模糊自整定PID控制及其在过程控制中的应用.doc

模糊自整定PID控制及其在过程控制中的应用 摘要：本文首先介绍了普通模糊控制技术的基本概念，详细叙述了自调整模糊PID 控制的工作原理，控制方法及其品质特性；陈述了自调整模糊PID 控制器的设计方法及其实现过程；最后列举出了其在工业过程中的应用实例。实践证明使用模糊PID 控制技术进行工业过程控制能获得优良的的动，静态特性、在抗干扰能力、自适应性和鲁棒性等方面能取得良好的效果。 关键词：模糊控制，PID参数，自调整模糊PID，设计方法，应用实例 0引言  常规PID（比例，积分，微分）控制具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，PID 调节规律对工业控制对象，特别是对于线性定常系统的控制非常有效，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节过程的品质取决于PID 控制器各个参数的整定。但是，随着生产和技术的发展，一方面，人们对过程控制系统提出了更高的要求；另一方面，被控过程越来越复杂，非线性、大滞后、参数时变性等使得控制越来越困难。这时，传统的PID控制就往往不能胜任了。小流量的水温控制系统就是典型的大惯性，非线性、纯滞后系统，在对它进行实施控制时需要克服超调量大、过渡过程时间长等缺点。  工业生产过程具有的特殊性：在生产过程中，产品的质量、产量和产率都会随着生产过程的各种干扰和生产过程工艺设备等特性的改变而波动。工业生产过程的干扰作用，使得生产过程操作不稳定，从而影响工厂生产过程的经济效益。工业生产过程有以下特殊性：一是被控过程的滞后特性；二是被控过程的时间常数长短不一样；三是过程的非线性特性；四是过程的时变性；五是过程本征不稳定性；六是过程的耦合特性。  鉴于以上工业生产过程的特殊性，无论采用常规线性控制系统方法还是普通的模糊控制技术都无法满足控制性能要求。若采用Fuzzy-PID 复合控制方式不失为一种比较合理的解决办法。它既能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点，又具有PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在控制工业过程的设计中，常常采用PID 参数模糊自整定复合控制，以便实现参数PID 的在线自调整功能，进一步完善PID 控制的自适应性能。  1常规PID控制和模糊控制简介 1.1常规PID 控制的特点  在PID 控制算法中，存在着比例、积分、微分3 种控制作用，特点如下:  （1）比例控制作用的特点 系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。缺点是对于具有自平衡能力的被控对象存在静差。加大KP可减小静差，但KP过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。  ?（2）积分控制作用的特点 积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。  （3）微分制作用的特点 通过对误差进行微分，能看出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。根据被控对象的不同，适当地调整PID 参数，可以获得比较满意的控制效果。因为其算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，已成为最为普遍采用的控制算法。  PID控制算法也有它的局限性和不足，由于PID 算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想的效果。当一个调好参数的PID 控制器被应用到模型参数时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID 参数进行整定的过程中，PID 参数的整定值是具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。  1.2模糊控制的特点  模糊控制器和常规的控制器（如PID 调节器）相比，具有无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有较强的抑制能力，即鲁棒性较好。但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，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。 模糊控制器要把误差输入信号转化为误差论域上的点，即 也就是说，|e| 在误差量程最大值e 的大约7%以内时，模糊控制器已经把它当作0 来对待了，因此，对e ＜7%e 的稳态误差模糊控制器无法消除，这是控制点附近的一个控制上的盲区和死区。对于控制作用，模糊控制器可以采用它的增量ΔU 作为输出，积分后输出给被控对象，这样相当于引入了积分作用，有利于消除稳态误差。然而，是解模糊后的离散点，不连续，因而控制作用不细腻，不利于精调消除稳态误差。  模糊控制的自适应能力有限，由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环境的变迁而变化时，它不能对自