模糊PID控制技術(shù)在太陽(yáng)能集熱器檢測(cè)上的應(yīng)用

摘 要：本文首先介紹普通模糊控制技術(shù)的基本概念，接著詳細(xì)敘述了自調(diào)整模糊PID控制的工作原理、方法、品質(zhì)特性，并且還陳述了自調(diào)整模糊PID控制器的設(shè)計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后列舉它的應(yīng)用實(shí)例，實(shí)踐證明使用模糊PID控制技術(shù)能獲得優(yōu)良的的動(dòng)靜態(tài)特性，在抗干擾能力、自適應(yīng)性和魯棒性等方面能取得良好的效果。 　　0引言 　　常規(guī)(比例，積分，微分)控制具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，特別對(duì)于線性定常系統(tǒng)的控制非常有效，控制品質(zhì)取決于控制器各個(gè)參數(shù)的整定。但是，隨著生產(chǎn)和技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制就往往不能勝任。小流量的水溫控制系統(tǒng)就是典型的大慣性，非線性、純滯后系統(tǒng)，在對(duì)它進(jìn)行實(shí)施控制時(shí)需要克服超調(diào)量大、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。 　　模糊控制通過(guò)把專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的若干條規(guī)則,采用簡(jiǎn)便、快捷、靈活的手段來(lái)完成那些用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論難以完成的自動(dòng)化和智能化的目標(biāo)。它是種非線性的智能控制方法，工作范圍寬，適應(yīng)性強(qiáng)；不依賴(lài)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型特別適合無(wú)法建?；蚝茈y建模的控制對(duì)象；它具有內(nèi)在的并行處理功能，魯棒性很強(qiáng)，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感；而且模糊控制器設(shè)計(jì)起來(lái)較容易，算法較簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。如果模糊控制器不引入積分機(jī)制，原則上誤差總是存在的。 　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制有以下這些特殊性：1.被控過(guò)程的滯后特性2.被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)短不一樣3.過(guò)程的非線性特性4.過(guò)程的時(shí)變性5.過(guò)程本征不穩(wěn)定性6.過(guò)程的耦合特性。所以無(wú)論采用常規(guī)線性控制系統(tǒng)方法還是普通的模糊控制技術(shù)都無(wú)法滿(mǎn)足控制性能要求。采用Fuzzy-復(fù)合控制方式不失為一種比較合理的解決辦法。它既能發(fā)揮模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)小的特點(diǎn),又具有控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在控制工業(yè)過(guò)程的設(shè)計(jì)中,常常采用參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制,以便實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。 　　自調(diào)整功能,進(jìn)一步完善控制的自適應(yīng)性能。 　　1 常規(guī)PID控制和模糊控制簡(jiǎn)介 　　1.1常規(guī)PID控制的介紹 　　1.1.1比例控制作用的特點(diǎn) 　　系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生,使被控制的對(duì)象朝著減小誤差的方向變化,控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP，但是對(duì)于具有自平衡(即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值)能力的被控對(duì)象存在靜差。加大KP可減小靜差,但KP過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。 　　1.1.2積分控制作用的特點(diǎn) 　　能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分,有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性,積分作用太強(qiáng)會(huì)使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞,以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 　　1.1.3微分制作用的特點(diǎn) 　　通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行微分,能感覺(jué)出誤差的變化趨勢(shì),增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng),使超調(diào)減小。缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感,使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。