【正文】 用于過(guò)程 軟測(cè)量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上 。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(duì)復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行控制。 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(gè)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(shí)期，又是現(xiàn)代控制理論應(yīng)用和發(fā)展時(shí)期 。 電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。 simulation 3 第 1 章引言 課題的提出與意義 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，控制對(duì)象各種各樣，溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍而且重要的物理參數(shù)之一。 借助 matlab中的 Simulink工具箱對(duì)電鍋爐 PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。溫度系統(tǒng)的慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過(guò)程帶來(lái)很大的難題。 關(guān)鍵詞 ：溫度控制 參數(shù)整定 仿真 2 Simulation on PID Control System of Temperature for Electric Boiler Abstract： Temperature control is a topic full of new meanings in industry,to diferent control object, there are diferent methods and modes. But it is difficult to control well because of characteristics of the temperature itself, such as its great inertia, serious timelag and the difficulty to establisha naccuratem athematical model of the object. A duty in this thesis is to study a kind of appropriate control method to the temperature ofthe electric 39。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)己經(jīng)比較成熟。 鍋爐控制作為過(guò)程控制的一個(gè)典型，動(dòng)態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點(diǎn)，而且伴有非線性。 第一階段 :初級(jí)階段。 第三階段 :高級(jí)階段。而現(xiàn)代控制理論主要用來(lái)解決多輸入多輸出和時(shí)變系統(tǒng)的問(wèn)題，它的數(shù)學(xué)模型是用一個(gè)一階微分方程組 (即狀態(tài)方程 )或差分方程組來(lái)描述，是一種時(shí)域表示方法?？臻g技術(shù)的發(fā)展迫切要求建立新的控制原理，以解決諸如把宇宙火箭和人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時(shí)間準(zhǔn)確地發(fā) 射到預(yù)定軌道一類的控制問(wèn)題。其中 能控性 和 能觀測(cè)性 尤為重要，成為控制理論兩個(gè)最基本的概念。不確定性不單指結(jié)構(gòu)上的不確定性，而且還指參數(shù)的不確定性 。 專家控制是基于知識(shí)的智能控制，由關(guān)于控制領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)和體現(xiàn)該知識(shí)決策的推理機(jī)構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過(guò)對(duì)控制領(lǐng)域知識(shí) (先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)信息、目標(biāo)等 )的獲取與組織 ，按照某種策略及時(shí)地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，進(jìn)而對(duì)控制隊(duì)象實(shí)施控制，或修改補(bǔ)充知識(shí)條目。 90年代后，智能控制的集成技術(shù)研究取得很大重大進(jìn)展，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專家系統(tǒng)、傳統(tǒng) PID控制與智能控制的結(jié)合等。 4. 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的 PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。 智能控制方法的特點(diǎn) 智能控制是一類無(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。 因此就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過(guò)程控制局限性問(wèn)題和提高控制質(zhì)量的一個(gè)重要途徑?！板仭笔侵甘⒎艧峤橘|(zhì) (一般是水 )的容器，而“爐”這里指加熱水的電熱轉(zhuǎn)換元件。可 見(jiàn)供熱區(qū)的溫度是控制參數(shù)，操作量是電鍋爐內(nèi)的熱水。 經(jīng)過(guò)多方查證，發(fā)現(xiàn) 一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 以預(yù)控制的溫度為標(biāo)稱值，據(jù)此設(shè)定一個(gè)控制上限，一個(gè)控制下限。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例 控制單元 是必不可少的。 r(t) e(t) + u(t) + c(t) + + 圖 基本 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 ) (22) 將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài) 誤差（ Steadystate error）。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。