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智能仪器论文

智能仪表课程大作业

题目：

PID控制算法在变频调速中的应用

班　　级：

姓　　名：

学　　号：

指导教师：

开课时间:

2015至2016学年第1学期

摘要

PID控制是工业工程中应用最为广泛,最有效率的控制理论,从它的出现到现在已经经历了很长的时间,今天它依然在工业控制中占有不可替代的地位,相信在以后的很长一段时间PID控制还会有很强的生命力。

现代工业的高速发展使原始,单一的控制技术已经很难适应现代控制的要求,将新型的控制理论,与传统的PID控制技术相结合在未来的控制领域内会有广阔的前景。

针对目前自动称重配料系统中采用传统PID控制的不足、系统误差不稳定、动态特性不理想，提出了一种基于模糊PID控制的算法。

将模糊控制与传统的PID控制技术结合起来，共同应用于实际系统的调节当中。

系统采用可编程逻辑控制器（PLC）实现模糊PID双模控制，大大加快了系统的响应速度，PLC模拟输出控制变频器调节皮带电机转速，从而达到控制物料流量的目的。

经过实际系统的仿真试验，系统控制性能良好，有效解决了系统运行中误差不稳定和动态特性不理想的问题。

关键词：

模糊PID；控制算法；变频调速；自动配料系统

Abstract

PIDcontrolisthemostwidelyappliedinindustrialengineering,themostefficientcontroltheory,fromitsemergencetonowhasexperiencedaverylongtime,todayitstilloccupiesanirreplaceablepositionintheindustrycontrol,believeinthefutureforalongtimeofPIDcontrolwillalsohavetheverystrongvitality.Withtherapiddevelopmentofmodernindustrymakesoriginal,singlecontroltechnologyhasbeendifficulttoadapttotherequirementofmoderncontrol,thenewtypeofcontroltheory,combinedwiththetraditionalPIDcontroltechnologyinthefuturewillhavebroadprospectofcontrolfield.

Inviewofthepresentautomaticweighingingredientsforthesystem’slackoftraditionalPIDcontrol，instabilityoftensystemerror，thedynamiccharacteristicswerenotideal．AfuzzyPIDcontrolalgorithmwaspro-posed．FuzzycontrolandconventionalPIDcontrolcombinedtogetherwereusedintheregulationoftheactualsystem．

SystemusedPLCtoachievedual-modefuzzyPIDcontrol，greatlyspeedingupthesystemresponsespeed，PLCanalogoutputadjustmentbeltdrivemotorspeedcontroltoachievecontrolofmaterialflowpurposes．Afterasystemsimula-tiontest，thesystemhadgooddynamicandstaticperformance，tomeettherequirementsofactualcontrol．Effectivelysolvedtheproblemofthesystemoperationerrorinstabilityanddynamiccharacteristicswasnotideal．

Keywords：

fuzzyPID；controlalgorithm；variablefrequencyspeedregulation；automaticbatchingsystem

目录

一、引言1

二、系统控制模型1

三、模糊PID控制算法设计2

3.1模糊控制器结构的确定2

3.2模糊控制器的输入/输出2

3.3控制规则和模糊控制表的求取2

四、模糊PID控制算法的PLC实现3

五、系统仿真4

5.1模糊PID控制的仿真4

5.1.1FIS编辑器4

5.1.2隶属函数4

5.1.3模糊规则库5

5.2对模糊控制器编程仿真7

六、总结8

参考文献9

致谢10

模糊PID控制算法在变频调速中的应用

一、引言

随着烧结配料技术的发展，以往常用配料称重系统方案设计是基于古典的PID调节器，采用一般的PID控制算法，其参数一般是按阶跃响应的过渡过程时间来整定的，灵敏度较高，对于固定参数的系统有着较好的调节品质，从理论上讲能做到无误差调节。