根據(jù)被控對(duì)象的不同,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù),可以獲得比較滿(mǎn)意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)單,參數(shù)調(diào)整方便,并且有一定的控制精度,因此它已成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。 　　控制算法也有它的局限性和不足,由于算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時(shí)變的情況下,才能獲得理想的效果。當(dāng)一個(gè)調(diào)好參數(shù)的控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)為時(shí)變系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)的性能會(huì)變差,甚至不穩(wěn)定。另外,在對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定的過(guò)程中,參數(shù)的整定值是具有一定局域性的優(yōu)化值,而不是全局性的最優(yōu)值,因此這種控制作用無(wú)法從根本上解決動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。 　　1.2模糊控制的介紹 　　模糊控制器和常規(guī)的控制器(如調(diào)節(jié)器)相比具有無(wú)須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力,即魯棒性較好。模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差,難以達(dá)到較高的控制精度。尤其是在離散有限論域設(shè)計(jì)，因?yàn)樗颜`差輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為誤差論域上的點(diǎn) 　　的穩(wěn)態(tài)誤差模糊控制器無(wú)法消除,這是控制點(diǎn)附近的一個(gè)控制上的盲區(qū)和死區(qū)。對(duì)于控制作用,模糊控制器可以采用它的增量作為輸出,積分后輸出給被控對(duì)象,這樣相當(dāng)于引入了積分作用,有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差。然而, 是解模糊后的離散點(diǎn),不連續(xù),因而控制作用不細(xì)膩,不利于精調(diào)消除穩(wěn)態(tài)誤差。 　　模糊控制的自適應(yīng)能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當(dāng)對(duì)象參數(shù)隨環(huán)境的變遷而變化時(shí)，它不能對(duì)自己的控制規(guī)則進(jìn)行有效地調(diào)整，從而使其良好的性能不能得到充分地發(fā)揮。 　　2.PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制器設(shè)計(jì) 　　模糊控制器由常規(guī)控制部分和模糊推理兩部分組成,模糊推理部分實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)模糊控制器。2.1模糊-PID控制器設(shè)計(jì)思想 　　參數(shù)的模糊自整定是找出三個(gè)參數(shù)與誤差E和誤差變化率EC之間的模糊關(guān)系；在運(yùn)行中通過(guò)不斷地檢測(cè)E和EC,對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。參數(shù)Kp,Ki和Kd的自調(diào)整規(guī)律為： 　　1.當(dāng)較大時(shí)（輸出處于上升階段的0﹪～40﹪過(guò)渡過(guò)程），為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較好的快速跟蹤性能，并避免因開(kāi)始時(shí)偏差的瞬間變大可能引起微分過(guò)飽和，而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，需對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki＝０。  　　2.當(dāng)為中等大時(shí)（輸出處于上升階段的40﹪～70﹪過(guò)渡過(guò)程），應(yīng)取較小的Kp，適當(dāng)?shù)腒i和Kd。 　　3.當(dāng)較小時(shí)（即系統(tǒng)響應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)值±10﹪的波動(dòng)范圍內(nèi)）應(yīng)取較大的Kp和Ki。同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)較小時(shí)，Kd值可取大些（通常取為中等大?。?；當(dāng)較大時(shí)，Kd值應(yīng)取小些。 　　根據(jù)以上思想，設(shè)計(jì)的二輸入三輸出模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示： 　　2.2模糊控制參數(shù)自調(diào)整算法 　　1.模糊化 　　在模糊控制中,當(dāng)誤差和誤差變化率偏小時(shí),傳統(tǒng)模糊控制方法失去作用,從而導(dǎo)致模糊控制規(guī)則失效。很多模糊控制都采用兩種不同的模糊控制方法(稱(chēng)為粗調(diào)整與細(xì)調(diào)整)來(lái)解決這一問(wèn)題。模糊控制系統(tǒng)為雙輸入三輸出的系統(tǒng)，模糊控制器兩個(gè)輸入量是偏差絕對(duì)值和偏差絕對(duì)值變化率，輸出的三個(gè)量是參數(shù)Kp、Ki和Kd。