【正文】 前工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中有著重要的作用，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的溫度控制系統(tǒng)有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多控制的仿真，而且仿真的效果好，可以直觀的反應(yīng)控制的效果，因此用 Matlab 對(duì)恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真可以檢測(cè)算法的正確性以及實(shí)用性。 經(jīng)典控制 所謂經(jīng)典控制方法是指針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)控制問題提出并應(yīng)用得最早的控制策略，主要包括 PID 控制、 Smith 預(yù)估控制、大林算法這幾種方法。 PID控制的難點(diǎn)在于如何對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定， 以求得到最佳控制效果 [3]。當(dāng)一個(gè)調(diào)好參數(shù) PID控制器被應(yīng)用到模型參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)時(shí) ,系統(tǒng)的性能會(huì)變差 ,甚至不穩(wěn)定 [4]。但是 ,可以將它與其他的方法結(jié)合起來(lái)改善時(shí)滯過程的控制效果 ,從而可以繼續(xù)發(fā)揮PID控制的優(yōu)點(diǎn)。 PID控制可以和模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái) ,即基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊自適應(yīng) PID控制方法。它通過估計(jì)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 ,用一個(gè)預(yù)估模型進(jìn)行補(bǔ)償 ,從而得到一個(gè)沒有時(shí)滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器 ,使得整個(gè)系統(tǒng)的控制就如沒有時(shí)滯環(huán)節(jié) ,減小超調(diào)量 ,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且加速調(diào)節(jié)過程 ,提高系統(tǒng)的快 6 速性 [5]。于是在 Smith預(yù)估器的基礎(chǔ)上 ,許多學(xué)者提出了擴(kuò)展型的或者改進(jìn)型的方案 ,這些方案包括 :多變量 Smith預(yù)估控制 ,非線性系統(tǒng)的 Smith預(yù)估器 ,改進(jìn)的 Smith預(yù)估器 ,自適應(yīng)的 Smith預(yù)估控制器。該算法的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器 D(z)，使整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間等于被控對(duì)象的純滯后時(shí)間 [3]。但它的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)中存在振鈴現(xiàn)象，且與 Smith 算法一樣，需要一個(gè)準(zhǔn)確的過程數(shù)字模型，當(dāng)模型誤差較大時(shí)，控制質(zhì)量將大大惡化，甚至系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。 模糊控制是智能控制較早的形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，從廣義上講，模糊邏輯控制指的是應(yīng)用模糊集合理論，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的一種控制方式，模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，是解決不確定性系統(tǒng)控制 7 的一種有效途徑。在時(shí)滯過程中 ,模糊控制一般是針對(duì)誤差和誤差變化率而進(jìn)行的 ,將輸入量的精確值模糊化 ,根據(jù)輸入變量和模糊規(guī)則 ,按照模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量 ,再將它清晰化 ,得到精確輸出控制過 程，其中模糊規(guī)則是最重要的。因此如果能結(jié)合其它的算法來(lái)提高它的控制精度 ,那將是非常有效的，例如模糊 Smith控制器、模糊自適應(yīng)控制器、模糊 PID控制算法等。人們普遍認(rèn)為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的智能性、魯棒性均較好，能處理高維、非線性、強(qiáng)耦合和不確定性的復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)工程的控制問題，其顯著特點(diǎn)是具有學(xué)習(xí)能力。一般來(lái)說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制有兩種方法，一種是用來(lái)實(shí)現(xiàn)建模，一種是直接作為控制器使用。 結(jié)論 經(jīng)典控制方法由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。而智能控制是非參數(shù)模型的控制方法，因而在魯棒性、抗干擾能力方面有很大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)這 8 兩類控制方法的特點(diǎn)，將它們結(jié)合起來(lái)進(jìn)行復(fù)合控制是一種有效的時(shí)滯系統(tǒng)控制策略，成功的應(yīng)用有模糊 PID 控制、模糊 Smith 控制、神經(jīng)元 Smith 預(yù)估控制、 SmithNN 預(yù)估控制等。 主要解決的問題 在本次設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的控制 算法進(jìn)行研究。 對(duì)于 PID控制算法，主要研究當(dāng)取不同數(shù)學(xué)模型時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；對(duì)于模糊控制算法，重點(diǎn)在于模糊控制器的設(shè)計(jì)、模糊子集的選取、模糊規(guī)則的確立以及模糊推理；對(duì)于模糊 PID算法，模糊控制器以誤差 E和誤差變化率 EC作為輸入，控制的關(guān)鍵是找出 PID三個(gè)參數(shù) PK 、 iT 和 dT 與 E和 EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè) E和 EC，再根據(jù)模糊控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PK 、 iT和 dT 的在線修改，從而滿足控制的要求。