-1.5

張娓娓（1985－），女，本科，助教，研究方向：復雜工業過程控制。