工业控制中的温度测量和控制毕业设计

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） I目录目录第一章第一章 前言前言 .1.11.1 课题的提出与意义课题的提出与意义.1.1.11.1.1 课题的提出课题的提出.1.1.21.1.2 课题的意义课题的意义 .1.21.2 工业控制的发展概况工业控制的发展概况 .1.3 工业工程控制的常用算法 .1.3.1 PID 控制.1.3.2 自适应控制 .1.3.3 智能控制 .1.4 智能控制方法概述 .1.4.1 智能方法的起源与发展 .1.4.2 智能控制方法的分支、特点及应用 .1.5 论文的主要研究内容 .第二章第二章 PIDPID 控制基本理论及参数设定控制基本理论及参数设定.2.1 PID 控制理论 .2.1.1 模拟 PID 控制器 .2.1.2 数字 PID 控制器 .2.2 PID 控制器设计注意事项 .2.3 PID 控制参数调节和整定 .本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） II2.3.1 Zieg1er-Niehols 整定法.2.3.2 Cohen-Coon 参数整定法.2.3.3 试凑法 .2.3.4 衰减曲线法 .2.4 PID 控制器的局限性及发展 .第三章第三章 模糊控制概论模糊控制概论 .3.1 模糊控制的发展及特点 .第四章第四章 温控系统的软、硬件设计及系统仿真温控系统的软、硬件设计及系统仿真 .4.1 温控系统的软件设计 .4.2 温控系统的硬件设计 .4.2.1 总系统简介 .4.2.2 系统总电路图 .4.3 MATLAB 系统仿真 .4.3.1 MATLAB 简介.4.3.2 MATLAB 对模糊 PID 控制仿真.第五章第五章 结束语结束语 .参考文献参考文献 .致谢致谢 .本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 摘要：摘要：随着科学技术的快速发展，在工业控制中的温度测量和控制已成为一个全新的课题，尤其是对高精度的要求，使其应用也变得越来越广泛。在温度控制系统的研究，传统的 PID 控制是非常方便的，但难以胜任高精度的系统。模糊控制是基于模糊控制器的设计，是一种多用途的方法。控制规则往往是因为人们知道控制过程是不全面的，没有高精度要求的选择是不完美的。所以更多的是以两种方法的结合，满足设计要求。本文对高精度的温度控制系统进行了深入的研究，研究方法的选择是PID 控制。温度 PID 控制原理是将温度差成比例，积分和微分的线性组合控制，以控制被控对象，对参数调整的重点。模糊控制技术在过去几十年的迅速发展，也被称为智能控制。纯滞后的非线性对象的控制性能改善具有积极作用。本文提出的复合控制方法，模糊逻辑和专家智能 PID 结合人工操作经验和专家 PID 控制定量调节特性充分研究可以满足高精度和高精度温度控制速度的要求。将 PID 控制和模糊控制的简单性，灵活性和鲁棒性的融为一体，构成一个模糊自整定 PID 控制器。为了提高控制精度，并用 MATLAB 语言是实现控制的计算机仿真方便快捷。通过 Matlab 的 Simulink 和模糊推理工具箱，温度控制系统的 PID 控制和模糊控制仿真系统。仿真结果表明：采用PID 算法时，系统的超调量和调节时间，不能同时满足技术要求。当模糊控制，调节时间和超调量的同时，满足技术要求，但系统的稳态误差。因此，智能化和可靠性的模糊控制，PID 控制相结合，设计了一种模糊参数自整定模糊 PID 控制器，利用模糊推理在线 PID 参数 Kp，Ki 和 Kd 值的设置。仿真研究，参数自整定模糊 PID 控制效果达到了电锅炉温度控制系统的性能指标，是一种理想的智能控制方案。关键词：关键词：温度控制系统; PID 控制; 模糊控制器; 自调整; 仿真本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACT：With the development of science and technology, in the production and life, the temperature measurement and control in industrial control has been a new topic, In the research of temperature control system, the traditional PID control is very convenient, especially for high precision requirements,more and more extensive application.but it is difficult to be competent for system with high precision. Fuzzy control is designed based on the fuzzy controller, is also a kind of method for multiple uses. The control rule is often because people know to controled process is not comprehensive and selection is not perfect without high precision requirement.So more is combined by two kinds of methods,to meet the deshgn requirements.The high precision temperature control system in-depth research, research method of choice is PID control. The principle of temperature PID control is the temperature deviation of the proportional, integral and differential control by linear combination, to control the controlled object, focus