基于大惯量和时间延迟的温度控制系统改进的模糊PID控制器设计外文翻译资料

基于大惯量和时间延迟的温度控制系统改进的模糊PID控制器设计

摘要

控制工业生产各个环节的温度是非常常见的，温度控制系统总是具有较大的惯性和时间延迟，复杂而且不确定。本文结合了S7-300PLC和Matlab软件，分析了常规PID控制器和自整定模糊PID控制器的温度控制效果。在此基础上，本文给出了改进的自整定模糊PID控制算法。实验结果表明，该控制系统实现了温度的实时精确控制，提高了控制效率，具有深远的现实意义。

关键词：温度控制 S7-300PLC 模糊PID控制器

1介绍

控制工业生产各个环节的温度是非常常见的，但控制对象在不同的​​工业应用中是不同的。由于工业控制的内部机制不同，温度控制系统的过程复杂可变，惯性大，时间延迟大[1]。对于传统PID控制器，必须首先创建受控对象的系统模型，但对于具有大惯性和时间延迟的温度控制系统，这是非常困难的。另一方面，由于在实际环境中存在气流，扩散等因素，在实际应用中模拟的自调整模糊PID控制器非常好地控制了控制对象。

本文分析了常规PID控制器和自调节模糊PID控制器的温度控制，在自整定模糊PID控制器的基础上，通过增加功能设计了一种改进的大惯量和时间延迟的温度控制系统的模糊PID控制器的自动识别和清除。在文章中，通过使用S7-300PLC实现与电炉的硬件连接，使用Matlab的软件实现了算法调用。实际操作结果表明：改进的模糊PID控制器消除了原来温度控制中的过大，并在短时间内将温度调节到所需温度值。

2系统硬件和软件组件

控制系统的硬件包含S7-300 PLC，温度传感器，温度变送器，SCR电源单元和电加热控制对象。连接的硬件结构如图1所示。

PC电脑

配置显示

Matlab管理器

步骤7

加热设备

S7-300 PLC

主站从站

图一

硬件系统框图

由于控制对象一般在实际工业控制的工业生产现场，与控制终端有一定距离，因此我们采用PLC主从设计。在实验中，采用西门子S7-300系列PLC，型号为CPU315-2DP，PLC主控程序，PLC从机进行实时温度数据采集，控制信号输出。

我们选择PT100铂电阻传感器，具有线性度较好，抗氧化性能好，误差小，温度范围广等特点。使用RWB温度变送器，它是两线式集成发射器，具有安装方便，稳定性高，抗干扰能力强，转换精度高，电源为24 V，输出信号为4-20 mA电流的特点。为了调整电炉的功率，我们选择TZ100系列晶闸管电阻负载功率调整单元，根据控制信号调节断路占空比。

在系统中，运行软件包括西门子编程软件STEP7，西门子组态软件WinCC和Matlab。在控制过程中，STEP7功能模块实现实际测量数据与数字数据的转换。我们使用WinCC实现对控制过程的实时监控[2]，WinCC监控主画面如图1所示。

图二

WinCC监视器主屏幕

控制算法采用Matlab强大的计算能力，通过OPC通信协议进行STEP7和Matlab之间的数据交换。

3控制对象的动态性能分析和数学模型

3.1受控对象的动态性能分析

受控对象的“加温升温”特性在温度控制系统中非常复杂。物体的温度不是集总参数，而是分布参数，随着能量的输入和输出，温度变化不仅与时间有关，而且与物体的位置不同。精确的数学模型不能使用普通微分方程（时间）来描述，而是描述使用偏微分方程（时间和空间）。

在控制过程中，主要包含三种传热方式：传导，对流和辐射。热导率是电炉产生的热量通过炉壁升高水温;对流主要是指由于加热不均匀，炉子不同位置的水温不同，流入热交换; 热辐射是炉中的水将热量散发到外部环境。由于输入的热量是从电能转化为热能的传热热传导到受控物体，因此很难建立受控物体的精确数学模型，但散热方式有三种传热。

在温度控制系统中，受控对象温度场只有一个“点”值可以通过温度传感器测量，当使用多个传感器时，只能对温度分布有一个一般的了解，不能准确地获得动态分布的温度在整个温度场。基于这些因素，当我们将传感器测量的一个点值或更多点值作为集总参数，将受控对象视为集总参数对象，将动态特性的平衡点线性化，并使用线性控制系统进行控制受控对象，很难实现精确的控制。

3.2受控对象的数学模型

在文章中，受控对象是一种电炉，是一种时变非线性系统，具有较大的惯性和时间延迟，其运行过程为加热 - 加热。一旦温度过高，只能在没有制冷设备的情况下依靠自然冷却。对于电炉中，输入信号是一个电压ugrave;，所述输出信号是炉温Ť。当有一些热量流入时，水的温度会上升，该过程可以描述为以下微分方程：

（1）

其中C是水的热容量kJ/(kgsdot;∘C)。，Ť是水温度-Ccedil;∘，q是热倒入水中在单位时间Ĵ。考虑到电炉将热量分布到环境空气和热传导中，（1）可以重新描述如下：

