模糊PI控制器:协调应用程序的实时压力控制过程

文摘

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Arumugam17)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,错误和误差变化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和过程的输入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。

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: 在哪里是比例andintegral收益。控制器输出,过程输出和设置点表示为分别。在传统PI控制器,的值和在(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。

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

表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。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 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和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。

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 在哪里是输出的增益,表示结果的隶属函数的中心我th规则和表示的成员值我规则的前提。

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。

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。

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和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。

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和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。

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 在哪里是常见的错误(例如,),参考压力在酒吧,在酒吧是实际的输出压力,样品的数量吗。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。

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和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和,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。

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。

引用

1. a . m . Prokhorenkov和a . s . Sovlukov”模糊模型在锅炉控制系统总体技术流程,“计算机标准和接口,24卷,不。2、151 - 159年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m . j . Er和y l .太阳,“混合模糊比例积分+常规导数线性和非线性系统的控制,”IEEE工业电子产品,48卷,不。6,1109 - 1117年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. r·k·马地犬和n . r .朋友,”一个健壮的自调优方案π- PD-type模糊控制器,”IEEE模糊系统,7卷,不。1 - 18,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m . Abd El-Geliel和m . a . El-Khanzendar”监督模糊逻辑控制器用于过程循环控制在DCS系统中,”IEEE会议程序控制应用程序(CCA ' 03),1卷,页263 - 268,伊斯坦布尔,土耳其,2003年6月。视图:谷歌学术搜索
5. a . Abdennour“鼓型锅炉的智能监控系统在严重的干扰,”国际期刊的电力和能源系统,22卷,不。5,381 - 387年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. l . Reznik o . Ghanayem, a . Bourmistrov”PID +模糊控制器结构设计基础工业应用,”人工智能技术的工程应用,13卷,不。4、419 - 430年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. a . Visioli“基于模糊逻辑点体重调整PID控制器,”IEEE系统,人,控制论卷,29号6,587 - 592年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m . Das, A . Banerjee r . Ghosh et al .,”研究多变量过程控制在嵌入式控制器使用消息传递,“ISA事务,46卷,不。2、247 - 253年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 李h . m . s . x Yang Q.-H。孟,p . x刘“嵌入式模糊控制器与保证性能,基于行为的移动机器人”IEEE模糊系统,12卷,不。4、436 - 446年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. f·托马斯·m·m·Nayak Udupa, j·k·基肖尔,和v . k . Agrawal”提高了数据采集的硬件/软件合作设计一个基于处理器的嵌入式系统,”微处理器和微系统公司,24卷,不。3、129 - 134年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. e . Suwartadi谷纳温c、a . Setijadi和c . Machbub“基于网络的嵌入式控制系统的第一步,”第五届亚洲控制会议学报》上,卷2,页1226 - 1231,墨尔本,澳大利亚,2004年7月。视图:谷歌学术搜索
12. y Majanne”,模型预测的蒸汽压力控制的网络,”控制工程实践,13卷,不。12日,第1505 - 1499页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. w .剑和c .文剑,“发展的自适应去噪方法在空调系统送风压力控制,”《IEEE国际会议系统,人与控制论》5卷,第3809 - 3806页,纳什维尔,田纳西州,美国,2000年10月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 尼加德和g . Nævdal“非线性模型预测控制方案稳定在石油钻井过程中,环空压力”《过程控制,16卷,不。7,719 - 732年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 课题组组长j·c·葛林介绍,c . Labergere和s . Thibaud”建模和过程控制的hydroformig金属衬垫用于储氢,”材料加工技术杂志》上,卷177,不。1 - 3、697 - 700年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. n Kanagaraj和p . Sivashanmugam嵌入式模糊控制器实时压力控制”《IEEE国际会议上工业技术(ICIT 06年),页2023 - 2027,孟买,印度,2006年12月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. Paramasivam和r . Arumugam“混合模糊控制器的速度控制开关磁阻电机驱动器,”能量转换和管理,46卷,不。9 - 10,1365 - 1378年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. r . Ketata d . De地表古积,a . Titli“模糊控制器:设计、评估、并行和层次结合PID控制器,”模糊集和系统,卷71,不。4、113 - 129年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
19. S.-Z。他,棕褐色,F.-L。徐,P.-Z。王,“模糊自调整PID控制器,”模糊集和系统卷,56号1,37-46,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
20. a . Visioli“优化的PID控制器和模糊逻辑,”IEE诉讼:控制理论和应用程序,卷148,不。1,1 - 8,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 周宏儒。曹,K.-B。曹,B.-H。王”,采用混合控制:使用遗传算法自动生成规则,”模糊集和系统卷,92年,第316 - 305页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|MathSciNet
22. p . Sivashanmugam: Kanagaraj, r·库马尔“实时压力测量的变化速度和压力控制,”科学与工业研究杂志》上,卷66,不。2、120 - 123年,2007页。视图:谷歌学术搜索
23. k . m . Passino y .斯蒂芬,模糊控制addison - wesley朗文,门洛帕克,加利福尼亚州,美国,1998年。
24. 2003年,PHYTECH-AT91M55800A硬件手册,PHYTECH科技控股公司。

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