AFS 模糊系统的进步 1687 - 711 x 1687 - 7101 Hindawi出版公司 691808年 10.1155 / 2008/691808 691808年 研究文章 模糊PI控制器:协调应用程序的实时压力控制过程 Kanagaraj N。 1 Sivashanmugam P。 1 Paramasivam 年代。 2 Al-Assaf 尤瑟夫 1 化学工程学系 国家研究所的技术 Tiruchirappalli 620015 印度 nitt.edu 2 伊萨工程服务有限公司 钦奈600 034 泰米尔纳德邦 印度 esabindia.com 2008年 14 04 2008年 2008年 07年 11 2007年 01 04 2008年 2008年 版权©2008 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

介绍了实时实现的模糊协调经典PI控制方案控制试验压力罐系统的压力。模糊系统设计跟踪反馈回路的参数变化和调优古典控制器来实现更好的控制动作负载扰动和设定值的变化。错误和过程的输入选择作为模糊系统的输入来优化传统的PI控制器根据工艺条件。这个在线常规控制器调优技术将减少人工参与控制器调优和增加传统控制器的操作范围。提出的控制算法实验实现的实时试验空气罐系统的压力控制和验证使用高速32位ARM7嵌入式单片机板(ATMEL AT91M55800A)。展示性能的模糊PI控制方案,协调结果比经典PI和PI-type模糊控制方法。可以看出该控制器结构能够快速跟踪参数变化和负载扰动和有更好的表现也为设定值的变化。

1。介绍

古典控制器PI或PID控制器广泛应用于流程工业由于其结构简单,保证可接受的性能为工业过程及其优化是众所周知的在所有产业运营商。然而,这些控制器提供更好的性能只有在特定的操作范围和他们需要退还如果操作范围发生了变化。此外,传统的控制器性能达不到预期水平非线性和死时间流程。在目前的工业场景中,所有的过程都需要自动控制和良好的性能在一个宽的操作范围简单的设计和实现。这提供了在线优化的动力,重点是自动在线合成和优化传统的控制器参数,即使用在线数据,采用智能系统可以不断学习从而确保满足性能目标。传统的在线优化控制器通过一个智能技术是一种方法来自动化操作的任务,并获得更好的控制器性能的操作范围宽。在各种智能控制技术,模糊逻辑提供了一个正式的方法来实现人类的启发式知识,它将被视为一个明显的解决方案优化传统的控制器。以各种形式的模糊逻辑控制方法被设计和实现了控制应用程序( 1- - - - - - 3]。方法通常嵌入一个操作员的直觉和经验,最近,它已经使用的形式主管的应用程序( 4- - - - - - 7]。具体地说,一个模糊推理系统是用来调整PI控制器收益根据当前操作条件的控制系统。

在工业环境中,控制算法开发和实施实时控制应用程序的成本应该是可行的。在这种情况下,使用内嵌微控制器似乎特别合适,因为现在的单片机的成本很低,高处理速度和较小的功耗也适用于工业环境。进一步发展应用程序下载到单片机是非常简单的。成功应用microcontroller-based实时控制的报道( 8- - - - - - 10]。此外,嵌入式单片机可用于远程监视和控制通过一个基于网络的控制结构( 11]。

压力控制的主要任务之一是地区,如蒸汽代工业发电厂、反应控制在化工、加热、通风和空调(HVAC)系统,石油钻井,汽车排放控制、等等, 12- - - - - - 15]。一般来说,压力控制是一个动态的、非线性过程中,频繁的控制器优化是必要的基于过程的操作条件 16]。本文报道模糊PI混合控制器结构的设计和实现的模糊控制器是适应反馈系统的跟踪误差和流程输入和调优经典PI控制器设定值变化和负载扰动。提出了控制算法的性能比传统的反馈控制器。控制器参数的传统方法是通过计算科恩和浣熊(CC)调优方法,从一个开环反应曲线的实验过程。