on adjusting parameters. Fuzzy control is developed rapidly in the past decades of technology, also known as intelligent control. Positive control performance with pure lag and nonlinear object for improvement. In this paper, the composite 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） control method of Fuzzy logic and the expert intelligent PID combined with artificial operation experience and expert PID control quantitative regulation characteristics fully applied to study can meet the high accuracy and speed requirements in high precision temperature control.The PID control and fuzzy control simplicity, flexibility and robustness of com., constitute a self-tuning fuzzy PID controller. To improve the control precision, and the use of MATLAB language is convenient and fast to realize the computer simulation of the control. By means of the MATLAB simulink and the fuzzy toolbox, the temperature control system PID control and fuzzy control simulation system. The simulation results show that: when using PID algorithm, the system overshoot and adjusting time, can not meet the technical requirements at the same time. When the fuzzy control, regulating time and overshoot while at the same time, meet the technical requirements, but the system has stable error. Therefore the fuzzy control of intelligence and reliability, PID control combined with each other, designed a kind of fuzzy parameter self-tuning fuzzy PID controller, using fuzzy inference on-line PID parameters Kp, Ki and Kd setting. The simulation study, the parameter self-tuning fuzzy PID control effect reaches the performance index of electric boiler temperature control system, which is an ideal intelligent control scheme.KEYKEY WORDS:WORDS: temperature 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） control system; PID controller; fuzzy controller; self adjusting; simulation本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 第一章第一章 前言前言自动控制理论至今已有将近一个世纪的发展历史，经历了经典控制理论（传递函数、根轨迹、频域分析等） 、现代控制理论（状态空间技术、最大值原理、动态规划等）和先进控制理论（鲁棒控制理论、预测控制理论、神经网络技术等） 。对于控制理论中很多要解决的重大的、根本的问题，如过程的结构及其寻求方法，控制系统的综合方法，可控性、可观测性、稳定性等系统的基本性质，发生在系统设计过程的现象等在传统控制中都已经建立了比较完善的理论体系。传统的控制方法适于解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，缺乏灵活性和应变能力。应用传统控制理论虽然能够满足工程技术及其它各个领域的需要，但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对高精度、快响应、强稳定性与适应能力强的要求越来越高，应用范围也更加广泛，由此产生了智能控制。智能控制是控制理论发展的高级阶段，它将控制理论的方法和人工智能技术灵活地结合起来，其控制方法适应对象的复杂性和不确定性。它主要解决那些用传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题。在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。温度控制通常指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。自 18 世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义1。