【正文】 erNichols是最常用的整定 PID參數(shù)的方法。根據(jù)這個(gè)模型，結(jié)合給定的性能指標(biāo)可推出公式，而后用于 PID參數(shù)的整定。 ZieglerNichols 整定方法 ZieglerNichols法是一種基于頻域設(shè)計(jì) PID控制器的方法。 I是解決動(dòng)作響應(yīng)的速度快慢的， I大了，響應(yīng)速度慢，反之則快 。 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(yàn)?，F(xiàn)在一般采用臨界比例法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同特點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。二是工程整定法，它主要是依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。她主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。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(shí)間和微分時(shí)間的大小。 通過改變 控制單元 參數(shù) ，如 比例度 δ、積分時(shí)間 Ti、微分時(shí)間 Td等，改善 系統(tǒng) 的 動(dòng)態(tài) 、 靜態(tài) 特性，以求取較佳的 控制 效果的過程。 在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID控制器是通過計(jì)算機(jī) PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，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(fù)值，從而避免了被控量 的嚴(yán)重超調(diào)。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。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變 化率）成正比關(guān)系。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)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）。隨著積分時(shí)間常數(shù)不的減小，靜差在減小 :但過小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 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(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則此控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。 比例控制是一種最簡單的控制方式。 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(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) 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。 1 ()et dtTi? —— 積分控制項(xiàng)， 1T 為積分時(shí)間常數(shù) 。 ? ? ? ? ? ? ? ?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 。 12 常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化， PID參數(shù)就可以重新整定。 其次， PID參數(shù)較易整定。 首先， PID應(yīng)用范圍廣。 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(gè)參數(shù)（ Kp， Ti和 Td）即可。 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(qiáng)，容易實(shí)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。 人工控制方法是通過工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，簡單的對鍋爐進(jìn)行操作 .因此，很 難提高系統(tǒng)的控制精度和實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行。當(dāng)溫度不在此范圍內(nèi)時(shí)，電熱鍋加熱，否則停止加熱。 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。K值小，對象自平衡能力大。 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。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(shí)間常數(shù) 。因此，參數(shù)辨識(shí)問題是一個(gè)逆問題，參數(shù)估計(jì)的好壞決定了用模型來解釋實(shí)際問題的可信度。參數(shù)辨識(shí)就是 根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jìn)行預(yù)測，提供一定的理論指導(dǎo)。因此本文的研究目的是結(jié)合電鍋爐水溫上升的特點(diǎn)，對它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術(shù)要求。通過調(diào)節(jié)閥的開度，保證供熱區(qū)的等溫特性 。 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。 當(dāng)電鍋爐工作在 ，水的飽和溫度為 144℃ ，最高水溫 95℃使鍋爐遠(yuǎn)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(shí)， 95℃ 的水溫基本上不產(chǎn)生蒸汽。從供熱方式上有直熱式和蓄熱式等。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(jī)載 體鍋爐 。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。 爐供暖系統(tǒng)對控制器的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)智能溫度控制器，包括 :總體方案設(shè)計(jì)、部分軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真等。并對控制算法的實(shí)現(xiàn)、控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整進(jìn)行深入研究。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(biāo)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(jì)將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。 智能控制具有在線特征辨識(shí)、特征記憶和擬人等特點(diǎn)，故在整個(gè)控制過程中，計(jì)算機(jī)能夠在線獲得信息、實(shí)時(shí)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。 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(shí)系統(tǒng)從未有過的例子，系統(tǒng)通過插補(bǔ)、歸類等方法，也能給出適當(dāng)?shù)妮敵觥? 一般來講 ，智能控制具有以下一些特點(diǎn) : 8 智能控制可以對一個(gè)過程或其環(huán)境的未知特性所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步估計(jì)、分類、決策或控制，這有利于對未知對象進(jìn)行認(rèn)知和辨識(shí)并進(jìn)一步改善控制系統(tǒng)的控制性能。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能控制器主要采用直接自校正控制、間接自校正控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制等幾種方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模以其獨(dú)特的非傳統(tǒng)表達(dá)方式和固定 的學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出的映射，并在短時(shí)間內(nèi)得到迅速發(fā)展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是具有學(xué)習(xí)能力、并行計(jì)算能力和非線性映射能力。 