0    引言

        注塑机的料桶加热器需要进行温度控制,而温度控制的效果将直接影响到加工产品的质量。在工业过程控制中,PID(proportional-integral-deriva-tive)类型的控制技术在温度控制系统中占有相当重要的地位,但是传统的PID在解决一些复杂的、非线性的、时变的被控对象,特别是温度控制时其控制效果往往不理想,而将模糊控制以及PID控制相结合,可以有效地解决这个困难。本文着重讨论模糊PID对温度的控制作用。

1    模糊PID控制系统的结构和设计原则

        模糊控制是模仿人的思维进行控制的,但因模糊控制不具有积分环节,所以稳态时有误差。把两种控制技术结合起来,构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。这种控制器综合了比例、模糊和比例积分控制的优点,不但可使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性,而且可以对系统实现较高的精度。在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统的控制量U,而在小偏差范围内转换成PID控制。

2    被控对象及原有控制方案

        本设计的控制对象是注塑机的料桶加热器,目的是要对它的温度进行快速和精确控制,被控对象料桶加热器具有以下特性。

        ①不对称性;②温度控制的纯滞后性;③较大的扰动特性。

        在注塑机的原有加热方案中,采用了开关控制+PID控制的控制方案,在升温过程的开始阶段用开关控制快速升温,在温度达到目标温度的80%后切换到PID控制。控制方案的特点是简单,易于实现,在以TI公司的DSP(TMS320F240)为控制芯片的系统中所占的资源少。但它的控制特性不好,当把目标温度设为200℃时,会产生约10%的超调,随后温度会在一个小范围内振荡。

        由于PID控制的性能主要取决于它的参数,用同样的一组参数去控制一个从升温到保温的动态过程,控制效果是很难保证的,因为在这个动态过程中,系统的不同状态对比例、微分、积分的要求是不一样的。基于以上原因,采用原有的控制方案难以取得所需要的控制效果,所以必须寻求一种新的解决办法。

3    方案选择和仿真研究

        仿真过程是在Matlab的Simulink环境中完成的。通过对系统采用不同的控制策略,得出它们各自的仿真结果,然后进行分析比较,找到一个合乎要求的解决方案。虽然仿真环境可能与实际情况不完全相同,但其结果还是有相当的指导意义。由于仿真可以方便、快速、多次地进行,从比较中找出较优的方案是可行的。当然,仿真结果的有效性最终还是要由实际运行情况来确定。

3.1    系统特性

        对于以上的控制对象,选择控制方案就是在升温段用模糊控制而在保温段用PID控制,这是综合考虑了模糊控制的快速性的优点和不能消除稳态误差的缺点以及PID可以消除稳态误差的能力得出的一个设想方案。

        需要仿真的情况是:目标温度为200℃,当温度小于160℃时,让料桶加热器全速升温,当温度大于160℃时,开始进行控制。3种控制策略的仿真都是依照这样的情况进行的。

3.2    PID控制

        选择PID调节器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。在工业过程控制中,要求被控过程是稳定的,对给定量的变化能迅速和光滑地跟踪,超调量小,在不同干扰下系统输出应能保持在给定值,控制变量不宜过大,在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。

        参数采用实验经验法,一是为了减少凑试次数,利用人们在选PID调节参数时已取得的经验,并根据一定的要求事先做一些实验,以得到若干基准参数;二是按照经验公式,由这些基准参数导出PID调节参数。

        最终经过尝试不同的参数,可以取得较好的控制性能。

3.3    模糊控制

        模糊控制有快速性、鲁棒性好的特点。可以考虑用它对系统进行控制,希望能取得好的性能。采用Sugeno型控制器对系统进行控制,结构框图如因为其输出变量的隶属函数是常量或线性的,可以看出,Sugeno型的升温曲线较快,也可以看到,由于模糊控制没有积分作用,所以对目标温度有稳态误差。

3.4    模糊+PID复合控制

        由于纯PID控制响应速度不够快,并且能实现好的升温曲线和保温曲线的PID参数又很难调节得到,而纯模糊控制由于自身结构的原因又不能消除稳态误差。所以,如果把它们两者相结合,就可以得到一个既具有模糊控制快速性又具有PID消除稳态误差能力的控制器,实现优势互补。

        Sugeno与PID相结合,分析比较它的性能。

        从响应曲线来看,Sugeno+PID型的模糊PID控制器有着良好的控制性能。反应动作快,动态响应好,稳态无误差。

3.5    以上3种方案抗干扰能力的比较

        在控制对象的工作过程中,会有各种各样的扰动,一个好的控制系统必须具备一定的抗干扰能力。现对3种方案的抗干扰能力,在3500s之后加一个-10的干扰进行仿真。图7所示为带干扰的Suge-no+PID型控制结构图,其余的结构框图省略。

        分析各控制响应曲线可知:纯PID控制对这一类不回复性干扰的响应能力不好,会出现短暂的稍许稳态误差;纯模糊控制对这一类干扰的响应能力不理想,在干扰作用下,模糊控制甚至可能回不到目标温度,出现较大的稳态误差;而Fuzzy+PID控制对这一类干扰的响应相当好。

        在实际的控制过程中,干扰是不可避免的。对温度控制系统来说,暂态的干扰时间短,变化量大。如料桶加热器的打开、电压的突变。这时,希望系统对这一类干扰保持一定的稳定。从Fuzzy+PID的控制方案来看,变化量大的区域是由模糊控制执行控制功能的。而模糊控制正好具有较高的稳定性,满足了控制要求。而在温度控制系统中发生的不可回复性干扰,多是诸如室温的变化、电压的渐变等。这时产生的误差较小,正好在PID控制区域,PID控制可迅速把这些渐变的不回复性干扰消除。

        综合上述仿真结果及其分析可知:Fuzzy+PID的控制策略对料桶加热器温度控制这样的被控对象来说,是一个很好的选择。

4    结论

        模糊+PID控制方案综合PID控制和模糊控制两者的优点,在控制料桶加热器时既可在升温阶段获得快速、超调小,又可在恒温阶段获得消除稳态误差、动态响应好的优点。在抑制和消除干扰方面,模糊控制和PID控制在各自的控制区域内都能充分发挥各自的优势,避开弱点。