【正文】 回路結(jié)構(gòu)、 PID策略為主，同時針對不同的對象與要求，設(shè)計了一些專門的控制算法如達林頓算法、 Smith預估器、根軌跡法等。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期的形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進控制系統(tǒng)和高級控制策略，如克服對象時變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應控制，消除 因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預測控制等。尤其近些年來人工智能理論的迅速崛起為控制的智能化提供了一個騰飛的工具。模糊系統(tǒng)不僅有行之有效的模糊控制理論為基礎(chǔ)，而且能夠表達確定性和不確定性兩類經(jīng)驗，并提煉成為知識進而改善己有控制。 傳統(tǒng)控制方法的特點 建立在 狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種 控制理論 ，是自動控制理論的一個主要組成部分?，F(xiàn)代控制理論還為設(shè)計和構(gòu)造具有指定的性能指標的 最優(yōu)控制系統(tǒng) 提供了可能性。 1958 年， 蘇聯(lián) 科學家 . 龐特里亞金提出了名為 極大值原理 的綜合控制系統(tǒng)的新方法。幾乎在同一時期內(nèi)，貝爾曼、卡爾曼等人把狀態(tài)空間法系統(tǒng)地引入控制理論中。 學科內(nèi)容 現(xiàn)代控制理論所包含的學科內(nèi)容十分廣泛，主要的方面有： 線性系統(tǒng)理論 、非 線性系統(tǒng) 理論、 最 優(yōu)控制 理論、隨機控制理論和適應控制理論。 無論是經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，都是建立在系統(tǒng)的精確數(shù)學型基礎(chǔ)之上的。由于被控對象的這種復雜性，決定了控制的艱難性。它與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)別在于可以解決非線性模型化系統(tǒng)的控制問題。但靈活性同時帶來了設(shè)計上的隨意性和不規(guī)范性，而且控制知識的獲取、表達和學習，以及推理的有效性也是難點。該控制方法主要用于那些存在不確定性的系統(tǒng)，如機器人控制等，但應用范圍有限。 7 模糊控制是智能控制的一種典型和較早的形式，作為智能控制的一個重要分支，自從 1974年英國的 Manldani第一次將模糊邏輯和模糊推理用于鍋爐和蒸汽 機的控制，特別是近幾年得到了飛速的發(fā)展。 2. 對于具有一定操作經(jīng)驗，但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。它本身是一種控制策略的工具支持，各神經(jīng)元并沒有顯在的物理意義。尤其在傳統(tǒng)建模方法難以對非線性系統(tǒng)的建模有所突破的形勢下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更表現(xiàn)出其巨大的潛力。它實質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道被控對 象精確數(shù)學模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實際響應曲線逼近理想響應曲線。如果系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障，仍能正常工作，并給出警告信號，甚至自行修復。 論文的主要研究內(nèi)容 本課題的具體研究內(nèi)容如下 : ，對被控對象進行理論分析，建立被控系統(tǒng)的數(shù)學模型，提出適合于鍋爐水溫過程控制的純 PID控制方法。 9 第 2 章被控對象及控制策略研究 被控對象及其原有控制方案 被控對象分析 電鍋爐是將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。從電加熱原理上可分為電熱管式、電熱棒式、電熱板式、電極式和感應式等 。產(chǎn)品安裝示意圖如圖 。通過水位的判別，調(diào)節(jié)補水閥的起、停。當計算得到的數(shù)值結(jié)果與測試值之間的誤差較大時，就認為該數(shù)學模型與實際的過程不符或者差距較大，進而修改模型，重新選擇參數(shù)。 ? 對象的純滯后時間。 間 常 數(shù) T 時間常數(shù) T的大小反映了對象受到階躍干擾后，被控量達到新的穩(wěn)定值的快慢程度，即時間常數(shù) T是表示對象慣性大小的物理量。這種方法主要存在以下幾個問題 : ① 在實際工程中達不到理想的控制效果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好 . ② 由于系統(tǒng)只是采用簡單的開關(guān)量啟動或關(guān)閉，使系統(tǒng)出現(xiàn)反復振蕩，且對電網(wǎng) 電鍋爐 11 產(chǎn)生很大沖擊，運行成本很高。 控制基本理論 PID控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種比例、積分 、微分并聯(lián)控制器。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣 PID就可控制了。 PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式， PID調(diào)節(jié)儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一， PID 適用于需要進行高精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出最佳PID控制參數(shù) 。 e(t)—— 控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號 ； pk e(t)—— 比例控制項， Kp為比例系數(shù) 。隨著比例系數(shù)凡的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調(diào)量增大。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) iT ，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。 3. 微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應速度，它可以預測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差 信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加速系統(tǒng)的動態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時間。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進入計算機的存儲器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。 PID控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。 PID控制器參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例法，反應曲線和衰減。