神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型是由 McClulcoh和 Piet 兩位科學(xué)家在 1934 年首先提出來的。 ， 這些模糊條件語言很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)。因?yàn)閷τ趶?fù)雜的生產(chǎn)過程很難得到過程的精確數(shù)學(xué)模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。模糊控制是模糊數(shù)學(xué)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它采用了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，通過使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理等工具，得到的控制表格進(jìn)行控制。這些都為智能控制技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的前景。 智能控制的發(fā)展主要得益于模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論的不斷成熟。其特點(diǎn)是自下而上智能遞增而精度遞減，即執(zhí)行級(jí)用于高精度局部控制，協(xié)調(diào)級(jí)用于知識(shí)和實(shí)際輸出調(diào)整執(zhí)行級(jí)中的控制參數(shù)，而組織級(jí)進(jìn)行推理決策和自主學(xué)習(xí)。 分層遞階智能控制模擬人腦的分層結(jié)構(gòu)，由執(zhí)行級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和組織級(jí)構(gòu)成。其主要優(yōu)點(diǎn)是層次結(jié)構(gòu)、控制方法和知識(shí)表達(dá)上的靈活性較強(qiáng)，既可以符號(hào)推理，又允許模糊描述演繹。 目前， 根據(jù)智能控制發(fā)展的不同歷史階段和不同的理論基礎(chǔ)可以將它為四大類 :基于專家系統(tǒng)的智能控制、分層遞階智能控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 1987年智能控制正式成為一門獨(dú)立的學(xué)科，它是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和自動(dòng)控制理論等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。 傳統(tǒng)控制方法絕大多數(shù)是基于 被控對象的數(shù)學(xué)模型，即按照建?？刂苹M(jìn)行，建模 6 的精確程度決定著控制質(zhì)量的高低，盡管目前的建模理論和方法已有長足的長進(jìn)，但仍有許多過程和對象的機(jī)理不清楚，動(dòng)態(tài)特性難以掌握，使我們不得不對被控對象進(jìn)行簡化或近似，將一理論上極為先進(jìn)的控制策略應(yīng)用在這樣的模型上，控制效果自然會(huì)大打折扣，因用傳統(tǒng)的控制手段進(jìn)一步提高控制對象的質(zhì)量遇到了極大的困難，傳統(tǒng)控制方法面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。非線性既有非本質(zhì)的非線性，又有本質(zhì)非線性。但在實(shí)際系統(tǒng)中被控對象一般都具有大慣性、大滯后、時(shí)變性、關(guān)聯(lián)性、不確定性和非線性的特點(diǎn)，這里的關(guān)聯(lián)性不僅包含過程對象中各物理參數(shù)之間的禍合交錯(cuò)，而且包含被控量、操作量和干擾量之間的聯(lián)系 。最優(yōu)控制理論的研究范圍正在不斷擴(kuò)大，諸如大系統(tǒng)的最優(yōu)控制、 分布參數(shù)系統(tǒng) 的最優(yōu)控制等。 最優(yōu)控制理論 最優(yōu)控制理論是設(shè)計(jì) 最優(yōu)控制系統(tǒng) 的理論基礎(chǔ)，主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時(shí)的控制規(guī)律及其綜合方法。到 60 年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼 布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn) 代控制理論的形成。狀態(tài) 空間法對揭示和認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的許多重要特性具有關(guān)鍵的作用。 1960～ 1961 年，美國學(xué)者 曼和 卡爾曼 布什濾波 理論，因而有可能有效地考慮控制問題中所存在的隨機(jī)噪聲的影響，把控制理論的研究范圍擴(kuò)大，包括了更為復(fù)雜的控制問題。在這之前， 美國 學(xué)者 1954 年創(chuàng)立了 動(dòng)態(tài)規(guī)劃 ，并在 1956 年應(yīng)用于控制過程。這類控制問題十分復(fù)雜，采用經(jīng)典控制理論 難以解決。 現(xiàn)代控制理論是在 20世紀(jì) 50年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)展起來的。它所采用的方法和算法也更適合于在 數(shù)字計(jì)算機(jī) 上進(jìn)行。在現(xiàn)代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進(jìn)行的，基本的方法是時(shí)間域方法。這兩種方法在精確數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。 應(yīng)用經(jīng)典控制理論的前提是 :必須有一個(gè)高階微分方程式來描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，是建立在頻率法的基礎(chǔ)上的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可為復(fù)雜非線性過程的建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過程 軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上 。智能控制理論中，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制系統(tǒng)是最有潛力的三種方法。不論從歷史和現(xiàn)狀，還是從發(fā)展的必要性和可能性來看，控制方法主要朝著綜合化、智能化方向發(fā)展。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，以滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，以微型計(jì)算機(jī)和高檔儀器為工具，對復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行控制。這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)定值控制。它以經(jīng)典控制理論為主要控制方 案，采用常規(guī)氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制。90年代至今為第 4 三階段，即智能控制理論階段。 工業(yè)控制的發(fā)展概況 工業(yè)控制的形成和發(fā)展在理論上經(jīng)歷了三個(gè)階段 :50年代末起到 70年為第一階段，即經(jīng)典控制理論階段，這期間既是經(jīng)典控制理論應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時(shí)期，又是現(xiàn)代控制理論應(yīng)用和發(fā)展時(shí)期 。另外，頻繁的開關(guān)切換對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少了鍋爐的使用年限。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。近年來，電鍋爐已成為供熱采暖的主要設(shè)備。 電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié) ，使其達(dá)到工藝過程的要求。由于控制對象越來越復(fù)雜，在溫度控制方面，還存在著許多問題。溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例，其關(guān)鍵在于測溫和控溫兩方面。 simulation 3 第 1 章引言 課題的提出與意義 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣，溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍而且重要的物理參數(shù)之一。 technology requirement are:regulating time must be short,overshoot must be small and the control system must be stable. In this tesis,basing on the request of the