模糊PID控制技术在太阳能集热器检测上的应用

摘 要：本文首先介绍普通模糊控制技术的基本概念，接着详细叙述了自调整模糊PID控制的工作原理、方法、品质特性，并且还陈述了自调整模糊PID控制器的设计方法及其实现过程，最后列举它的应用实例，实践证明使用模糊PID控制技术能获得优良的的动静态特性，在抗干扰能力、自适应性和鲁棒性等方面能取得良好的效果。 　　0引言 　　常规(比例，积分，微分)控制具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，特别对于线性定常系统的控制非常有效，控制品质取决于控制器各个参数的整定。但是，随着生产和技术的发展，传统的控制就往往不能胜任。小流量的水温控制系统就是典型的大惯性，非线性、纯滞后系统，在对它进行实施控制时需要克服超调量大、过渡过程时间长等缺点。 　　模糊控制通过把专家的经验或手动操作人员长期积累的经验总结成的若干条规则,采用简便、快捷、灵活的手段来完成那些用经典和现代控制理论难以完成的自动化和智能化的目标。它是种非线性的智能控制方法，工作范围宽，适应性强；不依赖对象的数学模型特别适合无法建模或很难建模的控制对象；它具有内在的并行处理功能，鲁棒性很强，对被控对象的特性变化不敏感；而且模糊控制器设计起来较容易，算法较简单，运行速度快，实时性强。如果模糊控制器不引入积分机制，原则上误差总是存在的。 　　工业生产过程控制有以下这些特殊性：1.被控过程的滞后特性2.被控过程的时间常数长短不一样3.过程的非线性特性4.过程的时变性5.过程本征不稳定性6.过程的耦合特性。所以无论采用常规线性控制系统方法还是普通的模糊控制技术都无法满足控制性能要求。采用Fuzzy-复合控制方式不失为一种比较合理的解决办法。它既能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点,又具有控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在控制工业过程的设计中,常常采用参数模糊自整定复合控制,以便实现参数的在线计算机控制技术。 　　自调整功能,进一步完善控制的自适应性能。 　　1 常规PID控制和模糊控制简介 　　1.1常规PID控制的介绍 　　1.1.1比例控制作用的特点 　　系统误差一旦产生,使被控制的对象朝着减小误差的方向变化,控制作用的强弱取决于比例系数KP，但是对于具有自平衡(即系统阶跃响应终值为一有限值)能力的被控对象存在静差。加大KP可减小静差,但KP过大,会导致系统超调增大,使系统的动态性能变坏。 　　1.1.2积分控制作用的特点 　　能对误差进行记忆并积分,有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性,积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏,以至于导致闭环系统不稳定。 　　1.1.3微分制作用的特点 　　通过对误差进行微分,能感觉出误差的变化趋势,增大微分控制作用可加快系统响应,使超调减小。缺点是对干扰同样敏感,使系统对干扰的抑制能力降低。根据被控对象的不同,适当地调整参数,可以获得比较满意的控制效果。因为其算法简单,参数调整方便,并且有一定的控制精度,因此它已成为当前最为普遍采用的控制算法。 　　控制算法也有它的局限性和不足,由于算法只有在系统模型参数为非时变的情况下,才能获得理想的效果。当一个调好参数的控制器被应用到模型参数为时变系统时,系统的性能会变差,甚至不稳定。另外,在对参数进行整定的过程中,参数的整定值是具有一定局域性的优化值,而不是全局性的最优值,因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。 　　1.2模糊控制的介绍 　　模糊控制器和常规的控制器(如调节器)相比具有无须建立被控对象的数学模型,对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点,同时对噪声也具有较强的抑制能力,即鲁棒性较好。模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差,难以达到较高的控制精度。尤其是在离散有限论域设计，因为它要把误差输入信号转化为误差论域上的点 　　的稳态误差模糊控制器无法消除,这是控制点附近的一个控制上的盲区和死区。对于控制作用,模糊控制器可以采用它的增量作为输出,积分后输出给被控对象,这样相当于引入了积分作用,有利于消除稳态误差。然而, 是解模糊后的离散点,不连续,因而控制作用不细腻,不利于精调消除稳态误差。 　　模糊控制的自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环境的变迁而变化时，它不能对自己的控制规则进行有效地调整，从而使其良好的性能不能得到充分地发挥。 　　2.PID参数自调整模糊控制器设计 　　模糊控制器由常规控制部分和模糊推理两部分组成,模糊推理部分实质上就是一个模糊控制器。