【正文】 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。本文以電阻爐溫度控制作為研究對象， 通過對模糊控制和模糊 PID控制方法的分析與研究，使用MTALAB中的 Simulink和 Fuzzy工具箱，進行仿真研究。通過將 模糊 PID控制方法應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 超調量比較大，超調時間比較長等問題 ，并且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 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。 electric boiler。 fuzzy control。 MATLAB III 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 1 1 緒論 課題的提出和意義 溫度是人類在生產過程和科學實驗中非常普遍而又非常重要的參數(shù)。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。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。而且在我們的日常生活中也經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、空調等，溫度在我們都生活中無處不在。由此可見溫度控制電路在社會生活中被廣泛應用，所 以對溫度進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，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。 溫度控制系統(tǒng) 的研究現(xiàn)狀 計算機技術的 快速 發(fā)展極大地推動了 我國工業(yè)控制系統(tǒng)的進步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和 人工智能技術的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領域增加了新的內容。計算機硬件與控制軟件的 相互緊密結合也一 定會 導致新型的微機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機控制系統(tǒng)常用的控制方案有經典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設計方案和智能控制方案。 第一類 : 經典控制方案 經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。數(shù)字控制器的間接設計方案是一種根據(jù)模擬設計方案轉換而來的設計方案。傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)中的控制器設計 是 以 PID 控制器為代表。 PID 控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點。 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 。 第二類 : 基于現(xiàn)代控制理論的設計方案 線性代數(shù)和微分方程 是現(xiàn)代控制理論 的數(shù)學工具，以狀態(tài)空間法為基礎來分 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 2 析和設計控制系統(tǒng)。，狀態(tài)空間法不僅 描述了系統(tǒng)的外部特 性內部狀態(tài) 而且 提示了系統(tǒng)的內部狀態(tài)和性能，它的本質上是一種時域的方法， 基于現(xiàn)代控制理論 的設計方案是建立在對系統(tǒng)內部模型的描述之上的。 控制系統(tǒng)進行分析綜合 通過數(shù)學方法。 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 。此類設計方案主要有 系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制和 自校正控制等。 而且 這類設計方案適用范圍 比較 廣， 大多適合于 多輸入多輸出系統(tǒng)、一些非線性時變系統(tǒng)和某些具有隨機擾動的系統(tǒng)。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 。但這類方法需要知道精確的被控對象的數(shù)學模型形式。 第三類 : 智能控制方案 智能控制方案是一類無需人的干預就能夠針對控 制對象的狀態(tài)自動地調節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標的控制策略。它不需要建立精確的數(shù)學模型也不需要用常規(guī)控制理論進行定量計算與 困難性 分析。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。 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]。 （ 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。 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。建立了鍋爐水位控制特性的數(shù)學模型，分別采用 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 3 PID 控制手段和模糊控制方法來設計鍋爐水位控制系統(tǒng)，并進行了對比討論，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，最后采用模糊自調整 PID 控制來設計鍋爐水位控制系統(tǒng)，仿真證明了采用模糊自調整 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。 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。 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 4 2 模糊 PID 控制基礎 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 (虛框內部分 )和被控對象組成。 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。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 為積分時間常數(shù)； DT 為微分時間常數(shù) 比例控制（ P） 被控對象 積分 微分 比例 基于模糊 PID 的電阻爐溫度自動控制系統(tǒng) 5 在比例調節(jié)器中，調節(jié)器的輸出信號 u 與偏差信號 e成正比例，即 Pu Ke? （ ） 其中 PK 為比例系數(shù)。比例調節(jié)即及時成比例地 反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。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[ 。 積分調節(jié)（ I） 在積分調節(jié)中