【文章內(nèi)容簡介】 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與 PID 控制相結(jié)合及這些智能控制之間的結(jié)合。具體有如下一些方法： 模糊控制自從 1974 年 等人研制成功第一臺 Fuzzy 控制器以來，F(xiàn)uzzy 控制理論和方法引起了許多專家學(xué)者的極大興趣，模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制，從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制。從控制器的智能型看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式，尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及混沌理論等新學(xué)科的互相融合，模糊邏輯控制技術(shù)作為一種新的控制技術(shù)，可以模仿人的思維方法，運用不確定不精確的模糊信息來決策實現(xiàn)成功的控制。用模糊邏輯實現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功能目標(biāo)而不是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究的重點是控制器本身而不是被控對象。所以這種控制系統(tǒng)對被控對象的參數(shù)變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，模糊控制因為有較快的響應(yīng)，能夠克服非線性因素的影響等優(yōu)點，在工業(yè)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。模糊控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 所示。 A /D計算機(jī)控制變量模糊量化的處理模糊控制規(guī)則模糊推理非模糊化處理D /A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象傳感器e—r模糊控制器 （ 微處理機(jī) ）圖 模糊控制原理框圖 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制或簡稱神經(jīng)控制，是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一工具對難以精確描述的復(fù)雜的非線性對象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器，或優(yōu)化計算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等，以及同時兼有上述某些功能的組合，將這樣的系統(tǒng)統(tǒng)稱為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，稱這種控制方式為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的原理框圖如圖 所示。 被控對象+eruy圖 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理框圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的作用分為以下幾種：(l)在基于精確模型的各種控制結(jié)構(gòu)中充當(dāng)對象的模型；(2)在反饋控制系統(tǒng)中直接充當(dāng)控制器的作用；(3)在傳統(tǒng)控制中起優(yōu)化計算的作用；(4)在與其他智能控制方法和優(yōu)化算法，如模糊控制、專家控制及遺傳算法等相融合中，為其提供非參數(shù)化對象模型、優(yōu)化參數(shù)、推理模型及故障診斷等。 自適應(yīng)控制對于自適應(yīng)控制的定義人們尚未給出一個廣泛采納的概念，因為自適應(yīng)控制是一種針對非線性系統(tǒng)的控制方法，其特性十分復(fù)雜。暫且定義為自適應(yīng)控制是一類特定的非線性反饋控制，具有一定的適應(yīng)能力，能夠認(rèn)識環(huán)境條件的變化，并自動校正控制動作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或者次優(yōu)的控制。自適應(yīng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的顯著區(qū)別在于它包含性能指標(biāo)閉環(huán)。具有“辨識、決策、修改”的功能，從而使系統(tǒng)在不同的環(huán)境中能達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果。雖然沒有一個明確的定義，但沒有阻擋住人們對自適應(yīng)控制的研究。人們主要致力于自適應(yīng)控制和其他理論的結(jié)合，并研究出了多種控制方法。人們在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、收斂性、魯棒性方面作了大量的工作，但自適應(yīng)控制的理論進(jìn)展比較緩慢，許多研究工作在理論上仍未達(dá)到合理和完整的程度。自適應(yīng)控制的原理框圖如圖 所示。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁控制器性能指標(biāo)測量被控對象適應(yīng)機(jī)構(gòu)比較輸出已知干擾未知干擾給定性能指標(biāo)r ( t )參考輸入 u ( t )控制輸入n ( t )c ( t )圖 自適應(yīng)控制原理框圖 預(yù)測控制預(yù)測控制與其它方法不同，它是在工業(yè)實踐過程中逐步發(fā)展起來的，到現(xiàn)存己經(jīng)有幾十種預(yù)測控制算法相繼產(chǎn)生，比較典型的有非參數(shù)模型的模型預(yù)測控制(MPC)、模型算法控制(MAC)和動態(tài)矩陣控制(DMC)等。因為時滯控制系統(tǒng)解決問題的關(guān)鍵是對系統(tǒng)輸出的預(yù)側(cè)，因此預(yù)測控制非常適用于時滯系統(tǒng)，它可以和人工智能等方法結(jié)合，或者進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)來滿足應(yīng)用的要求。文獻(xiàn)針對這一類大的時滯過程，設(shè)計了以動態(tài)矩陣控制為核心算法的預(yù)測控制系統(tǒng)，運行實踐表明這一控制方案比原 PID 控制在控制質(zhì)量上有較大提高。