溫度是工業生產和科學實驗中的重要參數之一,具有非線性、強耦合、時變、時滯等特性。在自動控制的領域里,如果被控對象具有上述特性,往往很難獲得精確的數學模型,并且由于傳統的經典控制方法是建立在數學模型的基礎上的,沒有數學模型,這些經典的控制方法是很難獲得良好的動態和靜態性能的。
隨著科學技術的迅猛發展,各個領域對溫度控制系統的精度、穩定性等要求越來越高。在動態溫度控制系統中,采用PID控制的理論和技術都很成熟,且具有廣泛的實用性。但是不足之處是常規PID算法在大偏差時易出現積分飽和,控制時間過長,參數整定也很困難。同時由于執行機構的多變性和非線性,在對滯后大的溫度控制過程中易出現大的超調量,甚至可能會出現失控的現象。
電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統,開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程,傳統的加熱爐控制系統大多建立在一定的模型基礎上,難以保證加熱工藝要求。因此本文引入模糊控制,采用模糊PID算法,運用AT89C2051單片機對電阻爐實現智能的溫度控制,可以解決上述的種種不足,從而實現高精度控制。
1 模糊PID控制器的理論基礎
模糊控制是一種模仿人的智能的控制方法,它不依賴于對象的數學模型,而是依據人的經驗通過對模糊信息的處理做出對復雜對象的控制。模糊控制是建立在模糊推理基礎上的一種非線性控制策略,它通過模糊語言表達了人們的操作經驗以及常識推理規則。采用這種控制策略的控制器就叫模糊控制器,它是一種語言型控制器,在近年來得到很快的發展。模糊控制器是以模糊集理論為基礎發展起來的,它能夠方便地將專家的經驗與推理輸入到計算機中,使計算機在控制時可以像人一樣思考并解決問題,從而達到控制被控對象的目的。實踐證明模糊控制器有更快的響應和更小的超調,對過程參數的變化也不敏感,具有很強的魯棒性,可以克服非線性因素的影響。模糊控制器的明顯的特點總結為以下五點:
(1)無需知道被控對象的數學模型
(2)是一種反映人類智慧思維的智能控制
(3)易被人們接受
(4)構造容易
(5)魯棒性好
基于模糊控制具有以上如此明顯的優點,所以模糊控制非常適用于非線性、數學模型不確定的控制對象,對被控對象的時滯非線性和時變性具有一定的適應能力,同時對噪聲也有較強的抑制作用。但模糊控制器本身消除系統穩態誤差的性能比較差,難以達到較高的控制精度,而 PID 控制正好可以彌補其不足。因此如果采用模糊控制與經典PID 控制相結合的控制策略,則可以揚長避短,使系統既有PID 控制的精度高的特點,又具有模糊控制的靈活、適應性強的特點。
模糊PID控制器是模糊控制器與常規PID控制器的結合, 在PID 算法的基礎上,利用模糊推理判斷的思想,根據不同的偏差e、偏差變化△e對PID控制器的參數Kp、Ki、Kd進行在線的整定,傳統的PID控制器在獲得新的Kp、Ki、Kd后,對控制對象輸出控制量。
模糊控制控制與PID 控制結合的方法多種多樣,
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