热电偶校验炉程序升温装置的智能PID控制研究

　　0　引言

　　热电偶校验炉程序升温装置是一种具有较大的滞后性和非线性的时变系统,对于采用常规PID控制往往难以取得较好的控制效果,而炉温控制的效果直接影响到热电偶校验结果的正确与否.长期以来热电偶校验炉的温度控制问题都没有得到很好的解决,问题的关键是要设计出一个性能良好的智能型控制器.

　　模糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制研究中最为活跃的领域[1].智能PID控制就是将智能控制( intelligent control)与传统PID控制相结合的一种控制方式,其主要有模糊PID控制器、专家PID控制器和基于神经网络的PID控制器等.

　　PID控制是自动控制中产生最早的一种控制方法,它在实际控制工程中的应用最广.据不完全统计,在工业过程控制和航空航天控制等领域,PID控制的应用占80%以上.然而,传统PID控制算法有它的局限性和不足之处,它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,当应用到时变系统时,系统的性能会变差,甚至不稳定.另外,在对PID参数整定过程中,往往得不到全局性的最优值,因此这种控制作用无法从根本上解决动态品质和稳定精度的矛盾[4].

　　模糊控制是公认的三大智能控制方法之一,是在1965年由ZadehL A教授首次提出的模糊集合论的基础上发展起来的.对于复杂的控制问题,模糊控制能够很好地利用控制专家的经验信息,模拟人类的思维和语言表达形式,从而实现对工业对象的控制,已在各种对象的控制中得到了成功的应用[5].模糊控制的方法无须建立被控对象的数学模型,对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力,鲁棒性好.但模糊控制本身消除系统误差的性能较差,难以达到较高的控制精度,本文以实验室热电偶检定炉温度控制系统为背景,把模糊控制、专家理论以及PID控制结合起来,设计了一种智能PID控制器(自调整模糊PID控制),获得了较好的控制效果.

　　1　智能PID控制器的设计

　　1.1　智能PID控制器结构

　　对于热电偶校验炉程序升温装置这样一个具有较大的滞后性、非线性的时变系统,要想从根本上解决动态品质和稳定精度的矛盾,单纯采用PID控制和模糊控制都不会取得较好的控制效果,而采用模糊PID复合控制方式来控制不失为一种比较好的控制方法.它既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PID控制精度高的特点.结合模糊专家系统控制器与PID控制器构成的一种智能PID控制器如图1所示.

　　在大偏差时选择简单的直接控制型模糊控制器Fuzzy1控制的输出作为控制量u1,小偏差时则选择模糊PID控制器输出作为控制量u2,PID控制器的参数KP、KI、KD由Fuzzy2控制(模糊增益自调整控制器)进行在线修改,实现PID控制器的参数在线自整定,进一步改善PID控制器性能,以适应控制系统的参数变化和工作条件的变化.