【正文】 ，由最優(yōu)控制器對數(shù)據(jù)進行處理、決策，選定最優(yōu)的控制量，達到溫度最佳控制的目的。具體實現(xiàn)：將3個 PID 參數(shù)串接在一起構成一個完整的染色體，從而構成遺傳空間中的個體，通過繁殖交叉和變異遺傳操作生成新一代群體，經(jīng)過多次搜索獲得最大適應度值的個體即所求。引入了如繁殖交叉和變異等方法在所求解的問題空間上進行全局的并行的隨機的搜索優(yōu)化，朝全局最優(yōu)方向收斂。5．遺傳算法遺傳算法(Genetic Algorithms簡稱 GA )是模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的全局優(yōu)化搜索算法。自適應模糊控制提供了一種新的有效途徑，利用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力來修正偏差和偏差變化的比例系數(shù)，達到優(yōu)化模糊控制器作用，從而進一步改進實時控制效果，以便應用于溫度過程控制中，其優(yōu)點動態(tài)響應快，能達到高精度的快速控制，具有極強的魯棒性和適應能力。4．模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡結合溫控系統(tǒng)由于被控過程常常具有嚴重的非線性時變性以及種類繁多的干擾，使得基于精確數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制方案很難獲得滿意的動靜態(tài)控制效果。因此 Fuzzy PID 復合控制，比單一的模糊控制或 PID 調(diào)節(jié)器有更好的控制性能。主要的問題是合理地獲得 PID 參數(shù)的模糊校正規(guī)則，其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié) PID 參數(shù)的自適應控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。但 PID 本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領域，因此，將模糊控制與 PID 結合將具備兩者的優(yōu)點。然而，模糊控制的局限性在于模糊規(guī)則庫的建立缺乏完整性，沒有明確的控制結構，存在較大穩(wěn)態(tài)誤差等。3．模糊控制與 PID 結合(Fuzzy PID)模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標。(3) 對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學處理輸入計算機中，計算機根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成精確量去驅(qū)動執(zhí)行機構，達到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的。模糊控制對溫度控制的實現(xiàn)一般分如下幾步：(1) 將溫控對象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，例如，IF溫度太高 OR 溫度正在上升， THEN 減少控制量．將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。 PID 控制雖然簡單、方便，但難以解決非線性和參數(shù)變化等問題。它適用于控制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象。 MNN (Memory neuron network)在每個網(wǎng)絡節(jié)點增加了記憶神經(jīng)元，在學習動態(tài)非線性系統(tǒng)時，不需知道實際系統(tǒng)太多的結構知識，當系統(tǒng)滯后比較大時也不會造成網(wǎng)絡龐大難以訓練。訓練方法實際是網(wǎng)絡的自學習過程，即根據(jù)事先定義好的學習規(guī)則，按照提供的學習實例，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡系統(tǒng)各節(jié)點之間相互連接的權值大小，從而達到記憶、聯(lián)想、歸納等目的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡以其高度的非線性映射、自組織、自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模。它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各種復雜網(wǎng)絡，拓撲結構算法各異，其中誤差反向傳播算法(即 BP 算法)應用最為廣泛。 當代溫控系統(tǒng)及智能算法智能控制算法廣泛應用于各種溫度控制器的設計之中，這里就最近幾年快速發(fā)展的幾種智能控制算法做一個綜述[[] 丁輝, 張莉莉編譯. 國外模糊控制理論和技術的發(fā)展概況[R], 國外情況報道, 34]。由于大量的控制系統(tǒng)的任務較專業(yè)化，并且執(zhí)行的是直接數(shù)字控制任務，故基本采用單片機。也有部分計算機控制系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，如線切割機等。