在生产过程中，为了高效地进行生产，顺应科技的发展，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，近年来，虽然在理论的温度检测的成熟，但在实际本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 的测量和控制中，如何保证快速实时采样的温度，以保证数据的正确传输，并可以对温度场的更精确的控制，是一个有待解决的问题。两个温度测量和控制技术，包括温度测量和温度控制技术。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何满足不同系统的控制要求，更好地提高控制性能是目前科学研究领域的一个重要课题。本文根据对高精度温控系统设计的研究，设计出一种 PID 控制和模糊控制相结合并利用 MATLAB 仿真系统对结果进行分析的智能控制系统，使其既具有了模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点,又具有 PID 控制精度高的特点。对模糊控制理论的研究，将遗传算法和模糊控制，PID 控制和智能控制和遗传算法结合起来，提出了模糊自整定 PID 算法和基于遗传算法的 PID 参数整定方法的形成。MATLAB 软件仿真结果表明，这两种智能PID 整定算法效果较好，能达到预期的效果。1.11.1 课题的提出与意义课题的提出与意义 1.1.11.1.1 课题的提出课题的提出科学技术的发展，推动了人类文明的向前发展，加快了社会生产面貌的改变，具有极其重要的意义。现代工业系统的复杂性更是不言而喻，随着国际间的经济竞争日益激烈，人们对生产效益、产品质量和成本降低的要求也越来越苛刻，同时还存在装置结构复杂，价格昂贵、精度低，难操作等一系列问题。这些原因使得人们不得不寻求新的设计，和新的方法来满足自身和生活生产的需要。人们越来越认识到采用计算机技术和过程控制的必要性，从而致力于对高精度，强稳定系统的研究。温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位，智能控制应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，控制的理论化、系统化、规范化、实用化是时代的要求。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 1.1.21.1.2 课题的意义课题的意义今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多被自动化系统所代替，温度控制，在人们生产生活中占有非常重要的地位，随着科学技术的飞速发展，自动控制系统的控制精度在各种领域表现出越来越高的速度，稳定性和自适应能力，控制对象的非线性，时变过程，强耦合的多参数，随机摄动，不确定性和现场测试的方法是不完美的，它是困难的基于数学方法建立被控对象的精确模型。高精度温度控制是工业生产和科学研究经常面临的问题，研究高精度温控具有明确的现实意义。应用传统控制理论基本能够满足工程技术及其它各种领域的需要。但随着工业和现代科学技术的发展,特别是本世纪以来,工业过程技术的迅猛发展和广泛应用,推动了控制理论研究的深入开展并进入了一个新的历程。PID 控制器因为结构简单、容易实现，并且具有很强的鲁棒性等优点，因而常常被应用于各种工业设计和过程控制中，作为一种应用广泛的控制规律，PID 控制并没有因为各种先进控制算法，已被淘汰，相反，由于其长期应用，控制工程师们已经积累了大量的 PID 参数调整的经验，然而，传统的 PID 控制不能取得令人满意的结果，传统的 PID 控制在工业过程中的复杂系统，更是显得无能为力。二十世纪 80 年代以来，对控制对象的自动控制系统的研究更为多样化和复杂化，它不仅显示了多输入多输出的强耦合，非线性和参数严重的时变性，更重要的是控制性能要求的提高，可以得到该系统的对象相对数据量使用减少。因此要想准确地描述物理现象的复杂对象和系统的运动状态和它们之间的关系，已不可能。而模糊控制理论却能如何在精确和简洁之间取得平衡，使问题的描述具有实际意义，模糊控制理论的优点在现代控制理论中起着越来越重要的地位和意义。同本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 时世界各国也涌现了越来越多模糊控制的成功应用范例，特别是在工业过程、航天飞行、机器人和家用电器控制方面，并且生产出了专用的模糊芯片与模糊计算机。1.21.2 工业控制的发展概况工业控制的发展概况从上世纪初，特别是第二次世界大战以来至今，控制理论与控制技术得到了迅速发展，而电子计算机的更新换代更加推动了控制理论不断向前发展，控制理论的发展主要经历了三个阶段：经典控制理论时期、现代控制理论时期、智能控制理论时期。智能控制是自动控制发展的最高阶段。1.经典控制理论上世纪 20-60 年代为“经典控制理论”时期，经典控制理论是自动控制理论中基于根轨迹法和频率响应法基础上的一个重要分支。经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，尤其是线性定常系统。经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法等这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。拉普拉斯变换是经典控制理论的数学基础，频率域方法是占有主导地位的分析和综合方法。经典控制理论主要研究时间域和频率域中系统的运动特性、系统运动的稳定性、控制系统的设计原理和校正方法。早期，这种控制理论常被称为自动调节原理，随着以状态空间法为基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成，开始广为使用现在的名称。2.现代控制理论上世纪 60-80 年代为“现代控制理论”时期随着计算机的发展，推动了空间技术的发展，经典控制理论中的高阶微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即“状态空间法” 。现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 制系统的分析与设计是精确的。控制对象可以是单输入单输出控制系统。也可以是多输入多输出控制系统，可以是线性定常控制系统，也可以是非线性时变控制系统，可以是连续控制系统，也可以是离散或数字控制系统。因此，现代控制理论的应用范围更加广泛。