但是，在实际运行中，皮带秤自动配料系统的准确度会受到各种因素的影响，这些往往使得系统误差不稳定，动态特性不理想，无法达到预期的控制效果。

提出模糊PID复合控制算法、将模糊控制技术结合传统的PID控制策略应用在自动配料系统的调节中。

二、系统控制模型

皮带秤配料系统一般由可编程逻辑控制器（ProgramableLogicController，PLC）上位机、变频器、直拖皮带机、配料皮带、主皮带等部件组成，在配方给定的情况下，PLC可以独立对物料流量实施闭环控制和调节，其中采用模糊PID控制算法进行调节，算法内嵌于PLC中，也可以接收上位机信号，实现配料系统的上位机控制。

以配料系统中的一台直拖皮带配料系统为例，其控制方框图如图所示。

模糊PID的控制算法，将模糊控制技术与传统的PID控制技术结合起来，共同应用于实际系统的调节当中，误差较小时采用PID控制，误差较大时采用模糊控制。

控制系统算法基本流程图如图所示

三、模糊PID控制算法设计

模糊控制系统的品质在很大程度上取决于控制规则及隶属度的确定，控制规则是其核心，一般用IFaTHENb的表达形式，条件a可以是多个条件逻辑积。

模糊PID复合控制器结构图如图所示

3.1模糊控制器结构的确定

该系统将给定值Fgi和输出反馈量Ffi进行比较，得到流量偏差Ei，进而可求出其变化率ΔEi，以Ei和ΔEi作为Fuzzy控制器的输入，控制器的输出是控制量Ui，即采用二维模糊控制器，如图3所示。

其中，K1、K2为量化系数，K3为比例系数。

3.2模糊控制器的输入/输出

将输入信息Ei和ΔEi量化在［－6，+6］之中，偏差Ei对应的模糊子集E分为八档：

E=｛负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大｝即E=｛NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB｝。

与此对应：

将偏差ΔEi对应的模糊子集Ed也分为八档：

Ed=｛负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大｝

即Ed=｛NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB｝。

输出信息Ui也量化在［－6，+6］之中，对应的模糊子集U同样也分为八档：

U=｛负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大｝

即U=｛NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB｝。

3.3控制规则和模糊控制表的求取

为了使控制规则模糊逻辑表转化成模糊控制规则表，在MATLAB中利用模糊逻辑（Fuzzy）工具箱，新建FIS文件：

Fuzzy1．fis，利用MATLAB中的模糊逻辑（Fuzzy）工具箱得到控制规则图［7］。

输入输出曲面如图所示。

四、模糊PID控制算法的PLC实现

为了让PLC能够识别模糊控制规则，还需要在MATLAB中用函数evalfis（）求解，将其转换成模糊控制查询表，以方便PLC使用。

evalfis（）函数会利用用户定义的模糊推理系统fis对这些输入信号进行模糊化，用该系统进行模糊推理，得出模糊输出量。

在MATLAB中编写程序，由程序得出的数值经四舍五入取整后得到模糊控制查询表。

该系统设计采用西门子公司S7－200系列CPU224型PLC。

其自带的PID模块，加上建立在PLC中以数据块查询的模糊控制策略，实现系统设计要求的模糊PID控制。

因带有符号的数在PLC中处理不方便，且容易出错，所以把上面的E、Ed、U都加上一个偏移量6，得到可以在PLC中使用的模糊控制规则表。

在STEP7编程软件中，查询表是预先把加上偏移量后的值以数据块的方式存在PLC内存中，一般定义在VB0～VB169连续的存储空间中。

这样可以使PLC以查表的方式实现模糊控制，进而提高控制响应速度。

在实时控制中，模糊控制首先将采样得到的输入量量化到输入语言变量模糊论域中，根据量化的结果元素，分别对应到不同的地址，用变址寻址的方法去查数据块中的模糊控制查询表，进而求出控制量的一个清晰值。