而工業(yè)控制過程本身由于機(jī)理復(fù)雜，時(shí)變，時(shí)滯等原因，其精確地?cái)?shù)學(xué)模型很難得到，一些高階對(duì)象通過降階，一般用一階或二階慣性環(huán)節(jié)加純延遲來(lái)近似。系統(tǒng)承受擾動(dòng)后，往往會(huì)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)，然而在有些場(chǎng)合，大的超調(diào)是不允許的 ，因此在 PID控制的基礎(chǔ)上，提出了微分先行 PID控制算法。這樣 ,在改變給定值時(shí)，輸出不會(huì)改變，而被控量的變化通常是比較緩和的。 圖 1 微分先行 PID控制結(jié)構(gòu)圖 如圖所示，微分部分的傳遞函數(shù)為：sTsTsy su ddd 1)( )( ???，則 ydtdyTudtduT dddd ??? ， R（ s） Y（ s） ）（ sT11k ip ? Y（ s） —— + sT1 dd?? 10 由差分得 T kukudtdu ddd )1()( ??? ， T kykydtdy )1()( ??? )()1()()()1()(.10 kyT kykyTkuT kukuT ddddd ??????? )1()()1( )( ????????? ?????????? ???????????? ?? kyTTTkyTT TTkuTT Tkudddddddd )1()()1()( 321 ????? kyckyckucku dd 其中 ???????? ?? TT Tcd ， ???????? ??? TT TTcd ， ???????? ??ddd TTTc 參數(shù)辨識(shí) 本文采用時(shí)域測(cè)定法確定被控系統(tǒng)的參數(shù)，時(shí)域測(cè)定的主要過程是對(duì)被測(cè)控制系統(tǒng)或?qū)ο笤谳斎攵耸┘与A躍擾動(dòng)輸入信號(hào)，而在輸出端測(cè)繪其輸出量隨時(shí)間變 化的響應(yīng)曲線；或者施加脈沖輸入，測(cè)繪輸出的脈沖響應(yīng)，再對(duì)響應(yīng)曲線的結(jié)果進(jìn)行分析，確定被研究對(duì)象的傳遞函數(shù)。 采用時(shí)域法確定被測(cè)系統(tǒng)或?qū)ο蟮臄?shù)學(xué)模型時(shí)，需要在被測(cè)對(duì)象上人為地施加階躍輸入信號(hào)，然后測(cè)定被測(cè)對(duì)象的輸出響應(yīng)曲線，從而求出其傳遞函數(shù) [8]。 對(duì)溫度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參 數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，得到 k=5,1T =8, ?2T 1, ?? 10。 參數(shù)的整定 11 PID參數(shù)的整定，主要是確定 pk 、 iT 和 dT ,對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)和控制算式的形式已定的控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的好壞主要取決于選擇的參數(shù)是否合理。 參數(shù)的特點(diǎn) 在 PID控制中 pk 、 iT 、 dT 具有以下特點(diǎn) : （ 1)比例增益 pk 增大，可以加快響應(yīng)速度 ， 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 ， 提高控制精度，但是過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定； （ 2)積分作用主要是消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，加強(qiáng)積分作用 ， 有利于減小系統(tǒng)靜差 ， 但是 iT 過大 ， 會(huì)加大超調(diào) ， 甚至引起振蕩； （ 3)微分作用可以改善動(dòng)態(tài)性能，增大微分增益 dT ， 有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加 ， 但對(duì)擾動(dòng)敏感 ， 抑制外擾能力減弱；若 dT 過大 ， 會(huì)使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)超調(diào)減速 ， 調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)；反之 ， 若 dT 過小 ，系統(tǒng)響應(yīng)變慢 ， 穩(wěn)定性變差。由上述公式可得： pk =,iT =10， dT =。 12 13 14 制及仿真 恒溫箱的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)滯系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型很難確立，采用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制比較困難。模糊控制屬于智能控制，適用于非線性、時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)，同時(shí)模糊控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)整定方便，因此它成為目前智能控制中一種重要的方式 [12]。 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 模 糊 化 模 糊 推 理規(guī) 則 庫(kù)清 晰 化輸 入 輸 出 圖 2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu) 選擇模糊控制器的結(jié)構(gòu)，就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。通常模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示： 15 如圖所示，模糊控制器 主要由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、清晰化四部分組成，各部分的作用概述如 下： 模糊化的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。模糊化的具體過程如下： （ 1） 首先對(duì)這些輸入量進(jìn)行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量； （ 2） 將上述已經(jīng)處理過的輸入量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變換到各自的論域范圍； （ 3） 將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來(lái)表示。它通常有數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。它們反應(yīng)了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)； 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