【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(tái) Fuzzy 控制器以來(lái)，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(dòng)控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)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(shí)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(yùn)用不確定不精確的模糊信息來(lái)決策實(shí)現(xiàn)成功的控制。用模糊邏輯實(shí)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(diǎn)是控制器本身而不是被控對(duì)象。所以這種控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，模糊控制因?yàn)橛休^快的響應(yīng)，能夠克服非線性因素的影響等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)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(jì)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(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制或簡(jiǎn)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(duì)難以精確描述的復(fù)雜的非線性對(duì)象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器，或優(yōu)化計(jì)算，或進(jìn)行推理，或故障診斷等，以及同時(shí)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(duì)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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)于自適應(yīng)控制的定義人們尚未給出一個(gè)廣泛采納的概念，因?yàn)樽赃m應(yīng)控制是一種針對(duì)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(shí)環(huán)境條件的變化，并自動(dòng)校正控制動(dòng)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(shí)、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(gè)明確的定義，但沒有阻擋住人們對(duì)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?cè)谧赃m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(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)控制器性能指標(biāo)測(cè)量被控對(duì)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(cè)控制預(yù)測(cè)控制與其它方法不同，它是在工業(yè)實(shí)踐過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的，到現(xiàn)存己經(jīng)有幾十種預(yù)測(cè)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(cè)控制(MPC)、模型算法控制(MAC)和動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)等。因?yàn)闀r(shí)滯控制系統(tǒng)解決問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)系統(tǒng)輸出的預(yù)側(cè)，因此預(yù)測(cè)控制非常適用于時(shí)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(lái)滿足應(yīng)用的要求。文獻(xiàn)針對(duì)這一類大的時(shí)滯過(guò)程，設(shè)計(jì)了以動(dòng)態(tài)矩陣控制為核心算法的預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，運(yùn)行實(shí)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(duì)時(shí)滯被控對(duì)象提出了一種自適應(yīng) Smith 廣義預(yù)測(cè)控制器方案。在廣義預(yù)測(cè)控制中，以 Smith預(yù)估器建立被控對(duì)象預(yù)測(cè)模型，并基于零頻率時(shí)的模型匹配和有遺忘因子的遞推最小二乘算法在線辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)和時(shí)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(shí)滯變化對(duì)系統(tǒng)的影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，跟蹤效果好，但計(jì)算量較大，影響了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)采用動(dòng)態(tài)矩陣控制算法設(shè)計(jì)了一個(gè)電阻爐爐溫微機(jī)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制器，通過(guò)合適的參數(shù)設(shè)計(jì)，該控制器達(dá)到了較好的性能，實(shí)際運(yùn)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)際工業(yè)過(guò)程往往具有非線性、時(shí)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(shí)現(xiàn)有效控制；在實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直尋求 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)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(shí)際上是針對(duì) PID 控制及模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，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(lái)，F(xiàn)uzzy—PID 復(fù)合控制器具有以下特點(diǎn)： ①使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，不僅上升時(shí)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(guò)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(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種噪聲和干擾具有較好的抑制作用；④當(dāng)被控過(guò)程參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，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(jì)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(yùn)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(diǎn)而形成的一種控制算法。按照控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)原理來(lái)分，自適應(yīng) PID 控制器可分為五大類，極點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)是簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)施且魯棒性強(qiáng)。但 Adaptive—PID 也有許多弱點(diǎn)，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(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)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(yùn)行的初值不僅會(huì)影響估計(jì)的精度 ，亦會(huì)影響收斂性。 ③在自適應(yīng) PID 控制實(shí)施時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的確定也會(huì)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(dòng)適應(yīng)控制對(duì)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(shí)機(jī)構(gòu) 過(guò)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(diǎn)：(1)這種控制充分利用了模糊控制規(guī)則較少、系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shì)。因此模糊自適應(yīng) PID 控制器在改善被控過(guò)程的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和超調(diào)量等動(dòng)態(tài)性能以及對(duì)參數(shù)時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的解析式便可完全描述，故用于在線確定控制作用的時(shí)間很短，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。(3)針對(duì)不同性質(zhì)的被控對(duì)象，可通過(guò)對(duì)模糊控制規(guī)則表、過(guò)程控制階段性切換式、參數(shù)整定算法等對(duì)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(guó)內(nèi)外時(shí)滯系統(tǒng)控制方法研究的現(xiàn)狀。回顧了模糊控制、預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主要特點(diǎn)。第二章：介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置和溫度控制系統(tǒng)，并且對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)第三章：介紹了 PID 原理和預(yù)測(cè)控制原理。著重在于對(duì)動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制(DMC)進(jìn)行介紹，以及其參數(shù)的設(shè)計(jì)與整定步驟。第四章：對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和比較。結(jié)合 MATLAB 仿真，對(duì) PID 控制和預(yù)測(cè)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(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè)2 溫度控制系統(tǒng)概述及建模 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介 [3]本課題實(shí)驗(yàn)裝置采用 THJFCS1 型現(xiàn)場(chǎng)總線高級(jí)過(guò)程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制系統(tǒng)。下面就實(shí)驗(yàn)中涉及到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備做簡(jiǎn)單介紹。(1)系統(tǒng)簡(jiǎn)介本現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是基于 PROFIBUS 通訊協(xié)議、在傳統(tǒng)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上升級(jí)而成的新一代過(guò)程控制系統(tǒng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分為上位控制系統(tǒng)和控制對(duì)象兩部分。(2)系統(tǒng)組成本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三相（380V 交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V 變頻） 、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。① 被控對(duì)象被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)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(cè)裝置整套實(shí)驗(yàn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相 220V，控制信號(hào)為 4～20mADC 或 1～5VDC，輸出為 4～20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。ⅱ、水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為 16CQ8P，流量為 30 升/分，揚(yáng)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(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相 380V 恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V 輸出驅(qū)動(dòng)。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(hào)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)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(hào)為 3152DP，本 CPU 既具有能進(jìn)行多點(diǎn)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。控制站：控制站主要包含 CPU、DP/PA 耦合器、分布式 I/O DP 從站構(gòu)成。(4)系統(tǒng)特點(diǎn)? 被控參數(shù)全面,涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(duì)象、綜合上位控制系統(tǒng)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)三部分組成。? 真實(shí)性、直觀性、綜合性強(qiáng)，控制對(duì)象組件全部來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。? 執(zhí)行器中既有電動(dòng)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(dòng)外，還可以通過(guò)對(duì)象中手動(dòng)操作閥制造各種擾動(dòng)。? 一個(gè)被調(diào)參數(shù)可在不同動(dòng)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(jì)時(shí)使 2 個(gè)信號(hào)在本對(duì)象中存在著相互耦合，二者同時(shí)需要對(duì)原獨(dú)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(shí)驗(yàn)，以符合工業(yè)實(shí)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(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。? 各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)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