主要的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。由于现代控制理论的分析与设计方法的精确性，因此，现代控制可以得到最优控制。但这些控制策略大多是建立在已知系统的基础之上的。严格来说，大部分的控制系统是一个完全未知或部分未知系统，这里包括系统本身参数未知、系统状态未知两个方面，同时被控制对象还受外界干扰、环境变化等的因素影响。3.智能控制上世纪 80 年代至今，控制理论向着“智能控制” 、 “非线性系统理论” 、“大系统理论”方向发展。智能控制是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法，它采用的理论方法则主要来自自动控制理论、人工智能和运筹学等学科分支。内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。其控制对象可以是已知系统也可以是未知系统，大多数的控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响，还能有效地消除模型化误差的影响。智能系统可以解决实际系统中存在不完全性的模糊性、不确定性、时变性、非线性特征时，很难获得精确性能的数学模型，而智能控制理论分析和设计等问题，是控制论、运筹学、人工智能、信息论等学科的交叉，是控制理论发展的高级阶段。1.31.3 工业工程控制的常用算法工业工程控制的常用算法1.3.11.3.1 PIDPID 控制控制在自动控制系统中，PID 调节是指比例，积分和微分调节，是国内最早开发的控制策略。设置控制质量的好坏主要取决于控制规则和参数的合理选择。在控制系统中，总是希望在工艺要求的范围内控制参数的稳本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 定性。但在实践中，被控参数总是与设定值有差异。调节规律的选取原则为：调节规律有效，能迅速克服干扰。其对被控对象的控制规律为： （1-1）01d ( )( ) ( )( )ddtPDe tu tKe te ttTTt或者写成传递函数的形式为 （1-2）)11 ()(DSISPTTKsG式 1-2 中，为积分环节时间常数；为比例环节系数； 为微分时间IKPKDK的常数。对于不同的被控对象只要适当地选取整定 PID 的三个参数，就可以获得满意的控制效果，完成设计要求。事实上它是对比例，积分和微分三部分控制作用的妥协。但是在实际生产生活现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，PID 控制器的参数往往整定不良而使其控制效果欠佳，同时当对象特性变化较大时，需要重新整定参数，以确保系统的性能。传统 PID 控制一般只适用于线性时不变空间，对难以建模且无法取得传递函数的系统难以适用。随着现代控制理论，智能控制理论的研究和应用的发展和深入，为控制复杂过程系统开辟了新的途径。近年来，为适应复杂的工况和高指标的控制要求，出现了 PID 控制器参数的自动整定技术以及许多新型的 PID 控制方式。1.3.21.3.2 自适应控制自适应控制自适应控制的基本思想是：在控制系统的运行过程中，系统本身不断地测量被控制系统的状态、性能和参数；从而“认识”或“掌握”系统当前的运作指标并与期望的指标相比较；进而做出决策，来改变控制器的结构参数或根据自适应规律来改变控制作用。能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化。自适应控制大约在 20 世纪 50 年代开始发展，只是对具体对象设计的讨论，没有形成理论体系；60 年代以来现代控制理论得到蓬勃发展，为自本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 适应控制理论形成和发展准备了条件；自适应控制的设想由考德尔（W.L.Caldwell)首先提出。随着科技的进步自适应控制也迅速发展起来，自适应技术的应用已扩展到航空航天，冶金，机械和机器人等各个领域，并在社会生产和生活中发挥了巨大的作用。从理论上来看，自适应控制系统是非线性的，往往具有随机时变的特点，系统的内在机制是相当复杂的，所以这类系统的分析是很难的。自适应系统利用可调系统的输入量、状态变量及输出量来测量某些性能指标，完成设计需要，可以根据结构来自我修改参数，具有更好的可接受性。从理论研究和实际应用的角度来看，比较成熟的自适应控制系统有以下两大类：(1)模型参考自适应控制系统，如图 1-1a 所示；(2)自校正控制系统,如图 1-1b 所示。参考模型自适应结构被控对象调节器调节器被控对象调节器参数设计机构推进参数估计器图 1-1a 模型参考自适应控制系统 图 1-1b 自校正控制系统1.3.31.3.3 智能控制智能控制智能控制是一门交叉学科，著名美籍华人傅京逊 1971 年首先提出的，是二元论，它将人工智能和自动控制进行交叉。美国学者G.N.Saridis1977 年在此基础上提出了运筹学，形成了三元论。智能控制根据智能控制发展的不同历史阶段和不同的理论基础可以将它分为四大类：基于专家系统的智能控制、分层递阶智能控制、模糊逻辑控制、神经网络本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 控制。近年来，智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，控制理论的研究人员和工程师们把智能控制与常规 PID 控制相结合，形成了许多形式的智能 PID 控制器。智能控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。1.41.4 智能控制方法概述智能控制方法概述1.4.11.4.1 智能方法的起源与发展智能方法的起源与发展在工业控制中，经常存在着工业过程设计复杂、数学模型难以确定的系统，而这些问题是传统控制无法解决的，这就要求智能控制理论针对环境、控制目标、被控对象或任务复杂性进行研究，从而提出了智能控制。它是运筹学、自动控制理论和人工智能等多学科相结合的交叉学科。解决非线性模型化系统的控制问题是它与传统控制的主要区别。智能控制的两个主要研究方向是模拟人类的专家控制经验进行控制，另一个是模拟人的学习能力进行控制。智能控制必须具备有人的学习和自适应的能力。