【正文】 The method of the electric boiler control is studied deeply by the is PID of temperature PID controller is to control the object by thlinearbination of temperature deviation39。 simulation 3 第 1 章引言 課題的提出與意義 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣，溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍而且重要的物理參數(shù)之一。由于控制對象越來越復(fù)雜，在溫度控制方面，還存在著許多問題。 電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。目前國內(nèi)電熱鍋爐控制大都采用的是開關(guān)式控制，甚至是人工控制方法。 工業(yè)控制的發(fā)展概況 工業(yè)控制的形成和發(fā)展在理論上經(jīng)歷了三個階段 :50年代末起到 70年為第一階段，即經(jīng)典控制理論階段，這期間既是經(jīng)典控制理論應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時期，又是現(xiàn)代控制理論應(yīng)用和發(fā)展時期 。它以經(jīng)典控制理論為主要控制方 案，采用常規(guī)氣動、液動和電動儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制。以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，以微型計(jì)算機(jī)和高檔儀器為工具，對復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行控制。不論從歷史和現(xiàn)狀，還是從發(fā)展的必要性和可能性來看，控制方法主要朝著綜合化、智能化方向發(fā)展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可為復(fù)雜非線性過程的建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過程 軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上 。這兩種方法在精確數(shù)學(xué)模型的自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。它所采用的方法和算法也更適合于在 數(shù)字計(jì)算機(jī) 上進(jìn)行。這類控制問題十分復(fù)雜，采用經(jīng)典控制理論 難以解決。 1960～ 1961 年，美國學(xué)者 曼和 卡爾曼 布什濾波 理論，因而有可能有效地考慮控制問題中所存在的隨機(jī)噪聲的影響，把控制理論的研究范圍擴(kuò)大，包括了更為復(fù)雜的控制問題。到 60 年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼 布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn) 代控制理論的形成。最優(yōu)控制理論的研究范圍正在不斷擴(kuò)大，諸如大系統(tǒng)的最優(yōu)控制、 分布參數(shù)系統(tǒng) 的最優(yōu)控制等。非線性既有非本質(zhì)的非線性，又有本質(zhì)非線性。 1987年智能控制正式成為一門獨(dú)立的學(xué)科，它是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和自動控制理論等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。其主要優(yōu)點(diǎn)是層次結(jié)構(gòu)、控制方法和知識表達(dá)上的靈活性較強(qiáng)，既可以符號推理，又允許模糊描述演繹。其特點(diǎn)是自下而上智能遞增而精度遞減，即執(zhí)行級用于高精度局部控制，協(xié)調(diào)級用于知識和實(shí)際輸出調(diào)整執(zhí)行級中的控制參數(shù)，而組織級進(jìn)行推理決策和自主學(xué)習(xí)。這些都為智能控制技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的前景。因?yàn)閷τ趶?fù)雜的生產(chǎn)過程很難得到過程的精確數(shù)學(xué)模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。 神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型是由 McClulcoh和 Piet 兩位科學(xué)家在 1934 年首先提出來的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模以其獨(dú)特的非傳統(tǒng)表達(dá)方式和固定 的學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出的映射，并在短時間內(nèi)得到迅速發(fā)展。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。 由于智能控制不依賴于對象模型，智能行為表現(xiàn)為從系統(tǒng)輸入到 輸出的映射關(guān)系，即使輸入時系統(tǒng)從未有過的例子，系統(tǒng)通過插補(bǔ)、歸類等方法，也能給出適當(dāng)?shù)妮敵?。在各種儀表高速發(fā)展的今天，控制裝置己經(jīng)不是主要問題，影響被控對象性能指標(biāo)的主要因素取決于控制器本身，控制器本身的智能化設(shè)計(jì)將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。 