設(shè)定、和參數(shù)Kp、Ki和Kd的模糊控制論域，采用四種不同的模糊語(yǔ)言變量進(jìn)行描述：零（Z）、?。⊿）、中（M）、大（B）。為了計(jì)算機(jī)處理和實(shí)現(xiàn)的方便，輸入偏差、輸入偏差變化率和輸出隸屬函數(shù)均采用線性函數(shù)。模糊偏差，偏差變化率和參數(shù)Kp、Ki及Kd對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)分別如圖2、圖3、圖4所示（圖中a、b、c的取值由具體的工業(yè)控制過(guò)程決定）： 　　2.3模糊-PID參數(shù)控制算法流程 　　首先離線地制作好模糊控制表，在運(yùn)行模糊控制程序時(shí)調(diào)入內(nèi)存中供查表子程序調(diào)用。其次設(shè)置基本論域及初始值（誤差E、誤差變化率EC、控制量U、量化因子及比例因子）。接著采樣當(dāng)前的溫度值，計(jì)算得出偏差E、偏差變化率EC。然后查找三個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的模糊控制表，清晰化后得到模糊控制量所對(duì)應(yīng)的ΔKp、ΔKi、ΔKd的值。最后，采用增量式的控制算法計(jì)算當(dāng)前控制增量，將附加在前一時(shí)刻的控制量上，即可得到當(dāng)前時(shí)刻輸出控制量U。如圖6所示： 　　3模糊PID控制應(yīng)用實(shí)例 　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本工作原理 　　依據(jù)上述Fuzzy-控制的理論分析和實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了如下圖6所示的小流量閉式循環(huán)水溫控制系統(tǒng)：由恒溫大水箱（300L），初級(jí)溫度加熱器，次級(jí)溫度加熱器，太陽(yáng)能集熱器，冷浴交換器，冷水流量控制泵，循環(huán)混水泵以及保溫隔熱材料等組成。 　　該系統(tǒng)中溫度控制回路的大致工作原理為： 　　1由流量控制系統(tǒng)將進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器的水流流量穩(wěn)定在0.01～0.080kg/(s•m2)范圍內(nèi)的某一設(shè)定值上（具體數(shù)值由試驗(yàn)條件決定）。 　　2利用大功率（20KW）的初級(jí)加熱棒將整個(gè)系統(tǒng)的工質(zhì)進(jìn)行快速加熱，使恒溫大水箱的溫度與設(shè)定值之差不超過(guò)±1℃。 圖7閉式溫度控制回路 　　3用參數(shù)自調(diào)整模糊控制器驅(qū)動(dòng)可控硅次級(jí)加熱器將溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，使其波動(dòng)范圍不超過(guò)±0.1℃。 　　4通過(guò)調(diào)節(jié)器來(lái)控制冷水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)冷水流量的大小，以便控制冷浴交換器中的熱量交換，進(jìn)而使從集熱器流回到恒溫大水箱的水流溫度降低到設(shè)定值。以避免經(jīng)太陽(yáng)曬熱的水流抬升了恒溫大水箱中的溫度，盡量消除干擾。進(jìn)入冷浴交換器中的冷水溫度保持恒定（比設(shè)定值低一個(gè)固定的數(shù)值；由另一套專(zhuān)用制冷裝置提供冷水）。此外還在恒溫水箱和次級(jí)加熱小水罐的兩端各安裝了一個(gè)循環(huán)混水泵，在加熱時(shí)進(jìn)行循環(huán)攪拌，以保證各部分受熱均勻。 　　根據(jù)Ziegler-Nichols公式： 　　整定PID控制器的初始參數(shù)為： 　　P=16；I=5；D=0.4。 　　本系統(tǒng)中的由Fuzzy-控制實(shí)現(xiàn)的次級(jí)溫度調(diào)節(jié)器只需要在一個(gè)小范圍內(nèi)精細(xì)調(diào)節(jié)（其波動(dòng)范圍不超過(guò)±0.1℃）的特點(diǎn)，可以設(shè)置輸入量﹑的量化域表分別如表4﹑5所示： 　　3.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析 　　附表1所示的是用國(guó)家太陽(yáng)能集熱器檢測(cè)中心（昆明）開(kāi)發(fā)的這套模糊水溫控制系統(tǒng)上實(shí)測(cè)的入口溫度Tin的數(shù)據(jù)記錄。 　　從附表上可以看出：在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)期后，入口溫度Tin的最高值點(diǎn)和最低值點(diǎn)的差值不超過(guò)0.2℃（約為0.16℃左右）；溫度的穩(wěn)定時(shí)間接近30分鐘，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15分鐘的要求。 　　4.結(jié)論 　　實(shí)踐結(jié)果表明,這套模糊控制系統(tǒng)既具有常規(guī)控制精度高，能消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點(diǎn)；又具備模糊控制較快的響應(yīng)速度，較小的超調(diào)，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好的長(zhǎng)處，改善了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)。（張定學(xué)　武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院湖北武漢430023  吳曉鴻　周黎　鄭維　國(guó)家太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（武漢） 　　附表1入口溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