基于Fuzzy-PID复合的电加热炉温度控制研究

张娓娓 陈乐瑞

（1.河南工业职业技术学院电气工程系，河南 南阳 473000；2.郑州铁路职业技术学院电气工程系，河南 郑州 450001）

基于Fuzzy-PID复合的电加热炉温度控制研究

张娓娓1陈乐瑞2

（1.河南工业职业技术学院电气工程系，河南 南阳 473000；2.郑州铁路职业技术学院电气工程系，河南 郑州 450001）

在炼钢生产过程中使用到的电加热炉是一个非线性时变的复杂系统，在进行温度控制时候如果用常规的PID控制，很难以达到控制要求，因此本文把PID和模糊控制结合起来对电加热炉温度进行控制，并用Simulink进行仿真，仿真结果表示模糊PID控制具有传统PID无法比拟的优点。

模糊控制；PID；Simulink；温度控制

1 引言

电加热炉是工业企业常用设备，其控温系统多采用传统PID控制技术，具有结构简单、易实现等优点。但电加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性特点，单纯采用PID控制不会取得较好的控制效果。大量的理论研究和工程实践也充分证明了这一点。模糊控制对被控对象的时滞、非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也具有较强的抑制能力，鲁棒性好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。因此把PI或PID控制策略引入模糊控制器，构成Fuzzy-PI（或PID）复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。本文采用Fuzzy-PID复合控制方法。

2 Fuzzy-PID复合控制器设计

2.1 Fuzzy-PID控制器的原理

这种复合控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制，二者转换由计算机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。即当误差在某一个阈值以外时，采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；当误差落到阈值以内的范围时，采用PID控制，以获得良好的稳态性能。这种模糊控制与PID控制两种模式相结合的控制方法称为Fuzzy-PID复合控制。

2.2 模糊控制器的设计

设计的模糊控制器，采用量输入一输出的形式，输入参数有误差e和误差变化率ec，输出的时变量设为u，我们来建立隶属度函数。因模糊控制器的输入、输出变量都是精确量，模糊推理是针对模糊量进行的，因此控制器首先要对输入量进行模糊化处理。本设计中模糊控制器采用两输入（e，ec）、单输出（u）的形式，我们将系统输入输出的变化范围定义为模糊集上的论域，分别为：

e=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，

ec=[-3，-2，-1，0，1，2，3]，

u=[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。

在模糊控制器中，输入、输出变量的语言值均分为7个，分别为

e={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，

ec={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，

u={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

子集中的元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。隶属度函数采用灵敏性强的三角函数。

根据人们的经验，设计出的模糊规则如表1所示。

表 1 模糊控制规则表

此处采用中心法进行解模糊，本系统是电加热炉的温度控制，由于其温度变化率较慢，因而偏差绝对值变化较大时主要考虑偏差的作用例如当偏差为正大时，无论被调量变化率如何控制量，都取正大当偏差为正大时被调量为负则将控制量变化取正大，以尽快消除偏差，若被调量为正，即偏差有减少的趋势，则相应减少控制量当偏差绝对值较小时为避免系统超调或振荡应相应减少控制量。

3 仿真的实现与分析

3.1 建立模型

电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而可以用一阶惯性滞后环节来描述其数学模型。所以，电加热炉模型的传递函数可以描述为：

式中，K为对象的静态增益，T为对象的时间常数，τ为对象的纯滞后时间。K=5，T=150，τ=30。

本文仿真采用Simulink进行仿真，仿真模型如图1所示。

图 1 电加热炉Simulink仿真模型

经过多次试验，PID控制器的三个参数取值分别为：Kp=0.8，Ki=0.005，Kd=3时候仿真效果比较好。仿真结果如图2所示。

图2 仿真结果

其中，红色的线表示传统PID控制结果，绿色的线表示模糊-PID双模复合控制结，由仿真曲线可以看出，模糊-PID双模复合控制超调小，上升快，调节时间短，无静差，结合了传统PID控制和模糊控制的优点，使控制效果得到明显改善。

3.2 抗干扰能力

为了比较模糊PID的抗干扰能力我们在400S之后加入干扰信号，系统的仿真结果如图3所示：

图 3 系统的仿真结果（加入干扰信号）

由仿真曲线可以看出，模糊-PID复合控制具有较好的抗干扰能力。

4 结论

由以上仿真结果可以看出，本文设计的FUZZY-PID双模控制温度控制系统，过渡时间明显减少，超调量较传统PID方法有明显的改善，而且可以提高系统的抗干扰能力和对时变参数的适应能力及鲁棒性，同时实现动态和稳态性能，有效提高控制系统品质。这种控制器结构简单，易于实现，而且结果精度较高，因此具有广泛的应用领域和应用价值。

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张娓娓（1985－），女，本科，助教，研究方向：复杂工业过程控制。