【正文】 的性能指標(biāo)的最優(yōu)控制系統(tǒng)提供了可能性。空間技術(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(zhǔn)確地發(fā)射到預(yù)定軌道一類的控制問題。1958年。他們的研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)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(xué)科內(nèi)容 現(xiàn)代控制理論所包含的學(xué)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(yīng)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(xué)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(fù)雜性，決定了控制的艱難性。、發(fā)展和分類工業(yè)控制中存在著工業(yè)過程復(fù)雜、數(shù)學(xué)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(biāo)或任務(wù)的復(fù)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(biāo)等)的獲取與組織，按照某種策略及時地選用恰當(dāng)?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(xué)習(xí)，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(xué)習(xí)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(yīng)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。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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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。智能控制是一類無需人的干預(yù)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(biāo)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(xué)模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。 對復(fù)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(fù)。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。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(xué)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(biāo)進行分析，確定出符合控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)速度快、超調(diào)量小和穩(wěn)定誤差小的控制算法。第2章被控對象及控制策略研究 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?！板仭笔侵甘⒎艧峤橘|(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(yīng)式等。本文研究對象為直熱式熱水鍋爐，采用電阻式加熱，鍋爐內(nèi)最高水溫95℃。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。通過調(diào)節(jié)閥的開度，保證供熱區(qū)的等溫特性。因此本文的研究目的是結(jié)合電鍋爐水溫上升的特點，對它的溫度進行控制，達到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術(shù)要求。參數(shù)辨識就是根據(jù)實驗數(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)過程進行預(yù)測，提供一定的理論指導(dǎo)。因此，參數(shù)辨識問題是一個逆問題，參數(shù)估計的好壞決定了用模型來解釋實際問題的可信度。其傳遞函數(shù)可由式(21)表示: (21)式(21)中 K對象的靜態(tài)增益T對象的時間常數(shù) 。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。K值小，對象自平衡能力大。 膨脹水箱 （必須與大氣相通） 電鍋爐 供暖出水口 排污口 供暖回水口 散熱片 電 鍋 爐 安 裝 圖目前國內(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。當(dāng)溫度不在此范圍內(nèi)時，電熱鍋加熱，否則停止加熱。 人工控制方法是通過工作人員的操作經(jīng)驗，很難提高系統(tǒng)的控制精度和實現(xiàn)低成本運行。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，容易實現(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。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)定三個參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。首先，PID應(yīng)用范圍廣。其次，PID參數(shù)較易整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。 (23)式中 u(t)——控制器的輸出。—— 積分控制項，為積分時間常數(shù)?！e分系數(shù)，——微分系數(shù)，: 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號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。比例控制是一種最簡單的控制方式。 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，則此控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。隨著積分時間常數(shù)不的減小，靜差在減小:但過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。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。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，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)。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。通過改變控制單元參數(shù)，如比例度δ、積分時間Ti、微分時間Td等，改善系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性，以求取較佳的控制效果的過程。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。她主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定法，它主要是依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。三種方法各有其特點，其共同特點是通過實驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定?，F(xiàn)在一般采用臨界比例法。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。I是解決動作響應(yīng)的速度快慢的，I大了，響應(yīng)速度慢，反之則快。ZieglerNichols 整定方法ZieglerNichols法是一種基于頻域設(shè)計PID控制器的方法。根據(jù)這個模型，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。目前已經(jīng)有一些基于頻域設(shè)計PID控制器的方法，如ZieglerNichols法，ZieglerNichols是最常用的整定PID參數(shù)的方法。ZieglerNichols法首先通過實驗，獲取控制對象的單位階躍響應(yīng)，如果單位階躍響應(yīng)曲線看起來是一條S形狀的曲線，則可以用這個方法，否則不能用。再就是間歇或斷續(xù)生產(chǎn)的控制過程中有其特殊性，通常問題要求按照被控對象的特性來選擇控制器。而且PID控制器是最多的，以為它可以解決大部分的問題按照被控對象的特性選擇控制器 采用標(biāo)準(zhǔn)PID位置式算法，在實現(xiàn)控制的過程中，只要系統(tǒng)的偏差沒有消除，積分作用就會繼續(xù)增加或減小，最后使控制量達到上限或者下限，系統(tǒng)進入飽和范圍。為了克服這種現(xiàn)象，可以采用過限消弱積分法和積分分離法。 積分分離法的基本思想是:當(dāng)誤差大于某個規(guī)定的門限值時，刪去積分作用，從而使積分項不至于過大，只有當(dāng)誤差較小時，才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。在進入正常調(diào)節(jié)過程后，由于e值不大，此時相對而言，干擾對控制器的影響也就很大。對于作用時間較短的快速變化的干擾，如A/D轉(zhuǎn)換偶然出錯，可以用連續(xù)多次采樣并求平均值的方法予以濾除。因此一旦出現(xiàn)干擾，由它算出的結(jié)果可能出現(xiàn)很大的非希望值。 溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)。本章在分析了電鍋爐溫度控制系統(tǒng)原有控制方案的基礎(chǔ)，提出新的控制策略，即PID控制，分析了這種控制方法的基本理論及控制特點，介紹了這種控制器的設(shè)計及控制算法的實現(xiàn)。系統(tǒng)仿真根據(jù)真實系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，對系統(tǒng)環(huán)境加以模擬，在計算機上進行分析、計算、研究獲得真實的定量關(guān)系。 1. 電鍋爐允許最高溫度95℃ 。 。 ② 保溫段 :水溫升至設(shè)