资源描述
序号： 编码： XXXXX第四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书作品名称： 基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究 学校全称： XXXX 申报者姓名： XXXXX (集体名称)： 类别: 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类 资 格 认 定所在学院团委意见 是否为具有我校正式学籍的全日制本、专科学生。是 否 （部门盖章） 年 月 日学院负责人或指导教师意见 本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果是 否 负责人签名： 年 月 日 申报作品情况（自然科学类学术论文）作品全称基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究作品分类( A）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品撰写的目的和基本思路1.结合电锅炉水温上升过程的特点，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯PID控制、加入Smith预估器的PID控制、模糊控制、参数自整定模糊PID控制方法。并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。2.运用MATLAB软件的Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱对上述几种方法进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制算法。作品的科学性、先进性及独特之处本课题研制的电锅炉温度控制系统达到了调节时间短、稳态误差小等预期要求。作品的实际应用价值和现实意义目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重要的意义。作品在何时、何地、何种机构举行的会议上或报刊上发表及所获奖励无请提供对于理解、审查、评价所申报作品具有参考价值的现有技术及技术文献的检索目录1 Isidro Sanchez,Julio R Banga, Antonio AAlonso. Temperature control in microwave combination ovens. Journal of Food Engineering, 2000, 46: 21292蔡自兴.人工智能控制.化学工业出版社，2005: 1一103冯勇.现代计算机控制系统.哈尔滨工业大学出版社，1997: 2一134章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用.西北工业大学出版社，1999: 15215徐丽娜.神经网络控制.哈尔滨工业大学出版社，1999: 8一136顾毅.智能控制发展综述.信息技术，2002, 6: 39407孙新国.电加热常压热水锅炉及其设计.工业锅炉，2000 (1): 6264 8蒋智翔，杨小昭.一种新型的电储热系统一自储能电锅炉介绍.2004中美工业锅炉先进技术研讨会会议论文集，2004: 3803849陶骏昌，陶明磊.电锅炉优化设计.中国建筑学会建筑热能动力分会第十一届学术交流大会论文集.2001: 22622910陶永华.新型PID控制及其应用.机械工业出版社，2002: 1一5011李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论.哈尔滨工业大学出版社，1998:3一4812李丹，谢植，程杰.模糊控制在温度控制中的应用与发展.黄金学报，2002,2(4): 29426913王耀南，刘治.智能PID控制器在工业对象中的应用.自动化仪表，2001,22(5): 232514金以慧.过程控制.清华大学出版社，1993: 8一2015余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制.北京航空航天大学出版社，1995:13014116单冬.模糊控制原理及应用.中国铁道出版社，1995: 9318217诸静等.模糊控制原理及应用.机械工业出版社，1999: 11418718李丹，谢植，程杰.模糊控制在温度控制中的应用与发展.黄金学报，2002,2(4): 29426919 Batur C, Kasparian V. Adaptive Expert Control. Int J Control, 1991， 54(4):86788120李卓，萧德云，何世忠.基于神经网络的模糊自适应PID控制算法.控制与决策，1996, 11(3): 272921吴晓莉，林哲辉.MATLAB辅助模糊系统设计.西安电子科技大学出版社，2002: 2012422王沫然.Simulink 4建模及动态仿真.