這種方法所的到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 P是解決幅值振蕩， P大了會(huì)出現(xiàn)幅值振蕩的幅度大，但振蕩頻率小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)。ZieglerNichols法是根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)來(lái)確定 PID控制器的參數(shù)。 過(guò)限消弱積分法就是在控制變量進(jìn)入飽和區(qū)后，程序只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算，而停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。 控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定的處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，與控制器PID參數(shù)整定具有重要的關(guān)系，要多采用幾種參數(shù)整定方法，選取最佳方案。 2. 溫度控制通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由控制算法計(jì)算出輸出量，根據(jù)輸出量判斷繼電器的通斷。一般作法是給調(diào)節(jié)對(duì)象輸入到使被控對(duì)象開(kāi)環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行于實(shí)際工況附近，并以此輸出值作為縱坐標(biāo)的原點(diǎn) (0值 )，然后在加一階躍輸入信號(hào)，使被控對(duì)象輸出隨之發(fā)生變化，最后穩(wěn)定在一個(gè)值。 MATLAB4x版在繼承和發(fā)展其原有數(shù)值計(jì)算和圖形處理能力的同時(shí)，還推出了符號(hào)計(jì)算工具包、 Notebook和一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境 Simulink。本文的所有仿真都是在Simulink 中完成的。 單擊 Simunlink庫(kù)瀏覽器左側(cè)的子模塊庫(kù)標(biāo)題，在庫(kù)瀏覽器右側(cè)顯示該庫(kù)的所有模塊。 第四章控制系統(tǒng)仿真研究 PID 控制器設(shè)計(jì) 在 Simulink中創(chuàng)建用 PID算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖 : 圖 電鍋爐 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 仿真結(jié)構(gòu)圖與仿真步驟簡(jiǎn)介 圖 PID子模塊 21 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖中的一個(gè)子模塊，這個(gè)子模塊的功能就是實(shí)現(xiàn) PID操作 的功能，在其中的 Gain、 Gain Gain2模塊中分別輸入 pk 、 ik 、 dk 在不同 參數(shù)整定方法下得出的數(shù)值可以控制 PID實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)功能。 仿真結(jié)果分析可見(jiàn)，用經(jīng)典的方法算出的 PID參數(shù)不一定能滿足控制要求。 本章小結(jié) 本章根據(jù)電鍋爐溫度控制系統(tǒng)特性分析了溫控系統(tǒng)可選用的控制方案，介紹了 PID控制器設(shè)計(jì)在 MATLAB中的實(shí)現(xiàn)方法，并利用 Matlab的 Simulink開(kāi)發(fā) 環(huán)境對(duì) PID控制三種參數(shù)整定方案進(jìn)行研究和仿真分析，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與篩選，得到的最佳控制方案為參數(shù)人工整定 PID控制。當(dāng)電鍋爐溫度控制系統(tǒng)采用人工整定進(jìn)行控制時(shí)，超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間的矛盾可以得到基本的解決。在此特向馬老師表示深深的感謝 ! 在課題的研究期間得到了師兄妹們的大量幫助，在此向他們表示衷心的感謝 ! 最后我還要向我的父母及家人表示最深摯的謝意，本人能夠完成學(xué)業(yè)離不開(kāi)他們多年來(lái)的支持和幫助。學(xué)校可以公布論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。據(jù)我所知， 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。 28 致謝 本課題是在導(dǎo)師馬銘的悉心指導(dǎo)下完成的，在課題的研究過(guò)程中，馬老師傾注了大量的心血，他兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和寬以待人的優(yōu)秀品質(zhì)給我留下非常深刻的印象。 PID控制作為一種基本的控制方案，至今在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程仍保持著主導(dǎo)位置，本論文采用經(jīng)典的 PID控制理論，設(shè)計(jì)一種 PID控制器 ，對(duì)電鍋爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。 控制系統(tǒng)方案的分析與選擇 從以上三種 PID參數(shù)整定方法的仿真結(jié)果中可以看出， ZieglerNichols(齊格勒一尼柯?tīng)査?)參數(shù)整定 法其參數(shù)調(diào)節(jié)不是很好，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的超調(diào)量比較大，并且其產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的振蕩，這樣不利于工業(yè)生產(chǎn)，其經(jīng)濟(jì)效益較差，且會(huì)對(duì)電鍋爐產(chǎn)生一定的沖擊，會(huì)有電鍋爐有損壞，這種參數(shù)調(diào)節(jié)方法不適用于這個(gè)電鍋爐系統(tǒng)，可以舍棄。 控制器類型 pk iT dT p T? ? 0 PI ? ? 0 PID ? 2? ? 