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正文內(nèi)容

基于plc的自整定pid溫度控制設(shè)計(jì)(論文-文庫(kù)吧資料

2024-11-20 15:06本頁(yè)面
  

【正文】 E PS PS PM PB PM ZE ZE PS PS PM PB PB PB ZE ZE PS PM PM PB PB 表 33 Td的模糊規(guī)則 Td ec e NB NM NS ZE PS PM PB NB PS NS NB NB NB NM PS NM PS NS NB NM NM NS ZE NS ZE NS NM NM NS NS ZE ZE ZE NS NS NS NS NS ZE PS ZE ZE ZE ZE ZE ZE ZE PM PB NB PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 由表 表 3表 3表 33 的模糊規(guī)則可寫(xiě)成條件語(yǔ)句 ,共有 4 9 條規(guī)則 , 全部系統(tǒng)模糊集為 :R=R11 ∨ R12 ∨ R13 ∨ R14 ∨ ??R449( ∨表示“并” ); 當(dāng) e、 ec 分別取模糊集 X、 Y 時(shí) ,輸出 (Kp、 Ti、 Td)的模糊子集為 : Zij=(X χ Y)*R根 ,據(jù)輸入 e、 ec 模糊量化后得到的 X、 Y 可計(jì)算出 Kp 對(duì)應(yīng)的 Zij,如表 6 所示。選取控制量變化的原則是 :當(dāng)誤差大或較大時(shí) , 選擇控制量以消除誤差為主。 [NB, NM,NS,ZE,PS,PM,PB]表示 [負(fù)大 ,負(fù)中 ,負(fù)小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 ] 。 e、 ec 論域等級(jí)為 e=ec=[3,2,1,0,1,2,3],模糊化子集為 E=Ec=[ NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理 ( 模糊決策和模糊控制規(guī)則 ) 和反模糊 3個(gè)部分。輸入量為溫度值給定值與測(cè)量值的偏差 e 以及偏差變化率 e c ,輸出量為比例系數(shù) Kp、積分時(shí)間 Ti、微分時(shí)間 Td。根據(jù)各模糊子集的隸屬函數(shù)和各參數(shù)模糊控制模型,應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì) PID 參數(shù)的模糊矩陣表,在線(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中,控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理,查表和運(yùn)算,完成對(duì) PID 參數(shù)的自整定。 由于在對(duì) PID 控制器參數(shù)的模糊自整定中,模糊推理系統(tǒng)己經(jīng)把偏差的微分作為它的一個(gè)輸人,如果對(duì)參數(shù) Kp進(jìn)行模糊整定,則系統(tǒng)對(duì)微分作用會(huì)太敏感,所以系統(tǒng)僅僅 12 對(duì) Kp, Ki 進(jìn)行了整定。 (2)當(dāng) e 和 ec 為中等大小時(shí),為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小,并保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度,Kp, KI、 KD 的值要大小適中。 PID 三個(gè)參數(shù)一般是獨(dú)立調(diào)整,所以有三個(gè)模糊控制表。根據(jù) (4)的模糊控制規(guī)則和 (2),(3)中確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出。確定模糊控制規(guī)則要遵守的原則是保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)性能達(dá)到最佳。 (4)確定模糊控制規(guī)則。 (3)在每個(gè)變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集。一般輸入變量取為系統(tǒng)的偏差和偏差變化率,輸出變量 為 PID 參數(shù) KP, KI, KD 或者 PID 參數(shù)的增量△ KP, △ KI, △ KD 。 模糊 PID 參數(shù)自整定設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)要說(shuō)明模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)步驟。說(shuō)白了,模糊自適應(yīng)參數(shù)整定就是尋求 PID 的三個(gè)模糊推理 PID 控制器 被控對(duì)象 de/dt ec r e kp ki kd y 11 參數(shù)與 e、 ec 之間的關(guān)系。 模糊 PID 自整定控制就是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法,把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示,并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中,然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況,運(yùn)用模糊推理,既可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì) PID 參數(shù)的最佳調(diào)整。模 糊控制器結(jié)構(gòu)如圖 32 所示: 模糊化 模糊推理 非模糊化 模糊決策 A/D 模糊控制器 D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 測(cè)量裝置 給定值 被控制量 10 圖 32 模糊控制器結(jié)構(gòu) 模糊控制器的算法設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容: ( 1) 選擇模糊輸入、輸出變量的論域范圍及模糊變量子集類(lèi)型; ( 2) 確定各模糊變量的隸屬度函數(shù)類(lèi)型; ( 3) 精確輸入、輸出的變量的模糊化; ( 4) 制定模糊控制規(guī)則; ( 5) 確定模糊推理算法; ( 6) 模糊輸出變量的去模糊化; ( 7) 生成查詢(xún)表。實(shí)際上,模糊邏輯控制是利用模糊邏 輯建立一種“自由模型”的非線(xiàn)性控制算法,特別是在那些采用傳統(tǒng)定量技術(shù)分析過(guò)于復(fù)雜的過(guò)程,或者提供的信息是非定性、非精確的、非確定的系統(tǒng)中,模糊控制的效果相當(dāng)明顯。