計算機控制系統(tǒng)的應用使得科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實踐的效率大大提高，同時也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。另一方面也是基于控制實驗室建設的需求，將其用于對實驗電烤箱溫度進行控制，達到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差較小的技術要求?？墒怯捎跍囟茸陨淼囊恍┨攸c,如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重、難以建立精確的數(shù)學模型等,使控制系統(tǒng)性能不佳。另外在各高等院校的實驗室中，無不將溫度作為被控參數(shù)，構成微機測控系統(tǒng)，供學生作綜合實驗或課程設計。準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。PID溫控系統(tǒng)的設計及仿真畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒論 1 課題的提出及意義 1 控制系統(tǒng)背景介紹 1 當代溫控系統(tǒng)及智能算法 2第二章 溫控系統(tǒng)的設計 5 溫控系統(tǒng)的總體設計 5 溫控系統(tǒng)設計的基本原則 5 溫控系統(tǒng)的結構及設計 6 溫控系統(tǒng)的硬件設計 7 前向通道設計 7 后向通道設計 10 人機通道設計 11小 結 15第三章 系統(tǒng)控制方案 16 PID 控制 16 PID的概述 16 PID 控制的基本理論及特點 16 模糊控制 18 模糊控制的概述 18 模糊控制的基本原理及特點 18 模糊 PID 控制 19小 結 21第四章 仿真研究 22 MATLAB及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境 simulink 22 仿真和優(yōu)選 23 控制對象模型 23 仿真和方案選擇 25小 結 32第五章 總結與展望 33 主要工作內(nèi)容 33 工作小結 33 存在的問題及未來的方向 34結束語 35參考文獻 36IPID溫控系統(tǒng)的設計和仿真 第一章 緒論第一章 緒論 課題的提出及意義溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關。可見溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域，所以對溫度進行控制是非常有必要和有意義的。在關于溫度控制的絕大部分文獻資料中，控制結果都是有超調(diào)的，而且很多時候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點，研究一種控制方案，將其用于大部分溫控場合，都能達到零超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。 控制系統(tǒng)背景介紹隨著計算機科學和自動化水平的不斷提高，在各種應用領域都大量采用計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)從結構上講都是類同的，它包括計算機組成的控制器和被控對象，并且對象的輸出通過反饋回路反饋給控制器，形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。從采用的部件角度講，計算機控制系統(tǒng)所用的計算機往往有較大區(qū)別：在大型管理控制系統(tǒng)中，采用大中型機；在一般控制系統(tǒng)中，采用微型機；而功能較專的控制系統(tǒng)采用單片機。單片機是目前控制系統(tǒng)采用最多的器件和芯片，它在軍事、航空、航天、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域都有大量的應用[[] 余永權, 旺明慧, 黃英. 單片機在控制系統(tǒng)中的應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003. 10. 117]。1．神經(jīng)網(wǎng)絡控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡是當前主要的、也是重要的一種人工智能技術，它采用數(shù)學模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結構及對信息的記憶和處理而構成的信息處理方法。溫度控制系統(tǒng)由于負載的變化以及外界干擾因素復雜，而傳統(tǒng)的 PID 控制對于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，因此系統(tǒng)控制精度不高。該方法抗干擾能力強，且易于用軟件實現(xiàn)。在溫控系統(tǒng)中，將對溫度影響的因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機上反復迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡權值，達到自整定 PID 控制器參數(shù)的目的。2．模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個過程控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。溫度控制系統(tǒng)的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在參數(shù)變化的問題。