电子工业出版社，2002: 102623楼顺天，胡昌华，张伟.基于MATLAB的系统分析与设计一模糊系统.西安电子科技大学出版社，2003: 245624陶永华.PID控制原理和自整定策略.工业仪表与自动化装置，1997 (4):606425刘国荣，阳宪惠.模糊自适应PID控制器.控制与决策，1995 10(6)558562125一12726李卓.基于Fuzzy推理的自调整PID控制器.控制理论与应用，1997(2):243027邱志雄.模糊PID控制器.电气自动化，1994, (4): 3728倪忠远.自整定PID-Fuzzy控制器在炉温控制中的应用.自动化与仪表，1996 (5) : 304029刘金馄.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业出版社，2004: 115申报材料清单（申报论文一篇，相关资料名称及数量）申报论文一篇基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究所在学院科研负责人签章 年 月 日当前国内外同类课题研究水平概述 温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象，有着不同的控制方式和模式。温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。本文利用了Ziegler-Nichols,Chien-Hrones和人工整定方法对其参数进行整定。第二个研究方案是模糊控制，研究了模糊控制的机理，确定了电锅炉模糊控制器的结构。通过对电锅炉温升特点的分析，建立了模糊控制规则表。借助matlab中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电锅炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，经仿真研究，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，是一种较为理想的智能性控制方案。 参赛作品打印基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究 摘要温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。本文利用了Ziegler-Nichols,Chien-Hrones和人工整定方法对其参数进行整定。第二个研究方案是模糊控制，研究了模糊控制的机理，确定了电锅炉模糊控制器的结构。通过对电锅炉温升特点的分析，建立了模糊控制规则表。借助matlab中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电锅炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，经仿真研究，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，是一种较为理想的智能性控制方案。关键词 温度控制;模糊PID控制;参数整定;仿真Research on Fuzzy PID Control System of Temperature for Electric BoilerAbstract It is difficult to control well because of characteristics of the temperature itself, such as its great inertia,serious time-lag and the difficulty to establish an accurate mathematical model of the object. A duty in this thesis is to study a kind of appropriate control method to the temperature of the electric boiler. Its technology requirements are: regulating time must be short, overshoot must be small and the control system must be stable. The method of the electric boiler control is studied by the thesis. The first is PID control.The control key is the parameter adjustment. The parameter is adjusted by methods of Ziegler-Nichols, Chien-Hrones and artifical tuning in this thesis. The second method is fuzzy