在每个控制周期，根据Ei和ΔEi的值查模糊控制表，即可得到控制量Ui，再经过标度变换，即得到系统的实际控制量u，用以控制实际的系统。

变址寻址方式查用户自定义数据块中的模糊控制表。

用PLC的编程软件PID设置向导生成PID控制器，模糊控制与PID控制在PLC中编程设计根据偏差的大小，进行实时的模糊PID控制算法。

五、系统仿真

用MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱,对控制对象进行仿真研究。

5.1模糊PID控制的仿真

5.1.1FIS编辑器

在MATLAB提示符下键入下列名字启动系统“Fuzzy”。

打开一个标记为input1的单输入，标记为output1的单输出的一个没有标题的FIS编辑器。

打开Edit菜单并选择AddVariable...分别添加输入、输出，并分别命名为E，EC，ΔKP，ΔKI，ΔKD。

5.1.2隶属函数

在上图所示窗口中，打开View下拉式菜单并选择EditMembershipFunctions...通过双击各个变量，设置Range和DisplayRange。

以定义其论域和每支隶属函数的范围。

从Edit菜单中选择AddMFs...分别对系统的输入输出变量按照设计书对隶属函数的类型、数量进行定义，见图

5.1.3模糊规则库

在上图所示窗口中,点击“Edit”,选中“Rules...”按照任务书中的关于e、ec、ΔKP、ΔKD、ΔKI的模糊规则，参照编辑器的提示，将规则一条一条的录入其中，见图

综上，对模糊控制器的各部分设置完成，将其保存为“fuzzpid.fis”。

使用菜单栏中的View->Rules即可观察设计规则，如图5所示。

拖动输入变量中间的竖直线，可以看到控制量的变化情况。

通过分析图形特点，可以看到它有明显的梯度分布，说明所设计的模糊系统从误差和误差变化到三个PID参数变化量的模糊映射与理论设计匹配良好。

5.2对模糊控制器编程仿真

设被控对象为

采样时间为1ms，采用模糊PID控制进行阶跃响应，在第300个采样时间时控制器输出加1.0的干扰，相应的响应结果如下图所示

模糊PID控制阶跃响应模糊PID控制误差响应

控制器输出Kp的自适应调整

Ki的自适应调整Kd的自适应调整

普通PID控制响应与模糊PID控制响应的对比

六、总结

可见，模糊控制器的控制输出在波动产生后较短的时间内，重新进入收敛状态。

反应灵敏，动作迅速，可靠性比较高。

综上，模糊PID控制器具有优良的控制效果，所建立模糊系统的各项指标具备实用性和可行性,基本达到了设计要求。

在实际的工程项目中，将先进的模糊PID控制算法应用于电子皮带秤自动配料系统，确实有效解决了以往皮带秤配料系统存在的系统误差较大、动态特性不理想的问题,提高高系统的控制准确度和可靠性，有效解决了动态称重配料系统的两个重要指标—快速性和准确性难以统一的问题。

在系统实际调试过程中发现，采用模糊PID复合控制方式比单纯采用PID控制，系统波动较小、更容易稳定、系统调整时间也有明显改善。

其应用前景广阔，势必取代传统的PID控制器，同时也提高了工业自动化的程度。

参考文献

[1]李牡丹，李丽宏，雷张伟．基于模糊PID控制的配料秤系统的实现［J］．中国测试技术，2008（02）：

116-119．

[2]曾光奇，胡均安．模糊控制理论与工程应用［M］．武汉：

华中科技大学出版社，2006．

[3]苏涛，姚凯学．基于Fuzzy-PI双模控制的控制系统［J］．控制工程，2005（S2）：

145-148．

[4]周孚宏．应用于PLC的一种新的模糊控制算法［J］．自动化仪表，2005（10）：

17-20．

[5]李敬兆，张崇巍．基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究［J］．电工技术杂志，2001（9）：

18-21．

[6]田媛，刘振娟．模糊控制在SIEMENSPLC系统中的实现［J］．中国仪器仪表，2005（05）：

72-75

致谢

感谢陆超，报告定题到写作定稿，倾注了陆老师大量的心血。

在我大学生期间，深深受益于陆老师的关心、爱护和谆谆教导。

他作为老师，点拨迷津，让人如沐春风；作为长辈，关怀备至，让人感念至深。

能师从陆老师，我为自己感到庆幸。

在此谨向陆老师表示我最诚挚的敬意和感谢！