基于模糊pid控制電阻爐的溫度系統(tǒng)設計與仿真畢業(yè)論文-wenkub

　

【正文】 擬 PID 控制算法的算式（ ），現(xiàn)以一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 : )n,3,2,1,0k(kTt ?? ? ? ?? ???t0 k 0j k 0l )l(eT)jT(eTdt)t(e T )]1k[(e)k(eTe ]T)1k[(e)kT(edt )t(de ?????? 式中 T為采樣周期， k 為采樣序號， k=0， 1， 2， 3??。它有助于減小超調，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時加快系統(tǒng)的響應速度，減小調 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 6 整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。積分作用雖然可以消除靜差 ，但不能及時克服靜差，偏差信號產生后有滯后現(xiàn)象，使調節(jié)過程緩慢，超調量變大，并可能產生振蕩。其特點是簡單、快速，對于具有自平衡性的控制對象可能產生靜差（自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應終值為一有限值）；而對于帶有滯后的系統(tǒng)，可能產生振蕩，系統(tǒng)的動態(tài)特性也隨之降低 ]1[ 。系統(tǒng)由模擬 PID 控制 (虛框內部分 )和被控對象組成。 本文的工作 基于以上所述日前國內外的溫控方法的各自特點，以及溫度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點，本論文考慮采用模糊控制與 PID 控制相結合的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法。 （ 3）基于 模糊自調整 PID 控制 的 鍋爐 控制 模糊自調整 PID 控制 用在 鍋爐 控制中，能對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現(xiàn) PID 參數(shù) KP， KI，KD 的在線自整定，不僅保持了常規(guī)控制系統(tǒng)原理簡單、使用方便、魯棒性較強等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、適應性，控制也更精確。它 是一種無模型控制方案，即在不知道對象精確模型的情況下，通過自我的調節(jié)作用，使實際響應曲線近似于 理想響應曲線。該方法理論嚴謹，可以嚴格證明 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題 ，定量分析 性能指標能 ，得到比較好控制品質 。 控制系統(tǒng)進行分析綜合 通過數(shù)學方法。 PID 控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點。溫度微機控制系統(tǒng)常用的控制方案有經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設計方案和智能控制方案。 由于溫度自身的一些特點，如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重、難以建立精確的數(shù)學模型等使控制系統(tǒng)性能不佳。在工業(yè)許多生產過程中，為了提高生產效率，必須對實際生產過程中的主要參數(shù)，比如電壓、溫度、壓力、水流、速度等進行有效的控制，其中溫度控制在生產過程中起著至關重要的作用。 關鍵詞 ： 溫度控制系統(tǒng)；電阻爐爐；模糊控制； MATLAB； PID 控制 II Abstract Now, a lot of industrial production process requires the use of boiler equipment,temperature control system of boiler has many problems, such as the lag phenomenon is serious, it is difficult to establish accurate mathematical model. I performed simulation studies, taking the electric heating boiler as the research object, through the analysis and Research on fuzzy control method, using MATLAB in the Simulink and the Fuzzy toolbox simulation analysis. Through the fuzzy control method is applied in the boiler temperature control system,we can overe the serious lag phenomenonthe in the temperature control system, and can improve the stability of the system. The following is the chapter division: The first chapter introduces the research background and significance, the development status of the domestic and foreign boiler temperature control system, the significance of this topic and the main work of this paper The second chapter introduces the development history, the fuzzy control theory and the basic idea and characteristics, the fuzzy controller and fuzzy control algorithm. The third chapter introduces the analysis of controlled object and its control method. The fourth chapter introduces the simulation design of temperature control system for electric boiler characteristics, the fuzzy controller and the temperature control system. The fifth chapter is a brief summary of the whole thesis. Keywords: temperaturecontrol system。 