control. The fuzzy control theory is studied and the electric boiler fuzzy controller structure is determined. The fuzzy control rule table is established through analysing the characteristic of the electric boiler temperature in the thesis. In this thesis, the PID control system and fuzzy control system are simulated by using Simulink and fuzzy logic tools in MATLAB. It comes to a new method of combining them together. Experimental results illustrate that the fuzzy PID parameters controller achieved the system performance index. The method of fuzzy PID control is a ideal method.Keywords temperature control; fuzzy PID control; parameters tuning; simulation1引言 1.结合电锅炉水温上升过程的特点，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯PID控制、加入Smith预估器的PID控制、模糊控制、参数自整定模糊PID控制方法。并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。2.运用MATLAB软件的Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱对上述几种方法进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制算法。2被控对象及控制策略研究2.1被控对象电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置本文研究对象为直热式热水锅炉，采用电阻式加热，工作压力为0.4 M pa，锅炉内最高水温95 。从电锅炉的安装示意图可以看出，电锅炉的热水经供暖出水口送至散热片，通过散热片向供热区释放热量。可见供热区的温度是控制参数，操作量是电锅炉内的热水。通过调节阀的开度，保证供热区的等温特性;通过水位的判别，调节补水阀的起、停。因此本文的研究目的是结合电锅炉水温上升的特点，对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量小且稳定误差小的技术要求。在生产过程，控制对象各种各样，理论分析和试验结果表明:电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。其传递函数可由式(2-1)表示: （2-1）式(2-1)中K对象的静态增益;T对象的时间常数;对象的纯滞后时间。 对象中的特性参数对其输出的影响:1.放大系数K放大系数K也就是传递系数，它与被控量的变化过程无关，其值表示输入对输出稳态值的影响程度。K值越大，表示被控对象的自平衡力小;K值小，对象自平衡能力大。2.时间常数T时间常数T的大小反映了对象受到阶跃干扰后，被控量达到新的稳定值的快慢程度，即时间常数T是表示对象惯性大小的物理量。2.2控制策略研究通过对电锅炉的结构和系统研究确定出可采用的研究方案，首先可采用的控制方案是PID控制，它是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统，大多采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多数情况下能够满足性能要求。第二个可采用方案是模糊控制，由于它是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术，可以模拟人的推理和决策过程，因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制，且响应时间短，可以保持较小的超调量。2.2.1 PID控制基本理论PID控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种比例、积分、微分并联控制器。常规PID控制系统原理框图如图2-2所示。 理想的PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差e(t) （2-2）将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 （2-3）式中u（t）控制器的输出;e(t)控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号;Kpe（t）比例控制项，Kp为比例系数;积分控制项，Ti为积分时间常数;-微分控制项，Td为微分时间常数。