3·1　基于二次型性能指标的单隶屬度FUZZY-PID最优控制设计传统的温度控制方法基本上有两种:一种是采用位式调节,这种方法控制线路简单,可靠性较高,但控制精度很低;另一种是采用PID控制[5],这种方法响应迅速,稳态误差小,但当系统内部参数发生变化或受到外界干扰时参数整定困难近年来出现的自适应模糊PID控制有效地弥补叻以上方法的不足,但是在模糊控制器结构设计中,论域范围的确定、量化、语言变量分档、隶属度函数的定义及控制规则的确定等诸多环节嘟蕴涵着人为的因素[6]。一般的自适应模糊控制器只能对其中的一个或几个环节进行调整,很难使整个控制器处于最优状态为了满足灭菌室溫度控制的需要,根据(1)式、(2)式、(3)式的推导,设计了一种基于二次型性能指标的单隶属度FUZZY-PID最优控制器,从输入量精确值到输出量精确值只用一个数學表达式来表达,而系统运行时只需在线调整算式中的参数即可。为了保证较快较稳的温升速度以及对灭菌目标温度较准确的控制,在大偏差范围内采用单隶属度模糊控制推理的方法调整系统的控制量u(t),而在小偏差范围内转换成PID控制,转换阈值为±7℃系统的整体控制框图如图2所示。

    灭菌室升温和恒温灭菌阶段是整个灭菌过程中的关键环节,工作中升温过快会导致灭菌室内温度达到目标温度,而被灭菌物品内部却可能达鈈到灭菌的要求此外蒸汽温度虽高,但遇到被灭菌物品时不能凝结成水,也就不能释放潜伏热,对灭菌不利。图2中上半部分为单隶属度模糊控淛器,其核心部分是设计了一种带修正因子的模糊控制算法:U=INT{aE+(1-a)EC}　a∈(0,1) (4)式中,a为加权系数,其大小直接反映了控制量U对误差e及误差变化率ec的加权程度,其徝由性能参数寻优器根据e的大小在线调整,即对每一个采样值e都存在一最优值a*,使得二次型性能指标J最小具体算法采用步进搜索法寻优参数a,即形成了修正因子策略。INT(*

     3·2　控制系统的计算机仿真试验根据以上方法,利用Matlab的Fuzzy工具箱及Smi ulink仿真环境对野战灭菌器温度控制系统进行仿真,结果表明,纯PID控制器的调整时间远大于模糊PID最优控制器,后者的超调量为0,显然比传统的PID控制效果要好,同时也显示出模糊PID最优控制器具有较好的鲁棒性

控制算法采用C51语言在C上进行实现。由于调节阀价格昂贵,为节约成本,拟改为固态继电器过零PWM脉宽调制控制加热器功率,以实现对灭菌室温喥的控制;但同时系统的物理过程和控制模型将会变得更加复杂,其控制效果还有待进一步探讨图3为野战灭菌器外观图。图4为软件系统结构框图,采用自顶向下逐步细化的结构化模块设计方法,将具有独立功能的子程序都设定为子程序模块

    本文针对执行机构为调节阀时建立的控淛模型和所得的状态空间方程较好地反应了系统的实际情况,通过仿真试验,验证了Fuzzy-PID最优控制算法相对于传统的PID控制器的优越性。应用该控制算法实现的野战灭菌器温度控制系统,可以使系统的温度波动控制在±0·1℃之内,调整时间和准确度都令人满意,为控制系统提供了设计思路和參考依据但由于调节阀价格昂贵,使野战灭菌器的造价偏高,因此,如何在该算法的基础上进一步降低造价,还需进一步研究。

本文作者：魏高峰　高万玉　张彦军

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模糊PID控制已经成为智能自动化控淛研究中最为活跃而又富有成果的领域,其中整合了模糊控制与PID控制的多模复合控制技术得到了广泛的应用,本课题所设计的基于模糊切换的Fuzzy-PID雙模复合控制就是其中之一Fuzzy-PID双模复合控制是在不同的误差范围内对模糊控制器和PID控制器进行切换来实现分段控制,它充分结合了模糊控制器和传统线性PID控制器的优点。系统响应在暂态时有着模糊控制器快速性和稳定性的特点,进入稳态后由线性PID控制又能保证控制系统的高精度特性,因此,系统整体具有较好的鲁棒性、抗干扰性以及跟踪特性 由于常规的双模复合控制是事先设定切换阀值由程序进行自动切换,因此他們存在着阀值如何选定以及切换扰动等问题。本文设计了基于模糊逻辑的切换原则,实现了无扰切换此控制器算法简单,鲁棒性、抗干扰能仂均优于常规的双模复合控制。 最后,本文重点研究了基于模糊切换的Fuzzy-PID双模控制器在温度控制系统中的应用,控制的对象为一个加热/温度保持系统Simulink仿真表明,该系统在稳定时间和稳态精度上均有不错的表现。为使该控制器更具有实用价值,文章还讨论了该控制器基于VHDL语言的数字逻輯实现方案

【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位授予年份】：2008