模糊邏輯控制的基礎(chǔ)是模糊邏輯,模糊邏輯從含義上比其它傳統(tǒng)邏輯更接近人類(lèi)的思想和自然語(yǔ)言。 它的組成核心是具有智能性的模糊控制器。 1. 臨界比例度原則的方法 ; 2. 采用階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的模式識(shí)別方法 ; 3. 基于模糊控制原理的方法。主要有以下幾種方法: 1. 極點(diǎn)配置法 ; 2. 零極點(diǎn)相消原理 ; 3. 幅相裕度法 。 (1) 辨識(shí)法 此方法的本質(zhì)是自適應(yīng)控制理論與系統(tǒng)辨識(shí)的結(jié)合?;诒孀R(shí)法的 PID 參數(shù)自整定,被控對(duì)象的特性通過(guò)對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的分析來(lái)得到,在對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上用基于模型的一類(lèi)整定法計(jì)算 PID 參數(shù)。 PID 參數(shù)整定的方法 要實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的整定,首先要對(duì)被控制的對(duì)象有一個(gè)了解,然后選擇相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算方法完成控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)。所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié),否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。在微分作用合適的情況下,系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。因此,微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律,預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì),因此能產(chǎn)生超前的控制作用。實(shí)際中,積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成 PI 控制器或者 PD控制器。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常 數(shù) Ti 的大小, Ti 越小,積分作用越強(qiáng),反之則積分作用弱。 (2)積分作用對(duì)控制性能的影響 積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的無(wú)差度,以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)靜差跟蹤。 PID 控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 (1)比例作用對(duì)控制性能的影響 比例增益 的引入是為了及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)作用立 即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。一般而言,如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性是固定的,則可以選用固定參數(shù)的控制器,控制器參數(shù)的整定由自動(dòng)整定完成。自校正的基本觀點(diǎn)是力爭(zhēng)在系統(tǒng)全部運(yùn)行期間保持優(yōu)良的控制性能,使控制器 能夠根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的變化,適時(shí)地改變其自身的參數(shù)整定值,以求達(dá)到預(yù)期的正常閉環(huán)運(yùn)行,并有效地提高系統(tǒng)的魯棒性。運(yùn)用自動(dòng)整定的方法與人工整定法相比,無(wú)論是在時(shí)間節(jié)省方面還是在整定精度上都得以大幅度提高,這同時(shí)也就增進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益。 PID 參數(shù)整定的概念 PID 參數(shù)整 定概念中包括參數(shù)自動(dòng)整定 (autotuning)和參數(shù)在線(xiàn)自校正 (self tuning online)兩個(gè)概念。此外,現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性,這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結(jié)構(gòu)突變,使得原整定參數(shù)無(wú)法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作,這時(shí)就要求 PID 控制器具有在線(xiàn)修正參數(shù)的功能,這是自從使用 PID 控制以來(lái)人們始終關(guān)注的重要問(wèn)題之一。 6 PID 參數(shù)整定算法的溫度控制系統(tǒng)研究 PID 控制中一個(gè) 至關(guān)重要的問(wèn)題,就是控制器三參數(shù)(比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間)的整定。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí),微分作用輸出為零。在微分時(shí)間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率,具有預(yù)見(jiàn)性,能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì),因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒(méi)有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。它使調(diào)節(jié)過(guò)程偏差減小,時(shí)間縮短,余差也減小 (但不能消除 )。 微分( D)調(diào)節(jié)作用:微分調(diào)節(jié)依據(jù)“偏差變化的速度”來(lái)動(dòng)作。反之 Ti 大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無(wú)差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。