CN111983918A - 一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法 - Google Patents

一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进型模糊Smith‑PID的电加热炉温度控制方法。首先，通过温度传感器采集电加热炉的实际温度，并与给定值进行比较获得温度偏差量及偏差量的变化率；模糊推理出三个控制参数整定量，从而通过PID控制器计算出电加热炉的控制信号；在***中添加改进型Smith预估器进行预估补偿，并用九点控制法对Smith预估器反馈通道的滤波时间常数进行调节。本发明采用参数自整定模糊PID替换传统的PID，减小***的超调量，提高***的鲁棒性。并且在传统Smith预估器的基础上，将九点控制法引入时滞***中，对反馈通道的滤波时间常数进行实时在线调整，补偿滞后环节的同时缓解预估模型不匹配所带来的影响。

Description

一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，属于电加热炉温度控制领域。
背景技术
电加热炉作为一种清洁、安全、髙效的生产设备，广泛应用于工业领域以及人们生活的方方面面。但是电加热炉作为被控对象具有大滞后的特点，表现为在温度上升过程中易产生较大的超调量。大超调量在温度控制中是不允许的。因此，提升电加热炉对象的控制性能，保证控制***的稳定性，不仅是对生产工艺要求的保证，而且是保证设备安全生产的前提。
针对电加热炉温度控制***，PID控制是最为经典的一种控制方法。由于实现简单，在一些中小型的、控制要求不太高的电加热炉中依然广泛使用。然而，在一些控制性能要求较高的电加热炉控制***中，常规的PID控制己经不能满足所有的工业过程。特别是在具有大时滞、强耦合、非线性等特点的过程对象中，常规PID控制往往不能取得理想的控制效果，受限于其参数整定的困难，常规PID控制器的适应性很差。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术，提出一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，实现对PID参数的自动在线整定，消除滞后时间以及模型不匹配对***稳定性的影响。
技术方案：一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，包括如下步骤：
步骤1：将实际温度值与给定值进行比较获得温度偏差量e及偏差量的变化率ec，作为模糊控制器的输入；
步骤2：通过模糊控制器，推理出PID控制器三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd；
步骤3：将所述三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd送入PID控制器，实现PID参数自整定，然后利用PID控制器计算出电加热炉的控制信号；
步骤4：在Smith预估器的反馈通道加入一阶惯性环节，采用九点控制方法对反馈通道的滤波时间常数进行实时在线调整。
进一步的，所述的步骤2中模糊控制器的具体设计规则包含以下步骤：
步骤A1：定义模糊控制器的模糊论域，将温度偏差量e及偏差量的变化率ec作为模糊控制器的输入，PID控制器的三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd作为输出，控制器的输入变量及输出变量的模糊论域定义如式(1)所示：
Figure BDA0002660751530000021
步骤A2：设置模糊语言，将变量在论域上分为7个等级：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，隶属函数均选三角形隶属函数，分别对所述模糊论域来划分获得七个模糊子集，即对应七个语言值；
步骤A3：根据***响应曲线特性，设定温度偏差量化因子Ke和温度偏差变化率的量化因子Kec；
步骤A4：结合电加热炉温度控制***的特点，采用Mamdani推理法，制定Kp、Ki、Kd模糊整定规则如表1所示：
表1
Figure BDA0002660751530000022
步骤A5：根据所述模糊整定规则推理得到的输出为模糊量，并采用最大隶属度法进行反模糊化处理，得到三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd的精确量。
进一步的，所述的步骤3中PID参数自整定具体为：根据模糊控制器推理出的所述三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd，利用式(2)对PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd进行实时在线调整，然后利用式(3)计算得到电加热炉的控制信号u：
Figure BDA0002660751530000031
