【正文】 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ( 20xx 屆 ) 基于 模糊 PID 控制電阻爐的溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 院 系 電子信息工程 學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 姓 名 王靜 指導(dǎo)教師 吳劍威 副教授 20xx 年 4 月 學(xué)號(hào)： 1208211004 I 摘 要 很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程都需要用到電阻爐溫度控制設(shè)備，電阻爐的溫度控制系統(tǒng)存在很多問(wèn)題，比如超調(diào)量比較大，超調(diào)時(shí)間比較長(zhǎng)等問(wèn)題。本文以電阻爐溫度控制作為研究對(duì)象， 通過(guò)對(duì)模糊控制和模糊 PID控制方法的分析與研究，使用MTALAB中的 Simulink和 Fuzzy工具箱，進(jìn)行仿真研究。通過(guò)將 模糊 PID控制方法應(yīng)用在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的 超調(diào)量比較大，超調(diào)時(shí)間比較長(zhǎng)等問(wèn)題 ，并且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 關(guān)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。 electric boiler。 fuzzy control。 MATLAB III 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 1 1 緒論 課題的提出和意義 溫度是人類在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又非常重要的參數(shù)。在工業(yè)許多生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率，必須對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù)，比如電壓、溫度、壓力、水流、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。準(zhǔn)確地測(cè)量溫度并且有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全工業(yè)生產(chǎn)中的重要條件。而且在我們的日常生活中也經(jīng)常使用溫度控制的一些家用電器，如微波爐、電阻爐、電熱水器、空調(diào)等，溫度在我們都生活中無(wú)處不在。由此可見(jiàn)溫度控制電路在社會(huì)生活中被廣泛應(yīng)用，所 以對(duì)溫度進(jìn)行控制研究是非常有必要和有意義的。 由于溫度自身的一些特點(diǎn)，如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等使控制系統(tǒng)性能不佳。在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都是有超調(diào)的而且很多時(shí)候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點(diǎn)，研究一種控制方案使其調(diào)節(jié)時(shí)間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。 溫度控制系統(tǒng) 的研究現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)技術(shù)的 快速 發(fā)展極大地推動(dòng)了 我國(guó)工業(yè)控制系統(tǒng)的進(jìn)步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和 人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)硬件與控制軟件的 相互緊密結(jié)合也一 定會(huì) 導(dǎo)致新型的微機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機(jī)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(shè)計(jì)方案和智能控制方案。 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(shè)計(jì)方案和 直接設(shè)計(jì)方案。數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換而來(lái)的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設(shè)計(jì) 是 以 PID 控制器為代表。 PID 控制器具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。 用離散時(shí)近似方法 將模擬控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制器 ，其實(shí) 是 將一連續(xù)時(shí)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(dāng)選擇采樣周期確保數(shù)字控 制器與模擬控制器的近似 。 第二類 : 基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案 線性代數(shù)和微分方程 是現(xiàn)代控制理論 的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來(lái)分 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 2 析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。，狀態(tài)空間法不僅 描述了系統(tǒng)的外部特 性內(nèi)部狀態(tài) 而且 提示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能，它的本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法， 基于現(xiàn)代控制理論 的設(shè)計(jì)方案是建立在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部模型的描述之上的。 控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合 通過(guò)數(shù)學(xué)方法。 極 小化預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)確定控制規(guī)律 。此類設(shè)計(jì)方案主要有 系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制和 自校正控制等。 而且 這類設(shè)計(jì)方案適用范圍 比較 廣， 大多適合于 多輸入多輸出系統(tǒng)、一些非線性時(shí)變系統(tǒng)和某些具有隨機(jī)擾動(dòng)的系統(tǒng)。該方法理論嚴(yán)謹(jǐn)，可以嚴(yán)格證明 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題 ，定量分析 性能指標(biāo)能 ，得到比較好控制品質(zhì) 。但這類方法需要知道精確的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型形式。 第三類 : 智能控制方案 智能控制方案是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控 制對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型也不需要用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與 困難性 分析。它 是一種無(wú)模型控制方案，即在不知道對(duì)象精確模型的情況下，通過(guò)自我的調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際響應(yīng)曲線近似于 理想響應(yīng)曲線。 目前，也有一些科研人員運(yùn)用一些控制理論來(lái)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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，魯棒性較強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方法之一，但是也存在局限性，超調(diào)量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的精確控制 [1]。 （ 2）基于模糊控制的 鍋爐 控制 模糊控制用在 鍋爐 控制中，有效地克服復(fù)雜系統(tǒng)的非線性及不確定特性，因而與傳統(tǒng)控制比較有較強(qiáng)的魯棒性 [2]。但模糊控制的控制作用較粗糙，使得穩(wěn)態(tài)控制精度較低。 （ 3）基于 模糊自調(diào)整 PID 控制 的 鍋爐 控制 模糊自調(diào)整 PID 控制 用在 鍋爐 控制中，能對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測(cè)分析，采用模糊推理的方法實(shí)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(jiǎn)單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性，控制也更精確。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本論文就鍋爐水位控制特性作為研究切入點(diǎn)，探討如何解決鍋爐水位控制特性所提出的問(wèn)題。建立了鍋爐水位控制特性的數(shù)學(xué)模型，分別采用 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 3 PID 控制手段和模糊控制方法來(lái)設(shè)計(jì)鍋爐水位控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了對(duì)比討論，仿真表明模糊控制方法要 優(yōu)于 PID 控制方法。但是也存在缺點(diǎn)，最后采用模糊自調(diào)整 PID 控制來(lái)設(shè)計(jì)鍋爐水位控制系統(tǒng)，仿真證明了采用模糊自調(diào)整 PID 控制優(yōu)于 PID 控制和純模糊控制。 本文的工作 基于以上所述日前國(guó)內(nèi)外的溫控方法的各自特點(diǎn)，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(diǎn)，本論文考慮采用模糊控制與 PID 控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法。 本文首先介紹常規(guī) PID 控制，模糊控制和自適應(yīng)模糊 PID 控制的基礎(chǔ)，然后對(duì)電阻爐溫度這一控制對(duì)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。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 4 2 模糊 PID 控制基礎(chǔ) 常規(guī) PID 控制 模擬 PID控制 PID 控制是偏差比例 (P)、偏差積分 (I)、偏差微分 (D)控制的簡(jiǎn)稱。在模擬控制系統(tǒng)中，常規(guī)模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制 (虛框內(nèi)部分 )和被控對(duì)象組成。 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(shí)際輸出值 y (t)構(gòu)成偏差 : )t(y)t(r)t(e ?? () 將偏差比例、積分和微分控制，通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。其控制規(guī)律為 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tPDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? () 其傳遞函數(shù)形式為 : ( ) 1( ) (1 )() PDIUSG S K T SE S T S? ? ? ? () 式中： PK為比例系數(shù)； IT 為積分時(shí)間常數(shù)； DT 為微分時(shí)間常數(shù) 比例控制（ P） 被控對(duì)象 積分 微分 比例 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 5 在比例調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) u 與偏差信號(hào) e成正比例，即 Pu Ke? （ ） 其中 PK 為比例系數(shù)。比例調(diào)節(jié)即及時(shí)成比例地 反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象可能產(chǎn)生靜差（自平衡性是指系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）；而對(duì)于帶有滯后的系統(tǒng)，可能產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也隨之降低 ]1[ 。 積分調(diào)節(jié)（ I） 在積分調(diào)節(jié)中