它用積分時(shí)間 T 來(lái)表示其作用的強(qiáng)弱, T 越小,積分作用越強(qiáng),但積分作用太強(qiáng)時(shí),也會(huì)引起震蕩。積分作用才會(huì)停止,其作用是消除余差。比例作用 大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過(guò)大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。相反,比例度越大,調(diào)節(jié)作用就越弱;比例作用太強(qiáng)時(shí),會(huì)引起震蕩。比例調(diào)節(jié)及時(shí),有力,但有余差。它由比例單元( P)、積分單元( I)和微分單元( D)組成。 圖 21 PID控制器系統(tǒng)原理圖 PID 控制器作為一種線(xiàn)性控制器,它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差,將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量,從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,故稱(chēng)為 PID控制器 。針對(duì)上述問(wèn)題,長(zhǎng)期以來(lái),人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自整定技術(shù),以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。 PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一,由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制,至今大概有 90%左右的控制回路具有PID 結(jié)構(gòu)。 PID 是“比例一積分一微分”的縮寫(xiě),它從比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 第 六 章,總結(jié)與展望 ,總結(jié)本文所做,并說(shuō)明本課題仍需解決的問(wèn)題。 詳解模糊 PID自整定控制在 PLC的實(shí)現(xiàn)。 分析 模糊控制的基本原理 、 模糊控制系統(tǒng)的組成 、 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法 、 模糊 PID參數(shù)自整定原理 以及 模糊 PID參數(shù)自整定設(shè)計(jì) 。 第二章,本章主要介紹 PID的控制理論,包括 : PID的控制原理、 PID三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)作用 ,以及 介紹 PID參數(shù)整定算法的概念和方法,分析 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響 。因此, PLC 也越來(lái)越多的被用到溫度控制系統(tǒng)中。 隨著 PLC 技術(shù)的不 斷發(fā)展,將模糊控制與 PLC 控制技術(shù)相結(jié)合,利用 PLC 實(shí)現(xiàn)模糊 3 控制,將會(huì)有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制,所采用的加熱方式,選用的燃料,控制方案也有所不同。 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來(lái),在我國(guó)以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展,溫度已成為工業(yè)對(duì)象控制中一種重要的參數(shù),特別是在冶金、化工、機(jī)械等各類(lèi)工業(yè)中,廣泛使用各種 加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。 進(jìn)入 21 世紀(jì),對(duì)于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善,模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專(zhuān)家模糊控制與多變量模糊控制的研究,特別是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù) (或規(guī)則 )自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究,尤其受到學(xué)者 們的重視。在國(guó)際大趨勢(shì)的推動(dòng)下,模糊控制已 開(kāi) 始向多元化發(fā)展。 進(jìn)入 90 年代,由于國(guó)際上許多著名學(xué)者的參與以及工程應(yīng)用中取得了大量的成功,尤其對(duì)那些大量的無(wú)法用經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng),模糊控制特別顯得成績(jī)非凡,因而導(dǎo)致了更多人的參與研究。 模糊控制發(fā)展現(xiàn)狀 模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段,它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般來(lái)說(shuō), PID 參數(shù)整定方法可以分為這樣幾類(lèi):基于模型的自整定方法、基于規(guī)則的自整定方法、智能 PID 參數(shù)整定方法、多變量 P1D 參數(shù)整定方法。 本課題對(duì) PID 參數(shù)整定的方法具有一定的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值 , 并把 PID 控制理論應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)當(dāng)中,為從事過(guò)程控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)很好的應(yīng)用實(shí)例 。在溫度控制軟件上如果采用 PID 控制算法,便能使得溫度調(diào)節(jié)具有速度快、精度高的特點(diǎn)。 PID 以其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。將模糊控制與 PLC 控制技術(shù)相結(jié)合,利用 PLC 實(shí)現(xiàn)模糊控制實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)自整定,將會(huì)有越來(lái)越
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