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基于模糊PID皮革收缩温度测定仪控制系统设计




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摘 要:针对皮革收缩温度测定仪的温度控制系统的控制效果不甚理想的问题,提出一种参数模糊自整定PID控制方法,该方法集中了模糊控制和常规PID控制两种控制的优点。在重点介绍模糊PID控制器设计方法的基础上,利用Matlab软件分别进行了参数模糊自整定PID控制系统和常规PID控制系统的仿真实验。仿真实验结果比较表明,参数模糊自整定PID控制方法使该仪器的温控系统的性能得到很大改善。
关键词:模糊PID控制器;皮革收缩温度;测定仪;模糊控制


O 引 言
    收缩温度测定仪(以下简称仪器)是测量皮革样品在受热状态下(通常以水或甘油作为加热介质)沿长度方向发生的收缩形变达到规定值时所对应的环境温度(即为皮革收缩温度)的一种专用仪器。仪器的温度控制系统基本功能是控制加热介质的温度按照所要求的升温曲线变化。测量时,温度从开始升温(规定要求升温速度控制在3℃/min范围内),当温度升到规定值时,要求温度控制系统把温度控制在一定的范围内,仪器的温度控制系统需要实现恒速升温,恒温控制等过程。在测量中,存在仪器温度控制系统对温度的控制滞后的问题,会使皮革样品收缩形变产生较大的变化,影响测试数据的准确性。为了获取准确的数据,这就要求仪器温度控制系统具有实时性、鲁棒性和自适应性,但是在仪器中采用的可控硅温度控制系统具有时变、非线性等不利因素。针对这种问题,该文提出在仪器的温控系统中使用参数模糊自整定PID控制器,它克服了常规PID控制与模糊控制的缺点,能使系统具有较高的控制准确度,又具有较强的适应性、鲁棒性,提高了该仪器温度控制系统的动态性能和静态性能。


1 参数模糊自整定PID控制器设计
1.1 参数模糊自整定PID控制器的结构
    利用模糊控制规则在线对PID控制器进行参数修整,便构成参数模糊自整定PID控制器,其工作过程为:首先,将控制量的偏差e和偏差变化率ec作为二维模糊控制器的输入变量,进行模糊化处理;其次,对模糊化后的偏差e和偏差变化率进行模糊逻辑决策(其依据模糊控制规则),应用模糊推理算法得出模糊控制器的模糊输出量;最后,解模糊化,即利用模糊控制规则在线清晰化得到精确值既为:PID控制器的3个输入参数k1,kP,kD,进行在线控制。模糊自整定PID控制器的结构如图1所示。

1.2 参数模糊自整定PID控制器的设计思想
    参数模糊自整定PID控制器是一种在常规PID控制器(控制规律为式1)的基础上,应用模糊理论建立:

    
    参数kP,k1,kD与偏差绝对值| e |和偏差变化率绝对值|ec|的二元连续函数关系见式(2)。t为采样序号;μ(t)为第t次采样时刻的控制器输出量;e(t)为第t次采样时刻的控制器输入量的偏差信号;ec(t)为第t次采样时刻的控制器的输入量偏差变化率信号;kP为比例系数;k1为积分系数;kP为微分系数。

   
    模糊PID参数自整定的设计思想是找到PID控制器三个参数与偏差|e|和偏差变化率|ec|之间对应的模糊关系(利用式(2),可根据不同的偏差|e|和偏差变化率|ec|在线自整定参数kP,kI,kD),在运行中通过不断检测|e|和|ec|,再根据模糊控制原理对3个参数kP,kI,kD进行在线校正,以满足在不同偏差|e|和偏差变化率|ec|时,对控制器参数的不同要求,从而使被控对象有良好的动、静态性能,而且计算量小,易于单片机的实现。

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