24 圖 ZieglerNichois參數(shù)整定純 PID控制響應(yīng)曲線圖 由圖 ，在齊格勒一尼柯?tīng)査箙?shù)整定下純 PID控制系統(tǒng)性能指標(biāo)為調(diào)節(jié)時(shí)間sst =1870秒，超調(diào)量 %? =25%，穩(wěn)態(tài)誤差 0sse? ZieglerNichois參數(shù)整定純 PID控制響應(yīng)曲線圖 可以看出，其調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，超調(diào)量較大，并且其產(chǎn)生 了較大的振蕩，產(chǎn)生這個(gè)誤差的主要原因是其比例其比例環(huán)節(jié)比較大，導(dǎo)致 動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大，并且其積分環(huán)節(jié)也是較大，導(dǎo)致靜差較大，與穩(wěn)定時(shí)候的溫度之間有較大的余查。 （ 2） 建立空白模型窗口。 （ 3）單擊 MATLAB主窗口工具欄中的 “ Simunlink”工具。Simulink 具有適用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理等復(fù)雜系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)。它是集命令翻譯、科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。 水溫的檢測(cè)元件采用數(shù)字式傳感器。 第 3 章控制系統(tǒng)特性及仿真工具的研究 仿真是對(duì)實(shí)際過(guò)程的模擬，系統(tǒng)仿真就是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。為了消除干擾的影響，除了在硬件采取相應(yīng)的措施以外，在控制算法上也要采取一定的措施。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的儀表工大多是按照自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定控制器的選擇。基于頻域的參數(shù)整定是需要參考模型的，首先需要辨識(shí)出一個(gè)能較好反應(yīng)被控對(duì)象頻域特性的二階模型。但無(wú)論采用哪一種方法，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào) 整與完善。 工程 上，對(duì)簡(jiǎn)單 控制系統(tǒng) ， 整定參數(shù) 的 14 方法有臨界比例度法、反應(yīng)曲線法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法等 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 )(tedtdTd —— 微分控制項(xiàng)， dT 為微分時(shí)間常數(shù) 。 也就是， PID參數(shù) Kp， Ti和 Td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。 針對(duì)市面上電鍋爐的粗獷式控制方法，要提高系統(tǒng)控制精度和實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行，必須尋找一種新的解決方案。 K值越大，表示被控對(duì)象的自平衡力小 。 在生產(chǎn)過(guò)程，控制對(duì)象各種各樣，理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明 :電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述，而二階系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)可以降為一階模型。本文研究對(duì)象為直熱式熱水鍋爐，采用電阻式加熱，工作壓力為 ，鍋爐內(nèi)最高水溫 95℃。 2 運(yùn)用 MATLAB軟件的 Simulink開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)上述這種方法進(jìn)行建模仿真，并對(duì)控制性能指標(biāo)進(jìn)行分析，確定出符合控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)速度快、超調(diào)量小和穩(wěn)定誤差小的控制算法。 對(duì)復(fù)雜的任務(wù)和分散的傳感器信息，具有處理、組織、協(xié)調(diào)和綜合決策能力，并在進(jìn)行過(guò)程中表現(xiàn)出類似于人的主動(dòng)性和靈活性。充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些能力來(lái)解決眾多非線性、強(qiáng)耦合和不確定性系統(tǒng)的建模、辨識(shí)和控制問(wèn)題是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的主要課題。 模糊控制在實(shí)踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) : ，不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。它不需要精確的模型，但需要具備學(xué)習(xí)功能，并能接受上一級(jí)的模糊指令和符號(hào)語(yǔ)言。 智能控制方法概述 智能控制方法的起源、發(fā)展和分類 工業(yè)控制中存在著工業(yè)過(guò)程復(fù)雜、數(shù)學(xué)模型難以確定的系統(tǒng)，智能控理論的產(chǎn)生正是 針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出的。在最優(yōu)控制理論中，用于綜合最優(yōu)控制系統(tǒng)的主要方法有極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。他們的研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜控制問(wèn)題，并開(kāi)拓了控制理論中 最優(yōu)控制理論 這一新的領(lǐng)域?，F(xiàn)代控制理論比 經(jīng)典控制理論 所能處理的控制問(wèn)題要 5 廣泛得多，包括 線性系統(tǒng) 和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和 時(shí)變系統(tǒng) ，單變量系統(tǒng)和 多變量系統(tǒng) 。專家系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、故障診斷和監(jiān)督控制以及檢測(cè)儀表有效性檢測(cè)等方面獲得成功應(yīng)用 。 第二階段 :發(fā)展階段。因此，研究一種最佳的電鍋爐控制方法，對(duì)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性具有重要的意義。本文主要研究電鍋爐溫度控制的方法。 parameters tuning。 PID 控制的重點(diǎn)是參