中频热处理温度的模糊控制方法

　　0　引　言

　　目前在温度控制中采用较多的是PID控制方法,该方法是在建立精确的数学模型的基础上使用的,由于中频感应加热属于惯性环节,而且受负载的影响较大,同时在系统中还存在着参数时变性、结构非线性等因素,很难建立精确的数学模型,所以采用估算模型应用PID控制算法,即用线性代替非线性,不能对系统的温度进行精确的控制。因此,我们研究设计了一种适合于非线性、惯性系统应用的模糊控制方法。

　　1　参数自调整模糊控制器原理及结构

　　模糊控制与PID控制是两种截然不同的控制方法。PID控制是连续系统中技术成熟、应用最广泛的一种调节方法。模糊控制是处理不确定对象的一个有效的方法,这种控制方式不受过程内部具体结构的影响。和常规PID控制器相比,模糊控制具有相同的、甚至是更好的效果。但模糊控制也存在固有的缺点,即在处理确定值与模糊量变换时,模糊化的量化因子与判决时的比例因子在整个过程中是固定不变的,因而限制了其控制性能的提高。参数自调整模糊控制器是将动态响应特性好的模糊控制与稳态响应特性好的PID控制相结合,利用模糊参数寻优技术,根据中频感应加热系统对温度的控制要求及目标函数,对PID控制器的三个参数Kp(比例增益)、Ki(积分时间常数)、Kd(微分时间常数)进行在线调整,从而实现最佳控制的目的。图1所示为能够实现中频感应加热温度控制系统参数自调整的模糊控制器结构框图。图中Td为设定温度值,To为控制输出量,e(t)为t时刻的温度偏差。

　　2　参数自调整模糊温度控制的实现过程

　　把中频感应加热系统可看作是随时间变化的动态过程,以时间t作为参数自调整模糊控制器的一个输入变量,以第n个采样周期中频感应加热系统的温度偏差e(nt)作为另一个输入量。由于需要对PID控制中的三个参数Kp、Ki、Kd进行在线调整,所以把常规模糊控制器分为三个子模糊控制器,即KP子模糊控制器,Ki子模糊控制器,Kd子模糊控制器。这三个子模糊控制器组成一个复合模糊控制器。

　　2.1　时间变量的模糊化处理

　　取时间t的模糊子集为PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB,论域量化等级为{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3},根据中频感应加热系统熟练操作人员的经验及专家知识,可确定各模糊子集的隶属度值,如表1所示。

　　2.2　参数Kp的自调整过程

　　在PID控制中,参数Kp的调整可以随时改变系统的静态和动态性能。Kp控制原理如图2所示。以t、ûe(nt)û作为Kp子模糊控制器(KpSFC)的输入量,经Fuzzed进行模糊化操作后,输出模糊量T和E,再经模糊推理单元FIU进行模糊判决输出模糊量Kp,然后经D单元进行解模糊处理,最后输出参数调整量$Kp。