模糊PID控制在梭式窑控制系统中的应用研究

模糊PID控制在梭式窑控制系统中的应用研究刘海芳1张海荣2胡国林2（1．中原工学院能源与环境学院，河南，郑州450007；2．景德镇陶瓷学院，江西，景德镇333001）摘要将模糊控制和普通的PID控制相结合，提出了一种基于模糊控制规则的模糊PID控制器的设计方法并将其应用于梭式窑温度控制系统中。试验表明，这种方法比普通的PID控制方法精度高，超调量减少，具有较强的鲁棒性。关键词：模糊控制；梭式窑；PID控制ResearchofFuzzyPIDControllerintheShuttleKilncontrolSystemLiuHai-fang1,Zhanghai-rong2,HuGuo-lin2(1.Schoolofenergy&EnvironmentalEngineering,ZhongyuanUniversityoftechnologyHenanZhengzhou4500072．JingdezhenCeramicinstitute,Jiangxi,Jingdezhen333001)Abstract:ThemethodcombiningfuzzycontrollerwithPIDanditssuccessfulapplicationtheshuttlekilntemperatureareintroduced.Theactualresultindicatesthatthemethodhashigherprecision,smallerovershootandstrongerrobustness,comparedwithcommonPIDcontroller.Keywords:fuzzycontroller;shuttlekiln;PIDcontroller陶瓷窑炉是陶瓷工业中最关键的设备，适应于多品种小批量生产形式的间歇式梭式窑，由于结构简单，建造费用低廉，窑内温差小及节省能源等优点，正在国内得到大规模普及。但由于迄今为止，液化气文丘里烧嘴梭式窑在操作管理上，几乎都是借凭肉眼观察及简单的仪表显示或经验进行操作管理，从而导致烧成管理无序或其它问题，影响到产品合格率，产品质量缺陷多，耗能较高及人工费用的增大，使窑炉的效能没有得到充分的发挥[1]。因此，探求一种性能价格比较高的自动控制模式，并使之付诸于实践，以进一步提高这类窑炉的技术含量，成为具有高技术附加值的产品，并以此来提高并稳定烧成质量，降低能耗，减少操作管理费用，消除操作人员的差异，减少空气污染，保护环境，就势在必行。基于这一目的，对液化气梭式窑的温度控制方法进行探索性研究，为其今后的智能控制实现奠定一定理论与实践基础。在窑炉温度控制中，PID控制仍是一种最常见的控制方法。但由于梭式窑系统传递滞后较大，且是一个干扰大、高度非线性的、随机干扰因素多的系统，参数整定困难，一组整定好的参数只能在较小范围内有较好的控制效果，当参数变化超过一定范围时，系统性能变差，致使普通的PID控制难以满足要求。文章针对以上情况，把模糊控制技术和PID算法结合起来，采用一种基于模糊控制规则的PID控制方法设计出梭式窑温度控制系统，具有超调小、调节迅速的特点，且具有很好的鲁棒性。1模糊PID梭式窑控制器的设计1.1模糊控制器的设计1.1.1系统工作原理及硬件构成该系统设计是以W78E58单片机为核心，主要由以下几个模块组成：输入模块（传感器，模拟开关，I/V转换）、输出模块、人机界面、W78E58运行模块，以及RS－485通信模块等，其硬件框图如图1所示。作者简介：刘海芳，（1977—），女，讲师，硕士研究生图1梭式窑温度控制系统硬件框图主要实现对控制系统温度传感器采集，对液化石油气气阀执行器的控制，共有模拟量输入（AI）、输出(AO)2种I/O单元，硬件电路具有如下特点：1）通过传感器得到被控点的温度信号。由于电流信号便于远距离传输，抗干扰性好，所以均采用电流输出型传感器，以满足A/D转换器对信号的要求，故采用S型（铂铑10-铂）热电偶来测量本窑炉的温度。检测到的信号输入A/D转换器TLC2543输入端，TLC2543是带串行控制和11个输入端的12位模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术，完成A/D转换过程。TLC2543的转换结果数据通过P0口的P0.6接收。输出信号送入D/A转换器TLC5628的数字信号输入端，输出模拟信号。对于温度为0－1400℃的测量范围，12位A/D的分辨率为1400/4096=0.34℃，能够满足梭式窑温度的控制精度要求。2）采用PROME2保存系统参数，具有掉电保护功能。同时WDT（看门狗）电路可对程序运行进行监控。使程序发生紊乱时恢复程序的功能，确保程序正常运行。