2.3模糊控制理论2.3.1模糊控制系统的组成及结构分析摸糊控制系统是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字模糊控制系统。智能性的模糊控制器是模糊控制系统的核心。模糊控制系统组成原理框图如图2-3所示。 模糊控制系统是由被控对象、执行机构、过程输入输出通道、检测装置、模糊控制器等几部分组成。本文所研制的电锅炉控制系统采用的就是后一种组成方式。模糊控制器(FC一Fuzzy Controller)又称为模糊逻辑控制器(FLC一Fuzzy Logic Controller)，它的模糊控制规则用模糊条件语句来描述，是一种语言型控制器，因此有时又被称为模糊语言控制器。模糊控制器的机构框图如图2-4所示。 图2-4中，ut是被控对象的输入，y(t)是被控对象的输出，s(t)是参考输入，e为误差。图中虚线框内就是模糊控制器，它根据误差信号产生合适的控制作用，输出给被控对象。2.3.2模糊控制算法的实现 模糊控制算法的实现方法目前有三种，即查表法、硬件专用模糊控制器和软件模糊推理等。本论文模糊控制器的设计采用的正是查表法。 1.查表法查表法适用于输入、输出论域为离散有限论域的情况。 查表法是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它己经是经过了模糊化、模糊推理和解模糊的过程，它可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进行查表就可以了，因而可以大大加快在线运行的速度。这一过程可以用图2-5 表示。 图2-5查表法3控制系统特性及仿真研究3.1电锅炉温度控制系统特性1.电锅炉允许最高温度95 。2.温度控制通过单片机实现，由控制算法计算出输出量，根据输出量判断继电器的通断。3.工艺要求电锅炉的温度控制过程包括两个阶段。自由升温段:要求锅炉水温快速升至温度设定值。保温段:水温升至设定值后要求温度维持设定值基本不变。水温的检测元件采用数字式传感器。 图3-1温度上升曲线电锅炉的温度控制系统是常见的确定性系统，采用飞升曲线测量方法，测出锅炉温控制系统的飞升曲线，即可得到控制对象的数学模型。3.2控制系统仿真研究3.2.1 PID控制器设计在Simulink中创建用PID算法控制电锅炉温度的结构图如图3-3所示: 图3-3电锅炉PID控制系统仿真结构图 电锅炉温度控制系统是一个大惯性、纯滞后系统，PID控制虽可以使系统达到稳定，但调节时间过长及超调量大使系统达不到理想的控制效果，因此在实际中控制器起的作用不明显。在工业生产过程中，当PID调节难以驾驭控制系统时，常常根据系统的动态特性，设计出一个补偿器，调节器将把难控对象和补偿器看作一个新的对象进行控制。 Smith补偿的原理是:与PID控制器并接一个补偿环节，这个补偿环节就是Smith预估器，其传递函数为(1一e-S)G(S)(为滞后时间)，即加入Smith (3-8)分解得 (3-9)在Simulink中建立的带Smith预估器的PID结构图如图3-4所示:图3-4带有Smith预估器的PID控制系统仿真结构图3.2.2 PID参数的整定 1. Ziegler-Nichols(齐格勒一尼柯尔斯)参数整定它是在实验阶跃响应的基础上，或者是在仅采用比例控制作用的条件下，根据临界稳定性中的Kp值建立起来的。当被控对象的传递函数可以近似为带延迟的一阶系统: (3-10) 齐格勒一尼柯尔斯给出了用表3-1中的公式确定Tp、Ti, Td的值的方法。 表3-1参数表用Ziegler-Nichols法则调整PID控制器，给出下列公式: (3-11)由电锅炉温度控制系统的传递函数得:K=1.25秒 T=120秒，=122秒得Ti=2=2 44秒，Td= 0.5=61秒根据齐格勒一尼柯尔斯参数调整法则得PID三个参数为: 图3-5 , 3-6为给定值60 时，在该参数下的系统仿真响应曲线图，图3-5为纯PID控制响应曲线图。图3-6为带有Smith预估器的PID控制响应曲线图。 由图3-5可见，在齐格勒一尼柯尔斯参数整定下纯PID控制系统性能指标为调节时间tss = 1400秒，超调量%= 10.8%，稳态误差ess=0图3-6 Ziegler-Nichols参数整定带有Smith预估器的PID控制响应曲线图 由图3-6可见，Ziegler-Nichols参数整定带有Smith预估器的PID控制系统性能指标为:调节时间tss =1070秒，超调量%=5%，稳态误差ess=0。2. Chien-Hrones(CHR)参数整定Chien-Hrones参数整定对设定问题的关注主要有两种情况，一种是带有20%超调量的快速响应，另一种是没有超调量的快速响应，对于本系统最关注的是没有超调量的最快速响应，表3-2是Chien-Hrones(CHR)参数整定法则: 表3-2参数表 得Ti=122秒，Td=0.5=61秒。