本科畢業(yè)論文（設計） ( 20xx 屆 ) 基于 模糊 PID 控制電阻爐的溫度系統(tǒng)設計與仿真 院 系 電子信息工程 學院 專 業(yè) 電子信息工程 姓 名 王靜 指導教師 吳劍威 副教授 20xx 年 4 月 學號： 1208211004 I 摘 要 很多工業(yè)生產過程都需要用到電阻爐溫度控制設備，電阻爐的溫度控制系統(tǒng)存在很多問題，比如超調量比較大，超調時間比較長等問題。 electric boiler。準確地測量溫度并且有效地控制溫度是優(yōu)質、高產、低耗和安全工業(yè)生產中的重要條件。在關于溫度控制的絕大部分文獻資料中，控制結果都是有超調的而且很多時候超調量較大，本論文是基于這一特點，研究一種控制方案使其調節(jié)時間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。 第一類 : 經(jīng)典控制方案 經(jīng)典控制方案基本可分為數(shù)字控制器的間接設計方案和 直接設計方案。 用離散時近似方法 將模擬控制器轉換成數(shù)字控制器 ，其實 是 將一連續(xù)時間系統(tǒng)的控制規(guī)律離散為數(shù)字控制器的控制規(guī)律，適當選擇采樣周期確保數(shù)字控 制器與模擬控制器的近似 。 極 小化預先確定的性能指標函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應確定控制規(guī)律 。但這類方法需要知道精確的被控對象的數(shù)學模型形式。 目前，也有一些科研人員運用一些控制理論來控制鍋爐 : （ 1）基于 PID 控制的 鍋爐 控制 傳統(tǒng)的 PID 控制用在 鍋爐 控制中，原理簡單，易于實現(xiàn)，魯棒性較強，是應用最廣泛的控制方法之一，但是也存在局限性，超調量大，無法實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制 [1]。 本文的主要研究內容 本論文就鍋爐水位控制特性作為研究切入點，探討如何解決鍋爐水位控制特性所提出的問題。 本文首先介紹常規(guī) PID 控制，模糊控制和自適應模糊 PID 控制的基礎，然后對電阻爐溫度這一控制對象，選擇了純 PID 控制、純模糊控制和參數(shù)模糊自整定 PID 控制三種控制方 案，并給出了仿真與比較。 圖 模擬 PID 控制器系統(tǒng)框圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r (t)與 實際輸出值 y (t)構成偏差 : )t(y)t(r)t(e ?? () 將偏差比例、積分和微分控制，通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 積分調節(jié)（ I） 在積分調節(jié)中，調節(jié)器的輸出信號 u的變化速度 du /dt 與偏差信號 e 成正比，即： 01 tIu edtT? ? （ ） 其中： IT 稱為積分時間常數(shù)可見偏差一旦產生，控制信號不斷增大，偏差信號消失后，控制信號保持原值，顯然，在已知 IT 為常數(shù)的情況下，控制信號為常數(shù)當且僅當 e=0，即對于一個帶積分作用的控制器而言，如果它能夠使閉環(huán)系統(tǒng)達到內穩(wěn)，并存在一個穩(wěn)定狀態(tài)，則此時對設定值 r 的跟蹤必然是無靜差的。 微分調節(jié)（ D） 在微分調節(jié)器中，調節(jié)器的輸出 u 與被調量或其偏差對于時間的導數(shù)成正比，即 )dtdydtdr(TdtdeTu DD ??? （ ） 可見微分作用輸出只與偏差變化有關，偏差無變化就無控制信號輸出，所以不能消除靜差。 數(shù)字 PID控制 計算機的誕生與發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)逐漸被數(shù)字控制方式所取代。 顯然，上述離散化過程中，采樣 周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。根據(jù)遞推原理可得 ??? ???????? 1k 0j DIP )2k(e)1k(e[K)j(eK)1k(eK)1k(u （ ） 用式 ()減式 ()得增量式控制算法如下 : )]1k(e)k(e[K)k(eK)k(eK )]2k(e)1k(e2)k(e[K)k(eK)]1k(e)k(e[K)k(u DIP DIP ???????? ?????????? （ ） 式 ()中： )1k(e)k(e)k(e ???? 為了編程方便，可將 ()式整理成如下形式 : )2k(eq)1k(eq)k(eq)k(u 210 ?????? () 其中： TTKq),TT21(Kq),TTTT1(Kq DP2DP1DIP0 ??????? 位置式 PID 算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對誤差進行累加，計算機運算工作量大，而且如果計算機出現(xiàn)故障，會引起執(zhí)行機構位置的大幅度的變化，這種情況往往是在生產實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產事故，因此產生了增量式 PID 控制的控制算法。不會影響系統(tǒng)的工作。 PID 控制器的優(yōu)缺點 傳統(tǒng)的 PID 之所以有很強的生命力，其主要原因在于： PID 控制對于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性； PID 算法原理簡明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整且應用經(jīng)驗豐富；過程的動態(tài)特性大都具有高階、非線性、大延遲及時變等特性，給以精確數(shù)學模型為基礎的現(xiàn)代控制理論的應用帶來了困難。在設計控制系統(tǒng)的過程中人們主要關心的問題是 PID 控制器，只能通過整定一組“設定值跟蹤特性”和“干擾抑制特性”。模糊控制理論是美國國柏克萊加州大學的 教授最早提出的， 1965 年他首先提出 模糊集的概念，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內容，開創(chuàng)了模糊數(shù)學及其應用的新紀元。其根源是模糊邏輯本身提供了由專家構造語言信息并將其 轉化為控制策略的一種系統(tǒng)的推理方法，對于模型難以建立的不確定系統(tǒng)或復雜系統(tǒng)的控制，提供了簡便模式，是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中不精確或不確定性的一種有效的方法。 (3)易被人們接受，模糊控制規(guī)則是用人類語言表示的，易被一般人接受和理解。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)對控制過程不僅要求控制的精確性，還要求控 制的魯棒性、實時性、容錯性及對控制參數(shù)的自適應性，而傳統(tǒng)控制存在的局限性使之不能從根本上解決這些問題。 (2)輸入 /輸出接口 :模糊控制器通過輸入接口從被控對象獲得數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的數(shù)字信號經(jīng)輸出接口轉變?yōu)槟M信號去控制被控對象。對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。模糊控制的基本思想，