（2）

其中是环境温度T0，R是电炉壁的热阻。Q可以考虑电炉的加热功率，方程式 （2）可以表示如下：

（3）

其中u是电源电压，r是电炉的内阻。

可以看出，电炉的微分方程是非线性微分方程。虽然电炉系统可以通过线性化方法等价于线性系统，但加热过程本身是一个复杂的多变量输入过程，在此过程中应考虑许多因素。此外，还需要考虑温度传感元件的热传递，热阻。根据热平衡原理，热阻平衡方程如下：

(4)

其中C1是热电阻的热容量，T1是水的温度，T2是热电阻的温度，Delta;q是每小时从水传递到热阻的热量，alpha;是水和表面之间的热阻的对流传热系数，S是热阻的表面积。

在等式（4）中，alpha;，S不容易确定，单位时间内通过散热所带走的热量无法准确测量。对流热传导是一个复杂的过程，受到许多因素的影响，其强度波动很大。alpha;反映了对流传热的强度，其涉及影响传热过程的许多因素，例如：流体的物理性质，对流的原因，尺寸，形状和相对位置的传热表面。鉴于上述因素，难以建立受控对象的准确数学模型。

4控制器的设计和测试

由于简单的原理，易于实现，独立的控制参数和强大的鲁棒性，传统的PID控制器已经成为使用最广泛的自动控制器。在数字计算机中，PID控制器的数学模型可以表示如下：

[5]

虽然大多数采用这种控制算法的温度控制系统，PID控制器的控制效果在很大程度上取决于控制器参数的调整，参数调整过程根据对象模型的类型而变得复杂。此外，PID控制更好地控制线性系统，但不适合非线性系统的控制。温度控制系统是典型的非线性时变系统，影响因素如前[3]所述是复杂和可变的。如果使用PID控制器，则必须根据受控对象的变化随时调整参数，这将影响系统的正常运行。

自整定模糊PID控制器由标准PID控制器和模糊自整定机构组成，如图3所示。

e

ec

Delta;Kd

Delta;kappa;p

Delta;Ki

y

r

图3

其中y是测量值，e是误差，ec是误差的变化率[4]。在系统运行过程中，基于PID，，KpKiKa和e，ec的三个参数之间的模糊关系，通过r和y连续检测e和ec的变化，并使用模糊推理在线修改PID控制器的三个参数，以实现参数的自整定。

输入变量e和ec 的模糊子集是{NB, NS, NM, ZO, PM, PB}，输出变量Kp,Ki,Kd，是{ZO, PS, PM, PB}，所述输入隶属函数是高斯函数，输出采用三角隶属函数，基于系统的输出特性，模糊控制规则如表1所示：

模糊因子Ke=0.12Kec=0.02，去模糊化因子up = 1.8，ui = 0.03，ud = 0.01。e和ec通过Ke和Kec在（-3，3）上定义为模糊量，它们被动态处理成模糊控制量模糊控制规则，模糊范围为（0，3）。结果由up，ui和ud分解，PID控制器的三个参数最后得到。

由于实际控制过程中出现过大冲击，需要很长时间才能达到稳定。在自整定模糊PID控制器的基础上，增加了自动识别功能和清除功能。当实际温度关闭到设定温度（温差约2°C）时，控制器的输出将由继电器和开关块清零。一旦加热装置接收到该信号，它们将停止加热，并且自调节模糊PID控制器在温差约为0.5℃时重新启动，然后继续使用控制器实现温度微调，最终达到目的精确调节温度。改进的自整定模糊PID控制器的系统结构如图4所示。

图4

改进的自整定模糊PID控制器的系统结构

在实验中，我们分别使用传统的PID控制器，模糊自整定PID控制器和改进的模糊自整定PID控制器来控制电加热炉，控制结果如图5.6和7所示。

图五

常规PID的温度控制曲线

图6

模糊自整定PID控制器的温度控制曲线

图7

改进的模糊自整定PID控制器的温度控制曲线

从控制效果看，改进后的控制器可以在较短的时间内达到理想的温度，稳定性好，控制性能好，无过冲。

5结论

基于传统PID和模糊自整定PID控制器的分析，本文设计了一种改进的模糊自整定PID控制器，用于电炉实际温控系统。实验结果表明，改进的模糊自整定PID控制器具有良好的控制效果，稳定性好，无过冲，控制效率高。

参考文献

1 范杰，郑B（2008）温度控制理论的发展。Ind Furn 30：12-14Google 学者

2 Yu H，Zhang W，Shi X（2009）基于PLC和WinCC的温度控制系统。过程控制计算22：6-8Google学者

3 基于预测模型的模糊PID控制器及其在PLC中的实现设计。在：控制与决策会议上，2008C CCDC 2008.中文，第3808-3811页

4 Zhang G（2002）模糊控制和matlab应用。西安交通大学出版社

基于参数自整定模糊PID算法的激光热解吸系统温度控制

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