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pid溫控系統(tǒng)的設計及仿真畢業(yè)論文-資料下載頁

2025-06-24 19:04本頁面
  

【正文】 制,模糊控制和參數(shù)模糊自整定 PID 控制三種控制方法,通過仿真比較它們的控制性能。1. PID 控制 Simulink 中創(chuàng)建的用PID算法控制電烤箱溫度的結構圖。圖 電烤箱PID控制系統(tǒng)仿真結構圖在圖中的PID模塊中對三個參數(shù)進行設定,在Transport Delay模塊中設定滯后時間30秒。通過不斷調整PID三參數(shù),得到最佳仿真曲線,其中=3,=,=0當給定值為 100 和 150 時。 給定值為100時的響應曲線 給定值為150時的響應曲線可見性能指標為:調節(jié)時間=200s,超調量σ%約為10%,穩(wěn)態(tài)誤差=0。2. 模糊控制模糊控制有快速、魯棒性好的特點??梢钥紤]用它對系統(tǒng)進行控制,希望能取得好的性能。比較常用的有 Mamdani 型。圖 采用純模糊控制時的模糊控制器 圖 輸入變量e的隸屬函數(shù)圖 圖 輸入變量ec的隸屬函數(shù)圖圖 輸出變量u的隸屬函數(shù)圖在 MATLAB 的模糊邏輯工具箱中構建如下的 Mamdani 型模糊控制器,如圖 ??梢娔:刂破鞯妮斎胱兞繛閑和ec,輸出為控制變量u。and操作為最小法min,or操作為最大法max,模糊蘊涵(implication)為最小法min,合成(Aggregation)為最大值法max,反模糊用的是重心法centroid??梢?,e, ec 和 u 的模糊子集均為{NB,NS,0,PS,PB},它們模糊子集的論域都為{3,2,1,0,1,2,3},各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。 Mamdani 型模糊控制器的控制規(guī)則,表中橫軸縱軸分別為ec和e的模糊子集。在模糊邏輯工具箱中,控制規(guī)則是在 Rule Editor 窗口輸入的,以 ifthen 的形式表達,這里為 if e~and ec~then u~,(~表示各變量所分成的模糊值)共 25 條規(guī)則。 Mamdani 型模糊控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖。然后,使用模糊控制器在 Simulink 中構建整個控制系統(tǒng)。圖 模糊控制規(guī)則編輯器 模糊控制規(guī)則NBNSZPSPBNBNBNBNBNSZNSNBNSNSZPSZNBNSZPSPBPSNSZPSPSPBPBZPSPBPBPB圖 電烤箱純模糊控制系統(tǒng)仿真結構框圖圖 純模糊控制響應曲線為了進行模糊化處理,必須將輸入變量(以e為例)從基本論域(實際范圍)[xe, xe]變換到相應的模糊子集論域﹛n, n+1,…,0,…,n1, n﹜上,這須將輸入變量乘以相應的因子,即量化因子。這里e的量化因子= n/xe。ec的量化因子同理。另外經(jīng)過模糊控制算法后的輸出控制量,變化范圍為﹛m, m+1, …,0, …,m1,m﹜不能直接作用于被控對象,還必須將其轉換到為控制量所能接受的基本論域[yu, yu]中去。這樣就需要比例因子=。上圖中的三個增益模塊Gain分別給出量化因子、比例因子。即=,=,=200??梢娦阅苤笜藶椋赫{節(jié)時間ts =200s,超調量σ%幾乎為零,可穩(wěn)態(tài)誤差很大,約為 10℃。3. 參數(shù)模糊自整定PID控制由前面的仿真結果明顯看出,純PID控制有較大超調量;而純模糊控制由于自身結構的原因又不能消除穩(wěn)態(tài)誤差,穩(wěn)態(tài)誤差較大。所以,考慮把它們兩者相結合,實現(xiàn)優(yōu)勢互補。本論文采用參數(shù)模糊自整定PID控制,具體說用的是模糊整定PI控制。首先設計模糊控制器。利用 Matlab 模糊邏輯工具箱設計名為 FUZZY 的 Mamdani 型模糊控制器(),由圖可見模糊控制器的輸入變量為e和ec,輸出變量為和。 