【正文】 則引入學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，并于 1971 年提出人工智能和自動(dòng)控制交叉學(xué)科，奠定了國內(nèi)智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。隨后越來越多的學(xué)者開始關(guān)注智能控制技術(shù)，國家也越來越重視智能控制理論的研究和應(yīng)用，1993～1995 連續(xù)三年國內(nèi)都召開了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議。由于溫度控制涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活等眾多領(lǐng)域，智能溫度控制技術(shù)成為國內(nèi)學(xué)者研究的重要內(nèi)容，在科技刊物上發(fā)表的與智能溫度控制有關(guān)的論文也相繼增多?？傮w而言，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國外已研制出智能化、精度高、小型化的智能溫度控制器，開發(fā)出成熟的智能控制算法和控制軟件。相比較而言，國內(nèi)智能控制技術(shù)與日本、美國、瑞典、德國等先進(jìn)國家相比，仍存在較大差距。目前國內(nèi)成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制技術(shù)研究方面投入的人力、物力還不夠。 課題研究的主要內(nèi)容本課題以電烤箱為研究對象，針對電烤箱升溫單向性、大慣性、大滯后的特點(diǎn)，在比較常規(guī) PID 控制、模糊控制及參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略的基礎(chǔ)上，主要對參數(shù)模糊自整定 PID 控制的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并結(jié)合虛擬儀器巨大的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)出響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的溫度測控系統(tǒng)。本課題的具體研究內(nèi)容如下：第一章：論述智能溫度測控系統(tǒng)課題的背景和意義，溫度測控系統(tǒng)控制方案，課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本論文的主要內(nèi)容。第二章：系統(tǒng)模型的建立及控制策略的選擇與設(shè)計(jì)，利用 Matlab 對PID 控制、模糊自整定 PID 控制進(jìn)行仿真比較。第三章：智能溫度測控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，給出整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹以單片機(jī)為核心的溫控系統(tǒng)各部分器件的功能與原理，給出電路原理圖，并對硬件采取各種抗干擾措施。第四章：智能溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，給出了各主控模塊的子程序流程圖,對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。第二章 被控對象及控制策略 系統(tǒng)模型的建立控制系統(tǒng)建模方法分為兩大類：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。機(jī)理建模理論上可以很精確，但實(shí)際上受客觀條件的限制很難做到，對于復(fù)雜的系統(tǒng)必須事先做許多簡化和理想化才能建立模型。這種方法存在數(shù)學(xué)方程不易準(zhǔn)確建立、實(shí)驗(yàn)工藝較復(fù)雜、運(yùn)行工況變化較大等缺點(diǎn)，最終會(huì)造成對象模型的不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)建模把被研究的對象看作一個(gè)黑箱，通過輸入信號，研究對象的輸出響應(yīng)信號與輸入激勵(lì)信號之間的關(guān)系，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種方法簡單實(shí)用，尤其對一些不易了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理不明的“黑箱”系統(tǒng)更是如此。考慮到電烤箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多變量間只存在相關(guān)關(guān)系，而這種關(guān)系往往不能直接用數(shù)學(xué)式來精確描述，所以本文選擇實(shí)驗(yàn)建模來獲取系統(tǒng)模型。電烤箱是一個(gè)具有熱容量的對象，當(dāng)系統(tǒng)上電以后，箱內(nèi)的溫度是一個(gè)隨時(shí)間逐漸上升的過程。加熱絲的溫度逐漸升高，通過箱壁熱傳遞和熱輻射使箱體內(nèi)溫度也逐漸升高，溫箱有一定的容量滯后，其余環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié)，因而一般可用一階慣性環(huán)節(jié)加一個(gè)滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)表示為： (21)式中K 是對象的靜態(tài)增益；T 是對象的時(shí)間常數(shù)；τ 是對象的純滯后時(shí)間。電烤箱模型參數(shù)的辨識常用的方法是階躍響應(yīng)法。電烤箱在不同功率下的階躍響應(yīng)曲線基本相同，所以可由某一功率下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線來取得系統(tǒng)的近似特征參數(shù)。在獲得對象的飛升曲線后可用 CohnCoon 公式求對象參數(shù)。一階慣性純滯后對象飛升曲線如圖 21 所示。 圖 21 一階慣性純滯后對象飛升曲線CohnCoon 公式如下： （22） （23） （24）式中 和 分別是飛升曲線為 和 時(shí)對應(yīng)的時(shí)間。本文的被控對象是深圳市偉科達(dá)電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為 WKD298 的電烤箱，工作頻率 50Hz，溫度范圍 0250度，總功率 2000W。在實(shí)驗(yàn)過程中對其給定輸入 180度，每 30S 采樣一次，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 21 所示：表 21 實(shí)驗(yàn)測得的電烤箱溫度數(shù)據(jù)時(shí)間/s0306090120150180210240270300溫度/℃20303750637594106120131141時(shí)間/s330360390420450480510540570600溫度/℃152161168171175177178179180180將表 21 中的數(shù)據(jù)輸入 MATLAB 進(jìn)行仿真得到圖 22。