模糊PID控制在湿度控制中的应用分析

摘 要:针对湿度控制为纯滞后的特点,提出了一种模糊控制和传统的PID相结合的控制方法。经MATLAB仿真验证,该法具有良好的控制品质。

关键词:模糊控制;PID控制;应用;温控系统

中图分类号:TP273+.4文献标识码:A文章编号:16723198(2009)22028602

1 引言

印花机烘房中的湿度是由进出调节阀的蒸汽量来调节的,它是一个多变量、非线性、时变系统,要想建立它精确的数学模型是比较困难的,所以用传统的PID控制方法很难获得良好的动态和静态性能,无法达到湿度智能控制的理想效果。因此,现代控制方法取代经典控制方法成为发展趋势。

本文通过对常规PID和模糊控制的分析研究,针对烘房湿度控制的特殊性,提出一种采用模糊推理和PID切换的方法,将两者的优点相结合,对其进行综合与优化,构成模糊PID控制器,以模糊PID控制为基础的湿控系统来控制,

较好地解决了上述不足,从而提高了系统的控制精度以及系统的跟踪和抗干扰能力。

2 模糊控制

近30年以来,人工智能、知识工程、模糊逻辑、神经网络、遗传学习等学科的发展为利用人类的智能行为对复杂系统进行控制创造了有利的条件,并逐步形成和完替了智能控制的相关理论。同时,微电子技术、集成电路技术、计算机技术的快速发展,尤其是微处理器的计算能力、实时性等方面的明显突破,为这些新理论的应用提供技术保证。借助于数字控制技术的智能控制器己经在越来越多的领域替代传统的模拟控制器。现代控制系统普遍表现为系统的数学模型难以通过传统的数学工具来描述。因此,采用数学工具或计算机仿真技术的传统控制理论己经无法解决此类系统的控制问题。

在生产实践中可以看到,许多复杂的生产过程难以实现的目标控制,可以通过熟练的操作工、技术人员或专家的操作获得满意的控制效果。那么,如何有效地将熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识和控制理论结合起来去解决复杂系统的控制问题就是智能控制原理。智能控制是一门仍在不断丰富和发展中的具有众多学科集成特点的科学与技术。智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础。扩展了相关的理论和技术,其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、(自)学习控制等技术。

模糊控制理论诞生后,由于它具有明显的优点,主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统,它模仿和升华了人的控制经验与策略,因此与经典的控制方法比较更有工程意义。它具有以下特点:

(1)模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型,易于对不确定性系统进行控制;

(2)模糊控制器是易于控制,易于掌握的较理想的非线性控制器,是一种语言控制器;

(3)模糊控制器抗干扰能力强。

3 PID控制

PID控制是将给定值r(t)与被控参数的实际输出y(t)之差e(t)=r(t)-y(t),作为控制器的输入,控制器按偏差e(t)的比例、积分、微分作用叠加形成控制量。PID控制器设计的主要任务是确定KP、KI、KD三大参数和采样周期T(对数字PID控制器)。

4 模糊PID控制器

模糊控制对复杂的和难以建立数学模型的系统能简单而有效地控制,但因模糊控制不具有积分环节,在变量分级不够多的情况下,常常在平衡点附近会有小的震荡现象或存在稳态余差。而PID控制在平衡点附近的小范围调节效果是较理想的,其积分作用可最终消除余差。在实际控制过程中,把以上两种控制技术结合起来,就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。显然这种控制器结合了比例、模糊和比例积分控制的优点,不但可使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性,而且可以对系统实现高精度控制。

印花机烘房是一个纯滞后系统,被调量是烘房的湿度,而控制量是蒸汽流量的大小,当改变蒸汽流量的大小和蒸汽的温度时,对烘房的湿度的影响必然产生一定时间的延迟,因此,大滞后大大降低了系统的稳定性,容易导致较大的超调量和较长的调节时间,严重影响控制品质。由此看来烘房湿度控制系统是一个具有大滞后、大惯性环节、时变性不确定性因素的系统。所以常规PID控制器很难达到控制要求。而采用模糊控制可以做到较好的控制效果,但是模糊规则的确定具有不完备性,使得模糊控制对复杂系统的控制也存在控制精度差等缺点,因此可以利用模糊控制与PID控制相结合的方法来消除模糊控制存在静差的缺点,使得系统达到较高的性能指标。

这种复合控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转化为PID控制,二者的转化由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除其系统稳态误差的能力比较差难以达到较高的控制精度。尤其是在离散有限论域设计时更为明显。

5 模糊PID控制系统仿真研究

计算机仿真是近三十年发展起来的一门综合性技术学科,它为系统分析、综合、研究、设计提供了一种先进的技术手段,并且可以缩短设计周期、降低费用。计算机仿真的研究及理论现在己广泛应用于工程及非工程的广大领域,并取得了极大的社会效益和经济效益。MATLAB是美国的MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算软件,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个方便的、界面友好的用户环境。

作为MATLAB的重要组成部分,Simulink具有相对独立的功能和使用方法。确切的说,它是对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统,而且系统可以是多进程的。