模糊控制不需要對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗和直觀判斷，非常容易應用。(2) 根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法。同傳統(tǒng)的 PID 控制比較，模糊控制響應快、超調(diào)量小、對參數(shù)變化不敏感。其特點是不需知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強魯棒性，對控制系統(tǒng)干擾有較強抑制能力。 PID 控制器結構簡單、明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求。即用過程的運行狀態(tài)(溫度偏差及溫度變化率)確定 PID 控制器參數(shù)，用PID控制算法確定控制作用。文獻[[] 梁學敏. ABB變頻器的傳動控制及與S7400的通訊微計算機信息. 2004, 20(3)P6870 ]給出了不同實時狀態(tài)下對 PID 參數(shù)的推理結果，當溫差較大時采用 Fuzzy 控制，響應速度快，動態(tài)性能好：當溫差較小時采用 PID 控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。文獻[[]胡社教, 徐曉冰, 楊柳. 溫度控制儀表的模糊PID控制[J]. 合肥工業(yè)大學報, 1998, (10)]采用模糊自適應 PID 設計方法，根據(jù)人們要求的溫度曲線，由計算機系統(tǒng)進行監(jiān)控，根據(jù)模糊推理判斷，實現(xiàn)對任何一種模型參數(shù)的系統(tǒng)都能自動調(diào)節(jié)其 PID 參數(shù)，使系統(tǒng)的實際溫度與要求的溫度曲線趨于一致，實現(xiàn)快速響應特性與超調(diào)量小的統(tǒng)一。近些年來模糊邏輯控制取得了巨大成功，但是，模糊控制所基于的專家經(jīng)驗不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應被控制系統(tǒng)的非線性、時變性等問題，嚴重影響控制效果，因此應使模糊控制向著自適應方向發(fā)展，使模糊控制規(guī)則隸屬函數(shù)模糊量化在控制過程自動地調(diào)整和完善。文獻[[] 向文圓, 蔡寧生. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的蒸汽溫度控制[J]. 自動化儀表, 2000, (12)：4]提出三層前向模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡，選擇溫度采樣誤差值、誤差積分和變化值作為網(wǎng)絡輸入，用模糊控制理論賦予隱層含義，確定神經(jīng)元個數(shù)，用高斯核函數(shù)作為節(jié)點激勵函數(shù)，忽略遠離中心的神經(jīng)元輸出，計算隱層輸出，通過在線學習，以調(diào)整網(wǎng)絡權值，使目標函數(shù)最小。它將生物進化過程中適者生存規(guī)則與群體內(nèi)部染色體的隨機信息交換機制相結合，通過正確的編碼機制和適應度函數(shù)的選擇來操作稱為染色體的二進制串l或0?；谶z傳算法溫控系統(tǒng)的設計就是將傳感器得到的溫度信號放大，數(shù)字化后送入計算機，計算機將其與給定溫度進行比較，用遺傳算法來優(yōu)化3個 PID 參數(shù)，然后將控制量輸出。在硬件上可采用單片機控制，具有調(diào)試方便，溫控精度高，抗干擾性強等優(yōu)點；在軟件上可采用遺傳算法對 PID 參數(shù)進行優(yōu)化控制，具有很高的穩(wěn)定度，溫控精度高。神經(jīng)網(wǎng)絡應用廣泛的BP網(wǎng)絡，由于其收斂慢和存在局部最小點，因此將遺傳算法和BP算法結合得到的遺傳 BP (GA BP)算法作為網(wǎng)絡預估器的學習算法。近些年來，硬件電路設計的軟件化也應用于溫控系統(tǒng)中，文獻[[] 黃耀軍, 周云, 嚴國平. VHDL及其在溫度系統(tǒng)中的應用[J]. 電子與自動化, 1999．(3)：6]引入 YHDL 語言采用自頂向下的設計方法對系統(tǒng)逐步細化，優(yōu)點是可提高系統(tǒng)的效率，達到資源共享。綜上所述，無論是神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制還是遺傳算法，都屬于人工智能領域同 PID 結合以調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，適應溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大時延、時變和熱分布不均勻的特點。模糊控制適應大慣性和純延滯后系統(tǒng)，不需要知道系統(tǒng)的精確信息，神經(jīng)網(wǎng)絡結合，能向自適應的方向發(fā)展。在實際應用中，應該根據(jù)具體的應用場合、不同的加熱對象和所要求的控制曲線和控制精度，選擇不同的系統(tǒng)方法。尤其是美國 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS51 系列單片機，由于其具有集成度高、處理功能強、可靠性高、系統(tǒng)結構簡單、價格低廉、易于使用等特點，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、辦