爐供暖系統(tǒng)對控制器的要求，設(shè)計(jì)一個智能溫度控制器，包括 :總體方案設(shè)計(jì)、部分軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真等。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的電鍋爐有很多種型式，從整體結(jié)構(gòu)上分有立式、臥式、多單元式等 :從傳熱介質(zhì)上分有熱水鍋爐、蒸汽鍋爐和有機(jī)載 體鍋爐 。 當(dāng)電鍋爐工作在 ，水的飽和溫度為 144℃ ，最高水溫 95℃使鍋爐遠(yuǎn)離了工作壓力下的飽和溫度及加熱元件表面的過度沸騰難以控制的現(xiàn)象，同時， 95℃ 的水溫基本上不產(chǎn)生蒸汽。通過調(diào)節(jié)閥的開度，保證供熱區(qū)的等溫特性 。參數(shù)辨識就是 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和建立的模型來確定一組參數(shù)值，使得由模型計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果能最好的擬合測試數(shù)據(jù)（曲 線擬合問題），從而可以為生產(chǎn)過程進(jìn)行預(yù)測，提供一定的理論指導(dǎo)。其傳遞函數(shù)可由式 (21)表示 : 10 ? ? 1??? ?TS eksG s? (21) 式 (21)中 K對象的靜態(tài)增益 T對象的時間常數(shù) 。K值小，對象自平衡能力大。當(dāng)溫度不在此范圍內(nèi)時，電熱鍋加熱，否則停止加熱。 控制策略研究 通過對電鍋爐的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)研究確定出可采用的研究方案，首選采的控制方案是PID控制，它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。 首先， PID應(yīng)用范圍廣。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化， PID參數(shù)就可以重新整定。 ? ? ? ? ? ? ? ?01 tpd d e tu t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? (23) 式中 u(t)—— 控制器的 輸出 。 ik —— 積分系數(shù)， pii kTk ? dk —— 微分系數(shù) ， pdd Tkk? 在圖 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 : 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。 比例 積分 微分 被控對象 13 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，則此控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控 制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID控制器是通過計(jì)算機(jī) PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。二是工程整定法，它主要是依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用?，F(xiàn)在一般采用臨界比例法。 I是解決動作響應(yīng)的速度快慢的， I大了，響應(yīng)速度慢，反之則快 。根據(jù)這個模型，結(jié)合給定的性能指標(biāo)可推出公式，而后用于 PID參數(shù)的整定。ZieglerNichols法首先通過實(shí)驗(yàn)，獲取控制對象的單位階躍響應(yīng)，如果單位階躍響應(yīng)曲線看起來是一條 S形狀的曲線，則可以用這個方法，否則不能用。而且 PID 控制器是最多的，以為它可以解決大部分的問題 采用標(biāo)準(zhǔn) PID位置式算法，在實(shí)現(xiàn)控制的過程中，只要系統(tǒng)的偏差沒有消除，積分作用就會繼續(xù)增加或減小，最后使控制量達(dá)到上限或者下限，系統(tǒng)進(jìn)入飽和范圍。 積分分離法的基本思想是 :當(dāng)誤差大于某個規(guī)定的門限值時，刪去積分作用，從而使積分項(xiàng)不至于過大，只有當(dāng)誤差較小時，才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。 對于作用時間較短的快速變化的干擾，如 A/D轉(zhuǎn)換偶然出錯，可以用連續(xù)多次采樣并求平均值的方法予以濾除。 本章小結(jié) 溫度 是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。系統(tǒng)仿真根據(jù)真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，對系統(tǒng)環(huán)境加以 模擬，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析、計(jì)算、研究獲得真實(shí)的定量關(guān)系。 。 17 圖 溫度飛升曲線 電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)是常見的確定性系統(tǒng)，采用飛升曲線測量方法，測出鍋爐溫控制系統(tǒng)的飛升曲線，即可得到控制對象的數(shù)學(xué)模型。 由此方法可以得到電鍋爐溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 ()120 1seGss??? （ 31） 18 仿真工具 仿真是控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的重要方法，通過 仿真來分析各種控制策略和方案對控制系統(tǒng)的性能，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳控制效果。