文獻(xiàn)針對時滯被控對象提出了一種自適應(yīng) Smith 廣義預(yù)測控制器方案。在廣義預(yù)測控制中，以 Smith預(yù)估器建立被控對象預(yù)測模型，并基于零頻率時的模型匹配和有遺忘因子的遞推最小二乘算法在線辨識系統(tǒng)參數(shù)和時滯，不斷修正 Smith 預(yù)估器模型和控制器參數(shù)，有效克服系統(tǒng)參數(shù)和時滯變化對系統(tǒng)的影響，動態(tài)響應(yīng)快，跟蹤效果好，但計算量較大，影響了系統(tǒng)控制的實時性。文獻(xiàn)采用動態(tài)矩陣控制算法設(shè)計了一個電阻爐爐溫微機(jī)控制系統(tǒng)的預(yù)測控制器，通過合適的參數(shù)設(shè)計，該控制器達(dá)到了較好的性能，實際運行結(jié)果也表明，該控制器具有優(yōu)于傳統(tǒng)控制的特性。 PID 控制和其他控制方法的結(jié)合使用PID 控制由于算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，尤其使用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的線性定常參數(shù)系統(tǒng)，但實際工業(yè)過程往往具有非線性、時變性等不確定因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以常規(guī)PID 控制器難以實現(xiàn)有效控制；在實際作業(yè)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的因擾，常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應(yīng)性很差。長期以來，人們一直尋求 PID 控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁況和高指標(biāo)的控制要求。隨著智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究和應(yīng)用的深入于發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型智能型 PID 自整定控制器。(1)Fuzzy—PID 控制算法 Fuzzy—PID 控制實際上是針對 PID 控制及模糊控制的優(yōu)缺點，提出一種分段式模糊 PID 控制方法，把兩者有效地結(jié)合起來，F(xiàn)uzzy—PID 復(fù)合控制器具有以下特點： ①使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性，不僅上升時間快，而且超調(diào)量小；②系統(tǒng)具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)，穩(wěn)態(tài)過程沒有振蕩，控制精度高；③使系統(tǒng)的 抗干擾能力增強(qiáng)，對作業(yè)現(xiàn)場的各種噪聲和干擾具有較好的抑制作用；④當(dāng)被控過程參數(shù)發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)仍能保持較好的適應(yīng)能力和魯棒性。模糊 PID 控制的原理框圖如圖 所示：計算 E ， E cF u z z y 規(guī)則 / F u z z y 推理查詢 F u z z y 矩陣K p , K r , K d 參數(shù)調(diào)整運算P I D 算法G ( s )FRe ( t )u ( k ) 1se??y圖 模糊 PID 控制原理框圖(2)Adaptive—PID 控制算法Adaptive—PID 控制是結(jié)合自適應(yīng)控制和 PID 控制的優(yōu)點而形成的一種控制算法。按照控制器的參數(shù)設(shè)計原理來分，自適應(yīng) PID 控制器可分為五大類，極點配置自適應(yīng) PID 控制器，相消原理自適應(yīng) PID 控制器，基于經(jīng)驗規(guī)則的自適應(yīng)PID 控制器，基于二次型性能指標(biāo)的自適應(yīng) PID 控制器和智能或?qū)＜易赃m應(yīng) PID控制器。自適應(yīng) PID 控制的優(yōu)點是簡單有效，易于實施且魯棒性強(qiáng)。但 Adaptive—PID 也有許多弱點，有些甚至是致命的：①在一定的假設(shè)條件下，控制器具有全局收斂性和最優(yōu)性，但由于系統(tǒng)不確定的存在，將破壞這些假設(shè)條件，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁②由于自適應(yīng)控制系統(tǒng)都是本質(zhì)非線性的 ，因此系統(tǒng)運行的初值不僅會影響估計的精度 ，亦會影響收斂性。 ③在自適應(yīng) PID 控制實施時系統(tǒng)參數(shù)的確定也會影響控制性能。(3)模糊自適應(yīng) PID 控制將模糊控制理論與自適應(yīng)控制理論應(yīng)用與 PID 控制器的參數(shù)整定，使 PID 控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)自動適應(yīng)控制對象數(shù)學(xué)模型大參數(shù)變化。模糊自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 所示。 d / d t模糊推理機(jī)P I D辯識機(jī)構(gòu) 過程b a n g b a n g?r?yu控制開關(guān)圖 模糊自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng)的原理框圖模糊自適應(yīng) PID 控制具有以以下特點：(1)這種控制充分利用了模糊控制規(guī)則較少、系統(tǒng)簡單而透明和自適應(yīng)理論較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力的優(yōu)勢。因此模糊自適應(yīng) PID 控制器在改善被控過程的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和超調(diào)量等動態(tài)性能以及對參數(shù)時變的適應(yīng)方面均優(yōu)于常規(guī) PID 控制。(2)模糊自適應(yīng) PID 控制的控制模型只用幾個簡單的解析式便可完全描述，故用于在線確定控制作用的時間很短，實時性很強(qiáng)。