2。设计的模糊协调PI控制器

控制器设计的主要目标是实现更好的控制性能的稳定性和健壮性设置点和负载扰动变化。Paramasivam和Arumugam 17)和Ketata et al。 18)提出了不同的设计方法使用模糊逻辑系统的混合控制结构。他等。 19]和Visioli [ 20.)使用了模糊系统以这样一种方式修改传统控制器的参数。混合控制结构由一个简单的上层智能控制器和一个低级古典控制器。上层控制器提供了一种机制系统的主要目标,而底层控制器应交付的解决方案特定的情况。提出的控制结构,基于规则的mamdani-type模糊控制器用于高层和选择传统的PI控制器的低水平。PI模糊协调控制器的结构如图 1。在惯例,错误<我nline-formula> ( e ) 和误差变化<我nline-formula> ( Δ e ) 首选参数而设计的前期模糊规则控制的应用程序。但在当前应用程序中,修改控制结构已应用于模糊系统使用错误<我nline-formula> ( e ) 和过程的输入<我nline-formula> ( u ) 和检测可能偏离规定的课程以便能够调整常规控制器设定值变化和负载扰动。

模糊协调PI控制器结构。

2.1。模糊PI控制器的优化

混合控制结构,模糊系统用于修改系统设置点或传统控制器的比例因子。目前的方法是输入比例因子修改一个经典的PI控制器。PI控制器通常是实现如下: u π = K p e ( t ) + T K n = 0 t e ( n ) e ( t ) = y r ( t ) y ( t ) , 在哪里<我nline-formula> K p , K 是比例andintegral收益。控制器输出,过程输出和设置点表示为<我nline-formula> μ π , y , y r , 分别。在传统PI控制器,的值<我nline-formula> K p 和<我nline-formula> K 在( 1)调整由操作员根据工艺条件的变化。通过开发一个基于规则的智能模糊协调混合控制器结构,这些参数可以在线修改根据工艺条件的变化没有操作员的干预和进一步增强传统的控制器性能操作范围宽。

2.2。规则库和隶属度函数的模糊控制器

上层模糊系统的控制结构包含运营商知识形式的if - then规则来确定增益控制过程的因素,根据当前的趋势。在这提出了混合动力控制器结构、模糊控制规则的系统已经开发使用通用领域知识对传统控制器优化( 21]。增益的变化的影响参数对上升时间、超调,PI控制器的沉淀时间见表 1

获得参数的影响。

获得参数 增加收益的影响
上升时间 过度 沉淀时间
K p 减少 增加 小变化
K 减少 增加 增加

方法,控制规则与错误和开发流程输入作为前提和比例和积分增益顺向的每个规则。模糊规则是写成的结构 F e NS u T H E N K p 高的 K 中期

2显示了十五语言模糊规则已被用于模糊PI协调控制结构。每个输入和输出的语言值模糊变量的论域划分为相邻间隔形成了隶属度函数。每一个模糊变量的隶属函数分配一个缩写语言值是地中海(媒介),VHIG(非常高),等等。成员函数的模糊程度转换成规范化区间<我nline-formula> ( 0 , 1 ) 。三角形隶属函数选择在当前控制器及其程度的模糊性表示为 μ δ ( x ) = { 0 , x < 一个 x 一个 b 一个 一个 x < b c 一个 b 一个 b x c 0 , x > c 三角形隶属度函数形状有50%的重叠为输入和输出模糊变量数据所示 2 3。每个模糊变量最初选择的比例系数的实验数据在早些时候 22),和他们的价值观已经协调好了在实现为了获得期望的结果。在目前的系统中,测量压力信号转换为10位二进制等效二进制数是映射与宇宙的话语。

规则库的模糊协调PI控制器。

输入 输出
错误<我nline-formula> ( e ) 流程输入<我nline-formula> ( u ) K p K
VHIG 高的
地中海 高的 地中海
高的 地中海 地中海