利用該方法進行 PID控制參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預選一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； （ 3）在一定的控制度下通過公式計算得到 PID控制器的參數(shù)。 D是消除靜態(tài)誤差的，一般 D設(shè)置都比較小，而且對系統(tǒng)的影響比較小。 基于頻域的設(shè)計在一定程度上回避了精確的系統(tǒng)建模，而且有較為明顯確的物理意義，比常規(guī)的 PID控制可適應的場合更多。 15 設(shè)計 PID 控制器時注意事項 在使用模擬控制器時，由于各行各業(yè)應用對象的特性是不相同的，如對象很敏感，或被控流量常是脈動狀態(tài)時，就不應再用微 分功能了，否則會使脈動信號變化加劇。而對時間常數(shù)較大的被控對象，在階躍響應作用下，偏差通常不會在 幾個采樣周期內(nèi)消除掉，積分項的作用就可能使輸出值超過正常范圍，造成較大的超調(diào)。 數(shù)字 PID控制器的輸入量是系統(tǒng)的給定值 r和系統(tǒng)實際輸出 y的偏差值 e。在 PID控制算法中，差分項對數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏感。本文在分析電鍋爐溫度 16 控制系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，提出用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控系統(tǒng)的數(shù)學模型。本章通過對系統(tǒng)采用不同的參數(shù)調(diào)整策略，得出它們各自的仿真結(jié)果，然后進行分析比較，從中找出一個合乎要求的解決方案。 ① 自由升溫段 :要求鍋爐水溫快速升至溫度設(shè)定值。 曲線上變化最快處作切線，與 t軸交于 B點，交穩(wěn)態(tài)值的漸近線于 A 點， A點在 t軸的投影為 C點，則 OB為過程量滯后時間 ? ， BC為過程的時間常數(shù) T，此處分別為 122s和 120s。 MATLAB 簡介 MATLAB是美國 MathWorks公司出品的商業(yè) 數(shù)學軟件 ，用于 算法 開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及 數(shù)值計算 的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和Simulink兩大部分。除原有的數(shù)值計算能力外，還增加了圖形處理功能。 Simulink 是 Simulation（仿真）與 Link（鏈接）的簡寫形式，它是一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。它除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊、函數(shù)和表模塊、數(shù)學模塊、非線性模塊、 19 信號模塊以及子系統(tǒng)模塊外，還包括各個工具箱特有的模塊，如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。 （ 1） 在 Command Window 輸入“ Simunlink”命令。Subsystems（接口與子系統(tǒng)）模塊庫、 Signal Attributes（信號屬性）模塊庫、 Signal Routing（信號路由）模塊庫、 Sinks（輸 出）模塊庫、 Sources（信號源）模塊庫、 UserDefined Functions （用戶自定義）模塊庫、 Additional Mathamp。 3 Simunlink 仿真過程 在已知系統(tǒng)數(shù)學模型活系統(tǒng)框圖的情況下，利用 Simunlink進行建模仿真的基本步驟如下。 20 （ 4） 設(shè)置仿真參數(shù)，運行仿真。當被控對象的傳遞函數(shù)可以近似為帶延遲的一階系統(tǒng) : 23 ? ? 1skeGs Ts ??? ? (43) 齊格勒一尼柯爾斯給出了用表 pk , iT , dT 方法 表 參數(shù)表 Table The table of parameter 用 法 用 ZieglerNichols法則調(diào)整 PID控制器，給出下列公式： ? ? 11pdiG s k T sTs??? ? ????? 11 .2 1 0 .52T ss ?????? ? ????? ? ? sT s ??? （ 44） 由電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得 :K=， T=120秒， ? =122秒。 圖 ChienHrones參數(shù)整定純 PID控制響應曲線圖 由圖 ， ChienHrones參數(shù)整定純 PID控制系統(tǒng)性能指標為 :調(diào)節(jié)時間 sst = 1280秒，超調(diào)量 %? =11%,穩(wěn)態(tài)誤差 0sse? ChienHrones參數(shù)整定純 PID控制響應曲線圖可以看出其靜差較大，這是由于積分環(huán)節(jié)較大導致的，可以適當?shù)臏p小積分環(huán)節(jié)的數(shù)值，來減少其與穩(wěn)定時刻之間的溫度與差。對電鍋爐控制系統(tǒng)，根據(jù)各個環(huán)節(jié)對電鍋爐溫度曲線的控制情況，經(jīng)過嘗試不同的參數(shù)，可以得到 26 以下一組參數(shù)，可以得到較好的控制效果， pk =， ik = , dk = 如圖 。 27 但是溫度的超調(diào)量還是比較明顯，對于電鍋爐系統(tǒng)還是不是太完美的調(diào)節(jié)方式。目前我國的溫度控制主要以傳統(tǒng)控制方式為主，精度不高，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振蕩。針對電鍋爐溫控系統(tǒng)可采用的控制方案進行了研究，提出了溫控系統(tǒng)可采用的控制方案，采用傳統(tǒng)的 PID控制，討論了這種控制方案的基本理論、實現(xiàn)形式和注意事項。但PID控制算法離實際應用尚有許多工作要做，下一步要將控制器應用于實踐，以完善對溫度的智能性控制。馬老師敏銳的洞察力、淵博的學識、高度的責任感令我深受裨益。 and optimal adaptive fuzzy control of plex systems using fuzzy dynamic Sets and Systems,2020, 133: 117 6徐麗娜 .神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 .哈爾濱工業(yè)大學出版社， 1999: 813 7 顧毅 .智能 控制發(fā)展綜述 .信息技術(shù)， 2020,6: 3940 8 孫新國 .電加熱常壓熱水鍋爐及其設(shè)計 .工業(yè)鍋爐， 2020, (1): 6264 9 蔣智翔，楊小昭 .一種新型的電儲熱系統(tǒng)一自儲能電鍋爐介紹 .2020中美工 29 業(yè)鍋爐先進技術(shù)研討會會議論文集， 2020:3 80384 10 陶駿昌，陶明磊 .電鍋爐優(yōu)化設(shè)計 .中國建筑學會建筑熱能動力分會第十一 屆學術(shù)交流大會論文集 .2020:2 26229 11 陶永華 .新型 PID控制及其應用 .機械工業(yè)出版社， 2020: 150 12 Chuen Chien uzzy Logic in Control uzzy Logic ControllerPart. 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