Figure BDA0002660751530000032
式中，Kp0、Ki0、Kd0为PID控制器的三个初始参数，u(t)为t时刻的电加热炉的控制信号，e(t)为t时刻的温度偏差量。
进一步的，所述的步骤4中九点控制法具体为：设定温度偏差上下限e0和-e0，温度偏差变化率上下限ec0和-ec0，并根据的数值大小分别划为三种状态，所述温度偏差上下限和度偏差变化率上下限结合后一共存在九种状态，每一种状态表示一种工作情况，根据工况信息令控制器给出相应的控制，用Ki±(i＝0,1,2,3)表示不同的工况施加不同的控制作用，具体的控制策略如表2所示：
表2
Figure BDA0002660751530000033
根据九点控制策略，通过测试被控对象不同参数失调时反馈通道的滤波时间常数tf取值对***的影响效果，对滤波时间常数tf进行在线整定。
有益效果：本发明针对电加热炉温度控制***，采用参数自整定模糊PID和Smith预估补偿复合控制，减小***的超调量，提高***的鲁棒性；并且在传统Smith预估器的基础上进行改进，在反馈通道加入一阶惯性环节，同时将九点控制方法引入时滞***中，对反馈通道的滤波时间常数进行实时在线调整，补偿滞后时间影响的同时缓解预估模型不匹配所带来的影响。
附图说明
图1为本发明的基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法原理图；
图2为本发明的基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法流程图；
图3为本发明方法中模糊控制器的七个模糊子集对应七个语言值的示意图；
图4为本发明提供的基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法阶跃响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法所基于的***如图1所示，包括温度偏差变化率量化因子1、温度偏差量化因子2、模糊控制器3、PID控制器4、电加热炉5、改进型Smith预估器6、九点控制器7、温度传感器8。
如图2所示，本方法包括如下步骤：
步骤1：确定模糊控制器的输入量：
通过温度传感器采集电加热炉的实际温度，将实际温度值与给定值进行比较获得温度偏差量e及偏差量的变化率ec，作为模糊控制器的输入。
步骤2：设计模糊控制器，包括：
步骤A1：定义模糊控制器的模糊论域，将温度偏差量e及偏差量的变化率ec作为模糊控制器的输入，PID控制器的三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd作为输出。控制器的输入变量及输出变量的模糊论域定义如式(1)所示：
Figure BDA0002660751530000041
然后设置模糊语言，将变量在论域上分为7个等级：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。隶属函数均选三角形隶属函数，分别对上面的模糊论域来划分获得七个模糊子集，也就是对应七个语言值，如图3所示。
步骤A2：根据***响应曲线特性，结合经验值，设定温度偏差量化因子Ke和温度偏差变化率的量化因子Kec；
步骤A3：结合电加热炉温度控制***的特点，采用Mamdani推理法，制定Kp、Ki、Kd模糊整定规则如表1所示：
表1
Figure BDA0002660751530000051
步骤A5：根据模糊规则推理得到的输出为模糊量，不能直接输出，采用最大隶属度法进行反模糊化处理，得到三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd的精确量。
步骤3：利用PID控制器计算出电加热炉的控制信号：
根据模糊控制器推理出的三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd，利用式(2)对PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd进行实时在线调整，然后利用式(3)计算得到电加热炉的控制信号u：
Figure BDA0002660751530000052
式中，Kp0，Ki0，Kd0为PID控制器的三个初始参数，u(t)为t时刻的电加热炉的控制信号，e(t)为t时刻的温度偏差量。
步骤4：在常规Smith预估器的基础上，在反馈通道加入一阶惯性环节，采用九点控制方法对反馈通道的滤波时间常数进行实时在线调整。具体为：设定温度偏差上下限e0和-e0，温度偏差变化率上下限ec0和-ec0，根据它们的数值大小分别划为三种状态。因此它们结合之后一共存在九种状态，每一种状态表示一种工作情况，根据工况信息令控制器给出相应的控制。用Ki±(i＝0,1,2,3)表示不同的工况施加不同的控制作用。以K3-为例，当***的运动状态处于e>e0且ec>ec0时，表示电加热炉内的温度比设定的温度值大，且偏差正在逐渐增大，为了使***迅速回复到设定的温度值，控制器需要给***施加强减(K3-)的控制作用。其具体的控制策略总结如表2所示：
