基于PID控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的仿真畢業(yè)論文

1、 本 科 畢 業(yè) 論 文 基于pid控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)仿真the electric boiler temperature control system based on pid control simulation畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得安陽(yáng)工學(xué)院及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝

2、意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解安陽(yáng)工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 目錄摘 要.1 abstract：2keywords2第1章引言31.1課題的提出與意義31.2工業(yè)控制的發(fā)展概況31.3傳統(tǒng)控制方法的特點(diǎn)41.4智能控制方法概述61.4.1智能控制方法的起源、發(fā)展和分

3、類61.4.2智能控制方法的特點(diǎn)71.5論文的主要研究?jī)?nèi)容8第2章被控對(duì)象及控制策略研究92.1被控對(duì)象及其原有控制方案92.1.1被控對(duì)象分析92.1.2原有控制方案102.2控制策略研究112.2.1pid控制基本理論112.2.3設(shè)計(jì)pid控制器時(shí)注意事項(xiàng)152.3本章小結(jié)15第3章控制系統(tǒng)特性及仿真工具的研究163.1電鍋爐溫度控制系統(tǒng)特性163.2仿真工具183.2.1 matlab簡(jiǎn)介183.3 simulink簡(jiǎn)介和使用183.3.1 simulink簡(jiǎn)介與開(kāi)發(fā)環(huán)境18第四章控制系統(tǒng)仿真研究204.1 pid控制器設(shè)計(jì)204.2 pid參數(shù)的整定224.3控制系統(tǒng)方案的分析與選擇

4、264.4本章小結(jié)27結(jié)論27致謝28參考文獻(xiàn)28基于pid控制的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)仿真 摘 要：溫度控制在工業(yè)中控制中一直是富有新意義的課題，對(duì)于不同的的控制對(duì)象有不同的控制方式和模式。溫度系統(tǒng)的慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過(guò)程帶來(lái)很大的難題。本文以電鍋爐為研究對(duì)象，研究一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。本文對(duì)電鍋爐可采用的控制方案進(jìn)行了深入研究，首選的方案是pid控制。溫度pid控制器的原理是將溫度偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。pid控制的重點(diǎn)是參數(shù)的調(diào)節(jié)，本文利用人工整定方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定。借助

5、matlab中的simulink工具箱對(duì)電鍋爐pid控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明當(dāng)采用不同的參數(shù)整定方法的時(shí)候，其仿真出來(lái)的效果是不一樣的，因此，是否能選擇出一種相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合適的參數(shù)整定方法是很重要的，本文采取了三個(gè)參數(shù)整定的方法，它們分別是ziegler-ncihols參數(shù)整定，cien-hrones參數(shù)整定和人工參數(shù)整定，在這三種方法中，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選取一種最為合適的方法，要求調(diào)節(jié)時(shí)間與超調(diào)量都相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合適。在分析電鍋爐供暖系統(tǒng)對(duì)控制器要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)主程序流程圖，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的變換，要求仿真出來(lái)相應(yīng)的曲線圖，要做到仿真結(jié)果簡(jiǎn)單直觀。關(guān)鍵詞：溫度控制 參數(shù)整定 仿真simu

6、lation on pid control system oftemperature for electric boilerabstract：temperature control is a topic full of new meanings in industry,to diferent control object, there are diferent methods and modes. but it is difficult to control well because of characteristics of the temperature itself, such as i

7、ts great inertia, serious time-lag 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 boiler.its technology requirement are:regulating time must be short,overshoot must

8、be small and the control system must be stable.the method of the electric boiler control is studied deeply by the thesis.thefirst is pid control.principle of temperature pid controller is to control the object by thlinearcombination of temperature deviations proportional, integral andderivative. in

9、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,its important to find a suitable way ahout the parameters tuning. in this th esis, three means of parameters tuni

10、ng are be used ,they are ziegler-ncihols parameters tuningcien-hrones parameters tuning and manpower adjust.in this three ways,after many test to find the most suitable way its technology requirement are:regulating time must be short,overshoot must be small and the control system must be stable.in t

11、his tesis,basing on the request of the electricb oilerh eatings ystem to thecontroller, main program flow chart should be devised,then change the data simulation the curve graph and it should be simpleness and directly perceived through the senses and keywords: temperature contronl; parameters tunin