从 20 世纪 60 年代起，由于空间技术、计算机和人工智能技术的发展，控制界也开始了新的革新。1966 年，J.M.Mendal 首次提出人工智能技术用于飞船控制系统，1971 年傅京逊归纳了三种类型控制系统：人作为控制器的系统，人机结合作为控制器的系统和无人参与的自主控制系统。1985 年 IEEE 在美举行了第一届智能控制学术讨论会，成立了专业委员会。各种学科的发展给智能控制注入了活力，如神经网络、模糊数学、进化论等。智能控制的发展趋势是进一步对系统稳定性的分析，结合心理学、人工智能、神经学等深入地学习解决问题的经验、策略等，建立更复合要求的系统；研发适合当今计算机资源条件的控制方法；不断提高智能水平，为解决更多实际应用中的难题致力于研究软、硬件进行处理机，信号处理器等智能开发工具。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 1.4.21.4.2 智能控制方法的分支、特点及应用智能控制方法的分支、特点及应用智能控制的主要形式是：模糊控制、神经网络控制、专家控制、分级递阶智能控制、各种方法综合集合以及仿人智能控制。1）模糊控制是人类最初对事物的认识都是定性的、模糊的和非精确的，于是经模糊信息引入智能控制具有现实的意义。它是以模糊系理论为基础的。形式如下：规则库模糊化模糊推理清晰化 输入输出图 2-1 模糊控制的基本结构2）神经网络控制是基于脑模型的神经网络控制，人工神经网络采用仿生学的观点与方法来研究人脑和智能系统中的高级信息处理。 3）专家控制是将专家系统控制。它的功能如下：控制过程可以利用先验知识，能够满足任意动态过程的控制需要，利用修改、增加规则，来积累知识改进系统性能，对系统的性能如超调小、偏差增大等均可定性描述，同时可进行解释，检测故障来获取经验规则。其结构图如下：知识库推理机算法库A/D被控对象D/A图 2-2 专家控制的基本结构4)仿人智能控制的核心就是在控制过程中，利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别和利用控制系统动态提供的特征信息，并启发和直觉推理从而实现对缺乏精确模型的对象进行有效控制。5）各种方法综合本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 集成有模糊神经网络、模糊专家控制、模糊 PID 控制等。智能控制的特点：1）应能为复杂系统（如强耦合、非线性、快时变、多变量、不确定性等）进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力；2）是定型决策和定量控制相结合的多模组合控制；3）其基本目的是从系统的功能和整体优化的方面来分析，以实现预定的目标，并具有自组织能力；4）同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学表示的数学模型相结合控制，系统在信息处理上既有数学运算又有逻辑和知识推理。智能控制主要解决那些用传统控制方法难以解决的复杂系统问题，其中包括智能机器人控制，计算机集成制造系统，航空航天控制，社会经济管理系统，交通运输系统，环保及能源系统等。目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。在各种仪表高速发展的今天，控制装置已经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。1.51.5 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 本文共分四章，其结构内容如下：第一章为绪论部分，主要对本课题研究背景和意义、论文结构、控制理论发展的状况和内容作逐一介绍；第二章为 PID 控制器算法研究，以对基本的 PID 控制器的结构分析为出发点，介绍了模糊控制技术的背景和重大意义，了解常规 PID 控制中的优点与缺点并从其控制原理的规律、参数整定的方法综述和应用现状及未来发展多方面进行分析与讨论，提出了进一步研究温控参数整定方法的必要性；第三章对模糊控制的发展、模糊控制的构成结构、模糊控制器的设计方法三方面进行比较深入的研究分析，提出其与经典控制相结合必要性；第四章详细介绍了本文所提出的一种新型控制器的设计过程；对本文所提控制器设计方法进行仿真实验研究，掌握 MATLAB 中模糊工具箱、SIMULINK 的使本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 用及模糊控制器的设计方法，对于不同的控制系统设计出对应的模糊控制器的规则。并将其与常规 PID 控制和常规模糊控制进行比较分析，并且归纳结果、概括结论。第二章第二章 PIDPID 控制基本理论及参数设定控制基本理论及参数设定2.12.1 PIDPID 控制理论控制理论在自动控制系统中，PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 70 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 调节是指比例调节，积分调节和微分调节作用。在控制系统中总是希望被控参数稳定在工艺要求的范围内，而调节控制质量的好坏取决于控制规律的合理选取和参数的整定。但在实际中被控参数总是与设定值有一定的误差。对于调节规律的选取原则通常为：调节规律有效，能迅速克服出现的各种干扰。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 2.1.12.1.1 模拟模拟 PIDPID 控制器控制器在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制，常规 PID控制系统原理框图如图 2-1 所示：比例被控对象积分微分r(t) +e(t)_u(t)y(t)图 2-1 模拟 PID 控制系统原理框图写成传递函数形式为： （2-1）)11 ()(DSISPTTKsG各校正环节作用如下：（1）比例环节比例控制就是对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用。即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数 Kp、Kp 越大偏差减小的越快。