Smith-模糊PID在过程控制中的应用
Smith-模糊PID在过程控制中的应用
XXX
辽宁工程技术大学，葫芦岛（125100）
Email：0805981234@163.com
摘要:针对过程控制中被控对象数学模型难以建立，以及经常存在滞后、时变等现象，提出
了将传统的 Smith 预估器与模糊PID 控制相结合的方法。才巳Smith 补偿原理与模糊控制结合起来，利用 Smith 预估器对模糊控制进行有效补偿，从而达到二者的优势互补。仿真实验表明: Smith-模糊PID 控制器较羊纯的PID 控制和Smith-PID 控制在控制跟踪曲线、鲁棒性方面有很大改善。
关键词:过程控制;Smith 补偿;模糊PID
Application of Smith-Fuzzy PID Controller in Process
control
XXX
Liaoning Teachnical University,
Hu Ludao(125100)
Email:0805981234@163.com
Abstract: A method which integrates traditional Smith predicators with fuzzy PID control is proposed to solve the problems that the mathematic model of a controlled object is hard to be built and its control usually has time delay and time variation. , Because Smith predictors compensate fuzzy control effectively , the two kinds of controllers can reinforce each other. The simulation results show that the smith-fuzzy PID has improved control results in tracking curve and robustness.
Key words: process control; Smith predictor; Fuzzy PID
1.引言
过程控制广泛应用于石化、冶金、食品、医药等工业生产中，随着科技的进步，其控制过程正朝着大型化、自动化、连续化等方向发展，但在实际生产过程中往往伴随着很多不确定性，使其控制变得越来越困难。首先控制过程往往伴随着生化反应、物化反应以及一些突变过程，难以从机理上解释其内在规律，从而导致数学模型建立起来相当困难;其次被控对象往往是滞后、时变等非线性，由于时滞的存在，使得被控量不能及时地反映系统承受扰动，从而产生明显的超调，使得控制系统的稳定性变差，调节时间延长，给系统的设计和控制增加了很大的困难。Smith预估器能有效地对时滞进行补偿，但需要确知被控对象的数学模型。本研究将传统的Smith 预估器与模糊PID结合在一起，利用模糊PID不需要精确的数学模型和对参数变化不敏感、鲁棒性强等优点，明显改善了控制效果。
2.系统介绍及存在的问题
PID 控制由于结构简单、稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。然而在仓库的温度控制中，被控对象具有非线性、时变性、滞后性等特点，而且温度控制受到被控对象、环境和燃料等很多因素的影响，难以建立精确的数学模型，难以选择控制器的参数。因此传统的PID 控制器难以获得良好的控制效果。而模糊PID 控制是基于智能控制理论，并与常规PID 控制有机结合，能够很好地控制锅炉的出水温度。模糊PID 的优点是它不要求掌握受控对象的数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后采用模糊推理的方法实现PID 参数kp、ki和kd 的在线自整定，不仅保持了常规PID 控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强、控制精度高等优点，而且具有模糊控制的灵活性、适应性强等优点。本文设计一个参数自整定模糊PID 控制器来完成对仓库的温度控制，并结合MATLAB 的SIMULINK对其进行仿真研究。
2.1 Smith 预估器控制
系统被控对象带滞后环节的方块图如图1示，闭环传递函数为
由传递函数可知，特征方程中出现了延迟环节，从而使系统的稳定性降低，如果滞后足够大，系统将很不稳定，达不到工业控制要求。为解决这种问题，史密斯( O.J.M.smith )在 1957 年提出了一种预估补偿控制方案，该方法的基本思路是预先估计出系统在基本扰动下的动态特性，然后由预估器对时滞进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而抵消掉时滞特性所造成的影响，减小系统超调量，提高系统的稳定性，如图2所示。
图1.被控对象带滞后环节的方块图
图2.Smith预估计控制系统框图
由系统框图可知其闭环传递函数为
若满足条件且,上式变为。该式中闭环传递函数中不含延迟环节，仅仅是在时间坐标上推移了时间，其过渡过程形状和品质与无滞后对象特性完全相同。可以看出Smith预估器的本质就是采用过程的模型，使被延迟了的被控过程输出超前时间反映到控制器，使控制过程的品质达到类似于过程无纯滞后的情况，从而起到补偿效果。然而在实际的控制系统中很难实现纯延迟环节的完全补偿，这是因为对已经建立的数学模型会随时因为各种因素而发生变化，补偿器与被控对象数学模型不能完全匹配，从而严重影响控制精度。
3.Smith-模糊PID控制器设计
传统的模糊控制具有无须建立被控对象数学模型的优点，对于非线性和时变等一类不确定系统，模糊控制器具有较好的控制作用，同时对于系统的非线性、噪声等有较强的抑制能力，把Smith补偿控制原理与模糊控制方法两者有效地结合起来可大大提高工业过程控制中大滞后、时变系统的控制性能。
3.1 控制原理
Smith-模糊PID控制是系统在执行过程中先找出PID 控制器由3个参数Kp，Ki，Kd与系统偏差E及偏差变化EC 的不同组合在运行中不断检测E和EC， 经过模糊推理对PID 控制器的3个参数进行在线修正，以满足不同的E和EC对控制器参数的不同要求，最后由 Smith补偿器进行滞后补偿，从而使整个控制系统具有良好的性能指标。其控制原理框图如图3 所示。
图3 Smith-模糊PID控制系统方框图
3.2 Smith-模糊PID控制器设计
通常取系统的误差值E和误差变化率EC为2个输入语言变量，输出量是Kp，Ki，Kd3个参数。E,EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，7个语言变量值依次代表“负大，负中，负小，零，正小，正中，正大”。E,EC的模糊论域为：E,EC={-3 -2 -1 0 1 2 3}，其隶属函数采用Matlab模糊工具箱中自带的Guassmy函数。