12、g; simulation 第1章引言1.1課題的提出與意義在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，控制對(duì)象各種各樣，溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)它的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量等進(jìn)行有效的控制。溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例，其關(guān)鍵在于測(cè)溫和控溫兩方面。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)己經(jīng)比較成熟。由于控制對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，在溫度控制方面，還存在著許多問(wèn)題。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(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到工藝過(guò)程的要求。本文主要研究電鍋爐溫度控制的方法。電鍋爐

13、是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染自動(dòng)化程度高等特點(diǎn).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(diǎn)。近年來(lái)，電鍋爐已成為供熱采暖的主要設(shè)備。鍋爐控制作為過(guò)程控制的一個(gè)典型，動(dòng)態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點(diǎn)，而且伴有非線性。目前國(guó)內(nèi)電熱鍋爐控制大都采用的是開(kāi)關(guān)式控制，甚至是人工控制方法。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(shí)對(duì)外界環(huán)境變化響應(yīng)慢，實(shí)時(shí)性差。另外，頻繁的開(kāi)關(guān)切換對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少了鍋爐的使用年限。因此，研究一種最佳的電鍋爐控制方法，對(duì)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性具有重

14、要的意義。1.2工業(yè)控制的發(fā)展概況工業(yè)控制的形成和發(fā)展在理論上經(jīng)歷了三個(gè)階段:50年代末起到70年為第一階段，即經(jīng)典控制理論階段，這期間既是經(jīng)典控制理論應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時(shí)期，又是現(xiàn)代控制理論應(yīng)用和發(fā)展時(shí)期;70年代至90年代為第二階段，即現(xiàn)代控制理論階段;90年代至今為第三階段，即智能控制理論階段。第一階段 :初級(jí)階段。它以經(jīng)典控制理論為主要控制方案，采用常規(guī)氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)儀表，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制。在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、pid策略為主，同時(shí)針對(duì)不同的對(duì)象與要求，設(shè)計(jì)了一些專門(mén)的控制算法如達(dá)林頓算法、smith預(yù)估器、根軌跡法等。這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)、實(shí)

15、現(xiàn)定值控制。第二階段 :發(fā)展階段。以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，以微型計(jì)算機(jī)和高檔儀器為工具，對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行控制。這階段的建模理論、在線辨識(shí)和實(shí)時(shí)控制已突破前期的形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進(jìn)控制系統(tǒng)和高級(jí)控制策略，如克服對(duì)象時(shí)變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應(yīng)控制，消除因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預(yù)測(cè)控制等。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，以滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。第三階段:高級(jí)階段。不論從歷史和現(xiàn)狀，還是從發(fā)展的必要性和可能性來(lái)看，控制方法主要朝著綜合化、智能化方向發(fā)展。尤其近些年來(lái)人工智能理論的迅速崛起為控制的智能化提供了一個(gè)騰飛的工具。智能控制理論中，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制系統(tǒng)是

16、最有潛力的三種方法。專家系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、故障診斷和監(jiān)督控制以及檢測(cè)儀表有效性檢測(cè)等方面獲得成功應(yīng)用;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可為復(fù)雜非線性過(guò)程的建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過(guò)程軟測(cè)量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上;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(dá)確定性和不確定性兩類經(jīng)驗(yàn)，并提煉成為知識(shí)進(jìn)而改善己有控制。應(yīng)用經(jīng)典控制理論的前提是:必須有一個(gè)高階微分方程式來(lái)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，是建立在頻率法的基礎(chǔ)上的。而現(xiàn)代控制理論主要用來(lái)解決多輸入多輸出和時(shí)變系統(tǒng)的問(wèn)題，它的數(shù)學(xué)模型是用一個(gè)一階微分方程組(即狀態(tài)方程)或差分方程組來(lái)描述，是一種時(shí)域表示方法。這兩種方法在精確數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)

17、揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。1.3傳統(tǒng)控制方法的特點(diǎn)建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論，是自動(dòng)控制理論的一個(gè)主要組成部分。在現(xiàn)代控制理論中，對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來(lái)進(jìn)行的，基本的方法是時(shí)間域方法?，F(xiàn)代控制理論比經(jīng)典控制理論所能處理的控制問(wèn)題要廣泛得多，包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)。它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行?，F(xiàn)代控制理論還為設(shè)計(jì)和構(gòu)造具有指定的性能指標(biāo)的最優(yōu)控制系統(tǒng)提供了可能性。現(xiàn)代控制理論是在20世紀(jì)50年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的?？臻g技術(shù)的發(fā)展迫切要求建立新的控