表2
Figure BDA0002660751530000061
根据九点控制策略，通过测试被控对象不同参数失调时反馈通道的滤波时间常数tf取值对***的影响效果，对滤波时间常数tf进行在线整定，得到电加热炉的控制信号。
基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法仿真结果如图4所示。仿真中选取G(s)＝e-30s/(140s+1)为控制对象，以单位阶跃响应为输入信号，且在传统模糊Smith-PID控制和本发明改进型模糊Smith-PID控制中被控对象的时滞常数减小50％。从仿真结果可以看出，带有Smith预估补偿器的复合控制***比常规的模糊PID控制***响应快，消除了滞后时间对***带来的影响；在被控对象模型参数失配时，传统的模糊Smith-PID控制产生超调，而本发明提出的改进型模糊Smith-PID控制仍具有较好的控制性能，***响应快，且无超调。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将实际温度值与给定值进行比较获得温度偏差量e及偏差量的变化率ec，作为模糊控制器的输入；
步骤2：通过模糊控制器，推理出PID控制器三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd；
步骤3：将所述三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd送入PID控制器，实现PID参数自整定，然后利用PID控制器计算出电加热炉的控制信号；
步骤4：在Smith预估器的反馈通道加入一阶惯性环节，采用九点控制方法对反馈通道的滤波时间常数进行实时在线调整。
2.根据权利要求1所述的基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，其特征在于，所述的步骤2中模糊控制器的具体设计规则包含以下步骤：
步骤A1：定义模糊控制器的模糊论域，将温度偏差量e及偏差量的变化率ec作为模糊控制器的输入，PID控制器的三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd作为输出，控制器的输入变量及输出变量的模糊论域定义如式(1)所示：
Figure FDA0002660751520000011
步骤A2：设置模糊语言，将变量在论域上分为7个等级：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，隶属函数均选三角形隶属函数，分别对所述模糊论域来划分获得七个模糊子集，即对应七个语言值；
步骤A3：根据***响应曲线特性，设定温度偏差量化因子Ke和温度偏差变化率的量化因子Kec；
步骤A4：结合电加热炉温度控制***的特点，采用Mamdani推理法，制定Kp、Ki、Kd模糊整定规则如表1所示：
表1
Figure FDA0002660751520000021
步骤A5：根据所述模糊整定规则推理得到的输出为模糊量，并采用最大隶属度法进行反模糊化处理，得到三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd的精确量。
3.根据权利要求1所述的基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，其特征在于，所述的步骤3中PID参数自整定具体为：根据模糊控制器推理出的所述三个参数整定量△Kp、△Ki、△Kd，利用式(2)对PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd进行实时在线调整，然后利用式(3)计算得到电加热炉的控制信号u：
Figure FDA0002660751520000022
Figure FDA0002660751520000023
式中，Kp0、Ki0、Kd0为PID控制器的三个初始参数，u(t)为t时刻的电加热炉的控制信号，e(t)为t时刻的温度偏差量。
4.根据权利要1所述的基于改进型模糊Smith-PID的电加热炉温度控制方法，其特征在于，所述的步骤4中九点控制法具体为：设定温度偏差上下限e0和-e0，温度偏差变化率上下限ec0和-ec0，并根据的数值大小分别划为三种状态，所述温度偏差上下限和度偏差变化率上下限结合后一共存在九种状态，每一种状态表示一种工作情况，根据工况信息令控制器给出相应的控制，用Ki±(i＝0,1,2,3)表示不同的工况施加不同的控制作用，具体的控制策略如表2所示：
表2
Figure FDA0002660751520000031
根据九点控制策略，通过测试被控对象不同参数失调时反馈通道的滤波时间常数tf取值对***的影响效果，对滤波时间常数tf进行在线整定。
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