模糊PID控制在梭式窯控制系統中應用研究劉海芳1張海榮2胡國林2中原工學院能源與環境學院,河南,鄭州450007;2．景德鎮陶瓷學院,江西,景德鎮333001）摘要將模糊控制和一般PID控制相結合,提出了一個基于模糊控制規則模糊PID控制器設計方法并將其應用于梭式窯溫度控制系統中。試驗表明,這種方法比一般PID控制方法精度高,超調量降低,含有較強魯棒性。關鍵詞:模糊控制;梭式窯;PID控制ResearchofFuzzyPIDControllerintheShuttleKilncontrolSystemLiuHai-fang1,Zhanghai-rong2,HuGuo-lin2(1.Schoolofenergy&EnvironmentalEngineering,ZhongyuanUniversityoftechnologyHenanZhengzhou4500072．JingdezhenCeramicinstitute,Jiangxi,Jingdezhen333001)Abstract:ThemethodcombiningfuzzycontrollerwithPIDanditssuccessfulapplicationtheshuttlekilntemperatureareintroduced.Theactualresultindicatesthatthemethodhashigherprecision,smallerovershootandstrongerrobustness,comparedwithcommonPIDcontroller.Keywords:fuzzycontroller;shuttlekiln;PIDcontroller陶瓷窯爐是陶瓷工業中最關鍵設備,適應于多品種小批量生產形式間歇式梭式窯,因為結構簡單,建造費用低廉,窯內溫差小及節省能源等優點,正在中國得到大規模普及。但因為迄今為止,液化氣文丘里燒嘴梭式窯在操作管理上,幾乎都是借憑肉眼觀察及簡單儀表顯示或經驗進行操作管理,從而造成燒成管理無序或其它問題,影響到產品合格率,產品質量缺點多,耗能較高及人工費用增大,使窯爐效能沒有得到充足發揮[1]。所以,探求一個性能價格比較高自動控制模式,并使之付諸于實踐,以深入提升這類窯爐技術含量,成為含有高技術附加值產品,并以此來提升并穩定燒成質量,降低能耗,降低操作管理費用,消除操作人員差異,降低空氣污染,保護環境,就勢在必行。基于這一目,對液化氣梭式窯溫度控制方法進行探索性研究,為其以后智能控制實現奠定一定理論與實踐基礎。在窯爐溫度控制中,PID控制仍是一個最常見控制方法。但因為梭式窯系統傳輸滯后較大,且是一個干擾大、高度非線性、干擾原因多系統,參數整定困難,一組整定好參數只能在較小范圍內有很好控制效果,當參數改變超出一定范圍時,系統性能變差,致使一般PID控制難以滿足要求。文章針對以上情況,把模糊控制技術和PID算法結合起來,采取一個基于模糊控制規則PID控制方法設計出梭式窯溫度控制系統,含有超調小、調整快速特點,且含有很好魯棒性。1模糊PID梭式窯控制器設計1.1模糊控制器設計1.1.1系統工作原理及硬件組成該系統設計是以W78E58單片機為關鍵,關鍵由以下多個模塊組成:輸入模塊（傳感器,模擬開關,I/V轉換）、輸出模塊、人機界面、W78E58運行模塊,以及RS－485通信模塊等,其硬件框圖如圖1所表示。作者介紹:劉海芳,（1977—）,女,講師,碩士碩士圖1梭式窯溫度控制系統硬件框圖關鍵實現對控制系統溫度傳感器采集,對液化石油氣氣閥實施器控制,共有模擬量輸入（AI）、輸出(AO)2種I/O單元,硬件電路含有以下特點:1）經過傳感器得到被控點溫度信號。因為電流信號便于遠距離傳輸,抗干擾性好,所以均采取電流輸出型傳感器,以滿足A/D轉換器對信號要求,故采取S型（鉑銠10-鉑）熱電偶來測量本窯爐溫度。