18、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(shí)間準(zhǔn)確地發(fā)射到預(yù)定軌道一類的控制問(wèn)題。這類控制問(wèn)題十分復(fù)雜，采用經(jīng)典控制理論難以解決。1958年，蘇聯(lián)科學(xué)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。在這之前，美國(guó)學(xué)者r.貝爾曼于1954年創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并在1956年應(yīng)用于控制過(guò)程。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(wèn)題，并開(kāi)拓了控制理論中最優(yōu)控制理論這一新的領(lǐng)域。19601961年，美國(guó)學(xué)者r.e.卡爾曼和r.s.布什建立了卡爾曼-布什濾波理論，因而有可能有效地考慮控制問(wèn)題中所存在的隨機(jī)噪聲的影響，把控制理論的研究范圍擴(kuò)大，包括了更為復(fù)雜的控制問(wèn)題。幾乎在同一

19、時(shí)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。狀態(tài)空間法對(duì)揭示和認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的許多重要特性具有關(guān)鍵的作用。其中能控性和能觀測(cè)性尤為重要，成為控制理論兩個(gè)最基本的概念。到60年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼-布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。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(jī)控制理論和適應(yīng)控制理論。最優(yōu)控制理論 最優(yōu)控制理論是設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時(shí)的控制規(guī)律及其綜合方法。在最優(yōu)控制理論中

20、，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(dòng)態(tài)規(guī)劃。最優(yōu)控制理論的研究范圍正在不斷擴(kuò)大，諸如大系統(tǒng)的最優(yōu)控制、分布參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制等。無(wú)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。但在實(shí)際系統(tǒng)中被控對(duì)象一般都具有大慣性、大滯后、時(shí)變性、關(guān)聯(lián)性、不確定性和非線性的特點(diǎn)，這里的關(guān)聯(lián)性不僅包含過(guò)程對(duì)象中各物理參數(shù)之間的禍合交錯(cuò)，而且包含被控量、操作量和干擾量之間的聯(lián)系;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;非線性既有非本質(zhì)的非線性，又有本質(zhì)非線性。由于被控對(duì)象的這種復(fù)雜性，決定了控制的艱難性。傳統(tǒng)控制方法絕大多數(shù)是基于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，即按照建模

21、控制化進(jìn)行，建模的精確程度決定著控制質(zhì)量的高低，盡管目前的建模理論和方法已有長(zhǎng)足的長(zhǎng)進(jìn)，但仍有許多過(guò)程和對(duì)象的機(jī)理不清楚，動(dòng)態(tài)特性難以掌握，使我們不得不對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化或近似，將一理論上極為先進(jìn)的控制策略應(yīng)用在這樣的模型上，控制效果自然會(huì)大打折扣，因用傳統(tǒng)的控制手段進(jìn)一步提高控制對(duì)象的質(zhì)量遇到了極大的困難，傳統(tǒng)控制方法面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1.4智能控制方法概述1.4.1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(guò)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(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出的。1987年智能控制正式成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，它是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和自動(dòng)控制理

22、論等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。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(wèn)題。目前， 根據(jù)智能控制發(fā)展的不同歷史階段和不同的理論基礎(chǔ)可以將它為四大類:基于專家系統(tǒng)的智能控制、分層遞階智能控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。專家控制是基于知識(shí)的智能控制，由關(guān)于控制領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)和體現(xiàn)該知識(shí)決策的推理機(jī)構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過(guò)對(duì)控制領(lǐng)域知識(shí)(先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)信息、目標(biāo)等)的獲取與組織，按照某種策略及時(shí)地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，進(jìn)而對(duì)控制隊(duì)象實(shí)施控制，或修改補(bǔ)充知識(shí)條目。其主要優(yōu)點(diǎn)是層次結(jié)構(gòu)、控制方法和知識(shí)表達(dá)上的靈活性較強(qiáng)，既可以符號(hào)推理，又允許模糊描述演繹。但靈活性同時(shí)帶來(lái)了設(shè)計(jì)上的隨意性