根据Chien-Hrones参数调整法则得PID三个参数数：图3-7为给定值为60 时，在该参数下的仿真响应曲线图。图3-7 Chien-Hrones参数整定纯PID控制响应曲线图由图3-7可见，Chien-Hrones参数整定纯PID控制系统性能指标为:调节时间tss=2000秒，超调量%=20 ，稳态误差ess=0。 由图3-8可见，Chien-Hrones参数整定带有Smith预估器的指标为:调节时间tss= 1250秒，超调量%=6.7%稳态误差ess=0。3.人工整定对以上仿真结果分析可见，用经典的方法算出的PID参数不一定能满足控制要求。实际控制过程中，也是通过手动调节这些参数以获得好的控制性能。对电锅炉控制系统，经过尝试不同的参数，可以得到以下一组参数，可以得到较好的控制效果，Kp=0.66 Ki= 0.003 Kd= 35。仿真结果如图3-9和3-10所示。图3-9手动调节PID参数响应曲线图 由图3-9可见，人工整定PID控制系统性能指标为调节时间:tss=1470秒，超调量%=6%，稳态误差ess=0 由图3-10可见，人工整定带有Smith预估器系统性能性能指标为:调节时间tss=1350秒，超调量%=0，稳态误差ess=0 从以上三种PID参数整定方法的仿真结果中可以看出，不论采用哪种参数调节，纯PID控制的超调量较大，容易产生振荡，加入Smith预估器补偿器后，系统的稳定性和超调量大幅度的降低，与常规PID控制相比，控制性能有了很大的提高。Ziegler-Nichols(齐格勒一尼柯尔斯)参数整定、Chien-Hrones (CHR）参数整定及人工参数整定方法虽然有效地调节了PID的三个参数，但从仿真性能指标可以看出，要想得到超调量小的系统响应，就的增加系统调节时间，调节时间与短超调量不能兼得，Smith预估方案在实际现场中不可能完全实现补偿，所以无论采取那种参数整定，控制效果总是处在纯PID控制效果与带Smith预估器的PID控制效果之间。3.3模糊控制器设计及模糊推理方法3.3.1模糊控制器的结构3.3.1.1模糊控制器的结构模糊控制具有快速性、鲁棒性好的特点，可以考虑用它对系统进行控制。在确定性控制系统中，根据输入变量和输出变量的个数，可分为单变量控制系统和多变量控制系统。 本文结合电锅炉温升特点及系统控制精度要求，模糊控制器选用单变量结构的二维模糊控制器，即输入量为偏差E及偏差的变化EC，输出控制量为U。温控系统的模糊控制器采用单变量设计 单变量二维模糊控制器 3.3.1.2模糊推理方法常见的模糊推理系统有三类:纯模糊推理系统、高木一关野(Takagi-Sugemo)型和具有模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统(Mamdani)型。本文采用 Mamdani型 Mamdani型Mamdani型是在纯模糊逻辑系统的输入和输出部分添加了模糊产生器和模糊消除器，得到的模糊逻辑系统的输入和输出均为精确量，因而可以直接在实际工程中加以应用，且应用广泛。因此本文所设计的模糊控制器均采用的是Mamdani型模糊推理方法。3.4温控系统的模糊控制器设计图3-14, 3-15是模糊控制器的各个变量的隶属函数图:图3-14输入变量E、EC的隶属度函数曲线图3-15输出变量U的隶属度函数曲线 可见输入变量E, EC和U的模糊子集均为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB ,E和EC的论域为仁6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6 U的论域为仁3,-2,-1,0,1,2,3 。E, EC以及U的模糊隶属度函数均选择三角形隶属度函数。控制规则的输入是在Rule Editor窗口输入的，以if-then的形式表达。温度控制规则共49条如表3-3所示:表3-3电锅炉温度控制规则表然后，用电锅炉模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统仿真结构图如图3-16所示:图3-17为当给定值为60 0C时，模糊控制器控制电锅炉温度控制系统仿真响应曲线图。图3-17模糊控制器控制电锅炉温度控制系统响应曲线图 由图3-17可以看出，当采用模糊控制器控制电锅炉温度控制系统时的系统性能指标为:调节时间tss=1000秒，超调量 = 0%，稳态误差ess= 2 0。 由对模糊控制器控制系统的仿真曲线的研究，可以得出，当电锅炉温度控制系统采用模糊控制时，系统的稳定性增强了，且调节时间减少，超调量为0，但控制系统却出现了稳定误差。3.5模糊PID控制器设计3.5.1参数自整定模糊PID控制系统结构由前面几种控制算法的仿真结果分析可以看出，纯PID控制对有较大的超调量和过渡时间。而纯模糊控制当以偏差和偏差的变化率作为输入时，相当于PD控制方式，这类控制器具有良好的动态特性，但静态特性不理想，存在静差。