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案例頻道1.前言
基金會現(xiàn)場總線（FF）是專門針對過程控制領(lǐng)域設(shè)計的一類總線，已經(jīng)被越來越廣泛的應(yīng)用到工業(yè)中。利用其標(biāo)準(zhǔn)功能塊可以在用戶層很容易實現(xiàn)大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。但是對于一些未知或不準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)模型，顯然利用標(biāo)準(zhǔn)功能塊無法精確控制，模糊理論已被證明是一種解決此類模型的有效方法。而且PID控制是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法，在工業(yè)過程中大多采用PID控制，其優(yōu)點是原理簡單，魯棒性好，通用性強。基于以上現(xiàn)狀，本文冗合模糊理論和功能塊技術(shù)，在FF中提出了一種實現(xiàn)自適應(yīng)模糊PID控制算法的方法，擴大了FF的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.FF功能塊
基金會現(xiàn)場總線的功能塊應(yīng)用進程規(guī)范對功能塊的定義為：帶有一個或多個輸入輸出參數(shù)的模塊，并允許設(shè)備制造商按照協(xié)議開發(fā)自己的功能塊。基金會現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)中定義了1種資源塊、10種基本功能塊、19種先進功能塊以及7種標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換塊。功能塊提供控制系統(tǒng)行為，它的輸入、輸出參數(shù)可以通過現(xiàn)場總線連接。各功能塊的執(zhí)行均受精確調(diào)度。功能塊是參數(shù)、算法、事件三者的完整結(jié)合。由外部事件驅(qū)動功能塊的執(zhí)行，通過算法把輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為輸出參數(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的控制功能。功能塊根據(jù)設(shè)備的功能需要設(shè)置到現(xiàn)場總線設(shè)備內(nèi)。
功能塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖一[1]
圖 一 功能塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
3.基于FF的自適應(yīng)模糊PID功能塊
模糊控制是將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng)。
目前，PID控制在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛，它的優(yōu)點吸引著很多的學(xué)者，將其與模糊控制相結(jié)合可形成自適應(yīng)模糊PID控制，自適應(yīng)模糊PID控制就是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)的誤差e和誤差的變化率ec，利用工程人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗建立知識庫（模糊規(guī)則），通過模糊推理來進行參數(shù)調(diào)整的[2]。基金會現(xiàn)場總線的功能塊應(yīng)用進程規(guī)范使先進控制在設(shè)備級的實現(xiàn)成為可能，自適應(yīng)模糊PID控制器可以在FF中作為控制功能塊被應(yīng)用。FF已經(jīng)定義了標(biāo)準(zhǔn)的PID功能塊，我們可以在此基礎(chǔ)上增加必要的參數(shù)構(gòu)成自適應(yīng)模糊PID功能塊。
3.1自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)
圖二給出了自適應(yīng)模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖，自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改，從而構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。從外部看來他與傳統(tǒng)的PID相似，不同之處就是PID控制器參數(shù)Kp,Ki,Kd，通過計算誤差e和誤差率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行整定了[3]。
圖 二 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)
3.2模糊推理系統(tǒng)輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)
在現(xiàn)場總線設(shè)備中，功能塊需要快速反應(yīng)完成實時控制任務(wù)，因此在模糊推理系統(tǒng)中，輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)我們都選用分段線性函數(shù)，因為它的控制要求易于滿足，并且可以快速計算。下圖三給出了模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)，工程人員通過調(diào)整論域元素來啟用輸入輸出變量[4]。
3.3模糊推理系統(tǒng)的參數(shù)整定規(guī)則
當(dāng)誤差E和誤差率EC變化時，Kp,Ki,Kd的自我整定規(guī)則如下[4]：
（1）當(dāng)誤差E較大時，Kp要足夠大才能使系統(tǒng)快速響應(yīng)。為了減小微分飽和，Kd要調(diào)小。同時，為了避免由于因積分飽和而引起的系統(tǒng)超調(diào)，Ki要減小到零。
（2）當(dāng)誤差E和誤差率EC都不是很大時，為了減小系統(tǒng)超調(diào)，Kp要小，Ki也要仔細選取。在這種情況下，Kd對系統(tǒng)的響應(yīng)速度起了很大的作用，要保持適當(dāng)?shù)闹怠?/SPAN>
（3）為了得到好的靜態(tài)系統(tǒng)性能，當(dāng)誤差E較小時，輸出值接近設(shè)定值，Kp、Ki的值要增加。同時，為了避免輸出在設(shè)定值附近上下?lián)u擺，Kd要仔細確定。一般情況下，誤差E小時，Kd要大。相反，E大時，Kd要小。
根據(jù)以上的整定準(zhǔn)則，得到模糊參數(shù)調(diào)整狀態(tài)表如下：
|
EC /Kd |
B |
M |
S |
Z |
|
B |
M/Z/S |
S/S/M |
M/M/Z |
M/B/Z |
|
M |
B/Z/M |
M/S/M |
B/B/S |
B/B/Z |
|
S |
B/Z/B |
M/Z/B |
B/B/S |
B/B/S |
|
Z |
B/Z/B |
M/Z/B |
B/B/S |
Z/B/Z |
表一 模糊參數(shù)狀態(tài)調(diào)節(jié)表
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