23、和不規(guī)范性，而且控制知識(shí)的獲取、表達(dá)和學(xué)習(xí)，以及推理的有效性也是難點(diǎn)。分層遞階智能控制模擬人腦的分層結(jié)構(gòu)，由執(zhí)行級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和組織級(jí)構(gòu)成。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(jí)的模糊指令和符號(hào)語(yǔ)言。其特點(diǎn)是自下而上智能遞增而精度遞減，即執(zhí)行級(jí)用于高精度局部控制，協(xié)調(diào)級(jí)用于知識(shí)和實(shí)際輸出調(diào)整執(zhí)行級(jí)中的控制參數(shù)，而組織級(jí)進(jìn)行推理決策和自主學(xué)習(xí)。該控制方法主要用于那些存在不確定性的系統(tǒng)，如機(jī)器人控制等，但應(yīng)用范圍有限。智能控制的發(fā)展主要得益于模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論的不斷成熟。90年代后，智能控制的集成技術(shù)研究取得很大重大進(jìn)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

24、制的結(jié)合等。這些都為智能控制技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的前景。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(gè)重要分支，自從1974年英國(guó)的manldani第一次將模糊邏輯和模糊推理用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，特別是近幾年得到了飛速的發(fā)展。模糊控制是模糊數(shù)學(xué)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它采用了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，通過(guò)使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理等工具，得到的控制表格進(jìn)行控制。模糊控制在實(shí)踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):1.使用語(yǔ)言規(guī)則，不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。因?yàn)閷?duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程很難得到過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，而語(yǔ)言方法卻是一種很方便的近似。2. 對(duì)于具有一

25、定操作經(jīng)驗(yàn)，但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。3.操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)言很容易加入到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)。4. 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的pid控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型是由mcclulcoh和piet 兩位科學(xué)家在1934 年首先提出來(lái)的。它本身是一種控制策略的工具支持，各神經(jīng)元并沒(méi)有顯在的物理意義。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是具有學(xué)習(xí)能力、并行計(jì)算能力和非線性映射能力。充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些能力來(lái)解決眾多非線性、強(qiáng)耦合和不確定性系統(tǒng)的建模、辨識(shí)和控制問(wèn)題是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的主要課題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模以其獨(dú)特的非傳統(tǒng)

26、表達(dá)方式和固定的學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出的映射，并在短時(shí)間內(nèi)得到迅速發(fā)展。尤其在傳統(tǒng)建模方法難以對(duì)非線性系統(tǒng)的建模有所突破的形勢(shì)下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更表現(xiàn)出其巨大的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能控制器主要采用直接自校正控制、間接自校正控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制等幾種方法。1.4.2智能控制方法的特點(diǎn)智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開(kāi)了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。它實(shí)質(zhì)上是一種無(wú)模型控制方案，即在不需要知道被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的情況下，通過(guò)自身的調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。一

27、般來(lái)講 ，智能控制具有以下一些特點(diǎn):1.學(xué)習(xí)能力 智能控制可以對(duì)一個(gè)過(guò)程或其環(huán)境的未知特性所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步估計(jì)、分類、決策或控制，這有利于對(duì)未知對(duì)象進(jìn)行認(rèn)知和辨識(shí)并進(jìn)一步改善控制系統(tǒng)的控制性能。2.組織綜合能力 對(duì)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(jìn)行過(guò)程中表現(xiàn)出類似于人的主動(dòng)性和靈活性。3.適應(yīng)能力 由于智能控制不依賴于對(duì)象模型，智能行為表現(xiàn)為從系統(tǒng)輸入到輸出的映射關(guān)系，即使輸入時(shí)系統(tǒng)從未有過(guò)的例子，系統(tǒng)通過(guò)插補(bǔ)、歸類等方法，也能給出適當(dāng)?shù)妮敵?。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(hào)，甚至自行修復(fù)。4.優(yōu)化能力

28、 智能控制具有在線特征辨識(shí)、特征記憶和擬人等特點(diǎn)，故在整個(gè)控制過(guò)程中，計(jì)算機(jī)能夠在線獲得信息、實(shí)時(shí)處理并給出控制決策，通過(guò)不斷優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器最佳結(jié)構(gòu)形式，來(lái)獲得整體的最優(yōu)控制性能。因此就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過(guò)程控制局限性問(wèn)題和提高控制質(zhì)量的一個(gè)重要途徑。在各種儀表高速發(fā)展的今天，控制裝置己經(jīng)不是主要問(wèn)題，影響被控對(duì)象性能指標(biāo)的主要因素取決于控制器本身，控制器本身的智能化設(shè)計(jì)將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。1.5論文的主要研究?jī)?nèi)容本課題的具體研究?jī)?nèi)容如下:1.結(jié)合電鍋爐水溫上升過(guò)程的特點(diǎn)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(guò)程控制的純pid控制方法。并