圖 22 系統(tǒng)階躍響應(yīng)響應(yīng)曲線根據(jù) CohnCoon 公式可得到系統(tǒng)模型的各參數(shù)： k =， T = 178s，τ =30s。因此本文被控對象的傳遞函數(shù)為： （25） 控制策略研究PID 控制的基本理論P(yáng)ID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策略，對于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于PID 控制器的各個(gè)參數(shù)的確定。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 23 所示。圖 23 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖理想的PID 控制器根據(jù)給定值r (t)與實(shí)際輸出值c (t)構(gòu)成的控制偏差e(t） e (t)= r(t)c(t) （26）將控制偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控其連續(xù)形式為： （27） 其中， e (t)為系統(tǒng)誤差，分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間。在圖 23 的基礎(chǔ)上簡單分析一下 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用: (l)比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e (t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)，隨著 的增大，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，超調(diào)量也增大，容易產(chǎn)生振蕩，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。 (2)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù),越大積分作用越弱，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時(shí)間較長。反之隨著 減小，靜差也減小，但過小的 會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 (3)微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，微分控制能感應(yīng)出偏差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間決定。越大，則它抑制 e (t)變化的作用越強(qiáng)，越小，它抗 e (t)變化的作用越弱。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。 在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)間控制系統(tǒng)。在離散控制系統(tǒng)中，PID 控制采用差分方程表示： （28）令，即有 （29）其中，分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)。 從式（29）可以看出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，為了避免在求取計(jì)算機(jī)輸出值 u (k)時(shí)對 e (k)量進(jìn)行累加計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中常采用增量式 PID 控制算法： 根據(jù)遞推原理可得： （210）用式（29）減式（210）可得 （211）PID 控制器的優(yōu)缺點(diǎn)現(xiàn)今在過程控制中接近 90％仍是采用純 PID 調(diào)節(jié)器，PID 控制器能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，充分反映了其良好品質(zhì)。概括地講，PID 控制的優(yōu)點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：（1）原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。（2）控制器適用于多種截然不同的對象，其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。但從另一方面來講，控制算法的簡單性和普遍適用性也反映了 PID 控制器在控制品質(zhì)上的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）PID 控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)，閉環(huán)特性從根本上是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。（2）常規(guī) PID 控制器無法同時(shí)滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。（3）PID 控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統(tǒng)，對于大時(shí)滯、大慣性等難控對象時(shí)，需要通過多個(gè) PID 控制器或與其它控制器組合，才能得到較好的控制. 仿真分析PID 控制以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用 PID 算法控制電烤箱溫度的仿真模型：圖 24 電烤箱 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 在圖中的 PID 模塊中對三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在 Transport Delay 模塊中設(shè)定滯后時(shí)間 30 秒。通過不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中 Kp＝2，Ki＝，Kd＝。當(dāng)給定值為 150 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 25所示：圖 25 PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 約為 750s，超調(diào)量σ約為 40％，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。模糊自整定 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用模糊自整定 PID 控制算法控制電烤箱溫度的仿真模型：圖 26 電烤箱模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真模型當(dāng)給定值為 150 時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 27所示：圖 27 模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)