但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp 减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在静差不能消除。比例调节简单，控制及时，参数整定方便，控制结果有余差。比例环节能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。因此，比例控制规律适应于对象容量大负荷变化不大纯滞后小，允许有余差存在的系统，一般可用于液位、次要压力的控制。同时增大比例系数 K，可以加快系统响应速度，减小系数稳态误差，提高控制精度。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） （2）积分环节积分控制实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总帐。积分过程的作用是消除稳态误差，提高无差度。它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，从而减小稳态误差。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，只要有误差积分调节就进行，直至无差。自动控制系统，如果在稳定状态下的稳态误差的存在，则称这个控制系统为有差系统。为了消除产生的稳态误差，在控制器中就必须引入积分项。时间的积分对积分项对误差的作用起着决定性作用，随着时间的不断增加，积分项就会增大。这样，即使误差已很小，积分项也会因时间的增加而变大，它推动着控制器的输出向稳态误差减小的方向进行变化，直到稳态误差达到零。（3）微分环节微分控制：它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态特性。微分环节具有超前作用，对于具有滞后的控制系统，引入微分控制，在微分本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 项设置恰当的情况下，对于系统的动态性能指标的提高有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后的被控对象，可以有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差函数变化“超前” ，这是在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。微分项能预测误差变化的趋势，从而促使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了在调整过程中被控量的严重超调，以改善了系统在调节过程中的动态特性。PID 控制(实际中还包括仅用到 PI 和 PD 的控制的系统)，就是根据系统产生的误差或者加上系统误差的变化率的大小，利用比例、积分、微分计算出被控量进行控制。使系统的响应达到快(快速)、准(准确)、稳(稳定)的最佳状态是任何一种闭环控制系统的调节目标，而 PID 调整的主要工作就是如何实现这一目标。2.1.22.1.2 数字数字 PIDPID 控制器控制器随着计算机的诞生与发展，传统的控制方法已经逐渐被数字控制方式所取代。在计算机控制系统中，用计算机算法程序来实现是 PID 控制规律，采用的是数字 PID 控制器，数字 PID 控制算法通常都分为位置式的 PID 控制算法和增量式的 PID 控制算法。2.22.2 PIDPID 控制器设计注意事项控制器设计注意事项1.对外界干扰的抑制。数字 PID 控制器的输入量取决于偏差值 e，它是系统的给定值 r 和系统实际输出 y 的偏差。在进入正常调节过程后，由于 e 值不大，相对而言，干扰对控制器的影响也就很大。为了消除干扰的影响，不仅仅要本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 在硬件采取相应的措施以外，还要在控制算法上也要采取一定的措施。2.积分饱和现象及其抑制。在控制的实现过程中，采用标准 PID 位置式算法，只要系统的偏差没有消除，积分作用就会继续增加或减小音量控制，最终使控制量达到上限或者下限时，系统进入饱和区。对于偏差不会在几个周期内消失的情况，常常采用过限积分消弱法和积分分离法。2.32.3 PIDPID 控制参数调节和整定控制参数调节和整定PID 控制器参数调节的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算法；二是工程方法；工程实际中，PID 控制器参数的调节整定方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。1942 年由 Ziegler 和 Nichols 首次提出 PD 工程整定算法，简称 Z-N经验公式。到 1953 年，在 Z-N 公式的基础上，Cohen 和 Coon 提出了一种考虑被控过程时滞大小的 Cohen-Coon 整定公式，这一算法是对 Z-N 算法的继承和发展。1971 年,由著名的华裔科学家傅京孙教授首次公开提出智能控制系统的概念。2.3.12.3.1 Zieg1er-NieholsZieg1er-Niehols 整定法整定法Ziegler-Nichols 法也叫动态特性参数法，其适用对象为带纯时滞的一阶惯性环节，是一种开环的整定方法。Ziegler-Nichols 法也是基于频域设计 PID 控制器的方法，基于在一定程度上频域的设计方法回避了精确的系统建模，而且具有较为明确的物理意义，比常规的 PD 控制可适应的场合更多。一阶惯性加纯滞后环节来概括其数学模型，即：- s(s)1KeGTs (2-2)本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 在上式中 K 是放大系数，T 是时间常数，Ziegler-Nichols 法是根据给定对象的一瞬态响应特性来确定 PID 控制器的参数。响应曲线如图 2-2图 2-2 被控对像的阶跃响应曲线图2.3.22.3.2 Cohen-CoonCohen-Coon 参数整定法参数整定法Cohen-Coon 参数整定法是在 Ziegler-Nichols 法的基础上的改进和完善，同属于动态特性整定法。表 2.1 Cohen-Coon 法整定控制器参数。