檢測到信號輸入A/D轉換器TLC2543輸入端,TLC2543是帶串行控制和11個輸入端12位模數轉換器,使用開關電容逐次迫近技術,完成A/D轉換過程。TLC2543轉換結果數據經過P0口P0.6接收。輸出信號送入D/A轉換器TLC5628數字信號輸入端,輸出模擬信號。對于溫度為0－1400℃測量范圍,12位A/D分辨率為1400/4096=0.34℃,能夠滿足梭式窯溫度控制精度要求。2）采取保留系統參數,含有掉電保護功效。同時WDT（看門狗）電路可對程序運行進行監控。使程序發生紊亂時恢復程序功效,確保程序正常運行。3）W78E58單片機串行接口經過SN65LBC-184接口芯片完成電平轉換（TTL/RS-485）,根據一定通信協議與上位機串行通信,從而實現整個系統數據管理、監控和系統維護。1.1.2軟件設計依據系統功效要求,系統軟件關鍵由初始化程序、定時中止程序、數據采集程序、模糊PID控制運算程序、故障診療報警、參數發送及顯示程序等組成。其中溫度模糊PID控制程序時本軟件關鍵程序。軟件控制步驟圖如圖2所表示,軟件功效為實時采集溫度、閥位反饋值、故障報警模擬信號。1）以定義通道號方法,在控制器顯示器上實時顯示系統采集到多種測量值以及故障報警。2）依據模糊PID控制算法,經過控制氣閥開度大小進行溫度閉環控制,實現溫度控制。3）實現預定梭式窯溫度工況,按工況設計要求完成氣閥開啟、停止。4）經過RS-485總線實現與上位機數據交換。圖2軟件步驟圖1.1.3模糊控制運算程序設計模糊控制實質是將基于教授知識控制策略轉換為自動控制策略,是依據大家實踐經驗總結出來若干條模糊控制規則,并以此為依據由計算機實現控制[2-3]。模糊PID控制系統是以模糊規則調整PID參數一個自適應控制系統。它是在通常PID控制系統基礎上,加上一個模糊控制規則步驟,給出是在不一樣實時狀態下對PID參數推理結果,其系統框圖如圖3所表示。這種方法引入了大家調整PID控制器經驗,使PID控制器含有模糊控制智能,比固定參數PID控制含有更優良控制品質。圖3模糊控制系統框圖模糊控制器設計關鍵是設定各輸入輸出變量模糊子集隸屬函數、模糊變量量化論域、模糊控制規則、輸入輸出變量等參數。將選擇溫度偏差及溫度偏差改變率量化在[-6,6]之中,偏差e（或偏差改變率）對應模糊子集分7檔:NL（負大）,NM（負中）,NS（負小）,ZO（零）,PS（正小）,PM（正中）及PL（正大）,與此對應將偏差e（或偏差改變率）分為13級:－6,－5,－4,－3,－2,－1,0,1,2,3,4,5,6。假設和在預先確定和范圍內改變,則和能夠歸一化轉化成0到1之間參數和:,積分時間常數與微分時間常數之間關系為:積分增益由下式計算可得:模糊子集語言變量為{NLNMNSZOPSPMPL},和隸屬函數,其隸屬函數為三角形且每個值取相等寬度。模糊控制規則是依據系統偏差、偏差改變率,依據教授經驗知識建立知識庫來判定決議出參數和和推理規則:ifis,isthenis,is,其中,,,,分別為,,,,語言變量值。因為每個輸入量化為7個模糊子集,所以應有49條規則,且每條規則對應一個模糊關系。依據系統要求以及教授知識經驗建立,,與,之間模糊控制規則,將總結出來49條規則形成模糊控制表,存放在中,這么計算機經過查表運算完成模糊推理過程[4]。模糊推理輸出為閥開度改變量模糊子集,而實施機構只能接收一個正確控制量,所以需要進行模糊判決,這里采取平均最大隸屬度法。2結論依據以上設計模糊PID控制器將一般PID和模糊控制結合起來,經過計算機實現實時控制,依據模糊控制規則,依據偏差和偏差改變率改變值大小智能確定PID參數,在試驗中取得了良好控制效果,能實時地對溫度監控,含有以下特點:系統含有良好響應穩定性和正確度,且含有較強魯棒性。由模糊控制規確定三個參數是動態改變,更符合梭式窯系統控制特點。算法易于在計算機上實現,適適用于梭式窯系統實時控制。所以說,模糊PID控制器能夠克服一般PID控制器不足,在梭式窯自動控制系統中含有廣泛應