【文章內(nèi)容簡介】 利于對未知對象進行認知和辨識并進一步改善控制系統(tǒng)的控制性能。 對復(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，并在進行過程中表現(xiàn)出類似于人的主動性和靈活性。 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、歸類等方法，也能給出適當?shù)妮敵觥Ｈ绻到y(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(fù)。 智能控制具有在線特征辨識、特征記憶和擬人等特點，故在整個控制過程中，計算機能夠在線獲得信息、實時處理并給出控制決策，通過不斷優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器最佳結(jié)構(gòu)形式，來獲得整體的最優(yōu)控制性能。 因此就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過程控制局限性問題和提高控制質(zhì)量的一個重要途徑。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)計將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。 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(xué)模型，提出適合于鍋爐水溫過程控制的純 PID控制方法。并對控制算法的實現(xiàn)、控制器的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整進行深入研究。 2 運用 MATLAB軟件的 Simulink開發(fā)環(huán)境對上述這種方法進行建模仿真，并對控制性能指標進行分析，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。 爐供暖系統(tǒng)對控制器的要求，設(shè)計一個智能溫度控制器，包括 :總體方案設(shè)計、部分軟件設(shè)計、系統(tǒng)仿真等。 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。其工作原理與傳統(tǒng)意義上的鍋爐有相似之處，從結(jié)構(gòu)上看也有“鍋”和“爐”兩大部分。“鍋”是指盛放熱介質(zhì) (一般是水 )的容器，而“爐”這里指加熱水的電熱轉(zhuǎn)換元件。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、蒸汽鍋爐和有機載 體鍋爐 。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(yīng)式等 。從供熱方式上有直熱式和蓄熱式等。本文研究對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℃。 當電鍋爐工作在 ，水的飽和溫度為 144℃ ，最高水溫 95℃使鍋爐遠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。產(chǎn)品安裝示意圖如圖 。 從電鍋爐的安裝示意圖可以看出，電鍋爐的熱水經(jīng)供暖出水口送至散熱片，通過散熱片向供熱區(qū)釋放熱量?？?見供熱區(qū)的溫度是控制參數(shù)，操作量是電鍋爐內(nèi)的熱水。通過調(diào)節(jié)閥的開度，保證供熱區(qū)的等溫特性 。通過水位的判別，調(diào)節(jié)補水閥的起、停。因此本文的研究目的是結(jié)合電鍋爐水溫上升的特點，對它的溫度進行控制，達到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術(shù)要求。 在生產(chǎn)過程，控制對象各種各樣，理論分析和試驗結(jié)果表明 :電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述，而二階系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。參數(shù)辨識就是 根據(jù)實驗數(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)過程進行預(yù)測，提供一定的理論指導(dǎo)。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(xué)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)。因此，參數(shù)辨識問題是一個逆問題，參數(shù)估計的好壞決定了用模型來解釋實際問題的可信度。 經(jīng)過多方查證，發(fā)現(xiàn) 一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型。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) 。 ? 對象的純滯后時間。 對象中的特性參數(shù)對其輸出的影響 : 大 系 數(shù) K 放大系數(shù) K也就是傳遞系數(shù)，它與被控量的變化過程無關(guān)，其值表示輸入對輸出穩(wěn)態(tài)值的影響程度。 K值越大，表示被控對象的自平衡力小 。K值小，對象自平衡能力大。 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。 膨脹水箱 （ 必須與大氣相通） 供暖出水口 排污口 供暖回水口 散熱片 圖 電 鍋 爐 安 裝 圖 原有控制方案 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。 以預(yù)控制的溫度為標稱值，據(jù)此設(shè)定一個控制上限，一個控制下限。當溫度不在此范圍內(nèi)時，電熱鍋加熱，否則停止加熱。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(fù)振蕩，且對電網(wǎng) 電鍋爐 11 產(chǎn)生很大沖擊，運行成本很高。 人工控制方法是通過工作人員的操作經(jīng)驗，簡單的對鍋爐進行操作 .因此，很 難提高系統(tǒng)的控制精度和實現(xiàn)低成本運行。 針對市面上電鍋爐的粗獷式控制方法，要提高系統(tǒng)控制精度和實現(xiàn)低成本運行，必須尋找一種新的解決方案。 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，容易實現(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。 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。 它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（ Kp， Ti和 Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例 控制單元 是必不可少的。 首先， PID應(yīng)用范圍廣。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。 其次， PID參數(shù)較易整定。 也就是， PID參數(shù) Kp， Ti和 Td可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化， PID參數(shù)就可以重新整定。 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) 。 12 常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 。 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、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。 ? ? ? ? ? ? ? ?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 。 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) 。 1 ()et dtTi? —— 積分控制項， 1T 為積分時間常數(shù) 。 )(tedtdTd —— 微分控制項， dT 為微分時間常數(shù) 。 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。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。 比例控制是一種最簡單的控制方式。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài) 誤差（ Steadystate error）。 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。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。隨著積分時間常數(shù)不的減小，靜差在減小 :但過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(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）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 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(yīng)速度，它可以預(yù)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。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變 化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。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。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(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項 ” ，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量 的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID控制器是通過計算機 PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。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。 通過改變 控制單元 參數(shù) ，如 比例度 δ、積分時間 Ti、微分時間 Td等，改善 系統(tǒng) 的 動態(tài) 、 靜態(tài) 特性，以求取較佳的 控制 效果的過程。 工程 上，對簡單 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)驗法等 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。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。 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。她主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所的到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定法，它主要是依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 PID控制器參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例法，反應(yīng)曲線和衰減。三種方法各有其特點，其共同特點是通過實驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法，都需要在實際運行中進行最后調(diào) 整與完善?，F(xiàn)在一般采用臨界比例法。利用該方法進行 PID控制參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預(yù)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(yīng)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)。 PID參數(shù)的設(shè)置的大小，一方面是要根據(jù)控制對象的具體情況而定，另一方面是經(jīng)驗。 P是解決幅值振蕩， P大了會出現(xiàn)幅值振蕩的幅度大，但振蕩頻率小，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間長。 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 。 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。