图3-18参数白整定模糊PID控制器结构图因此，考虑将PID控制算法的实用性与模糊控制算法的智能性相结合，实现优势互补。参数模糊自整定PID控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID三个参数Kp、Ki和Kd的在线自整定。参数模糊自整定PID控制不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特点，而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性。典型的模糊自整定PID控制系统的结构如图3-18所示。系统包括一个常规PID控制器和一个模糊推理的参数校正部分。偏差E和偏差的变化率EC作为模糊系统的输入，三个PID参数Kp、Ki和Kd的变化值作为输出，根据事先确定好的模糊控制规则作出模糊推理的参数校正，在线改变PID参数的值，从而实现PID参数的自整定。参数模糊自整定PID控制使被控对象有良好的动、静态性能，而且计算量小，易于用单片机实现。3.5.2控制系统参数自整定模糊PID控制 PID参数自整定的实现思想是先找出PID三个参数与偏差。和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对PID控制器参数的不同要求。图3-19为电锅炉系统输出响应曲线。 PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及互联关系。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表下面根据参数Kp，Ki和Kd对系统输出特性的影响情况，结合系统输出响应曲线图来介绍，在不同的|e|和|ec|时，被控过程对参数Kp, Ki,Kd的自整定要求为: 1.当|e|较大时，即系统响应处于图3-19输出响应曲线的第I段时，为了快系统的响应速度，避免因开始时偏差e的瞬间变大可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，因此应取较大的Kp和较小的Kd，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，此时应该去掉积分作用，取Ki= 0 0 2.当|e|和|ec|为中等大小，即系统响应处于图3-19曲线的第II段时，为使系统响应的超调减少，Kp, Ki,Kd都不能取大，取较小的Kp,值，Ki,Kd值的大小要适中，以保证系统的响应速度。 3.当|e|较小，即系统响应处于图3-19曲线的第III段中时，为使系统具有良好的稳定性能，应增大Kp和Ki值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选取Kd值，其原则是:当ec较小时，Kd可取大些，通常取为中等大小;当|ec|较大时，Kd应取小些。 另外根据专家的控制经验知道，不确定系统在常规控制作用下，误差e和误差变化率ec越大，系统中不确定量就越大。相反，误差e和误差变化率ec越小，系统中不确定量就越小，利用这种e和ec对系统不确定量的估计，就可实现对PID三参数Kp，Ki，Kd、Kp，Ki，Kd和瓜的调整估计。 其基本算法如下:由E, EC及Kp，Ki，Kd、Ki和Kd的Fuzzy子集的隶属度，再根据各Fuzzy子集的隶属度赋值表和各参数的Fuzzy调整规则模型，运用Fuzzy合成推理设计出的PID参数Fuzzy调整矩阵表，这是整定系统Fuzzy控制算法的核心，我们将其存入程序存储器中供查询定义Kp, Ki、Kd调整算式如下: (3-12)式中Kp、Ki, Kd是PID控制器的参数，Kp，Ki，Kd是Kp，Ki，Kd、Ki、Kd的初始参数，它们通过常规方法得到。在线运行过程中，通过微机测控系统不断检测系统的输出响应值，并实时的计算出偏差和偏差变化率，然后将它们模糊化得到E和EC，通过查询Fuzzy调整矩阵即可得到Kp，Ki, Kd三个参数的调整量，完成对控制器参数的调整。根据图3-19及温控系统参数整定原则可知，此模糊控制器是以e、ec为输入，以PID参数调节量Kp，Ki, Kd作为输出的二输入三输出模糊控制器，由对Kp, Ki, Kd的调节规律，形成控制规则，归纳如下相应的参数调节规则，其模糊控制表分别如表3-4, 3-5， 3-6所示。表3-4Kp的控制规则调整表表3-5 Ki的控制规则调整表表3-6 Kd的控制规则调整表 模糊控制器采用二维的Mamdani控制器，模糊控制决策采用Max-Min，去模糊采用重心法(Centriod)，模糊控制规则49条，仿真实现采用Matlab语言 图3-20模糊PID控制响应曲线图 由仿真曲线可以看出，当电锅炉温度控制系统采用模糊PID控制时，系统的稳定性增强了，且调节时间短达到技术要求。3.6控制系统方案选择经过以上对PID控制、模糊控制和参数自整定模糊PID控制三种方案的理论研究和仿真分析，可以看出，PID控制系统响应易产生振荡，超调量;模糊控制虽可以减少系统的振荡，但出现了稳态误差，且稳态误差较大;模糊PID控制克服了纯PID控制和模糊控制的缺点，实现了系统调节时间短、超调量小，稳态误差小的理想性能指标。