3）W78E58单片机的串行接口通过SN65LBC-184接口芯片完成电平转换（TTL/RS-485），按照一定的通信协议与上位机的串行通信，从而实现整个系统的数据管理、监控和系统维护。1.1.2软件设计根据系统功能要求，系统软件主要由初始化程序、定时中断程序、数据采集程序、模糊PID控制运算程序、故障诊断报警、参数发送及显示程序等组成。其中温度模糊PID控制程序时本软件的核心程序。软件控制流程图如图2所示，软件功能为实时采集温度、阀位反馈值、故障报警模拟信号。1）以定义通道号的方式，在控制器显示器上实时显示系统采集到的各种测量值以及故障报警。2）根据模糊PID控制算法，通过控制气阀开度大小进行温度的闭环控制，实现温度控制。3）实现预定的梭式窑温度工况，按工况设计要求完成气阀的启动、停止。4）通过RS-485总线实现与上位机的数据交换。图2软件流程图1.1.3模糊控制运算程序设计模糊控制的实质是将基于专家知识的控制策略转换为自动控制的策略，是根据人们的实践经验总结出来若干条模糊控制规则，并以此为依据由计算机实现控制[2-3]。模糊PID控制系统是以模糊规则调节PID参数的一种自适应控制系统。它是在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节，给出的是在不同实时状态下对PID参数的推理结果，其系统框图如图3所示。这种方法引入了人们调节PID控制器的经验，使PID控制器具有模糊控制的智能，比固定参数的PID控制具有更优良的控制品质。图3模糊控制系统框图模糊控制器的设计主要是设定各输入输出变量的模糊子集的隶属函数、模糊变量的量化论域、模糊控制规则、输入输出变量等参数。将选取的温度偏差)(ke及温度偏差变化率)(ke量化在[-6,6]之中，偏差e（或偏差变化率e）对应的模糊子集)(EE分7档：NL（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中）及PL（正大），与此对应将偏差e（或偏差变化率e）分为13级：－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6。假设pK和dK在预先确定的],[max,min,ppKK和],[max,min,ddKK范围内变化，则pK和dK可以归一化转化成0到1之间的参数'pK和'dK：min,max,min,'pppppKKKKK，min,max,min,'dddddKKKKK积分时间常数与微分时间常数之间的关系为：diaTT积分增益由下式计算可得：dpdpiaKKaTKK2模糊子集语言变量为{NLNMNSZOPSPMPL}，)(ke和)(ke的隶属函数，其隶属函数为三角形且每个值取相等宽度。模糊控制规则是根据系统偏差)(ke、偏差变化率)(ke，依据专家经验知识建立的知识库来判断决策出参数'pK和'dK和a的推理规则：if)(keisiA，)(keisiBthen'pKisiC，'dKisiD，),,2,1(miaai其中其中iA，iB，iC，iD，ia分别为)(ke，)(ke，'pK，'dK，a的语言变量值。因为每个输入量化为7个模糊子集，所以应有49条规则，且每条规则对应一个模糊关系。根据系统要求以及专家知识经验建立'pK，'dK，a与)(ke，)(ke之间的模糊控制规则，将总结出来的49条规则形成模糊控制表，存储在PROME2中，这样计算机通过查表运算完成模糊推理过程[4]。模糊推理输出为阀的开度变化量的模糊子集，而执行机构只能接受一个精确的控制量，因此需要进行模糊判决，这里采用平均最大隶属度法。2结论根据以上设计的模糊PID控制器将普通PID和模糊控制结合起来，通过计算机实现实时控制，依据模糊控制规则，根据偏差和偏差变化率变化值的大小智能确定PID参数，在试验中取得了良好的控制效果，能实时地对温度监控，具有以下特点：1）系统具有良好的响应稳定性和精确度，且具有较强的鲁棒性。2）由模糊控制规dipKKK,,确定的三个参数是动态变化的，更符合梭式窑系统的控制特点。3）算法易于在计算机上实现，适用于梭式窑系统的实时控制。所以说，模糊PID控制器可以克服普通PID控制器的局限性，在梭式窑自动控制系统中具有广泛的应用价值。参考文献：[1]彭广文，顾勇.全纤维燃气梭式窑的设计和应用.山东陶瓷[J].1995.18（4）：26－28[2]冯冬青，谢宋和.模糊智能控制[M].北京：化学工业出版社，2000[3]陶永华.新型PID控制及其应用[M].工业仪表与自动化装置，1998，（1）：57－62[4]王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，1996