采用參數(shù)模糊自整定PID控制的模糊控制器 圖 輸入變量 e 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸入變量 ec 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 Mamdani 型模糊控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖。可見輸入變量e和ec的模糊子集均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},論域均為{3,2,1,0,1,2,3},輸出變量和的模糊子集均為{Z, S, M, B},論域均為{0,1,2,3}。各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZPSPMPBNBMSMMMSMNMBMBBBMSNSBMBBBMSZBMBZBMSPSBMBBBMSPMBMBBBMSPBMSMMMSM 的模糊控制規(guī)則NBNMNSZPSPMPBNBZSMBMSZNMZSBBBSZNSZZBBBMZZZZBZBMZPSZZBBBMZPMZSBBBSZPBZSMBMSZ, Mamdani 型模糊控制器的控制規(guī)則,表中橫軸縱軸分別為ec和e的模糊子集。同樣控制規(guī)則是在Rule Editor窗口輸入的,這里的形式為if e~and ec~,then ~,~(~表示各變量所分成的模糊值)。,共49條。然后,使用該模糊控制器在 Simulink 中構建整個控制系統(tǒng)。 模糊自整定PID控制規(guī)則庫編輯器圖 電烤箱參數(shù)模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真結構框圖 給定值為100時響應曲線 給定值為200時響應曲線 給定值為 150 時響應曲線 給定值為 50 時響應曲線 給定值為 120 時響應曲線 圖 給定值為 80 時響應曲線。由上面各圖看出性能指標:調節(jié)時間最大約為 200s,超調量σ%=0,穩(wěn)態(tài)誤差=0。仿真結果表明:對于電烤箱,當給定值不同時,需要調整積分限值,才能達到響應曲線調節(jié)時間短、超調量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的理想技術指標。小 結經(jīng)過以上的對PID控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制三種控制方案的仿真研究和分析,明顯看出,PID控制響應曲線超調量較大,純模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差大,而參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實現(xiàn)調節(jié)時間短、超調量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零以及強的抗干擾能力等非常理想的性能指標。因此,選擇它作為溫控方案。PID溫控系統(tǒng)的設計和仿真 第五章 總結與展望第五章 總結與展望 主要工作內容論文主要著眼于控制理論的研究,具體討論了以下幾個問題:1.PID控制算法對PID控制算法進行了仿真,著重分析了其存在的兩個主要問題:參數(shù)整定困難,動態(tài)響應慢。2.模糊控制算法采用模糊控制的基本原理與設計方法進行仿真,指出了其存在的幾個主要問題:自適應性弱,穩(wěn)態(tài)精度低,易發(fā)生“規(guī)則爆炸”。由于模糊控制是在固定論域上進行均勻分檔,當系統(tǒng)愈接近穩(wěn)態(tài),控制策略愈不細膩。通過整定量化因子與比例因子,系統(tǒng)的動靜態(tài)性能可以得到提高。3.模糊PID控制算法針對單一控制的不足,結合PID控制的穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應慢與模糊控制動態(tài)響應快、穩(wěn)態(tài)精度低的特點,采用模糊PID控制算法,以實現(xiàn)優(yōu)劣互補,以滿足電烤箱的設計要求。 工作小結通過理論研究和項目的實際開發(fā)感觸頗深:(1) 智能控制是對自動控制理論和技術發(fā)展到一個新階段的概括,它并不排斥傳統(tǒng)控制理論,而是對其繼承和發(fā)揚。