系統(tǒng)經(jīng)過幾年的試用之后， Moler博士等一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了一個名為 Mathworks的軟件開發(fā)公司，專門擴(kuò)展并改進(jìn) MATLAB，推出了該軟件的正式版本。 Simulink 簡介和使用 Simulink 簡介與開發(fā)環(huán)境 Simulink 是 MATLAB 最重要的組 件之一， Math Works 公司在推出 MATLAB 的同時還推出了最新版本的 Simulink。 Simnlink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析 的軟件包四。 Simulink應(yīng)用 1 Simunlink啟動 啟動 MATLAB軟件之后，可以通過 3種方式打開 Simunlink工具箱（也稱為 Simunlink模塊庫，瀏覽器）。 2 Simunlink組成 Simunlink 模塊庫中共包含 16個子模塊庫，它們是 Commonly Used Blocks （常用模塊庫）、 Continuous （連續(xù)）系統(tǒng)模塊庫、 Discontinuities（非連續(xù)）系統(tǒng)模塊庫、Discrete（離散）系統(tǒng)模塊庫、 logic and Bit Operations (邏輯與位操作 )模塊庫、Lookup Tables （查詢表）模塊庫、 Math Operations（數(shù)學(xué)操作）模塊庫、 Model Verification（模型驗(yàn)證）模塊庫、 Modelwide Utilities、 Portsamp。也可以右擊子模塊庫標(biāo)題，在彈出的快捷菜單中選擇“ Open”命令，彈出子模塊庫獨(dú)立窗口。 （ 3） 由控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型或結(jié)構(gòu)框圖建立 Simunlink仿真模型。 ，其產(chǎn)生一個階躍信號，并且控制初始條件，本論文中的初始條件是在 60℃下的電鍋爐溫度系統(tǒng)仿真，所以需要把其 Final value 參數(shù)改成 60，具體情況如下圖 圖 階躍信號輸入模塊 22 Delay 為信號延遲模塊，其起到信號延遲的功能，由于電鍋爐溫度飛升曲線可以知道，其溫度并不是從一開始就上升，而是有一定的延遲，根據(jù)其曲線可知其延遲時間為 122s，故其應(yīng)該在這個模塊中輸入這個延遲參數(shù)，具體情況如下圖 圖 延遲信號輸入模塊 PID 參數(shù)的整定 (齊格勒一尼柯爾斯 )參數(shù)整定 它是在實(shí)驗(yàn)階躍響應(yīng)的基礎(chǔ)上，或者是在僅采用比例控制作用的條件下，根據(jù)臨界穩(wěn)定性中的 pk 值建立起來的。 2. CienHrones(CHR)參數(shù)整定 CienHrones參數(shù)整定對設(shè)定問題的關(guān)注主要有兩種情況，一種是帶有 20%超調(diào)量的快速響應(yīng)，另一種是沒有超調(diào)量的快速響應(yīng)，對于本系統(tǒng)最關(guān)注的是沒有超調(diào)量的最快速響應(yīng)，表 ChienHrones(CHR)參數(shù)整定法則 : 表 參數(shù)表 Table The table of parameter 控制器類型 Kp Ti Td P ? ∞ 0 PI ? 0 PID ? T ? 25 得 iT =122秒， dT ==61秒 根 據(jù) ChienHrones參數(shù)調(diào)整法則的 PID三個參數(shù)為 Kp=? = 120／（ 122） = ik = Kp／ Ti=／ 120= dk = Kp Td= 61= 圖 60℃時，在該參數(shù)下得仿真曲線圖 。實(shí)際控制過程中，也是通過手動調(diào)節(jié)這些參數(shù)以獲得好的控制性能。 CienHrones參數(shù)整定 相對來于 ZieglerNichols(齊格勒一尼柯爾斯 )參數(shù)整定 法其效果有明顯的改善，其調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量都有明顯的降低，并且其振蕩不是十分嚴(yán)重。 結(jié)論 溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一，準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。具體結(jié)論如下 : ，建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 本課題研制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)達(dá)到了調(diào)節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等預(yù)期要求。從論 文的選題、研究方案的制定、直至論文的撰寫，均得到了馬老師的親切關(guān)懷與悉心指一導(dǎo)，花費(fèi)了他大量的時間與精力。在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意 ! 參考文獻(xiàn) 1 Isidro Sanchez,Julio R B anga,AntonioA A control in Microwave bination Food Engineering,2020,46: 2129 2 蔡自興 .人工智能控制 .化學(xué)工業(yè)出版社， 2020: 110 3 馮勇 .現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) .哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1997: 213 4 der of fuzzy logic contr