自調(diào)整控制系統(tǒng)控制算法

數(shù)字PID控制是一種線性控制，這種控制是將設(shè)定值與實(shí)際值進(jìn)行比較構(gòu)成控制偏差，并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，所以簡稱P(比例)I(積分)D(微分)控制。它是至今為止最通用的控制方法。它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，使用方便，魯棒性強(qiáng)。也就是說，其控制品質(zhì)對過程特性的變化靈敏度比較低，調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整比較容易；具有無余差功能，精度較高；適應(yīng)性廣，可用于各類工業(yè)過程的控制，并已商品化。全世界過程控制中84%為純PID調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包括在內(nèi)則超過90%。數(shù)字PID控制分為位置式和增量式。

采用位置式PID算法時，計算機(jī)的輸出可直接與數(shù)字式調(diào)節(jié)閥連接，其它形式的調(diào)節(jié)閥必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將其輸出轉(zhuǎn)化為模擬量，并通過保持電路將其保持到下一個采樣周期輸出信號的到來。而增量式PID算法的計算機(jī)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)，多圈電位器或累加器進(jìn)行控制。

自調(diào)整控制系統(tǒng)定義

自調(diào)整控制系統(tǒng)是通過自動地調(diào)整控制器的參數(shù)，來補(bǔ)償過程特性或環(huán)境條件的變化。工業(yè)過程采用自調(diào)整控制的主要原因有兩個：

1．大多數(shù)工業(yè)過程是非線性的，而設(shè)計線性控制器時所使用的線性化模型與具體的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。顯然，當(dāng)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)改變時，控制器參數(shù)的最佳值就應(yīng)不同，這就意味著控制器需要有自調(diào)整能力。例如，一個簡單的液體蓄槽的液位，其時劇常數(shù)和過程增益是隨液位穩(wěn)態(tài)值的不同而變化的。

2．大多數(shù)工業(yè)過程是非定常的，具有時變特性，即過程特性隨時間而變化。因此也需要控制器具有自調(diào)整能力。

自調(diào)整控制系統(tǒng)研究背景

在生產(chǎn)過程中，一個良好的控制系統(tǒng)不但要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個生產(chǎn)過程的安全，滿足一定的約束條件，而且要有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。并且由于許多過程往往具有自身的特殊性，有的機(jī)理復(fù)雜，有的變量間關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而且往往存在著非線性、大純滯后、時變及各種不確定性，采用簡單或常規(guī)復(fù)雜控制往往難于滿足工藝要求。因此，近年來控制理論迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型控制策略，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，自適應(yīng)控制，最優(yōu)控制和模糊控制等。雖然其中有些理論早已提出，但當(dāng)時限于技術(shù)，實(shí)施比較困難或無法實(shí)施。而隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，這些高級控制策略得以成功地應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制。

而在工業(yè)控制過程中經(jīng)常會碰到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，有時無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。對于這些系統(tǒng)，簡單PID算法不能達(dá)到滿意的控制效果和控制品質(zhì)。

數(shù)字PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變性，存在著許多不確定性，對象參數(shù)和環(huán)境常常隨時間發(fā)生變化，這很容易引起對象和模型失配，而且各類不確定干擾也會影響控制過程，這樣就難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果。此外，數(shù)字PID控制器在靜態(tài)和動態(tài)性能之間，跟蹤設(shè)定值與抑制擾動能力之間存在著矛盾，通常采用折衷的方法，使系統(tǒng)不能獲得最佳的控制效果。同時，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)也往往整定不良、性能欠佳，對被控對象的變化適應(yīng)性很差。針對這一問題，長期以來，人們一直在尋求常規(guī)PID控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。

工業(yè)生產(chǎn)過程的總目標(biāo)，一般是利用可能提供的能源和原材料，以最經(jīng)濟(jì)的途徑將一定的原材料轉(zhuǎn)化為預(yù)期的產(chǎn)品。為此必須對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督和控制以滿足生產(chǎn)目的，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低耗。其控制目的可歸納為以下三個方面：

1．抑制外部干擾的影響?？刂葡到y(tǒng)的首要目的是消除外部對生產(chǎn)的影響，即引入控制系統(tǒng)，使過程產(chǎn)生盡可能小的變化，以消除外部擾動對生產(chǎn)造成的不良影響?？刂葡到y(tǒng)的的設(shè)計目的是以盡可能小的代價，來爭取最佳的控制效果。