(2) 要有扎實的控制理論知識,對微控制器應用系統(tǒng)要熟悉,要有一定的計算機技術,具有一定的軟、硬件開發(fā)理論與技術,沒有理論作基礎,很難完成高質量的系統(tǒng)設計。(3) 必須堅持理論與實踐相結合,目前大多數(shù)研究是從理論上著手,并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多成果,但實踐中因為多種干擾因素的影響,效果不是很佳,甚至有時根本不能在現(xiàn)場使用,導致理論脫離實際。 存在的問題及未來的方向1.下一步的工作本論文將智能模糊控制方法引入電烤箱的控制中,在模擬仿真中得到滿意的效果。盡管如此,在具體的生產(chǎn)應用中也暴露出模糊控制思想的一些局限性,以下幾方面是今后需進一步研究和實踐的重點:(1) 完成對單片機軟件部分的設計。(2) 由于目前模糊控制器的設計基本上是根據(jù)專家和具有豐富經(jīng)驗的操作人員的經(jīng)驗和大量的計算機模擬實驗,具有一定的“暗箱效應”,控制規(guī)則不能自動生成與優(yōu)化,需進一步研究自學習模糊控制策略。2.展望隨著工業(yè)對象的日益復雜,必然會對控制系統(tǒng)提出更高的要求。智能控制理論與應用仍然有許多需要完善的部分,將多種控制策略相互結合是今后計算機控制系統(tǒng)理論與應用研究的重要方向。(1) 硬件上,由于模糊控制規(guī)則的數(shù)目與系統(tǒng)的控制效果緊密相關,限制了在以單片機作微處理器的工業(yè)控制中的應用,需要加快簡單、實用的模糊集成芯片和模糊控制裝置的開發(fā)與推廣應用。(2) 傳統(tǒng)控制理論、現(xiàn)代控制理論與智能控制技術(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等)相融合集成的研究,從功能上組成互補系統(tǒng)和利用一種智能技術來改進另一種智能技術的研究,將是今后控制理論研究的一個重要發(fā)展方向。結束語針對電烤箱溫度控制系統(tǒng),本文在 simulink 中分別對 PID 控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定 PID 控制進行了仿真研究。結果表明: PID 控制響應曲線超調量較大,模糊控制的響應特性穩(wěn)態(tài)誤差大;而采用本文設計的用模糊規(guī)則調節(jié)、兩個參數(shù)的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法,可得到調節(jié)時間短、超調量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的極為理想的性能指標。而且這種方法的抗干擾能力也很強,同時對一階慣性滯后環(huán)節(jié)的適應能力很強,由于一般溫控對象的數(shù)學模型可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述,因而這一控制方法對溫控場合的適用性很強。具體設計了以 AT89C52 單片機為核心,K型熱電偶為溫度傳感器, MAX6675芯片 ICL7135 為溫度轉換元件,由雙向晶閘管和SSR構成溫度反饋信息給單片機,并由按鍵、 LED 數(shù)碼顯示器及報警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng),并進行了相應軟件程序流程結構設計。但是由于一些原因,未得出最后的實驗調試結果。雖然仿真環(huán)境不可能與實際情況完全相同,但它的結果還是有相當指導意義的。實驗調試工作有必要以后繼續(xù)進行。本文的這一設計思想也為以后繼續(xù)完善奠定了基礎,提供了思路,可進一步研制成實驗設備和工業(yè)生產(chǎn)過程中的控制儀表。最后感謝魏XX老師長時間以來悉心的教導和無微不至的關懷,在此向魏老師致以誠摯的謝意。還要特別感謝我的父母,感謝他們多年來對我的養(yǎng)育之恩,感謝他們始終如一地尊重并支持我的選擇。他們不畏艱難,無比堅強樂觀的精神一直是我前進的動力、向上的源泉。最后還要感謝在百忙之中抽出寶貴時間對本論文進行評審的各位專家們,衷心感謝您們對這篇論文提出的寶貴意見。謝謝!參考文獻
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