表 2.1 Cohen-Coon 法整定控制器参数控制器类型比例度（%）积分时间1T微分时间pTP 控制TKT310PI 控制TKT129 . 0TT2093300PID 控制TKT434TT8136324本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 2.3.32.3.3 试凑法试凑法试凑法就是根据控制器各参数对系统能的影响程度，边观察系统运行，进行修改参数知道符合要求。一般情况下，增大比例系数会加快系统的响应速度，有利于减少静差。但是会造成超调变大，并产生振动使稳定性下降。减小积分系数有利于减小超调是控制稳定但速度变慢。增加微分系数有利于加快系统的响应，产生小的超调，稳定性加强，但抗干扰能力下降。在初步的 PID 参数基础上进行试验调节，通过改变给定值和对控制系统施加扰动，分析研究系统的输出响应曲线，同时修改 PID 参数，反复进行试凑，直到整定出最佳的参数值为止。2.3.42.3.4 衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线参数整定法也是一种封闭的循环，它根据衰减的频率调谐参数衰减曲线法在纯比例环节被控对象的作用下，过渡过程的衰减响应曲线的基础上比为 4:1 的实验数据，建立一个由经验公式的最佳参数值的方法。其具体操作步骤如下：先把控制系统中调节器的参数设置为纯比例环节的作用，使系统处于运行状态，然后从大到小逐渐改变比例度的系数占有率，直到系统出现4:1 衰减过程曲线：图 2-3 系统衰减曲线图本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 利用衰减曲线法进行参数整定时应注意的问题:1)控制过程首先要先比例，后积分，最后微分的操作过程执行，在控制器上设置分析得的整定参数；2)有些被控系统反应比较快，锁定 4:1 的衰减曲线段同时得到在此衰减比下的衰减振荡周期兀是很困难的，误差也大，针对此情况下，可用记录指针来回摆动两次就可以达到稳定来作为 4:1 衰减过程；3)当负荷发生较大变化时，必须重新整定调节器参数值，直到满足新环境下的控制要求；4)对于有些被控系统，若 4:1 比率下衰减太慢，可采用 10:1 衰减过程。2.42.4 PIDPID 控制器的局限性及发展控制器的局限性及发展PID 控制算法由于其结构简单，物理意义明确，鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产中往往具有非线性、时不变性，难以建立精确的数学模型，常规 PID 控制器不能达到理想控制效果，参数不能整定不良，性能欠佳，对运行情况适应性差，仍面临许多富人限制和挑战。针对以上问题，人们利用当今科技也做了些改进工作。一方面对常规PID 控制器结构的改进，另一方面，随着现代控制理论(诸如自适应模糊控制、智能控制和神经网络技术等)研究和应用与深入，为控制复杂且无规则的系统开辟了新研究方向，人们又把它们与常规 PID 控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成智能 PID 控制。结合模糊控制和 PID 控制是改善控制性能的一种有效方法，模糊控制不依赖于对象模型，对被控对象的动态信息，根据知识规则推理控制适量，因此它具有控制精度高，实时本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 性强，强鲁棒性，因此具有良好的应用前景。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 第三章第三章 模糊控制概论模糊控制概论3.13.1 模糊控制的发展及特点模糊控制的发展及特点模糊控制2(fuzzy control）是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊控制逻辑推理为基础的一种智能控制方法，从行为上模拟人的思维方式，对难建模的对象实施模糊推理和决策的一种控制方法。模糊控制的总体思想是基于专家知识和经验，模仿人类对于模糊现象进行不精确决策推理的能力，采用数学方法对系统实施控制。表 3-2 的模糊规则表DK 表 3-3 的模糊规则表IK本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） （3）去模糊化模糊推理过程后，模糊 PID 控制器 3 的校正参数的模糊处理，以计算输出控制量得到确切的数额。过程的模糊化是模糊推理系统的输出集映射到精确的输出，采用面积中模糊中心法解模糊。 ； ； 。miimiPiPuKuK11miimiDiDuKuK11miimiiIuuK11 （4）确定参数、经去模糊处理后，、最终通过以下的公式得到：PKIKDKPKIKDKPPPPPKKKKK*)(minmaxminDDDDDKKKKK*)(minmaxminIIIIIKKKKK*)(minmaxmin其中、由以下的公式得到：minPKmaxPKminDKmaxDK， UPKK235. 0minUPKK481. 0max， UUDTKK0347. 0minUUDTKK0951. 0max式中：为比例控制下等幅振荡时的比例增益；为比例控制下等幅UKUT振荡时振荡周期11。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 第四章第四章 温控系统的软、硬件设计及系统仿真温控系统的软、硬件设计及系统仿真4.14.1 温控系统的软件设计温控系统的软件设计软件的工作是上电后对系统初始化和构建系统整体软件框架，其中初始化包括对单片机的初始化和串口初始化等。然后等待温度设定，按照设计要求的温度，判断系统运行键是否按下，若系统运行，则依次调用各个相关模块，循环控制直到系统停止运行。主程序模块的程序流程图如图 4-1 所示。系统软件设计整体思路：在微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用单片机相对应的汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语，软件的特点要是多种推理方法可以任意选择，离线支撑功能加强，价格便宜适宜大众设计。