2．確保過程的穩(wěn)定性。使整個系統(tǒng)穩(wěn)定是控制的最基本目的。對于生產(chǎn)過程本身特性是穩(wěn)定的，則在外部干擾的作用下，過程無需控制干擾就能達(dá)到穩(wěn)定。在這種場合下，控制的目的只是抑制干擾的影響．保持預(yù)定的生產(chǎn)條件。然而，對于生產(chǎn)過程本身特性是不穩(wěn)定的，則控制目的除了抑制干擾的影響外，還必須使過程保持穩(wěn)定。

3．使過程穩(wěn)態(tài)和動態(tài)工況最優(yōu)。使過程滿足生產(chǎn)指標(biāo)和安全指標(biāo)是生產(chǎn)過程的兩個基本目的。在達(dá)到這兩個目的之后，下一個目標(biāo)就是如何使工廠獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。假如影響生產(chǎn)過程的操作條件是變化的，就需要按經(jīng)濟(jì)目標(biāo)最大或成本最低的方式去改變工藝操作條件。這就是優(yōu)化控制的目標(biāo)。

為了達(dá)到上述控制目的?？刂葡到y(tǒng)一般由以下幾部分組成：

(1)過程或?qū)ο蟆?

(2)測量儀表和敏感元件。

(3)控制器。

(4)執(zhí)行器。

(5)記錄顯示裝置、信號濾波器等。

自調(diào)整控制系統(tǒng)控制算法的確立

自調(diào)整因子模糊控制是一種基于規(guī)則修改的模糊控制，它的模糊控制規(guī)則可隨它所控制的過程的運(yùn)行和環(huán)境的變化而自動的修改，從而使系統(tǒng)的性能達(dá)到令人滿意的水平。這種控制方法較之常規(guī)的固定模糊控制規(guī)則的模糊控制方法，對環(huán)境變化有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，在隨機(jī)環(huán)境中能對控制器進(jìn)行自動校正，使得在被控對象特性變化或擾動的情況下，控制系統(tǒng)保持較好的性能。因此它在控制被控對象的同時，還要了解被控過程，它實(shí)際上是將模糊系統(tǒng)辨識和模糊控制結(jié)合起來的一種控制方式。通過辨識能更好的了解被控過程，以便使控制器能跟上過程和環(huán)境的變化。這樣，控制器本身就具有一定的適應(yīng)能力，或者說模糊自調(diào)整控制器具有一定的智能。

自調(diào)整控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自調(diào)整模糊PID控制器是由一個標(biāo)準(zhǔn)PID控制器和一個Fuzzy自調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)輸入信號偏差e的大小、方向以及變化趨勢等特征，通過Fuzzv推理做出相應(yīng)決策，在線調(diào)整P、I、D參數(shù)修正值△K_P、△K_I和△K_D以適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化。研究表明，模糊控制和PID控制的結(jié)合是提高控制性能的有效手段。它是為提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，而提出的一種利用模糊邏輯對PID控制器進(jìn)行在線自調(diào)整的方法。在系統(tǒng)中，模糊控制器的設(shè)計將是設(shè)計的核心，因?yàn)樗暮脡膶⒅苯佑绊懙終p、K_I和K_D的選取，從而影響到系統(tǒng)的控制精度。自調(diào)整模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

自調(diào)整控制系統(tǒng)功能塊

自調(diào)整因子模糊控制是在簡單模糊控制器的基礎(chǔ)上，增加了三個功能塊兒構(gòu)成的一種模糊控制器。三個功能塊為：

1．性能測量——用于測量實(shí)際輸出特性與希望特性的偏差，以便為控制規(guī)則的修正提供信息，即確定輸出響應(yīng)的校正量。

2．控制量校正——將輸出響應(yīng)的校正量轉(zhuǎn)換為對控制量的校正量。

3．控制規(guī)則修正——對控制量的校正通過修改控制規(guī)則求實(shí)現(xiàn)。自調(diào)整因子模糊控制算法具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，因此選擇它作為研究對象之一。

模糊控制系統(tǒng)的核心部分是模糊控制器。也就是說，模糊控制器的性能將決定著該系統(tǒng)控制性能的好壞；而模糊控制器自身性能又取決于模糊語言規(guī)則合成推理。在通常情況下，模糊控制器一旦設(shè)計完成，其語言規(guī)則和合成推理往往是確定的，也就是不可調(diào)整的。但是，對于某些場合，為了使一類模糊控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的通用性，使它能適用于不同的被控對象，而同樣能獲得滿意的控制特性，這就要求模糊控制器具有自調(diào)整性能。自調(diào)整因子模糊控制器就具有這樣的功能。