2.1模糊-PID控制器设计思想 　　参数的模糊自整定是找出三个参数与误差E和误差变化率EC之间的模糊关系；在运行中通过不断地检测E和EC,对三个参数进行在线修改使被控对象具有良好的动、静态特性。参数Kp,Ki和Kd的自调整规律为： 　　1.当较大时（输出处于上升阶段的0﹪～40﹪过渡过程），为了使系统响应具有较好的快速跟踪性能，并避免因开始时偏差的瞬间变大可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，应取较大的Kp和较小的Kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，需对积分作用加以限制，通常取Ki＝０。  　　2.当为中等大时（输出处于上升阶段的40﹪～70﹪过渡过程），应取较小的Kp，适当的Ki和Kd。 　　3.当较小时（即系统响应处于稳态值±10﹪的波动范围内）应取较大的Kp和Ki。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，当较小时，Kd值可取大些（通常取为中等大小）；当较大时，Kd值应取小些。 　　根据以上思想，设计的二输入三输出模糊控制器结构图如图1所示： 　　2.2模糊控制参数自调整算法 　　1.模糊化 　　在模糊控制中,当误差和误差变化率偏小时,传统模糊控制方法失去作用,从而导致模糊控制规则失效。很多模糊控制都采用两种不同的模糊控制方法(称为粗调整与细调整)来解决这一问题。模糊控制系统为双输入三输出的系统，模糊控制器两个输入量是偏差绝对值和偏差绝对值变化率，输出的三个量是参数Kp、Ki和Kd。设定、和参数Kp、Ki和Kd的模糊控制论域，采用四种不同的模糊语言变量进行描述：零（Z）、小（S）、中（M）、大（B）。为了计算机处理和实现的方便，输入偏差、输入偏差变化率和输出隶属函数均采用线性函数。模糊偏差，偏差变化率和参数Kp、Ki及Kd对应的模糊语言变量的隶属函数分别如图2、图3、图4所示（图中a、b、c的取值由具体的工业控制过程决定）： 　　2.3模糊-PID参数控制算法流程 　　首先离线地制作好模糊控制表，在运行模糊控制程序时调入内存中供查表子程序调用。其次设置基本论域及初始值（误差E、误差变化率EC、控制量U、量化因子及比例因子）。接着采样当前的温度值，计算得出偏差E、偏差变化率EC。然后查找三个参数对应的模糊控制表，清晰化后得到模糊控制量所对应的ΔKp、ΔKi、ΔKd的值。最后，采用增量式的控制算法计算当前控制增量，将附加在前一时刻的控制量上，即可得到当前时刻输出控制量U。如图6所示： 　　3模糊PID控制应用实例 　　3.1系统结构及基本工作原理 　　依据上述Fuzzy-控制的理论分析和实现方法，设计了如下图6所示的小流量闭式循环水温控制系统：由恒温大水箱（300L），初级温度加热器，次级温度加热器，太阳能集热器，冷浴交换器，冷水流量控制泵，循环混水泵以及保温隔热材料等组成。 　　该系统中温度控制回路的大致工作原理为： 　　1由流量控制系统将进入太阳能集热器的水流流量稳定在0.01～0.080kg/(s•m2)范围内的某一设定值上（具体数值由试验条件决定）。 　　2利用大功率（20KW）的初级加热棒将整个系统的工质进行快速加热，使恒温大水箱的温度与设定值之差不超过±1℃。 图7闭式温度控制回路 　　3用参数自调整模糊控制器驱动可控硅次级加热器将温度稳定在设定值上，使其波动范围不超过±0.1℃。 　　4通过调节器来控制冷水泵的转速从而调节冷水流量的大小，以便控制冷浴交换器中的热量交换，进而使从集热器流回到恒温大水箱的水流温度降低到设定值。以避免经太阳晒热的水流抬升了恒温大水箱中的温度，尽量消除干扰。进入冷浴交换器中的冷水温度保持恒定（比设定值低一个固定的数值；由另一套专用制冷装置提供冷水）。此外还在恒温水箱和次级加热小水罐的两端各安装了一个循环混水泵，在加热时进行循环搅拌，以保证各部分受热均匀。 　　根据Ziegler-Nichols公式： 　　整定PID控制器的初始参数为： 　　P=16；I=5；D=0.4。 　　本系统中的由Fuzzy-控制实现的次级温度调节器只需要在一个小范围内精细调节（其波动范围不超过±0.1℃）的特点，可以设置输入量﹑的量化域表分别如表4﹑5所示： 　　3.2实测数据及结果分析 　　附表1所示的是用国家太阳能集热器检测中心（昆明）开发的这套模糊水温控制系统上实测的入口温度Tin的数据记录。 　　从附表上可以看出：在实验进入稳态期后，入口温度Tin的最高值点和最低值点的差值不超过0.2℃（约为0.16℃左右）；温度的稳定时间接近30分钟，超过国家标准规定的15分钟的要求。 　　4.结论 　　实践结果表明,这套模糊控制系统既具有常规控制精度高，能消除稳态误差的优点；又具备模糊控制较快的响应速度，较小的超调，适应性强，鲁棒性好的长处，改善了系统的动、静态品质。（张定学　武汉轻工大学电气与电子工程学院湖北武汉430023  吴晓鸿　周黎　郑维　国家太阳能热水器产品质量监督检验中心（武汉） 　　附表1入口温度实时数据记录