论控制系统电加热炉制约系统多种制约方式比较

摘要：电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、机械、化工等方面得到了广泛的应用，而且在国民经济中的地位越来越重要。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性，升温单向性等特点的控制对象，用传统的控制方式很难达到要求，本文就电加热炉控制系统的PID控制和模糊控制做简单的比较研究。
关键词：PID控制 模糊控制
1 引言
PID控制是控制领域产生最早，应用最广的一种控制方法。具不完全统计，不论是工业过程控制还是航空航天控制领域，PID控制早已经上了经典教科书，然而由于其原理简单和应用效果，人们仍然不断研究其各种设计方法和未来发展潜力。模糊控制在只能控制领域由于理论研究比较成熟，实现相对比较简单，适应面宽而得到广泛的应用。在现代工业控制应用中，模糊控制都充当着重要的角色。PID控制和模糊控制作为应用广泛，特点鲜明，又具有某些联系的两种控制方式一直受到控制领域广泛的关注，众多学者从不同角度对他们进行了对比性研究。
本文以大连理工大学王明军同学的基于模糊控制的电加热炉控制系统所研究的模型为参考，文中所涉及的背景对象都与该论文相同。

2.加热炉控制的意义

在控制领域中，温度控制广泛应用于社会生活的各个领域。电加热炉温度控制具有升温单向性，大惯性大滞后性的特点。其升温单向性是由于电加热炉的升温是依靠电阻丝，降温是依靠环境自然冷却。当其温度一旦有超调，就无法单纯用控制手段时期降温，种种很大的不确定性使得加热炉在加热过程中很难全面考虑各种因素的影响，准确控制加热过程。传统的继电器电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触电不良而影响正常工作。今年来提出改进的电路，采用主回路无触点控制，继电器结出不良的缺点，且维修方便，缺点是温度控制范围小，精度不高，因此，设计和精度相适应的电加热炉温控系统非常有实际意义。

3.传统PID与模糊控制的简介

PID控制即比例，积分，微分控制。由于其结构简单，容易实现，控制效果好，鲁棒性强等特点，因而，自19世纪40年始，PID控制在工业过程控制过程中至今仍得到广泛应用。温度控制系统将电阻实时采集的温度值与设定值进行比较，所得差值作为PID控制模块的输入。经PID算法计算出输出控制量，利用修改被控制量误差的方法实现闭环控制。该方法需现场征订PID参数，而确定被控对象模型具有一定的难度。另外，该方法抗干扰的能力较差。
模糊逻辑在控制领域的应用称为模糊控制。模糊控制主要将操作者的经验和专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后根据控制规则实施控制。它适用于不一取得精确数学模型和数学模型位置或者经常变化的对象。
基于模糊算法的温度控制系统的实现，首先根据控制经验形成模糊规则输入计算机中。然后将采样所得温度误差和误差变化率的精确量模糊化，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量。将控制量精确化后去驱动执行机构，调整输入达到调节温度目的。

4.模糊控制与PID控制方法的设计

一个典型的控制过程通常可以等效为二阶系统价上一个非线性环节，本文的模型也是如此。（如图1-图3所示）
通过仿真，经过比较后得出以下结论：
（1）常规PID相对于模糊控制，控制上升时间快，调节时间短。
（2）常规PID可以减小系统的超调量但无法消除超调量，从消除超调量的意义上说控制效果不如模糊控制。
（3）模糊控制器虽然调节时间稍长但可以消除超调量。
（4）模糊控制相对于常规PID控制可以消除延迟。
从上述分析得出结论总体上来说模糊控制要优于常规PID控制。
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作者简介：耿剑锋（1989-）男，辽宁沈阳人，本科，专业：电子信息工程。