(3)針對不同性質(zhì)的被控對象，可通過對模糊控制規(guī)則表、過程控制階段性切換式、參數(shù)整定算法等對應(yīng)的參數(shù)變量作適當(dāng)?shù)男薷?，即可使系統(tǒng)滿足一定的靈活性與穩(wěn)定性的要求。 本文所做的工作第一章：緒論。介紹了溫度控制系統(tǒng)的控制方案，介紹了國內(nèi)外時滯系統(tǒng)控制方法研究的現(xiàn)狀?；仡櫫四：刂啤㈩A(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主要特點。第二章：介紹了實驗臺裝置和溫度控制系統(tǒng)，并且對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁第三章：介紹了 PID 原理和預(yù)測控制原理。著重在于對動態(tài)矩陣預(yù)測控制(DMC)進(jìn)行介紹，以及其參數(shù)的設(shè)計與整定步驟。第四章：對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和比較。結(jié)合 MATLAB 仿真，對 PID 控制和預(yù)測控制進(jìn)行比較，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。第五章：結(jié)論與展望。中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁2 溫度控制系統(tǒng)概述及建模 實驗裝置簡介 [3]本課題實驗裝置采用 THJFCS1 型現(xiàn)場總線高級過程控制對象系統(tǒng)實驗裝置現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)。下面就實驗中涉及到的實驗設(shè)備做簡單介紹。(1)系統(tǒng)簡介本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于 PROFIBUS 通訊協(xié)議、在傳統(tǒng)過程控制實驗裝置的基礎(chǔ)上升級而成的新一代過程控制系統(tǒng)。整個實驗裝置分為上位控制系統(tǒng)和控制對象兩部分。(2)系統(tǒng)組成本實驗裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三相（380V 交流）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V 變頻） 、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。① 被控對象被控對象由不銹鋼儲水箱、上、中、下三個串接圓筒形有機(jī)玻璃水箱、 電加熱鍋爐 (由不銹鋼內(nèi)膽和夾套構(gòu)成) 、冷熱水交換盤管和敷塑不銹鋼管路組成。② 檢測裝置整套實驗裝置有壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器組成。③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)ⅰ、調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSTP16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相 220V，控制信號為 4～20mADC 或 1～5VDC，輸出為 4～20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。ⅱ、水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16CQ8P，流量為 30 升/分，揚程為 8 米，功率為 180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,一只為三相 380V 恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V 輸出驅(qū)動。ⅲ、可移相 SCR 調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 ④ 控制器控制器采用 SIEMENS 公司的 S7300 CPU，型號為 3152DP，本 CPU 既具有能進(jìn)行多點通訊功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUSDP 通訊功能的 DP 通訊接口。(3)總線控制柜總線控制柜有以下幾部分構(gòu)成：直流電源：采用直流穩(wěn)壓電源，給主控單元和 DP 從站供電?？刂普荆嚎刂普局饕?CPU、DP/PA 耦合器、分布式 I/O DP 從站構(gòu)成。(4)系統(tǒng)特點? 被控參數(shù)全面,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位、壓力、流量及溫度等典型參數(shù)。? 本裝置由控制對象、綜合上位控制系統(tǒng)、上位監(jiān)控計算機(jī)三部分組成。? 真實性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對象組件全部來源于工業(yè)現(xiàn)場。? 執(zhí)行器中既有電動調(diào)節(jié)閥，又有變頻器、可控硅移相調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有設(shè)定值階躍擾動外，還可以通過對象中手動操作閥制造各種擾動。? 一個被調(diào)參數(shù)可在不同動力源、不同執(zhí)行器、不同的工藝管路下演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。? 系統(tǒng)設(shè)計時使 2 個信號在本對象中存在著相互耦合，二者同時需要對原獨立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進(jìn)行整定，或進(jìn)行解耦實驗，以符合工業(yè)實際的性能要求。? 能進(jìn)行單變量到多變量控制系統(tǒng)及復(fù)雜過程控制系統(tǒng)實驗。? 各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實驗軟件平臺上都可以實現(xiàn)。(5)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分，下位機(jī)軟件采用 SIEMENS的 STEP7，上位機(jī)軟件采用 SIEMENS 的 WINC