【正文】 stics 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。s proportional, integral andderivative. In this th esis,the PID controls ystem are simulated by using Simulink and fuzzy logic tools in MATLAB. When you use the diferent ways of parameters tuning , the result is also diferent, so,it’s important to find a suitable way ahout the parameters tuning. In this th esis, three means of parameters tuning are be used ,they are ZieglerNcihols parameters tuning CienHrones parameters tuning and manpower this three ways,after many test to find the most suitable way Its39。 parameters tuning。在生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進行有效的控制。溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)己經(jīng)比較成熟。如何更好地提高控制性能，滿足不同系統(tǒng)的控制要求，是目前科學研究領(lǐng)域的一個重要課題。本文主要研究電鍋爐溫度控制的方法。具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染自動化程度高等特點 .與傳統(tǒng)的以煤和石化產(chǎn)品為燃料的鍋爐相比還具有基本投資少、占地面積小、操作方便、熱效率高、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點。 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。采用這些控制方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，超調(diào)量大，同時對外界環(huán)境變化響應慢，實時性 差。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。70年代至 90年代為第二階段，即現(xiàn)代控制理論階段 。 第一階段 :初級階段。在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、 PID策略為主，同時針對不同的對象與要求，設(shè)計了一些專門的控制算法如達林頓算法、 Smith預估器、根軌跡法等。 第二階段 :發(fā)展階段。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期的形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進控制系統(tǒng)和高級控制策略，如克服對象時變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應控制，消除 因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預測控制等。 第三階段 :高級階段。尤其近些年來人工智能理論的迅速崛起為控制的智能化提供了一個騰飛的工具。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用 。模糊系統(tǒng)不僅有行之有效的模糊控制理論為基礎(chǔ)，而且能夠表達確定性和不確定性兩類經(jīng)驗，并提煉成為知識進而改善己有控制。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。 傳統(tǒng)控制方法的特點 建立在 狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種 控制理論 ，是自動控制理論的一個主要組成部分?，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) ?，F(xiàn)代控制理論還為設(shè)計和構(gòu)造具有指定的性能指標的 最優(yōu)控制系統(tǒng) 提供了可能性?？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) 射到預定軌道一類的控制問題。 1958 年， 蘇聯(lián) 科學家 . 龐特里亞金提出了名為 極大值原理 的綜合控制系統(tǒng)的新方法。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。幾乎在同一時期內(nèi)，貝爾曼、卡爾曼等人把狀態(tài)空間法系統(tǒng)地引入控制理論中。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。 學科內(nèi)容 現(xiàn)代控制理論所包含的學科內(nèi)容十分廣泛，主要的方面有： 線性系統(tǒng)理論 、非 線性系統(tǒng) 理論、 最 優(yōu)控制 理論、隨機控制理論和適應控制理論。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。 無論是經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，都是建立在系統(tǒng)的精確數(shù)學型基礎(chǔ)之上的。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 。由于被控對象的這種復雜性，決定了控制的艱難性。 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。它與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)別在于可以解決非線性模型化系統(tǒng)的控制問題。 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。但靈活性同時帶來了設(shè)計上的隨意性和不規(guī)范性，而且控制知識的獲取、表達和學習，以及推理的有效性也是難點。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。該控制方法主要用于那些存在不確定性的系統(tǒng)，如機器人控制等，但應用范圍有限。 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。 7 模糊控制是智能控制的一種典型和較早的形式，作為智能控制的一個重要分支，自從 1974年英國的 Manldani第一次將模糊邏輯和模糊推理用于鍋爐和蒸汽 機的控制，特別是近幾年得到了飛速的發(fā)展。 模糊控制在實踐應用中，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。 2. 對于具有一定操作經(jīng)驗，但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。 4. 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應品質(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性。它本身是一種控制策略的工具支持，各神經(jīng)元并沒有顯在的物理意義。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。尤其在傳統(tǒng)建模方法難以對非線性系統(tǒng)的建模有所突破的形勢下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更表現(xiàn)出其巨大的潛力。 智能控制方法的特點 智能控制是一類無需人的干預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。它實質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道被控對 象精確數(shù)學模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實際響應曲線逼近理想響應曲線。 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。如果系統(tǒng)中某部分出現(xiàn)故障，仍能正常工作，并給出警告信號，甚至自行修復。 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。 論文的主要研究內(nèi)容 本課題的具體研究內(nèi)容如下 : ，對被控對象進行理論分析，建立被控系統(tǒng)的數(shù)學模型，提出適合于鍋爐水溫過程控制的純 PID控制方法。 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)輸出響應速度快、超調(diào)量小和穩(wěn)定誤差小的控制算法。 9 第 2 章被控對象及控制策略研究 被控對象及其原有控制方案 被控對象分析 電鍋爐是將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。“鍋”是指盛放熱介質(zhì) (一般是水 )的容器，而“爐”這里指加熱水的電熱轉(zhuǎn)換元件。從電加熱原理上可分為電熱管式、電熱棒式、電熱板式、電極式和感應式等 。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℃。產(chǎn)品安裝示意圖如圖 ?？?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。通過水位的判別，調(diào)節(jié)補水閥的起、停。 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。當計算得到的數(shù)值結(jié)果與測試值之間的誤差較大時，就認為該數(shù)學模型與實際的過程不符或者差距較大，進而修改模型，重新選擇參數(shù)。 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。 ? 對象的純滯后時間。 K值越大，表示被控對象的自平衡力小 。 間 常 數(shù) T 時間常數(shù) T的大小反映了對象受到階躍干擾后，被控量達到新的穩(wěn)定值的快慢程度，即時間常數(shù) T是表示對象慣性大小的物理量。 以預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。這種方法主要存在以下幾個問題 : ① 在實際工程中達不到理想的控制效果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好 . ② 由于系統(tǒng)只是采用簡單的開關(guān)量啟動或關(guān)閉，使系統(tǒng)出現(xiàn)反復振蕩，且對電網(wǎng) 電鍋爐 11 產(chǎn)生很大沖擊，運行成本很高。 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。 控制基本理論 PID控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種比例、積分 、微分并聯(lián)控制器。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。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣 PID就可控制了。 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。 PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式， PID調(diào)節(jié)儀表也是工業(yè)控制中最常用的儀表之一， PID 適用于需要進行高精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出最佳PID控制參數(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。 e(t)—— 控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號 ； pk e(t)—— 比例控制項， Kp為比例系數(shù) 。 )(tedtdTd —— 微分控制項， dT 為微分時間常數(shù) 。隨著比例系數(shù)凡的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調(diào)量增大。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài) 誤差（ Steadystate error）。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) iT ，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強。 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。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。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。 3. 微分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應速度，它可以預測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差 信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加速系統(tǒng)的動態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時間。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)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。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。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進入計算機的存儲器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。 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。 PID控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。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。 PID控制器參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例法，反應曲線和衰減。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。利用該方法進行 PID控制參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預選一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例