基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究.docx

基于模糊PlD控制的电锅炉温度控制系统的研究摘要温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象有着不同的控制方式和模式。温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。本文对电锅炉可采用的控制方案进行了深入研究，首选的研究方案是PID控制。温度PID控制器的原理，是将温度偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PlD控制的重点是参数的调节，本文利用了ZiegIeLNiChOIs.Chien-HrOneS和人工整定方法对其参数进行整定。第二个研究方案是模糊控制，研究了模糊控制的机理，确定了电锅炉模糊控制器的结构。通过对电锅炉温升特点的分析，建立了模糊控制规则表。借助matIab中的SinnIIirlk和FUZZy工具箱，对电锅炉PlD控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。结果表明当采用PlD算法时，系统的超调量与调节时间，不能同时满足技术要求。当采用模糊控制时,超调量与调节时间虽然同时满足技术要求，但系统出现了稳定误差。因此本文将模糊控制的智能性与PlD控制的通用性、可靠性相互结合，设计了一种参数自整定模糊PlD控制器，采用模糊推理的方法实现PlD参数称、凡和凡的在线整定。经仿真研究，参数自整定模糊PID控制效果达到了电锅炉温度控制系统的性能指标，是一种较为理想的智能性控制方案。在分析电锅炉供暖系统对控制器要求的基础上，研制了以PIC16F877A单片机为核心部件的温度智能控制器，实现了温度的采集与控制、超限报警等各种功能。在进行硬件电路设计的同时，也进行了相应软件设计，并将本文所提出的模糊PID算法引入到软件设计中，给出了主程序流程图、模糊PID算法工作流程图和温度采集流程图等。ResearchonFuzzyPIDControlSystemofTemperatureforEIectricBoilerAbstractTemperaturecontrolisatopicfullofnewmeaningsinindustry,todiferentcontrolobject,therearediferentmethodsandmodes.Butitisdificulttocontrolwellbecauseofcharacteristicsofthetemperatureitself,suchasitsgreatinertia,serioustime-IagandthedifficultytoeStablishanaccuratemathematicalmodeIoftheobject.AdutyinthisthesisistostudyakindofappropriatecontrolmethodtothetemperatureoftheeIectricboiler.Its,technologyrequirementsaer:regulatingtimemustbeshort,overshootmustbesmallandthecontrolsystemmustbestable.ThemethodoftheeIectricboilercontrolisstudieddeeplybythethesis.ThefirstisPIDcontrol.PrincipleoftemperaturePIDcontrolleristocontroltheobjectbythe1inearcombinationoftemperaturedeviation,sproportional,integralandderivative.Thecontrolkeyistheparameteradjustment.TheparameterisadjustedbymethodsofZiegler-Nichols,Chien-Hronesandartificaltuninginthisthesis.Thesecondmethodisfuzzycontrol.ThefuzzycontroltheoryisstudiedandtheeIectricboilerfuzzycontrollerstructureisdetermined.Thefuzzycontrolruletableisestablishedthroughanalysingthecharacteristicoftheelectricboilertemperatureinthethesis.Tnthisthesis,thePTDcontrolsystemandfuzzycontrolsystemaresimulatedbyusingSimulinkandfuzzylogictoolsinMATLAB.ExperimentalresultsillustratethatthePIDcontrolisusedinthesystem,regulatingtimeandovershootalwayscannotachievethespecification.Whenfuzzycontrolisused,regulatingtimeandovershootaIwayscanachievesthespecification,butsystemcausesteady-stateeror.Soitcomestoanewmethodofcombiningthemtogether.ThepatametersOf耳，KandKdareadjustbyfuzzyinference.Experimentalresultsi1lustratethatthefuzzyPTDparameterscontrollerachievedthesystemperformanceindex.ThemethodoffuzzyPIDcontrolisaidealmethod.Inthisthesis,basingontherequestoftheeIectricboilerheatingsystemtothecontroller,atemperaturecontrolleroftheelectricboilerisdesigned,inwhichthe目录第1章绪论31.1 课题的提出与意义31.2 工业控制的发展概况31.3 传统控制方法的缺陷41.4 智能控制方法概述41.4.1 智能控制方法的起源、发展和分类41.4.2 智能控制方法的特点51.5 论文的主要研究内容6第2章被控对象及控制策略研究62.1 被控对象及其原有控制方案62.1.1 被控对象分析62.1.2 原有控制方案72.2 控制策略研究82.2.1 PID控制基本理论82.2.2 设计PID控制器时注意事项102.3 模糊控制理论112.3.1 模糊控制的基本思想112.3.2 模糊控制系统的组成及结构分析112.3.3 模糊控制算法的实现142.3.4 模糊控制方法的进展152.4 本章小结16第3章控制系统特性及仿真研究173.1 电锅炉温度控制系统特性173.2 仿真工具183.2.1 MATLAB简介183.2.2 Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱183.3 控制系统仿真研究203.3.1 PID控制器设计203.3 .2PID参数的整定213.4 模糊控制器设计及模糊推理方法263.4.1 模糊控制器的结构263.4.2 温控系统的模糊控制器设计273.5.2控制系统参数自整定模糊PID控制323.6 控制系统方案选择353.7 本章小结35结论36参考文献36致谢38第1章绪论1.1 课题的提出与意义在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术己经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电锅炉温度控制的方法。电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置川。具有结构简单、无污染自动化程度高等特点.与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉己成为供热采暖的主要设备。锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重要的意义。1.2 工业控制的发展概况工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段:SO年代末起到70年为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期;70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段;90年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶段21第一阶段：初级阶段。它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制。在诸多哈尔滨理工大学T学硕上学位论文。控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如达林顿算法、5而Ih预估器、根轨迹法等。这阶段的主要任务是稳定系统、实现定值控制。第二阶段：发展阶段。以现代控制理论为基础，以微型计算机和高档仪器为工具，对夏杂现象进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制己突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求,提高控制质量。第三阶段:高级阶段。不论从历史和现状，还是从发展的必要性和可能性来看，控制方法主要朝着综合化、智能化方向发展。尤其近些年来人工智能理论的迅速崛起为控制的智能化提供了一个腾飞的工具。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统是最有潜力的三种方法。专家系统在工业生产过程、故障诊断和监督控制以及检测仪表有效性检测等方面获得成功应用;神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上;模糊系统不仅有行之有效的模糊控制理论为基础，而且能够表达确定性和不确定性两类经验，并提炼成为知识进而改善己有控制。应用经典控制理论的前提是:必须有一个高阶微分方程式来描述系统运动状态的数学模型，是建立在频率法的基础上的。而现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时变系统的问题，它的数学模型是用一个一阶微分方程组（即状态方程）或差分方程组来描述，是一种时域表示方法。这两种方法在精确数学模型的自动控制系统中发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。1-3传统控制方法的缺陷无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学型基础之上的。但在实际系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点，这里的关联性不仅