基于模糊PID參數(shù)自整定的溫度控制系統(tǒng)的研究

摘要：工業(yè)溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時變性和滯后性等特性，嚴重影響溫度控制的快速性和準確性，為了解決常規(guī)PID參數(shù)調(diào)節(jié)在溫度控制中適應(yīng)性差，調(diào)節(jié)效果不理想的問題，這里采用了模糊PID參數(shù)自整定控制方法，用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進行修改，利用Matlab的Simulink仿真工具箱做了常規(guī)PID與模糊PID的仿真對比試驗。仿真結(jié)果表明，模糊PID參數(shù)自整定控制效果在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間上都小于常規(guī)PID，提高系統(tǒng)快速性和準確性，改善了溫度系統(tǒng)動態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：溫度控制；Matlab仿真；模糊規(guī)則；PID

在工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度是重要的控制參數(shù)之一，對溫度的有效控制對于保證生產(chǎn)質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實意義和理論價值。工業(yè)溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時變性和滯后性等特性，而常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對運行的工作情況適應(yīng)性差，導(dǎo)致常規(guī)PID控制不能使溫度控制達到理想效果。為了改善常規(guī)PID控制效果，增強系統(tǒng)的適應(yīng)性，實現(xiàn)PID參數(shù)自整定，本文設(shè)計出一種PID參數(shù)自整定的模糊控制器。利用模糊邏輯對PID控制器參數(shù)進行調(diào)整實現(xiàn)控制效果最優(yōu)，將溫度作為控制對象，并利用Matlab的Simulink工具箱實現(xiàn)仿真對比分析常規(guī)PID與模糊PID的曲線，最后應(yīng)用到實際的溫度控制系統(tǒng)中，對比分析常規(guī)PID與模糊PID的控制效果。

1 PID控制算法的相關(guān)介紹
1．1 PID控制算法
PID控制器因為結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，并且具有較強的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制中。在傳統(tǒng)PID控制中，PID參數(shù)在線整定一直是人們研究的問題之一，最早提出PID參數(shù)工程整定方法的是Z-N整定公式，至今仍然在工業(yè)控制中應(yīng)用。而常規(guī)PID整定參數(shù)的選擇取決于多種因素，比如被控對象的動態(tài)性能、控制目標以及操作人員對系統(tǒng)的理解等，因此肯定造成整定效果不理想。人們發(fā)現(xiàn)單純靠常規(guī)PID控制算法是無法完成各種復(fù)雜控制的。在這種背景下，專家首次提出了基于繼電器反饋的自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。近年來國外對于Fuzzy-PID的研究已經(jīng)由先前的基于專家經(jīng)驗的模糊控制技術(shù)實現(xiàn)PID參數(shù)調(diào)整的研究，逐漸轉(zhuǎn)向基于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳理論的模糊復(fù)合控制技術(shù)與常規(guī)PID結(jié)合的復(fù)雜控制，比如基于遺傳算法的PID控制、基于蟻群算法的PID控制等。近20年來，在理論研究基礎(chǔ)上，具有模糊推理的自整定PID控制器也相繼問世。此外，各種智能控制算法相互結(jié)合，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊免疫算法等，也不斷為智能PID技術(shù)的發(fā)展增加新的活力。
1．2 PID參數(shù)整定
一般的PID參數(shù)整定方法大多通過一些簡單的實驗獲取系統(tǒng)模型或性能參數(shù)，再用代數(shù)規(guī)則給出適當?shù)腜ID整定值，或者根據(jù)多年的經(jīng)驗，給出參數(shù)值，這些方法簡單，便于工程應(yīng)用，但參數(shù)的整定效果不理想。在實際的應(yīng)用中，許多被控過程機理復(fù)雜，具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點。過程參數(shù)甚至可能會隨著時間和工作環(huán)境的變化而變化。這就要求在PID控制中，不僅參數(shù)的整定不依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且能夠在線調(diào)整，以滿足實時控制的要求。
模糊PID控制不僅具有智能控制的自學(xué)習、自適應(yīng)、自組織的能力，能夠自動辨識被控過程參數(shù)、適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化，而且又具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高的特點。因此模糊PID控制成為控制領(lǐng)域中較為理想的一種控制方法。模糊控制與PID控制的結(jié)合形式很多，本文采用的是模糊PID參數(shù)自整定的方法。

2 溫度控制的數(shù)學(xué)模型
2．1 溫度控制系統(tǒng)組成
考慮圖1所示的溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)主要構(gòu)成部分是儲水箱、智能儀表、鍋爐、換熱器以及閘閥、傳感器等，智能儀表作為控制器，0～380 V加熱絲作為執(zhí)行機構(gòu)，鍋爐中水的溫度作為控制對象，溫度傳感器作為反饋環(huán)節(jié)，常規(guī)PID與模糊PID的控制參數(shù)輸入智能控制器，然后輸出4～20 mA模擬信號調(diào)節(jié)0～380 V電壓控制加熱絲加熱的程度。