空調(diào)系統(tǒng)是通過改變各房間的送風(fēng)量來適應(yīng)房間的負(fù)荷變化，使系統(tǒng)輸送的風(fēng)量在各房間之間轉(zhuǎn)移，從而減小系統(tǒng)總的設(shè)計風(fēng)量。

空調(diào)系統(tǒng)室溫對象是典型的強(qiáng)耦合、多干擾、參數(shù)時變的非線性系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制方法，一般較難達(dá)到良好的控制效果。而模糊控制可以對非線性、大慣性、大滯后對象以及難以建立數(shù)學(xué)模型的對象，獲得較好的控制效果。雖然模糊控制具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，其動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)也優(yōu)于常規(guī)PID控制，但由于其不具有積分環(huán)節(jié)，往往存在靜態(tài)誤差，因此，常常將其與PID控制方法結(jié)合起來應(yīng)用，如Fuzzy—PID復(fù)合控制、Fuzzy—PI混合控制、參數(shù)自整定Fuzzy PID控制等方法。但這些控制方法中輸入變量模糊化的量化因子ke，kec都取固定值，當(dāng)控制系統(tǒng)逐漸向零誤差逼近的時候，最初給定的范圍較大的輸入論域上的模糊劃分就顯得比較粗糙，難以取得較高的控制精度；雖然可以通過增加量化級數(shù)提高精度，但會使規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度。

因此，目前提出了可變論域參數(shù)自調(diào)整Fuzzy PID控制規(guī)律，利用論域伸縮因子αx改變輸入變量的論域，從而調(diào)整量化因子ke，kec，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在生產(chǎn)中，選礦廠采用的自磨工藝主要有兩種：干式自磨工藝與濕式自磨工藝。兩種自磨工藝均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。本文的目的就是對這兩種自磨工藝進(jìn)行比較分析。

從工藝組成部分來講，干式自磨系統(tǒng)是由干式自磨機(jī)、風(fēng)力運(yùn)輸、風(fēng)力分級，氣流凈化設(shè)備等組成，濕式自磨系統(tǒng)由濕式自磨機(jī)、粒度控制作業(yè)、二次磨礦設(shè)備及難磨粒級的處理設(shè)施等組成。

從對原礦含水量的要求來說，干式自磨對原礦的水分含量有比較嚴(yán)格的要求，含粘土多時，水分應(yīng)低于4%以下，含粘土少時，水分在5%左右，對生產(chǎn)尚無多大影響。當(dāng)水分大時，將引起排礦的減少，甚至排不出來，為降低水分，不得不增加熱風(fēng)設(shè)施。因此干式自磨的投資和生產(chǎn)費(fèi)用較高，而濕式自磨對原礦的水分含量要求不大，可處理含水分和含泥質(zhì)高的礦石。

從工藝特點(diǎn)方面講，濕式自磨可以生產(chǎn)二段礫磨所需的礫石。而且可以開路工作，從而避免難磨粒級的積累，大幅度提高自磨回路的生產(chǎn)能力。干式自磨比較適于處理粗粒嵌布的礦石，而用于處理細(xì)粒嵌布的礦石時，一般干選尾礦較粗，有一定數(shù)量鐵分損失，精礦鐵的總回收率要比濕式自磨低0.5%-1%左右。

從對后續(xù)選礦過程的影響來講，干式自磨易引起硫化物礦物的氧化，對浮選將產(chǎn)生不利的影響，且易產(chǎn)生粉塵、污染環(huán)境。而濕式自磨工作條件較好，且易于獲得所要求的任一粒度，因此對后續(xù)的浮選工藝提供了有利條件。

從發(fā)展前景上來說，因?yàn)闈袷阶阅スに囕^干式自磨工藝，性能要優(yōu)越且經(jīng)濟(jì)，因此發(fā)展較快。雖然干式自磨工藝不太理想，但在一些缺水地區(qū)，或粗磨，或需要得到干的磨碎產(chǎn)物的情況下，干式自磨還是具有較大的意義。 2100433B

通過比較，模糊自整定PID控制器優(yōu)勢如下：

（1）模糊自整定PID控制器的參數(shù)調(diào)整較快。從系統(tǒng)響應(yīng)上看，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程比常規(guī)PID控制器快。

（2）通過比較可知，模糊自整定PID控制器能有效地抑制隨機(jī)干擾，能及時對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，并以比常規(guī)PID控制器更小的誤差和更快的速度重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，它的抗干擾特性要優(yōu)于常規(guī)PID控制器。

模糊自整定PID控制器具有方法簡便、調(diào)整靈活、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，模糊自整定PID控制器在線參數(shù)自整定能力強(qiáng)，對抑制干擾和噪聲是有效的，能提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和較好的魯棒性。2100433B