【正文】 學?？梢怨颊撐模ㄔO(shè)計）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）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。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，本人能夠完成學業(yè)離不開他們多年來的支持和幫助。 28 致謝 本課題是在導師馬銘的悉心指導下完成的，在課題的研究過程中，馬老師傾注了大量的心血，他兢兢業(yè)業(yè)的工作作風、科學嚴謹?shù)闹螌W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。當電鍋爐溫度控制系統(tǒng)采用人工整定進行控制時，超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間的矛盾可以得到基本的解決。 PID控制作為一種基本的控制方案，至今在工業(yè)生產(chǎn)過程仍保持著主導位置，本論文采用經(jīng)典的 PID控制理論，設(shè)計一種 PID控制器 ，對電鍋爐溫度控制系統(tǒng)進行控制。 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)計在 MATLAB中的實現(xiàn)方法，并利用 Matlab的 Simulink開發(fā) 環(huán)境對 PID控制三種參數(shù)整定方案進行研究和仿真分析，經(jīng)過多次試驗與篩選，得到的最佳控制方案為參數(shù)人工整定 PID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(齊格勒一尼柯爾斯 )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)時間較長，產(chǎn)生的超調(diào)量比較大，并且其產(chǎn)生較長時間的振蕩，這樣不利于工業(yè)生產(chǎn)，其經(jīng)濟效益較差，且會對電鍋爐產(chǎn)生一定的沖擊，會有電鍋爐有損壞，這種參數(shù)調(diào)節(jié)方法不適用于這個電鍋爐系統(tǒng)，可以舍棄。 仿真結(jié)果分析可見，用經(jīng)典的方法算出的 PID參數(shù)不一定能滿足控制要求。 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 ，在齊格勒一尼柯爾斯參數(shù)整定下純 PID控制系統(tǒng)性能指標為調(diào)節(jié)時間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)時間較長，超調(diào)量較大，并且其產(chǎn)生 了較大的振蕩，產(chǎn)生這個誤差的主要原因是其比例其比例環(huán)節(jié)比較大，導致 動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調(diào)量增大，并且其積分環(huán)節(jié)也是較大，導致靜差較大，與穩(wěn)定時候的溫度之間有較大的余查。 第四章控制系統(tǒng)仿真研究 PID 控制器設(shè)計 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)圖與仿真步驟簡介 圖 PID子模塊 21 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖中的一個子模塊，這個子模塊的功能就是實現(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實現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)功能。 （ 2） 建立空白模型窗口。 單擊 Simunlink庫瀏覽器左側(cè)的子模塊庫標題，在庫瀏覽器右側(cè)顯示該庫的所有模塊。 （ 3）單擊 MATLAB主窗口工具欄中的 “ Simunlink”工具。本文的所有仿真都是在Simulink 中完成的。Simulink 具有適用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理等復雜系統(tǒng)的仿真和設(shè)計。 MATLAB4x版在繼承和發(fā)展其原有數(shù)值計算和圖形處理能力的同時，還推出了符號計算工具包、 Notebook和一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境 Simulink。它是集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。一般作法是給調(diào)節(jié)對象輸入到使被控對象開環(huán)穩(wěn)定運行于實際工況附近，并以此輸出值作為縱坐標的原點 (0值 )，然后在加一階躍輸入信號，使被控對象輸出隨之發(fā)生變化，最后穩(wěn)定在一個值。 水溫的檢測元件采用數(shù)字式傳感器。 2. 溫度控制通過單片機實現(xiàn)，由控制算法計算出輸出量，根據(jù)輸出量判斷繼電器的通斷。 第 3 章控制系統(tǒng)特性及仿真工具的研究 仿真是對實際過程的模擬，系統(tǒng)仿真就是在數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，以計算機為工具對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定的處于自動運行狀態(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。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。 過限消弱積分法就是在控制變量進入飽和區(qū)后，程序只執(zhí)行削弱積分項的運算，而停止增大積分項的運算。對于有經(jīng)驗的儀表工大多是按照自己的實踐經(jīng)驗來確定控制器的選擇。ZieglerNichols法是根據(jù)給定對象的瞬態(tài)響應(yīng)特點來確定 PID控制器的參數(shù)?；陬l域的參數(shù)整定是需要參考模型的，首先需要辨識出一個能較好反應(yīng)被控對象頻域特性的二階模型。 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。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。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。 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。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。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)。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。 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。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài) 誤差（ Steadystate error）。 )(tedtdTd —— 微分控制項， dT 為微分時間常數(shù) 。 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。 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。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。 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。 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。 K值越大，表示被控對象的自平衡力小 。 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)學模型。 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。可 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。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℃?！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。 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。 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。 對復雜的任務(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。 智能控制方法的特點 智能控制是一類無需人的干預(yù)就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標的控制策略。充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些能力來解決眾多非線性、強耦合和不確定性系統(tǒng)的建模、辨識和控制問題是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的主要課題。 4. 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的 PID控制，并對過程參數(shù)的變化具有很強的適應(yīng)性。 模糊控制在實踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法比擬的優(yōu)點 : ，不需要掌握過程的精確數(shù)學模型。 90年代后，智能控制的集成技術(shù)研究取得很大重大進展，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。它不需要精確的模型，但需要具備學習功能，并能接受上一級的模糊指令和符號語言。 專家控制是基于知識的智能控制，由關(guān)于控制領(lǐng)域的知識庫和體現(xiàn)該知識決策的推理機構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對控制領(lǐng)域知識 (先驗經(jīng)驗、動態(tài)信息、目標等 )的獲取與組織 ，按照某種策略及時地選用恰當?shù)囊?guī)則進行推理輸出，進而對控制隊象實施控制，或修改補充知識條目。 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)過程復雜、數(shù)學模型難以確定的系統(tǒng)，智能控理論的產(chǎn)生正是 針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務(wù)的復雜性提出的。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 。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態(tài)規(guī)劃。其中 能控性 和 能觀測性 尤為重要，成為控制理論兩個最基本的概念。他們的研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復雜控制問題，并開拓了控制理論中 最優(yōu)控制理論 這一新的領(lǐng)域?？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間準確地發(fā) 射到預(yù)定軌道一類的控制問題?，F(xiàn)代控制理論比 經(jīng)典控制理論 所能處理的控制問題要 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 時變系統(tǒng) ，單變量系統(tǒng)和 多變量系統(tǒng) 。而現(xiàn)代控制理論主要用來解決多輸入多輸出和時變系統(tǒng)的問題，它的數(shù)學模型是用一個一階微分方程組 (即狀態(tài)方程 )或差分方程組來描述，是一種時域表示方法。專家系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程、故障診斷和監(jiān)督控制以及檢測儀表有效性檢測等方面獲得成功應(yīng)用 。 第三階段 :高級階段。 第二階段 :發(fā)展階段。 第一階段 :初級階段。因此，研究一種最佳的電鍋爐控制方法，對提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，穩(wěn)定性具有重要的意義。 鍋爐控制作為過程控制的一個典型，動態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點，而且伴有非線性。本文主要研究電鍋爐溫度控制的方法。溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)己經(jīng)比較成熟。 parameters tuning。 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。 PID 控制的重點是參數(shù)的調(diào)節(jié)，本文利用人工整定方法對參數(shù)進行整定。溫度系統(tǒng)的慣性大，滯后現(xiàn)象嚴重，難以建立精確的數(shù)學模型，給控制過程帶來很大的難題。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不 包含我為獲得 安陽工學院 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。本文以電鍋爐為研究對象，研究一種最佳的控制方案，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào) 節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標。 借助 matlab中的 Simulink工具箱對電鍋爐 PID控制系統(tǒng)進行仿真分析。 technology requirement are:regulating time must be short,overshoot must be small and the control system must be stable.