一种炉温度控制系统中模糊pid参数自整定的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于炉温度控制技术领域，尤其涉及一种炉温度控制系统中模糊PID参数 自整定的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 炉温控制系统是一个复杂系统，具有非线性、参数时变性和控制变量多、被控制量 延迟等特性，存在诸多不确定因素的干扰，难以建立精确的数学模型。对复杂系统，采用PID 方式控制显然是不恰当的。
[0003] 要改进系统性能，首先必须研宄PID调节各参数对系统动、静态性能的影响，具体 来说包括以下方面：
[0004] 1)比例环节的作用是减少偏差。比例系数Kp增大可以加快响应速度，减小系统稳 态误差，提高控制精度。K p过大会产生较大超调，导致系统不稳定；Kp过小，可减少系统的超 调量，使系统稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，使系统的过渡过程时间延长。
[0005] 2)积分环节用于消除系统静差，提高系统无差度，但会使系统响应速度变慢，使超 调量变大，导致产生振荡。加大积分系数K 1有利于减小系统静差，但过强会使超调量加剧， 甚至引起振荡；减小K1有利于系统的稳定，减小系统的超调量，但对消除静差是不利的。
[0006] 3)微分环节能反映系统偏差的变化趋势，可在偏差信号值变得太大之前，引入一 个有效的早期修正信号，有助于减小超调，克服振荡，使之快速趋于稳定，提高响应速度。其 缺点是抗干扰能力差，增大微分系数K d有利于加快系统响应，但会带来扰动敏感，抑制干扰 能力减弱，若Kd过大则可能提前制动延长调节时间；反之，若K D过小，系统调节过程的减速 就会滞后，超调量增加，使系统响应速度变慢，导致系统的稳定性变差。
[0007] PID控制系统的典型响应曲线如图1所示，温度偏差e(t) =r(t)-y(t)，偏差变化 率ec(t) =dec(t)/dt，现分段分析PID控制算法中各个参数的整定原则。由上可知，PID 参数整定及其存在的问题主要为：
[0008] I) OA段（e>0, ec〈0)，可再分为三段，即01，IJ和JA段。在OI段，e较大，为加快 响应速度并防止开始时偏差e瞬间过大，可取较大的K p和较小的K D，为了防止积分饱和，避 免系统响应出现较大超调，应去掉积分作用（即K1= 0)或降低积分作用。在IJ段，为了 降低系统超调，KP、&和K D都不能太大，应取较小的K1值，K p和K D值的大小要适中，以保证 系统响应速度。在JA段，调量变化有减小偏差的发展趋势，应当减小Kp并增大K τ的值，为 避免系统在设定值附近振荡，考虑系统的抗干扰性能，Kd值选择中等大小为好。
[0009] 2) AB段（e〈0, ec〈0)，输出值已经超过了稳态值，除了采用比例控制外，应该加强 积分控制作用，使之尽快回到稳态值。考虑抗干扰性能，K d可略大，但取中等大小为好。
[0010] 3)BC段（e〈0, ec>0)，系统已经呈现出向稳态变化的良好趋势，应降低积分作用或 去掉积分作用。考虑抗干扰性能，微分系数K d值仍可以取大一些，通常选取中等大小为好。
[0011] 4)⑶段（e>0, ec>0)，系统误差有向相反方向变化的不良坏趋势，并且在D点达到 正最大值。在这种种情况下，应该以PI控制为主，以弱化不良坏趋势的影响。
[0012] 5)DE段（e>0, ec〈0)，系统响应出现误差逐渐减小的良好趋势，控制作用不宜太 强，否则系统会出现再次超调，显然这时应该降低积分作用。其后各时间段变化的情况类 同，这里不再重复。
[0013] 由此可知，一次性整定得到的PID参数很难保证控制始终处于优化状态。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的在于提供一种一种炉温度控制系统中模糊PID参数自整定的方法 及系统，旨在解决炉温度控制系统中一次性整定的PID参数难以保证系统控制效果始终处 于优化状态的问题。
[0015] 本发明是这样实现的，一种炉温度控制系统中模糊PID参数自整定的方法，包括 以下步骤：
[0016] S1、对PID控制器中变量进行选取以及量化；
[0017] S2、找出PID三个控制参数比例系数KP、积分系数K1以及微分系数Kd与温度误差 e(k)和偏差变化率ec(k)的模糊关系，建立模糊关系表；
[0018] S3、借助模糊控制方法对三个参数进行在线修改。
[0019] 优选地，步骤Sl包括以下具体过程：
[0020] 选取温度误差e(k)、偏差变化率ec(k)、比例系数变化量Λ KP、积分系数变化量 Λ K1和微分系数变化量Λ K "的论域；
[0021] 根据各变量论域划分最大值，对各变量量化为模糊量。
