低温电阻炉温度的模糊自适应PID控制

2019-05-22 版权声明 举报文章

摘要:采用常规方法对低温电阻炉的温度进行控制,难于获得期望的效果。该文采用模糊自适应PID的控制方法,建立了一种温度优化控制系统,仿真结果证明了该控制系统能够达到快速响应、低超调、稳态误差小的要求。

关键词:单片机;温度控制;模糊自适应;电阻炉

中图分类号:TP18文献标识码:A文章编号:1009-3044(2012)23-5685-03

Low-Temperature Resistance Furnace Temperature Fuzzy Adaptive PID Control

QIU Yun-lan

(Fujian Electric Vocational and Technical College,Quanzhou 362000,China)

Abstract:Conventional methods of low-temperature resistance furnace temperature control, difficult to obtain the desired effect. In this paper, a fuzzy adaptive PID control method, a temperature optimal control system, simulation results show that the control system can achieve fast response, low overshoot, small steady state error requirements.

Key words:microcontroller;temperature control;fuzzy self-tuning;resistance furnace

低温电阻炉广泛应用于实验室、工矿企业、科研单位作元素分析测定和一般小型钢件淬火、退火、回火等热处理加热用,是冶金、铸造等行业的重要热处理设备,其采用对流传热方式加热,最高工作温度在600℃附近,控温精度要求不大于±1℃。

采用常规的控制方法很难能获得期望的效果,要解决这个问题可以采用自适应控制的方法。

该文以电阻炉为研究对象,针对电阻炉的模型,采用模糊自适应PID控制方法,设计了一种新型的温度测控系统。

式中ec(k):系统误差变化率;e(k):系统误差;KI:积分作用系统,它影响系统的稳态精度;KP:比例系数,它影响系统的响应速度和精度;KD:微分作用系数,它影响系统的动态特性。

利用模糊的集合理论建立参数KI、KP和KD与系统误差变化率绝对值|ec|和误差绝对值|e|之间的二元连续函数关系,并用模糊控制器根据不同的|e|和|ec|在线自适应PID参数,是该控制系统设计的核心。

该文中电阻炉模糊控制器的输入变量有两个,即用二维模糊控制器。输入变量为偏差e和偏差变化率ec,模糊控制器输出变量为DKP、DKD,得到计算式(3)、(4)

KP = KP’+{e,ec}p

(3)

KI=KI’+{e, ec }I(4)

其中KP’、KI’为PID参数的初始值, KP、KI为最终PID参数的取值。Fuzzy-PID能够在线调整参数KP, KI, KD,使得这些参数最优,并使系统取得最佳的控制效果。

1.4模糊判决

模糊控制算法器输出的控制量U是一模糊集,一开始必须先经过模糊判决,将输出量U变成控制论域中的精确量u*。然后再将u*转为控制量基本论域中有物理意义的精确量u,用u对被控对象进行控制。

设计中模糊决策采用Mamdanis(min-max)决策法,解模糊采用的是重心法(centroid)。

当系统的参数发生变化时,PID控制曲线的超调较大,并剧烈振荡。而模糊PID控制器虽然也有6.25%的超调,但是系统会很快进入稳定工作状态,并且系统的稳态误差为零,也可以满足低温电阻炉控温精度不大于±1℃的要求。由此可以看出,传统的PID控制调节特性比系统变化前相差很多,而模糊PID控制系统在参数变化前后控制性能差别不大。

根据带滞后、时变、非线性的低温电阻炉系统,根据低温电阻炉控温精度不大于±1℃的要求,提出了参数自适应的模糊PID控制算法,运用Matlab的simulink进行仿真,结果显示该控制算法可以根据实际情况进行自动调节参数。对PID控制和参数模糊自适应PID控制两种方案的仿真研究和分析,明显看出,PID控制响应曲线超调量较大,参数模糊自适应PID控制方法可实现调节时间短、超调量小、稳态误差为零等非常理想的性能指标。因此,我们选择这种方法实现低温电阻炉的温度控制,使其更好地在实验室、工矿企业、科研单位作元素分析测定和一般小型钢件淬火、退火、回火等热处理加热用。

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