基于模糊PID的电锅炉温度控制系统_代强.doc

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1、72 基于模糊 PID 的电锅炉温度控制系统 基于模糊 PID 的电锅炉温度控制系统 Fuzzy PID based Temperature Control System for Electric Boiler 代 强 （山 东华 埠特 克智 能机 电工 程有 限公司 ，山 东 济 南 250017） 摘 要 温度控制在工业控制中一直都是比较重要的课题，依据控制对象的不同，有着不同的控制方法。 一般来说温度控制系 统都具有大惯性和大延迟的特性，为实现它的控制带来一定的难题。 在对电锅炉温度控制 系统建立其数学模型的基础上， 分别设计了 PID 和模糊 PID 控制器，并通过仿真实验验证了两种控

2、制方 法的有效性，分析了他们各自的优缺点。 关键词 ：温度控制，电锅炉， PID，模糊 PID Abstract Temperature control in industrial control isan important issue,according to the different control objects there are different control methods Generally,the temperature control system has the large inertia and large delay characteristics,these

3、bring some problems to achieve its control Based on establishing the mathematical model of the electric boiler temperature con- trol system,PID and fuzzy PID controller are designed in this paper Simulation results show the effectiveness of the two control methods Their advantages and disadvantages

4、are analyzed Keywords:temperature control,electric boiler,PID,fuzzy PID 且伴有非线性，因此实现它的控制具有一定的难度 。 本文分别 100s 1 利用单独 PID 控制和 模糊 PID 控 制两种 控制方 案进行 电锅炉 温度控制，并给出 Matlab 仿真结果，通过结 果的对比 分析得出 控制策略的选择： 通过对电锅炉的结构和 模型分析确定出 两种控制方案的优缺点。 两种控制策略，第一种是 PID 控制，目前工业生 产过程中的线性 1 建立数学模型 定常系统大多均采用此种经典控制， 它是经典 控制理论中最典 理论分析和试

5、验结果表明：电锅炉是一个具有自平衡能力的 型的控制方法，常规的 PID 控制系统原理框图如图 2 所示。 对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统，通过参数辨 识可以降为一阶模型。 因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述电 锅炉温度控制对象的数学模型。 其传递函数可由式（ 1）表示： Ts 1 式（ 1）中 K 对 象的静态增 益； T 对象的时间 常数； 对象 Ti dt 1 所示： PID 控制器的传递函数为： Tis 通过 实 验试 凑 法 得到 的 PID 控 制 器参 数 为 ： Kp 0 4 ， Ti 100 ， Td 0 1 第二种控制方案是模糊与 PID 控制结合方 法， 模

6、糊控制是 一种以先验知识和专家经验为控制规则的智能控 制技术， 可以 模仿人类下判断时的模糊概念， 具有响应时间 短和较小超调量 图 1 电锅炉温度系统的单位阶跃响应曲线 由图 1 可得电锅炉温度系统数学模型的 传递函数为： 图 3 模糊控制系统基本框图 20s 电锅炉温度控制的动态特性具有大 惯性大延迟 的特点，而 G（ s） 控制器设计 s Ke G s 1 的纯滞后时间。 图 常规 控制系统原理图 本文使用飞升曲线法建立电锅炉温度系统的数学模型。 具 控制器的输入 （）与输出 （ ）的关系为： 体过程是指利用电锅炉在阶跃信号作用下的响应曲线来建立其 （） u（ t） K e（ t） e（

7、 t） dt T （ 2） p d 1 G（ s） K （ 1 Ts） （ 3） 工业控制计算机 2014 年第 27 卷第 11 期 的优点。因此将模糊控制与 PID 控制相结合，理论上可以达到快 速的响应时间，较小的超调量和消除系统的稳态误差的效果 2。 模糊控制系统基本结构框图如图 3。 模糊控制 器定义输入 输出变量的 模糊集 合都是 NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB ，选取对称、均匀分 布、全交叠的 三角形作 为 输入输出变量模糊集的隶属函数。 根据输入输出模糊集的定 义，可以设计出 49 条模糊控制规则，如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则表 73 仿真结果验

8、证了模糊 PID 控制器在电锅炉 温度控制系统中 的有效性，并通过实验可以看出相对于使用单独 PID 控制器，模 糊 PID 控制的超调量明显减小，系统不再产生震荡，调节时间也 较为减少。 在电锅炉的工作过程中， 不可避免地会出 现各种各样的扰 动，一个令人满意的控制系统必须具有一定的抗干扰能力。 下面 是对以上两种控制策略的抗干扰性能进行的仿真实验。 本文对系统 中所加的干扰都是 在 300s 时 引入一个幅值 为 40 持续时间 1s 的干扰信号。 此时，单独 PID 控制系统的响应曲 线如图 6 所示： 为了利用模糊控制的快速响应特性，在误 差较大时，采取模 糊控制策略，当误差很小后开始

9、进行 PID 控制，从而既有了快速 的响应速度又消除了系统的稳态误差 3。 3 实验结果 本文使用 Matlab 软件对上述控制器进行 仿真实验，来验证 理论 分析的结果。 仿真实验中设定的目标温度为 20 ，图 4 所 图 6 系统有干扰时单独 PID 控制的响应曲线 示为单独使用 PID 控制器的电锅炉温度控制系统的响应曲线： 模糊 PID 控制时系统加入扰动后的响应曲线如图 7 所示： 图 4 单独 PID 控制电锅炉温度的响应曲线图 图 7 系统有干扰时模糊 PID 控制的响应曲线 通过仿真实验可以看出 PID 控制器的控制效果不是非常令 人满意，超调量较大，调节时间较长但是消除了系统

10、的稳态误差。 选用模糊 PID 复合控制器实验时设定的误差阈值为 0 5 ， 即当温度小 于 19 5 时 ，使 用模糊 控制器 ，高 于 19 5 后采用 PID 控制器，系统仿真的响应曲线图如图 5 所示： 图 5 模糊 PID 控制电锅炉温度的响应曲线图 由图所示的实验结果来看，相对于单独 PID 控制，模糊 PID 控制对于干扰的响应速度更快， 而且在干扰消 除后回到目标温 度的时间更短。由此可见，模糊 PID 控制器能够快速消除系统干 扰，具有更好的抗干扰能力，控制系统的稳定性能更强。 4 结束语 通过仿真结果可以得出， 本文设计的模糊 PID 控制器相对 于普通的单独 PID 控制

11、器， 既具有快速的响应 速度又能准确地 消除稳态误差，控制系统具有更强的稳定性和抗干扰能力。 参考文献 1孙新 国 电加热常压热水锅炉及其 设计 J 工业锅炉 ， 2000 1（ ）：62 64 2 李丹，谢植，程 杰 模糊 控制在温度控 制中的应 用与发展 J 黄金 学 报， 2002， 2（ 4）： 294 269 3 Qu Sun, Renhou Li, Ping Zhang Stable and optimal adap- tive fuzzy control of complex systems using fuzzy dynamic model Fuzzy Sets and Systems, 2003, 133:1 17 收稿日期： 2014 5 21