[0022] 优选地，在步骤S2中，所述模糊关系包括：
[0023] (1)当偏差e较大时，误差较大，为使系统有较快的响应速度，增大Kp取值；为防止 偏差变化率ec瞬时过大，减小K d取值；为避免较大的超调，对积分作用加以限制，取K 1 = 〇 ；
[0024] (2)当偏差e处于中等大小时，为使系统相应具有较小的超调，减小Kp取值，KpK11 取值应保证系统的响应速度；
[0025] (3)当偏差e较小时，为使系统具有较好的稳定性，增大&与K :取值，同时为避免 系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，根据偏差变化率ec来，当ec较大 时，减小K d取值，当ec值较小时，增大K D取值。
[0026] 优选地，步骤S3包括以下具体步骤：
[0027] 根据所述模糊关系表进行模糊推理；
[0028] 对所述模糊推理结果进行去模糊化，得到实际控制的精确量；
[0029] 根据PID的控制信息对模糊关系表进行优化。
[0030] 本发明进一步提供了一种炉温度控制系统中模糊PID参数自整定的系统，所述系 统包括：
[0031] 变量选取量化模块，用于对PID控制器中变量进行选取以及量化；
[0032] 模糊关系建立模块，用于找出PID三个控制参数比例系数KP、积分系数K 1以及微 分系数Kd与温度误差e (k)和偏差变化率ec (k)的模糊关系，建立模糊关系表；
[0033] 参数在线修改模块，用于借助模糊控制方法对三个参数进行在线修改。
[0034] 优选地，所述变量选取量化模块包括：
[0035] 变量论域选取模块，用于选取温度误差e (k)、偏差变化率ec (k)、比例系数变化量 Λ KP、积分系数变化量Λ K1和微分系数变化量Λ K "的论域；
[0036] 量化模块，用于根据各变量论域划分最大值，对各变量量化为模糊量。
[0037] 优选地，所述模糊关系建立模块中，所述模糊关系包括：
[0038] (1)当偏差e较大时，误差较大，为使系统有较快的响应速度，增大Kp取值；为防止 偏差变化率ec瞬时过大，减小K d取值；为避免较大的超调，对积分作用加以限制，取K 1 = 〇 ；
[0039] (2)当偏差e处于中等大小时，为使系统相应具有较小的超调，减小Kp取值，KpK 11 取值应保证系统的响应速度；
[0040] (3)当偏差e较小时，为使系统具有较好的稳定性，增大心与K i取值，同时为避免 系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，根据偏差变化率ec来，当ec较大 时，减小K d取值，当ec值较小时，增大K D取值。
[0041 ] 优选地，所述参数在线修改模块包括：
[0042] 模糊推理模块，用于根据所述模糊关系表进行模糊推理；
[0043] 精确量获取模块，用于对所述模糊推理结果进行去模糊化，得到实际控制的精确 量；
[0044] 优化模块，用于根据PID的控制信息对模糊关系表进行优化。
[0045] 炉温度控制系统是一个复杂系统，具有非线性、参数时变性和控制变量多、被控制 量延迟等特性，存在诸多不确定因素的干扰，难以建立精确的数学模型。对复杂系统，采用 PID方式控制显然是不恰当的，因为一次性整定的PID参数难以保证系统控制效果始终处 于优化状态，因此，有必要实时地改变PID参数，自动整定PID参数的值，在参数值整定后自 动切换到正常的工作状态。在系统性能超出预期范围后，能自动重新整定PID参数，以保证 控制品质 [1]。
[0046] 由于炉温系统控制对实时性要求高，本发明采用基于模糊控制的参数在线自整定 方法。在本发明中，常规模糊控制器的结构图[2]如图2所示。由模糊化接口、数据库、规 则库、推理机和解模糊接口等组成：模糊化接口，将确定输入量转换成一个模糊矢量；数据 库，存放全部模糊子集的隶属度矢量值，向推理机提供数据；规则库，存放直觉推理规则，IF 部分为前提，THEN部分为结论；模糊推理，经推理可得模糊控制量[3][4];解模糊，完成从模 糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射 [5]。
[0047] 本发明提出采用参数自整定方法，实时改变PID参数，以保证控制系统的优良品 质。借助PID参数的在线模糊自整定后，自动切换到正常工作状态，在系统性能发生改变时 自动启动PID参数的整定过程，重新整定的PID参数可以使系统达到更好的控制品质。
【附图说明】
[0048] 图1是本发明PID控制系统的典型响应曲线；
[0049] 图2是本发明常规模糊控制器的结构示意图；
[0050] 图3是本发明参数模糊自整定机构的结构示意图；
[0051] 图4是本发明炉温度控制系统中模糊PID参数自整定的方法的步骤流程图；
[0052] 图5是本发明MATLAB工具仿真后的PID控制阶跃响应曲