29、對(duì)控制算法的實(shí)現(xiàn)、控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整進(jìn)行深入研究。2 運(yùn)用matlab軟件的simulink開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)上述這種方法進(jìn)行建模仿真，并對(duì)控制性能指標(biāo)進(jìn)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。3.結(jié)合電鍋爐供暖系統(tǒng)對(duì)控制器的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)智能溫度控制器，包括:總體方案設(shè)計(jì)、部分軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真等。第2章被控對(duì)象及控制策略研究2.1被控對(duì)象及其原有控制方案2.1.1被控對(duì)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。其工作原理與傳統(tǒng)意義上的鍋爐有相似之處，從結(jié)構(gòu)上看也有“鍋”和“爐”兩大部分?！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

30、的電熱轉(zhuǎn)換元件。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的電鍋爐有很多種型式，從整體結(jié)構(gòu)上分有立式、臥式、多單元式等:從傳熱介質(zhì)上分有熱水鍋爐、蒸汽鍋爐和有機(jī)載體鍋爐;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;從供熱方式上有直熱式和蓄熱式等。本文研究對(duì)象為直熱式熱水鍋爐，采用電阻式加熱，工作壓力為0.4mpa，鍋爐內(nèi)最高水溫95。 當(dāng)電鍋爐工作在0.4mpa時(shí)，水的飽和溫度為144 ，最高水溫95使鍋爐遠(yuǎn)離了工作壓力下的飽和溫度及加熱元件表面的過(guò)度沸騰難以控制的現(xiàn)象，同時(shí)，95 的水溫基本上不產(chǎn)生蒸汽。產(chǎn)品安裝示意圖如圖2.1所示。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

31、片，通過(guò)散熱片向供熱區(qū)釋放熱量?？梢?jiàn)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(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，保證供熱區(qū)的等溫特性;通過(guò)水位的判別，調(diào)節(jié)補(bǔ)水閥的起、停。因此本文的研究目的是結(jié)合電鍋爐水溫上升的特點(diǎn)，對(duì)它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術(shù)要求。在生產(chǎn)過(guò)程，控制對(duì)象各種各樣，理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明:電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述，而二階系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)可以降為一階模型。參數(shù)辨識(shí)就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和建立的模型來(lái)確定一組參數(shù)值，使得由模型計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果能最好的擬合測(cè)試數(shù)據(jù)（曲線擬合問(wèn)題），從而可以為生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，提供一定的理論

32、指導(dǎo)。當(dāng)計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果與測(cè)試值之間的誤差較大時(shí)，就認(rèn)為該數(shù)學(xué)模型與實(shí)際的過(guò)程不符或者差距較大，進(jìn)而修改模型，重新選擇參數(shù)。因此，參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題是一個(gè)逆問(wèn)題，參數(shù)估計(jì)的好壞決定了用模型來(lái)解釋實(shí)際問(wèn)題的可信度。經(jīng)過(guò)多方查證，發(fā)現(xiàn)一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)可由式(2-1)表示: (2-1)式(2-1)中 k-對(duì)象的靜態(tài)增益t-對(duì)象的時(shí)間常數(shù) ;- 對(duì)象的純滯后時(shí)間。對(duì)象中的特性參數(shù)對(duì)其輸出的影響:1.放 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(guò)程無(wú)關(guān)，其值表示輸入對(duì)輸出穩(wěn)態(tài)值的影響程度。k值越大，表示被控對(duì)象的自平衡力小;k值小，對(duì)象自平衡能力大