NS 高的 地中海
地中海 地中海
高的 VLOW

地中海
地中海
高的 VLOW VLOW

PS VLOW
地中海 地中海
高的 VLOW 高的

PB 地中海 VLOW
地中海 高的 VLOW
高的 高的 地中海

模糊输出隶属度函数(a) (b)流程输入错误。

模糊输出隶属度函数(a)比例增益(b)积分增益。

模糊的暗示,十字路口最低操作使用,中心平均去模糊化( 23)被选中的脆值输出。平均去模糊化定义为中心 μ ( K p K , ) = = 1 R b μ = 1 R μ , 在哪里<我nline-formula> μ ( K p , K ) 是输出的增益,<我nline-formula> b 表示结果的隶属函数的中心<我t一个lic> 我th规则和<我nline-formula> μ 表示的成员值<我t一个lic> 我规则的前提。

证明该控制技术的性能,PI-type模糊的性能和传统的PI控制器的研究和比较压力的过程。PI-type规则库和隶属度函数的模糊控制器设计使用有效的了解压力的过程。控制器参数常规PI控制器是通过CC控制器调优方法,从一个开环反应曲线的实验过程。

3所示。实验装置的描述

试验压力调节系统的原理图如图 4。它由一个微型压力罐进口的是连接到一个空气压缩机通过50 mm控制阀。底部的槽,一个出口提供一个手动操作闸阀允许气流速度常数。一个压力变送器连接到压力罐是用来测量罐压力,提供了一个输出电流范围内的4 - 20 mA。在这个闭环调压系统,进气流量控制通过改变控制阀位置以达到所需的压力。减少敏感性类型相同比例电动气动控制阀特性如图 5用于进气气流操作。

试验压力调节系统的原理图。

控制阀的特性。

4所示。实现的模糊PI控制器协调

提出了模糊PI控制算法源代码开发和协调下载到目标ARM7微控制器。主机(PC)机和目标单片机界面的使用<我nline-formula> μ 链接下载应用程序代码编程装置。超小型嵌入式单片机的目标与一个32位的高级RISC体系结构(ATMEL AT91M55800A)已经被选择的实现提出了控制算法和图所示 6。其特性是一个兆字节内置闪存、网络应用能力的处理器(NCAP)设施,32 MHz操作时钟频率为三个串行接口rs - 232收发器,内置ADC和DAC实时接口( 24]。实验装置如图的照片 7。流程图的各个步骤的发展模糊协调PI控制算法如图 8

爱特梅尔公司(AT91M55800A)嵌入式单片机目标板。

实验系统的照片。

流程图的各个步骤的模糊协调发展的PI控制算法。

5。实验和结果

从压缩机,压缩机的开启,空气流被允许持续罐压力达到设定压力。压力变送器测量水箱压力,给出了输出电流信号(4 - 20毫安),将使用电流转换为0 - 5伏电压转换器。内置10位ADC的ARM7微控制器将模拟电压信号转换成相应的二进制等价的。误差值是通过对比计算过程输出和设置点。出口阀设置在一个固定的开放,允许一个常数空气流量的压力罐在测试期间。通过使用误差和流程输入,混合控制算法提供了控制器的输出,将操作入口空气流量保持罐压力在一组水平。采样率已经固定在0.5秒的压力测量。

一个ARM7 microcontroller-based实时实验进行压力调节在一个飞行员使用π,空气罐系统PI-type模糊,模糊协调PI控制算法。传统的PI控制器的控制器参数通过CC调优方法获得的。系统输出响应的模糊协调PI控制器,PI控制器,PI-type模糊控制器的设定压力水平3和4条数据所示 9 10。从输出响应,可以看出模糊协调PI控制算法使系统快速达到设定压力没有任何过火和稳态误差。另一方面,习用PI控制算法需要多少时间到达设定压力。然而,PI-type模糊控制算法消耗较少的时间比PI控制器,但是有一个小的稳态误差。得出基于模糊的混合控制器性能更好的解决时间和稳态误差比传统的PI和PI-type压力控制过程的模糊控制方法。

实验结果,输出响应不同的控制器的设定压力水平3条。

模糊协调PI控制器

传统的PI控制器

PI-type模糊控制器

实验结果,输出响应不同的控制器的设定压力水平4条。

模糊协调PI控制器

传统的PI控制器

PI-type模糊控制器

实验结果的模糊协调PI控制器,控制输入,和π收益优化设定压力水平的4条。

提出的控制算法的性能测试已经置位点变异在稳态条件下通过改变压力。置位点变异的响应从3到4条和4条3条不同的控制器数据所示 12 13。从结果,fuzzy-based混合控制器立即响应设置点的变化,使系统稳定在很短的时间内比π和PI-type模糊控制器。

