变结构智能调节器的研制
日期：2008-9-8 21:08:48 来源：中国自动化网
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摘 要：介绍了一种变结构智能调节器的设计方法，它适用于加热炉这类大惯性、非线性、受外界因素干扰的对象。利用模式识别实现智能切换，增加系统的抗干扰能力，提高系统的快速性。通过试验表明，控制效果明显改善。
关键词：变结构智能调节器；串级控制；模糊控制；PID调节器
1 引 言
在工业过程控制中，存在许多复杂控制对象，它们具有大惯性、受随机因素干扰、非线性等特点。如用于轧钢生产的加热炉，受外界扰动较大处于非稳定状态，并且系统特性随温度变化，具有非线性，特别是从待轧到轧钢的过渡过程，要求既能快速升温，又具有较强的抗干扰能力。若采用以固定参数为主的常规PID串级控制，其抗干扰能力及跟随效果均较差。因此，采用单回路控制和串级控制两种控制方式，设计一种变结构智能调节器，使其适用于待轧和轧钢过程及其过渡过程。利用串级控制较强的抗干扰能力，在待轧的时候采用串级控制，使温度保持在待轧温度范围内，得到轧制信号后切换到单回路控制，利用单回路的快速性，使加热炉在流量给定的条件下快速升温，当接近轧钢温度时，再切换到串级控制，使其保持在轧钢温度范围内正常运行。
模糊控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的控制品质，它只根据设定值的过程变量偏差来确定调节器的输出，选择适当的规则可以达到快速响应。因此，将模糊控制和传统的PID控制相结合,在系统偏差较大时,侧重于模糊控制，提高系统的响应速度；在系统偏差较小、系统渐趋稳定时，侧重于PID调节。这样,既可利用PID控制的静差小、稳定性好的优点,又具有模糊控制对参数适应性强和调节速度快的特点。使系统在整个运行过程中既满足快速性的要求,又具有较强的抗扰动能力。在包头钢铁公司轧钢厂（简称包钢轧钢厂）加热炉上的应用表明,调节效果有明显的改善。
2 变结构PID调节器的设计
2.1 变结构控制调节器构成
变结构调节器控制系统如图1所示。在图1中加热炉是主要调节对象，具有大惯性、非线性的特点。主调节器由模糊控制和PID控制组成。而副对象是调节阀，其时间常数往往很小，以防止出现大的超调和波动。副调节器为P调节器。
图1 变结构调节器控制系统
由图1可以看出，各种方式的切换利用模式识别，当满足相应的切换条件时进行切换。
2.2 模糊控制器的设计
2.2.1 模糊控制器的结构 选择模糊控制器的输入变量为误差e及误差的变化ec,输出变量u为控制量的变化量,相应的模糊集为E,EC,U,是一个双输入单输出的二维模糊控制器。对误差E、误差变化EC及控制量U的模糊集及其论域定义如下：E、EC和U的模糊集为:{NB,NS,ZZ,PS,PM,PB}，PB，PS，ZZ，NS，NB分别对应正大、正小、零、负小、负大；将误差e,误差变化率Δe和控制量u的模糊语言变量E，EC以及U的论域分成5个等级[2>。它们的隶属函数选trimf(三角形)，如图2所示。
图2 E,EC,U的隶属度函数
2.2.2 模糊控制规则 相应控制规则可用如下模糊条件语句来描述：if E is NB and EC is NB then U is PB经过总结和归纳得到25条控制规则,相应可构成一个模糊控制规则表（见表1）。
表1 模糊控制规则
3 硬件构成及软件设计
调节器的硬件构成见图3。工业现场标准的模拟信号可以直接经过仪表放大器INA114放大进入MSP430模数转换器的输入端，采用MSP430本身提供的2.5V电压作为该模数转换器的参考电压。作为实验板，仅对外部两路差分信号采样，即4～20mA DC和0～10V DC信号。JTAG接口用来调试程序，因为MSP芯片采用的是表面封贴的封装TQFP64，通过插座实现开发系统和目标板的连接不方便。RS485通讯用于组建小型控制网络。模拟信号输出采用2个8位D/A转换器DAC0832，可分别输出4～20mA和0～10V DC信号。为方便操作，设计了调整参数用的小键盘，只有3个键即增加、减小和确认键。设置的参数和调节曲线用低功耗液晶屏显示。
图3 调节器硬件构成
软件设计包括主程序和键盘扫描、显示、数据采集处理、控制算法等子程序模块。主程序流程见图4。软件程序在计算机上采用IAR开发系统，用C语言编写而成，通过JTAG接口直接进行仿真和下载到MSP430的Flash存储器中。
图4 主程序流程
注：E=给定值-输出值
4 应用试验结果
利用设计的变结构智能调节器和传统的PID调节器对包钢轧钢厂加热炉分别进行调节控制试验。待轧温度700℃，轧钢温度1100℃，得到的温度变化波形如图5、图6所示。
图5 常规PID控制温度变化曲线
图6 变结构控制温度变化曲线
由图5可以看出，待轧时，加热炉的温度保持在700℃，5s后得到轧钢信号，温度上升很慢，28s后加热炉在热量损失的情况下，即扰动的情况下，其抑制扰动的能力很弱。温度恢复也很慢。
由图6可以看出，待轧时，变结构控制使加热炉维持在700℃，在10s后得到轧钢信号，切换到单回路控制，在流量给定下，温度快速上升到950℃，然后平滑的切换到串级控制，利用串级控制较强的抗扰性，使温度平滑的上升到1100℃，开始轧钢。在23秒的时候，加热炉在热量损失的情况下，温度的变化也很小，并且很快恢复轧钢温度，不影响正常轧钢，快速性和抗扰性都比传统的PID串级控制有了明显的改善。
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关键词：变结构智能调节器；串级控制；模糊控制；PID调节器
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1 引 言
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在工业过程控制中，存在许多复杂控制对象，它们具有大惯性、受随机因素干扰、非线性等特点。如用于轧钢生产的加热炉，受外界扰动较大处于非稳定状态，并且系统特性随温度变化，具有非线性，特别是从待轧到轧钢的过渡过程，要求既能快速升温，又具有较强的抗干扰能力。若采用以固定参数为主的常规PID串级控制，其抗干扰能力及跟随效果均较差。因此，采用单回路控制和串级控制两种控制方式，设计一种变结构智能调节器，使其适用于待轧和轧钢过程及其过渡过程。利用串级控制较强的抗干扰能力，在待轧的时候采用串级控制，使温度保持在待轧温度范围内，得到轧制信号后切换到单回路控制，利用单回路的快速性，使加热炉在流量给定的条件下快速升温，当接近轧钢温度时，再切换到串级控制，使其保持在轧钢温度范围内正常运行。