33、。2.時(shí) 間 常 數(shù)t 時(shí)間常數(shù)t的大小反映了對(duì)象受到階躍干擾后，被控量達(dá)到新的穩(wěn)定值的快慢程度，即時(shí)間常數(shù)t是表示對(duì)象慣性大小的物理量。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 散熱片圖2.1 電 鍋 爐 安 裝 圖2.1.2原有控制方案目前國(guó)內(nèi)電熱鍋爐控制大都采用的是開(kāi)關(guān)式控制，甚至是人工控制方法。1.開(kāi)關(guān)式控制方法 以預(yù)控制的溫度為標(biāo)稱值，據(jù)此設(shè)定一個(gè)控制上限，一個(gè)控制下限。當(dāng)溫度不在此范圍內(nèi)時(shí)，電熱鍋加熱，否則停止加熱。這種方法主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題: 在實(shí)際工程中達(dá)不到理想的控制效果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好. 由于系統(tǒng)只是采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量啟動(dòng)或關(guān)閉，使系統(tǒng)出現(xiàn)反復(fù)振蕩

34、，且對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，運(yùn)行成本很高。2.人工控制方法 人工控制方法是通過(guò)工作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單的對(duì)鍋爐進(jìn)行操作.因此，很難提高系統(tǒng)的控制精度和實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行。針對(duì)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(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行，必須尋找一種新的解決方案。2.2控制策略研究通過(guò)對(duì)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(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)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。2.2.1pid控制基本理論pid控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種被普遍采用的

35、控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。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(gè)參數(shù)（kp， ti和td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，pid應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣pid就可控制了。其次，pid參數(shù)較易整定。也就是，pid參數(shù)kp，ti和td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，pid參數(shù)就可以重新整定。pid是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，pid

36、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(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳pid控制參數(shù)。常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.2所示。比例積分r(t) e(t)+u(t)被控對(duì)象+c(t)+ + -微分圖2.2 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(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差e(t)e(t )= r(t)-c(t ) (2-2)將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 (2-3)式中 u(t)控制器的輸出;e(t) 控制器的輸入，給定值與被控對(duì)象輸出值的差，即偏差信號(hào)；e(t)比例控制項(xiàng)，kp為比例系

37、數(shù); 積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù); 微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。積分系數(shù)，微分系數(shù)，在圖2.2的基礎(chǔ)上分析一下pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用:1.比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)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。隨著比例系數(shù)凡的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。 2.積分環(huán)節(jié) 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(shí)，則此控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的

38、強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著積分時(shí)間常數(shù)不的減小，靜差在減小:但過(guò)小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分

39、（pi）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，它可以預(yù)測(cè)將來(lái)，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。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。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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這

40、就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（pd）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，pid控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)pid控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。2.2.2pid參數(shù)整

41、定的一般方法通過(guò)改變控制單元參數(shù)，如比例度、積分時(shí)間ti、微分時(shí)間td等，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性，以求取較佳的控制效果的過(guò)程。工程上，對(duì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，整定參數(shù)的方法有臨界比例度法、反應(yīng)曲線法、衰減曲線法、經(jīng)驗(yàn)法等pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。她主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所的到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定法，它主要是依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行

42、，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例法，反應(yīng)曲線和衰減。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同特點(diǎn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用臨界比例法。利用該方法進(jìn)行pid控制參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預(yù)選一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到pid控制器的參數(shù)。pid參數(shù)的設(shè)置的大小，一方面是要根據(jù)控制對(duì)象的具體情況而定，另一方面

43、是經(jīng)驗(yàn)。p是解決幅值振蕩，p大了會(huì)出現(xiàn)幅值振蕩的幅度大，但振蕩頻率小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)。i是解決動(dòng)作響應(yīng)的速度快慢的，i大了，響應(yīng)速度慢，反之則快。d是消除靜態(tài)誤差的，一般d設(shè)置都比較小，而且對(duì)系統(tǒng)的影響比較小。ziegler-nichols 整定方法ziegler-nichols法是一種基于頻域設(shè)計(jì)pid控制器的方法。基于頻域的參數(shù)整定是需要參考模型的，首先需要辨識(shí)出一個(gè)能較好反應(yīng)被控對(duì)象頻域特性的二階模型。根據(jù)這個(gè)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?；陬l域的設(shè)計(jì)在一定程度上回避了精確的系統(tǒng)建模，而且有較為明顯確的物理意義，比常規(guī)的pid控制可適應(yīng)的場(chǎng)合更多。