实验结果,输出响应不同的控制器设定值变化从3到4条。

模糊协调π

传统的PI控制器

PI-type模糊控制器

实验结果,输出响应不同的控制器设定值改变从4栏3栏。

模糊协调PI控制器

传统的PI控制器

PI-type模糊控制器

为了比较不同控制算法的性能,误差的平方的积分(伊势),的积分误差的绝对值(IAE),时间加权绝对误差的积分(ITAE)和均方根误差(RMSE)标准已经被使用。伊势,IAE ITAE和RMSE给出 伊势 = 0 e 2 d t , 管理学院 = 0 | e | d t , ITAE = 0 | e | t d t , RMSE = K = 1 N ( y r y ( k ) ) 2 N , 在哪里<我nline-formula> e 是常见的错误(例如,<我nline-formula> y r y ),<我nline-formula> y r 参考压力在酒吧,<我nline-formula> y 在酒吧是实际的输出压力,<我nline-formula> N 样品的数量吗<我nline-formula> ( N = One hundred. ) 。不同控制算法的性能比较的设定压力水平3栏和4栏展示在表 3

不同控制算法的性能比较。

类型的控制 伊势 管理学院 ITAE RMSE 沉淀时间<我nline-formula> ( t 年代 ) 证券交易委员会
3条 4条 3条 4条 3条 4条 3条 4条 3条 4条
PI控制 28.36 36.97 17.63 20.12 54.65 64.23 0.529 0.618 42.3 50.6
PI-type模糊控制 26.41 35.14 16.26 18.47 52.06 57.21 0.516 0.611 40.7 47.4
PI模糊协调控制 17.04 28.38 11.97 14.57 36.71 45.35 0.427 0.536 33.2 39.1

比较表表明,提出模糊- PI控制器协调小值为所有类型的错误标准(伊势,IAE ITAE和RMSE)比传统的控制器。通过考虑沉降时间,该算法比其他方法证明了改进的性能。研究鲁棒性控制器的负载扰动,扰动被应用以这样一种方式来增加和减少流程输入在稳态条件。负载扰动的系统输出响应如图 14 15。结果习用π和PI-type模糊控制器负载扰动的不够好,因为穷人跟踪性能参数变化。也观察到系统输出不能达到稳定状态,即使长时间。然而,在模糊- PI控制器协调的情况下,负载扰动的结果更好。自从模糊系统可以立即能够跟踪输入扰动通过使用它的输入参数<我nline-formula> e 和<我nline-formula> u ,因此必要的修改是在传统的控制器使系统输出快速设置值。从负载扰动的结果,很明显,提出技术的抗干扰能力优于传统的技术。

实验结果,负载扰动响应控制器提高过程的输入。

模糊协调PI控制器

传统的PI控制器

PI-type模糊控制器

实验结果,控制器的负载扰动响应减少流程输入。

模糊协调PI控制器

传统的PI控制器

PI-type模糊控制器

6。结论

摘要稳定、快速跟踪能力参数变化和不同控制器的鲁棒性算法研究了飞行员压力控制系统实验。实验分析证明了该模糊协调PI控制方案保持水箱压力设置水平没有稳态误差与PI-type模糊控制器。通过保持π的优点和方法,提出控制方案使系统输出到达水平集速度比π和PI-type控制器。从负载扰动和设定值变化的结果,提出混合动力控制器证明快速参数跟踪的鲁棒性与援助的能力。然而,π和PI-type模糊控制器的性能负载扰动是不够的,因为穷人的跟踪能力。发现从演示结果,提出模糊基于逻辑的混合控制方案适合压力控制和其他类型的动态过程。此外,microcontroller-based嵌入式控制器被证明是更好的工具来实现混合控制算法与低成本和简单的设计技术。

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