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模糊控制对对象模型难以确定、非线性、大滞后情况有良好的控制品质，它只根据设定值的过程变量偏差来确定调节器的输出，选择适当的规则可以达到快速响应。因此，将模糊控制和传统的PID控制相结合,在系统偏差较大时,侧重于模糊控制，提高系统的响应速度；在系统偏差较小、系统渐趋稳定时，侧重于PID调节。这样,既可利用PID控制的静差小、稳定性好的优点,又具有模糊控制对参数适应性强和调节速度快的特点。使系统在整个运行过程中既满足快速性的要求,又具有较强的抗扰动能力。在包头钢铁公司轧钢厂（简称包钢轧钢厂）加热炉上的应用表明,调节效果有明显的改善。
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2 变结构PID调节器的设计
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2.1 变结构控制调节器构成
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变结构调节器控制系统如图1所示。在图1中加热炉是主要调节对象，具有大惯性、非线性的特点。主调节器由模糊控制和PID控制组成。而副对象是调节阀，其时间常数往往很小，以防止出现大的超调和波动。副调节器为P调节器。
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图1 变结构调节器控制系统
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由图1可以看出，各种方式的切换利用模式识别，当满足相应的切换条件时进行切换。
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2.2 模糊控制器的设计
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2.2.1 模糊控制器的结构 选择模糊控制器的输入变量为误差e及误差的变化ec,输出变量u为控制量的变化量,相应的模糊集为E,EC,U,是一个双输入单输出的二维模糊控制器。对误差E、误差变化EC及控制量U的模糊集及其论域定义如下：E、EC和U的模糊集为:{NB,NS,ZZ,PS,PM,PB}，PB，PS，ZZ，NS，NB分别对应正大、正小、零、负小、负大；将误差e,误差变化率Δe和控制量u的模糊语言变量E，EC以及U的论域分成5个等级[2>。它们的隶属函数选trimf(三角形)，如图2所示。
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图2 E,EC,U的隶属度函数
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3 硬件构成及软件设计
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调节器的硬件构成见图3。工业现场标准的模拟信号可以直接经过仪表放大器INA114放大进入MSP430模数转换器的输入端，采用MSP430本身提供的2.5V电压作为该模数转换器的参考电压。作为实验板，仅对外部两路差分信号采样，即4～20mA DC和0～10V DC信号。JTAG接口用来调试程序，因为MSP芯片采用的是表面封贴的封装TQFP64，通过插座实现开发系统和目标板的连接不方便。RS485通讯用于组建小型控制网络。模拟信号输出采用2个8位D/A转换器DAC0832，可分别输出4～20mA和0～10V DC信号。为方便操作，设计了调整参数用的小键盘，只有3个键即增加、减小和确认键。设置的参数和调节曲线用低功耗液晶屏显示。
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图3 调节器硬件构成
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软件设计包括主程序和键盘扫描、显示、数据采集处理、控制算法等子程序模块。主程序流程见图4。软件程序在计算机上采用IAR开发系统，用C语言编写而成，通过JTAG接口直接进行仿真和下载到MSP430的Flash存储器中。
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图4 主程序流程
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4 应用试验结果
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利用设计的变结构智能调节器和传统的PID调节器对包钢轧钢厂加热炉分别进行调节控制试验。待轧温度700℃，轧钢温度1100℃，得到的温度变化波形如图5、图6所示。
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图5 常规PID控制温度变化曲线
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图6 变结构控制温度变化曲线
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由图5可以看出，待轧时，加热炉的温度保持在700℃，5s后得到轧钢信号，温度上升很慢，28s后加热炉在热量损失的情况下，即扰动的情况下，其抑制扰动的能力很弱。温度恢复也很慢。
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由图6可以看出，待轧时，变结构控制使加热炉维持在700℃，在10s后得到轧钢信号，切换到单回路控制，在流量给定下，温度快速上升到950℃，然后平滑的切换到串级控制，利用串级控制较强的抗扰性，使温度平滑的上升到1100℃，开始轧钢。在23秒的时候，加热炉在热量损失的情况下，温度的变化也很小，并且很快恢复轧钢温度，不影响正常轧钢，快速性和抗扰性都比传统的PID串级控制有了明显的改善。
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