根据专家规则，设计出不同E,EC状态下修改Kp，Ki，Kd的调整规则语言表述为：
Rule1:IF(E is NB )and( EC is NB)then Kp is PB Ki is NB Kd is PS
Rule2：……………………………………
…………………
Rule49：IF(E is PB )and( EC is PB )then Kp is NB Ki is PB Kd is PS
由于E,EC各有7 个语言变量，所以Kp，Ki，Kd各有49条语言规则，如表1所示。
表1 模糊规则
4.系统仿真
本文采用Matlab中的Simulink和Fuzzy模块对系统进行仿真，被控对象模型采用工业过程常见的一阶惯性滞后环节：
式中:K 为被控对象的增益；为系统滞后时间：T为被控对象时间常数。PID控制参数整定的方法一般有 Ziegler-Nichols设定法、临界灵敏度法、ISTE最优设定法等，本文根据系统解耦原理求得PID控制参数初始值为(Kpo , Kio，Kdo)=(1.2，0.018，20)。
图4所示为补偿器与数学模型相匹配即Gp(s) = Gm(s)且的系统仿真示意图，可以看出 Smith-模糊PID 控制明显地减少了上升时间和调节时间，基本无超调，在控制跟踪曲线方面有较好的效果。
当数学模型变为而补偿模型不变时，系统仿真如图5所示。
从图5可以看出在模型不匹配时Smith-模糊PID 控制较其余2 种控制方式超调量较小，基本无震荡、稳定时间快，较其余2 种控制方法具有很好的鲁棒性。
图4 模型匹配时仿真
图5 模型不匹配时仿真
5.结论
本文给出了针对工业过程控制中常见的被控对象数学模型难以建立且存在大滞后、时变等特点，Smith-模糊PID 控制器较单纯的PID 控制和Smith-PID 控制能有效地克服数学模型准确性的限制，在控制跟踪曲线、鲁棒性方面有很大的改善。当然，如ith-模糊PID 控制也存在许多不足之处，例如模糊控制效果不仅与控制规则有关还与量化因子、比例因子的选取有关，而选择一组合适的参数并不容易，这就说明Smith-模糊PID 控制只能在一定条件下满足要求，随着智能控制技术的发展，越来越多的人们将神经控制、遗传算法控制等与模糊控制结合在一块使其对模糊控制规则、各种控制参数等进行有效优化。然而绝大多数研究还是停留在理论和仿真阶段，用于工程实践的不多，但可以预见这些研究成果将会有很好的应用前景。
参考文献
[1]崔颖.基于Smith 预估器的模糊PID 控制方法研究[ D ].大连:大连理工大学，2005.
[2]雷霞，李晓光，伊振红.基于Sugeno推理自调整模糊Smith-PID 控制器仿真研究[J ].系统仿真学报，2008,20(18):56-59.
[3]张琦，席爱民，李莉.基于史密斯补偿原理的模糊PID 控制器设计[J ].自动化技术与应用，2008,27(5 ):44 -47.
[4]侯北平，卢佩，付连昆.自适应模糊PID 控制器的设计及基于MATLAB 的计算机仿真[J].天津轻工业学院学报，2001(4):32-35.
[5]李国勇，谢克明，杨丽娟.计算机仿真技术与 CAD[M].北京:电子工业出版社，2009.
[6]王永初.解耦控制系统[M].成都:四川科学技术出版社，1985.
[7]章卫国等.带优化修正函数模糊控制规则自调整方法研究.西北工业大学学报，1996,14(增刊):160～162 [8]章卫国等.一种高精度模糊控制系统的设计方法.测控技术，1997,16(2):22～24 [9]Chao C T,teng C C. A PD-like self-turning fuzzy controller without steady-state error. Fuzzy Sets and Systems,1997,87(2):181～200
[10] 胡一倩,吕剑虹,张铁军;一类自适应模糊控制方法研究及在锅炉汽温控制中的应用[J];中国电机工程学报;2003年01期
检索总结
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一、基于Smith 预估器的模糊PID 控制方法研究 崔颖 大连理工大学学报2009年8期
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二、基于Sugeno推理自调整模糊Smith-PID 控制器仿真研究 雷霞，李晓光，伊振红 系统仿真学报，2008,20(18):56-59
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三、基于史密斯补偿原理的模糊PID 控制器设计 张琦，席爱民
自动化技术与应用，2008,27(5 ):44 -47.
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四、自适应模糊PID 控制器的设计及基于MATLAB 的计算机仿真 侯北平，卢佩 系统仿真学报，2008,20(18):56-59.
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五、计算机仿真技术与 CAD 李国勇，谢克明 北京:电子工业出版社，2009.
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六、解耦控制系统 王永初 成都:四川科学技术出版社，1985.
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七、带优化修正函数模糊控制规则自调整方法研究 章卫国等 西北工大学学报，1996,14(增刊):160～162 同上进入引文库首页——点击引文检索——在刊名中输入带优化修正函数模糊控制规则自调整方法研究——点击检索文献即可得出结果
八、一种高精度模糊控制系统的设计方法 章卫国等 测控技术，1997,16(2):22～24 同上进入中国知网首页——进入学术文献总库——点击标准检索——在题名中输入一种高精度模糊控制系统的设计方法——点击检索文献即可得出结果
九、A PD-like self-turning fuzzy controller without steady-state error. Fuzzy Sets and Systems Chao C T,teng C C
1997,87(2):181～200
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十、一类自适应模糊控制方法研究及在锅炉汽温控制中的应用 胡一倩,吕剑虹,张铁军 中国电机工程学报;2003年01期
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