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 开始系统初始化等待温度设定与否读温度设定值等待运行/停止数据采集温度显示PID运算控制输出运行/停止按钮图 4-1 主程序流程图本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 温度采集模块温度设定模块单片机控制模块外部存储模块温度超限报警模块电机驱动模块温度显示模块4.24.2 温控系统的硬件设计温控系统的硬件设计4.2.14.2.1 总系统简介总系统简介模糊 PID 温度控制系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温度显示模块，温度上下限调整模块，电机驱动模块和外部存储模块等六大部分。系统总体框图如图 3-1 所示12。 图 4-2 系统总框图（1）单片机控制模块：它是系统的核心模块，用来控制其他各个模块的工作情况。（2）温度设定模块：用来设定所需求的温度。（3）温度超限报警模块：当温度高于上限或者低于下限时，该模块启动，以实现更好的人机交流。（4）温度采集模块：该模块用来采集控制对象的温度，并输入到单片机中。（5）外部存储模块：用来存储设定温度的上限值和下限值。（6）电机驱动模块：该模块分为两个部分；加热装置与散热装置。（7）温度显示模块：显示当前设定的温度值。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 4.2.24.2.2 系统总电路图系统总电路图XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51C130pC230pC312ufQ3TIP31Q5TIP31X1CRYSTALR11KR24.7KR41KR510KR60.22K27.0DQ2VCC3GND1U2DS18B20D7DIODE-LEDD8DIODE-LEDRL1G2R-1E-DC120Q3TIP31Q5TIP31R71KR810KR90.22KD8DIODE-LEDRL1G2R-1E-DC1202K2K2KD1DIODE-LEDQ12N2222AQ22N2222AQ42N2222ASCK6SDA5WP7U324C02BBUZ1BUZZERQ6TIP31R31K12U4:A74LS0534U4:B74LS0556U4:C74LS0598U4:D74LS051110U4:E74LS051312U4:F74LS0512U5:A74LS0534U5:B74LS05图 4-3 系统总电路图本系统选用 DS18B20 传感器，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。使用 DS1SB20 可使系统结构更简单，更可靠。同时有“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建大的传感器网络，使测量系统的构建和研究引入了全新的概念。其测量温度大约范围为-55+125，在-1085范围内，精度为0.6。现场的温度直接以“一线总线”的数字方式进行传输，用符号扩展的 16 位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件 DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量。原理图如下：本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 图 4-4 DS18B20 的内部测温电路原理图图中隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。受温度的影响很小，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化而明显的改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。DS18B20 的测温流程：初始化DS18B20跳过 ROM匹配温度变换延时 1S跳过 ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图 4-5 DS18B20 的测温流程4.34.3 MATLABMATLAB 系统仿真系统仿真4.3.14.3.1 MATLABMATLAB 简介简介到目前 MATLAB 已发展成为国际公认最出色的数学应用软件，MATLAB是 MathWorks 公司 1982 年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 其强大的扩展功能为各领域的应用提供了基础。它面向控制领域推出的建模可视化功能 SIMULINK 和神经网络、模糊控制、控制系统等工具箱为控制系统的仿真提供了有力的支持，极大的推动了仿真研究的发展。MATLAB是一款数据分析和处理功能都非常强大的科技应用软件。MATLAB 软件包括 MATLAB 主程序和许多日益增多的工具箱。工具箱实际就是用 MATLAB 基本语句编写的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。MATLAB 提供了与其他应用语言的接口，以实现数据的共享和传递。由于 MATLAB 提供强大的矩阵处理和绘图功能，很多控制界的知名学者都在自己擅长的领域编写了特殊的 MATLAB 工具箱。其中就有“Fuzzy Logic Toolbox” ，即模糊逻辑工具箱。20 世纪 70 年代中期，Cleve Moler 博士等人开发了 EISPACK(求解特征值）和 LINPACK（求解线性方程）的 FORTRAN 程序库。70 年代后期他又写了口程序，命名为 MATLAB。1983 年他同 Jonh Little 用 C 语言开发了第二代接口 MATLAB,使其具备了数值计算和数据图视化功能。1984 年，Cleve Moler 和进行 MATLAB 的研究与开发。1992 年 MathWorks 公司推出MATLAB4.0。1997 年推出 MATLAB5.0。2000 年推出 MATLAB6.0 版本，2003年推出 MATLAB6.5。2004 年 7 月，推出 MATLAB7.0。MATLAB 的特点是编程效率高，计算功能强，使用简便，易于扩充，方便的绘图功能。4.3.24.3.2 MATLABMATLAB 对模糊对模糊 PIDPID 控制仿真控制仿真模糊逻辑工具箱是 MATL