基于模糊PID技術的加熱爐溫度控制的優化

摘 要：在精密成型工藝中，需要對加熱爐的溫度進行精確控制，而傳統的串級控制方式和常規PID控制不能完全滿足這方面的需求，其原因在于被控溫度的非線性、滯后性、時變性等特點，因此迫切的需要改進和優化。文章提出將模糊機制融入到PID算法當中，結合兩種控制策略的優勢，利用模糊機制動態調整PID的各個參數，有效的提高了傳統PID的控制精度和響應速度，同時明顯改善了精密成型系統溫度的控制效果，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：模糊機制PID；溫度控制；改進；優化

1 概述

精密成型工藝對于零部件加工領域而言有著關鍵的影響，通過該工藝生產的零部件同最終形狀的差異被大大縮小了，這就省去了后期大量的機械加工過程，節約了大量的勞動力和勞動時間，提高了生產效率，同時產品質量也得到了良好的控制。

雜精密加工過程中，對產品質量的影響因素很多，而其中最主要也最難控制的就是加熱爐溫度，原因就在于溫度易受周圍環境影響，且具有非線性、滯后性、時變性等特點，傳統的過程控制方案均不能取得滿意的效果，尤其在系統響應速度上明顯落后于實際系統的動態變化。

在精密成型過程控制領域，之前應用最多的控制方式為PID控制，其優點在于結構簡單，可靠性好，并且具有一定的自適應性；但PID仍然無法克服其自身的一些弱點，如必須建立精確的數學模型，處理時延較長、響應速度減慢、對非線性系統控制質量較低等。

模糊控制充分的利用了人類的先驗知識，并將其應用到過程控制中，其最大的優點在于不需要建立精確的數學模型也可以對非線性被控對象進行高質量、高響應的控制效果，而其缺點則在于無法消除靜態誤差，因此將PID同模糊機制有機的結合在一起，相互取長補短，在大偏差范圍內采用模糊推理控制，小偏差范圍采用PID精確輸出，就可以有效的提高被控對象的控制質量。

2 精密成型系統的模糊PID溫度控制器的設計

模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器結合而成，其結構如圖1所示：

本控制器采用溫差e和溫差變化率ec作為模糊控制器的輸入，通過模糊機制的動態調節功能計算出本次PID控制的三個參數Kp、Ki和Kd，接著完成PID的控制過程，實現了PID參數的實時優化，提高了控制系統整體的響應速度和穩態精度，其控制規律如下：

Y=f（U0，E，D，K0，K1，L）

上式中的U0為預設值，E為誤差值，D為誤差E的絕對值變化率，K0為比例系數，K1為積分系數，L為控制策略，Y是控制器的輸出。通過該函數實現控制參數K和K1對E、D的在線自整定。控制原理為：當被控對象處在干擾因素的影響中時，將導致系統輸出的誤差，而次誤差隨著影響因素的變化成動態趨勢，當誤差絕對值的變化率為正時，被控對象的輸出U逐漸偏離預設值U0，即誤差呈增大趨勢，此時必須對比例系數K0進行調整，通過增大K0的方式來提高控制器的控制能力，使U回歸至U0，反之則適當降低K0，避免回調過量導致的波動出現。積分系數K1的自整定與K0相同。

而上式中的控制策略L的作用是進行控制方式的切換，實現系統控制能力的大小調整，在粗調階段，采用PD控制來實現最快的相應速度，而在微調階段則采用PID控制來實現較高的調節精度。

在模糊控制階段，將系統誤差e和誤差變化率ec作為模糊系統的輸入變量，經模糊化處理得到模糊語言變量e和ec，在其各自取值范圍上定義模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；輸出量Kp、Ki、Kd也做同樣定義。選取模糊語言變量e、ec以及Kp、Ki、Kd的論域均為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。為了實現PID參數（Kp，Ki，Kd）根據e和ec的變化進行自適應調整，必須找出Kp、Ki、Kd和e、ec之間的對應關系。通過借鑒大量的先驗知識，可形成針對Kp、Ki、Kd這3個參數分別整定的模糊控制規則表，根據規則表可將各參數調節規則寫成如下的條件語句形式：

If E is Ai and EC is Bi，then Kp is Ci，Ki is Di，Kd is Ei；

這里Ai、Bi、Ci、Di、Ei是在相應支集上的模糊集合，共有49條模糊規則。根據Ki、Kd的模糊控制規則，分別求出Ki、Kd參數在不同的e和ec下所有模糊取值的隸屬度，運用反模糊化加權平均法進行模糊判決，可求PID控制器參數Kp、Ki、Kd的精確值。

3 仿真分析

采用Matlab7.0進行仿真，通過模糊邏輯工具箱和Smiulink設計自適應模糊PID控制器。采用被控對象為1/（s2+3s+2），分別對常規PID控制、模糊控制和模糊PID控制進行仿真，結果對比如圖2所示。

如圖2所示，曲線1和2分別為常規PID控制和模糊控制，曲線3為自適應模糊PID控制，可明顯看出，模糊PID控制無論在超調量方面還是在相應速度方面，都比之前有了顯著的改善，證明了該控制策略的有效性。

參考文獻

[1]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真（第二版）[M].電子工業出版社，2005.

[2]王芳.模糊自調整PID控制在鍋爐汽包水位控制中的應用[D].濟南：山東大學，2007.