因此选用参数自整定模糊PID控制为电锅炉温度控制系统的控制方案。4结论本论文将模糊控制理论与经典的PID控制理论结合，设计一种模糊PID控制器，对电锅炉温度控制系统进行控制。具体结论如下:1.分析电锅炉结构和水温上升的特点，建立被控系统的数学模型。针对电锅炉温控系统可采用的控制方案进行了研究，提出了温控系统可采用的控制方案，有传统的PID控制和智能模糊控制，讨论了两种控制方案的基本理论、实现形式。2.对于经典的PID控制分别用加入Simith预估器、Ziegler-Nichols、Chien-Hrones和人工整定方法对其参数进行整定，并用MATLAB中的S imulink进行仿真分析，由仿真结果可以看出，超调量小与调节时间短的矛盾始终无法解决。当电锅炉温度控制系统采用模糊控制器进行控制时，超调量与调节时间的矛盾虽然解决了，系统却出现了稳定误差。3.针对上述现象本文采用了将模糊控制与PID相结合的控制方式，设计了参数自整定模糊PID控制器。结合控制系统的输出响应分析了模糊PID控制器的控制规则，用Simulink的Fuzzy逻辑箱对控制对象进行仿真研究，经过多次反复试验，确定了模糊控制规则，仿真结果表明达到了比较理想的控制效果。参考文献1 Isidro Sanchez,Julio R Banga, Antonio AAlonso. Temperature control inmicrowave combination ovens. Journal of Food Engineering, 2000, 46: 21292蔡自兴.人工智能控制.化学工业出版社，2005: 1一103冯勇.现代计算机控制系统.哈尔滨工业大学出版社，1997: 2一134章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用.西北工业大学出版社，1999: 1521Sets and Systems 2003,133:1一175徐丽娜.神经网络控制.哈尔滨工业大学出版社，1999: 8一136顾毅.智能控制发展综述.信息技术，2002, 6: 39407孙新国.电加热常压热水锅炉及其设计.工业锅炉，2000 (1): 62648蒋智翔，杨小昭.一种新型的电储热系统一自储能电锅炉介绍.2004中美工业锅炉先进技术研讨会会议论文集，2004: 3803849陶骏昌，陶明磊.电锅炉优化设计.中国建筑学会建筑热能动力分会第十一届学术交流大会论文集.2001: 22622910陶永华.新型PID控制及其应用.机械工业出版社，2002: 1一5011李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论.哈尔滨工业大学出版社，1998:3一4812李丹，谢植，程杰.模糊控制在温度控制中的应用与发展.黄金学报，2002,2(4): 29426913王耀南，刘治.智能PID控制器在工业对象中的应用.自动化仪表，2001,22(5): 232514金以慧.过程控制.清华大学出版社，1993: 8一2018韩启刚，吴锡祺.计算机模糊控制技术与仪表装置.中国计量出版社，1999:75一10915余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制.北京航空航天大学出版社，1995:13014116单冬.模糊控制原理及应用.中国铁道出版社，1995: 9318217诸静等.模糊控制原理及应用.机械工业出版社，1999: 11418718李丹，谢植，程杰.模糊控制在温度控制中的应用与发展.黄金学报，2002,2(4): 29426919 Batur C, Kasparian V. Adaptive Expert Control. Int J Control, 1991， 54(4):86788120李卓，萧德云，何世忠.基于神经网络的模糊自适应PID控制算法.控制与决策，1996, 11(3): 272921吴晓莉，林哲辉.MATLAB辅助模糊系统设计.西安电子科技大学出版社，2002: 2012422王沫然.Simulink 4建模及动态仿真.电子工业出版社，2002: 102623楼顺天，胡昌华，张伟.基于MATLAB的系统分析与设计一模糊系统.西安电子科技大学出版社，2003: 245624陶永华.PID控制原理和自整定策略.工业仪表与自动化装置，1997 (4):606425刘国荣，阳宪惠.模糊自适应PID控制器.控制与决策，1995 10(6)558562125一12726李卓.基于Fuzzy推理的自调整PID控制器.控制理论与应用，1997(2):243027邱志雄.模糊PID控制器.电气自动化，1994, (4): 3728倪忠远.自整定PID-Fuzzy控制器在炉温控制中的应用.自动化与仪表，1996 (5) : 304029刘金馄.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业出版社，2004: 115
展开阅读全文