44、目前已經(jīng)有一些基于頻域設(shè)計(jì)pid控制器的方法，如ziegler-nichols法，ziegler-nichols是最常用的整定pid參數(shù)的方法。ziegler-nichols法是根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)來(lái)確定pid控制器的參數(shù)。ziegler-nichols法首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲取控制對(duì)象的單位階躍響應(yīng)，如果單位階躍響應(yīng)曲線看起來(lái)是一條s形狀的曲線，則可以用這個(gè)方法，否則不能用。2.2.3設(shè)計(jì)pid控制器時(shí)注意事項(xiàng) 1.按照被控對(duì)象的特性選擇控制器 在使用模擬控制器時(shí)，由于各行各業(yè)應(yīng)用對(duì)象的特性是不相同的，如對(duì)象很敏感，或被控流量常是脈動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就不應(yīng)再用微分功能了，否則會(huì)使脈動(dòng)信號(hào)變化加劇。再

45、就是間歇或斷續(xù)生產(chǎn)的控制過(guò)程中有其特殊性，通常問(wèn)題要求按照被控對(duì)象的特性來(lái)選擇控制器。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的儀表工大多是按照自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定控制器的選擇。而且pid控制器是最多的，以為它可以解決大部分的問(wèn)題 2.積分飽和現(xiàn)象及其抑制 采用標(biāo)準(zhǔn)pid位置式算法，在實(shí)現(xiàn)控制的過(guò)程中，只要系統(tǒng)的偏差沒(méi)有消除，積分作用就會(huì)繼續(xù)增加或減小，最后使控制量達(dá)到上限或者下限，系統(tǒng)進(jìn)入飽和范圍。而對(duì)時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象，在階躍響應(yīng)作用下，偏差通常不會(huì)在幾個(gè)采樣周期內(nèi)消除掉，積分項(xiàng)的作用就可能使輸出值超過(guò)正常范圍，造成較大的超調(diào)。為了克服這種現(xiàn)象，可以采用過(guò)限消弱積分法和積分分離法。 過(guò)限消弱積分法就是在控制變量進(jìn)入

46、飽和區(qū)后，程序只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算，而停止增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。 積分分離法的基本思想是:當(dāng)誤差大于某個(gè)規(guī)定的門(mén)限值時(shí)，刪去積分作用，從而使積分項(xiàng)不至于過(guò)大，只有當(dāng)誤差較小時(shí)，才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。 3.干擾的抑制 數(shù)字pid控制器的輸入量是系統(tǒng)的給定值r和系統(tǒng)實(shí)際輸出y的偏差值e。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過(guò)程后，由于e值不大，此時(shí)相對(duì)而言，干擾對(duì)控制器的影響也就很大。為了消除干擾的影響，除了在硬件采取相應(yīng)的措施以外，在控制算法上也要采取一定的措施。對(duì)于作用時(shí)間較短的快速變化的干擾，如a/d轉(zhuǎn)換偶然出錯(cuò)，可以用連續(xù)多次采樣并求平均值的方法予以濾除。在pid控制算法中，差分項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)誤差和干擾特別敏

47、感。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。4.認(rèn)真做好控制器的參數(shù)整定 控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定的處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，與控制器pid參數(shù)整定具有重要的關(guān)系，要多采用幾種參數(shù)整定方法，選取最佳方案。 2.3本章小結(jié)溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。本文在分析電鍋爐溫度控制系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述溫控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。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(diǎn)，介紹了這種控制器的設(shè)計(jì)及控制算法的實(shí)現(xiàn)。 第3章控制系統(tǒng)特性及仿真工具的研究 仿真是對(duì)實(shí)際過(guò)程的模擬，系統(tǒng)仿真就是在數(shù)

48、學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。系統(tǒng)仿真根據(jù)真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，對(duì)系統(tǒng)環(huán)境加以模擬，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析、計(jì)算、研究獲得真實(shí)的定量關(guān)系。本章通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采用不同的參數(shù)調(diào)整策略，得出它們各自的仿真結(jié)果，然后進(jìn)行分析比較，從中找出一個(gè)合乎要求的解決方案。3.1電鍋爐溫度控制系統(tǒng)特性 1. 電鍋爐允許最高溫度95 。 2. 溫度控制通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由控制算法計(jì)算出輸出量，根據(jù)輸出量判斷繼電器的通斷。 3.工藝要求電鍋爐的溫度控制過(guò)程包括兩個(gè)階段。 自由升溫段:要求鍋爐水溫快速升至溫度設(shè)定值。 保溫段 :水溫升至設(shè)定值后要求溫度維持設(shè)定值基本不變。水溫的檢測(cè)元件采用

