基于模糊PID參數自整定的溫度控制系統的研究

摘要：工業(yè)溫度控制系統具有非線(xiàn)性、時(shí)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PID參數調節在溫度控制中適應性差，調節效果不理想的問(wèn)題，這里采用了模糊PID參數自整定控制方法，用模糊控制規則對PID參數進(jìn)行修改，利用Matlab的Simulink仿真工具箱做了常規PID與模糊PID的仿真對比試驗。仿真結果表明，模糊PID參數自整定控制效果在超調量和調節時(shí)間上都小于常規PID，提高系統快速性和準確性，改善了溫度系統動(dòng)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：溫度控制；Matlab仿真；模糊規則；PID

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中溫度是重要的控制參數之一，對溫度的有效控制對于保證生產(chǎn)質(zhì)量具有重大的現實(shí)意義和理論價(jià)值。工業(yè)溫度控制系統具有非線(xiàn)性、時(shí)變性和滯后性等特性，而常規PID控制器參數往往整定不良，性能欠佳，對運行的工作情況適應性差，導致常規PID控制不能使溫度控制達到理想效果。為了改善常規PID控制效果，增強系統的適應性，實(shí)現PID參數自整定，本文設計出一種PID參數自整定的模糊控制器。利用模糊邏輯對PID控制器參數進(jìn)行調整實(shí)現控制效果最優(yōu)，將溫度作為控制對象，并利用Matlab的Simulink工具箱實(shí)現仿真對比分析常規PID與模糊PID的曲線(xiàn)，最后應用到實(shí)際的溫度控制系統中，對比分析常規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控制器因為結構簡(jiǎn)單、容易實(shí)現，并且具有較強的魯棒性，因而被廣泛應用于各種工業(yè)過(guò)程控制中。在傳統PID控制中，PID參數在線(xiàn)整定一直是人們研究的問(wèn)題之一，最早提出PID參數工程整定方法的是Z-N整定公式，至今仍然在工業(yè)控制中應用。而常規PID整定參數的選擇取決于多種因素，比如被控對象的動(dòng)態(tài)性能、控制目標以及操作人員對系統的理解等，因此肯定造成整定效果不理想。人們發(fā)現單純靠常規PID控制算法是無(wú)法完成各種復雜控制的。在這種背景下，專(zhuān)家首次提出了基于繼電器反饋的自適應PID控制系統應用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。近年來(lái)國外對于Fuzzy-PID的研究已經(jīng)由先前的基于專(zhuān)家經(jīng)驗的模糊控制技術(shù)實(shí)現PID參數調整的研究，逐漸轉向基于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳理論的模糊復合控制技術(shù)與常規PID結合的復雜控制，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(lái)，在理論研究基礎上，具有模糊推理的自整定PID控制器也相繼問(wèn)世。此外，各種智能控制算法相互結合，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參數整定
一般的PID參數整定方法大多通過(guò)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗獲取系統模型或性能參數，再用代數規則給出適當的PID整定值，或者根據多年的經(jīng)驗，給出參數值，這些方法簡(jiǎn)單，便于工程應用，但參數的整定效果不理想。在實(shí)際的應用中，許多被控過(guò)程機理復雜，具有高度非線(xiàn)性、時(shí)變不確定性和純滯后等特點(diǎn)。過(guò)程參數甚至可能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和工作環(huán)境的變化而變化。這就要求在PID控制中，不僅參數的整定不依賴(lài)系統的數學(xué)模型，并且能夠在線(xiàn)調整，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)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、自組織的能力，能夠自動(dòng)辨識被控過(guò)程參數、適應被控過(guò)程參數的變化，而且又具有常規PID控制器結構簡(jiǎn)單、魯棒性強、可靠性高的特點(diǎn)。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控制的結合形式很多，本文采用的是模糊PID參數自整定的方法。

2 溫度控制的數學(xué)模型
2．1 溫度控制系統組成
考慮圖1所示的溫度控制系統。該溫度控制系統主要構成部分是儲水箱、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加熱絲作為執行機構，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，常規PID與模糊PID的控制參數輸入智能控制器，然后輸出4～20 mA模擬信號調節0～380 V電壓控制加熱絲加熱的程度。