模糊PID的温度控制优化研究

摘要：温度控制系统是换热器换热实验测试平台的重要组成部分。由于换热器温度控制系统的被控对象具有多变量、纯滞后、参数时变、非线性和大惯性的特点，传统的PID控制往往不能应用于大负荷干扰和控制精度要求高的场合。本文将传统的PID控制算法、模糊控制算法相结合，设计一种模糊PID的温度控制系统，并利用Matlab/Simulink对系统的温度特性进行仿真。

关键词：换热器；温度控制；模糊PID控制；仿真

1.引言

换热器是利用热量交换来提升（降低）流体温度的节能设备，使流体温度满足工艺条件的要求【1】。换热器涉及范围十分广泛，在生产过程中十分重要【2】，主要涉及化工、石油、钢铁、汽车、食品及许多工业部分【3】。通过采集换热器在运行时的状态参数， 测出换热器的传热性能和流体阻力，其中温度是其重要参数【4】，因而温度控制系统是换热器测试平台的重要组成部分【5】。其要求一般如下： 首先，控制精度高;接着，温度控制系统在大负荷下抗干扰能力强;最后，温度控制可以快速响应【6】。本文设计一种将传统PID和模糊控制融合的控制算法，使换热器温度控制快速迭代调整到最优，提高了换热器温度控制系统的控制效果。

2.控制方案和换热器的数学模型

首先使热工性能试验平台控制系统处于开环，为了控制换热器冷水出口温度，则需要控制换热器冷水进口流量。保持热水侧换热量不变，即热水测温度和流量不变，通过调节旁通阀的开度，改变换热器冷水测进口流量，达到调节换热器冷水测出口温度的目的。以旁通阀为对象，将换热器冷水侧进口流量作为控制量，旁通阀的开度由40%，调节到60%。将换热器冷水测出水温度作为被控量，构成控制系统。

2.1实验台的数学模型

本实验台温控系统内部的机理较为复杂，加热过程为动态平衡，能量传递涉及热辐射、传导和对流等难以通过数学方式分析，很难用解析法建立精确的数学模型，故采用实验法进行分析，其可忽略运行机理，直接在控制系统施加阶跃响应信号，通过仪器观察其数据情况得到系统模型。对于本系统的加热升温过程具有大时滞和大惯性的特点，因此用一阶惯性时滞环节的传递函数模型，可求得传递函数为式（1）：

2.2模糊PID控制器的设计

模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言行控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。本文结合模糊PID参数自整定的方法，以控制系统偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，对其进行模糊化处理。然后根据各个变量的隶属度函数，依照知识库推理出模糊控制规则，经过反模糊化计算出、、，最后得到优化后的PID三个参数，，。然后把求得的，，作用在PID控制器上。这样就可以通过调节膨胀阀的开度来调整流量大小，从而实现对实验台换热器冷水进水温度控制。

模糊PID控制，即利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点。模糊pid控制器结构如图1所示。

实验台可测范围为10～40℃，因此设其误差e的基本论域为[-30℃，30℃]，温度误差偏差ec的基本论域为[-30℃，30℃]。输出变量（比例系数变化量）、（积分系数变化量） 、（微分系数变化量）的基本论域分别为[-0.3，0.3]，[-0.06，0.06]，[-0.06，0.06]。只有将清晰量转变为模糊量后，才能通过模糊规则进行模糊处理。设e、ec、、、量化的论域分为七档；模糊集为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

误差e和误差ec的量化论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，输出变量、、的量化论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

3．结果与分析

3.1 系统仿真分析

为了验证模糊 PID 温度控制技术的有效性，利用 Matlab 软件完成模糊 PID 控制算法的Simulink 程序设计，并使用 STEP 输入作为系统的期望值输入，完成两种控制方式

温度响应曲线的对比处理。并对常规PID 和模糊PID和smith预估模糊pid 控制温度进行对比试验，将参数值输入后可得仿真结果如图2所示。

由表可以得出自适应模糊 PID 控制的响应速度更快、更平滑、调节精度也有所提高，

具有更好的控制性能。

参考文献

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