49、數(shù)字式傳感器。圖3.1 溫度飛升曲線 電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)是常見(jiàn)的確定性系統(tǒng)，采用飛升曲線測(cè)量方法，測(cè)出鍋爐溫控制系統(tǒng)的飛升曲線，即可得到控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。曲線上變化最快處作切線，與t軸交于b點(diǎn)，交穩(wěn)態(tài)值的漸近線于a點(diǎn)，a點(diǎn)在t軸的投影為c點(diǎn)，則ob為過(guò)程量滯后時(shí)間，bc為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)t，此處分別為122s和120s。 這里要說(shuō)明的是:在測(cè)試飛升曲線時(shí)，一般階躍信號(hào)不從零開(kāi)始，否則會(huì)使系統(tǒng)造成很大的非線性，影響被測(cè)對(duì)象的正常工作。一般作法是給調(diào)節(jié)對(duì)象輸入到使被控對(duì)象開(kāi)環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行于實(shí)際工況附近，并以此輸出值作為縱坐標(biāo)的原點(diǎn)(0值)，然后在加一階躍輸入信號(hào)，使被控對(duì)象輸出隨之發(fā)生變化，最后穩(wěn)定

50、在一個(gè)值。 由此方法可以得到電鍋爐溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 （3-1）3.2仿真工具 仿真是控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的重要方法，通過(guò)仿真來(lái)分析各種控制策略和方案對(duì)控制系統(tǒng)的性能，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，以獲得最佳控制效果。 3.2.1 matlab簡(jiǎn)介 matlab是美國(guó)mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。 matlab(matrix laboratory，即矩陣實(shí)驗(yàn)室)是clevemfoer博士在new mexico大學(xué)講授線性代數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)用高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便而構(gòu)思開(kāi)發(fā)的。它是

51、集命令翻譯、科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾年的試用之后，moler博士等一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了一個(gè)名為mathworks的軟件開(kāi)發(fā)公司，專門(mén)擴(kuò)展并改進(jìn)matlab，推出了該軟件的正式版本。除原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還增加了圖形處理功能。mathwbrks 公司于1993年推出了基于windows平臺(tái)的matlab4.0。matlab4x版在繼承和發(fā)展其原有數(shù)值計(jì)算和圖形處理能力的同時(shí)，還推出了符號(hào)計(jì)算工具包、notebook和一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境simulink。3.3 simulink簡(jiǎn)介和使用3.3.1 simulink簡(jiǎn)介與開(kāi)發(fā)環(huán)境simul

52、ink是matlab最重要的組件之一，math works 公司在推出matlab的同時(shí)還推出了最新版本的simulink。simulink是simulation（仿真）與link（鏈接）的簡(jiǎn)寫(xiě)形式，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，不用大量的書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)模型。simulink具有適用面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理等復(fù)雜系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)。simnlink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包四。它除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊

53、、函數(shù)和表模塊、數(shù)學(xué)模塊、非線性模塊、信號(hào)模塊以及子系統(tǒng)模塊外，還包括各個(gè)工具箱特有的模塊，如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。用戶可以利用這些模塊搭建自己的系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，通過(guò)更改這些模塊的參數(shù)提高系統(tǒng)的性能，最終得到合乎自己設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)。本文的所有仿真都是在simulink 中完成的。3.3.2 simulink應(yīng)用1 simunlink啟動(dòng)啟動(dòng)matlab軟件之后，可以通過(guò)3種方式打開(kāi)simunlink工具箱（也稱為simunlink模塊庫(kù)，瀏覽器）。（1）在command window 輸入“simunlink”命令。（2）單擊matlab主窗口左下角的“start”按鈕，在彈出的

54、快捷鍵菜單中選擇“simunlink”“l(fā)ibrary browser“命令。（3）單擊matlab主窗口工具欄中的“simunlink”工具。2 simunlink組成simunlink 模塊庫(kù)中共包含16個(gè)子模塊庫(kù)，它們是commonly used blocks （常用模塊庫(kù)）、continuous （連續(xù)）系統(tǒng)模塊庫(kù)、discontinuities（非連續(xù)）系統(tǒng)模塊庫(kù)、discrete（離散）系統(tǒng)模塊庫(kù)、logic and bit operations (邏輯與位操作)模塊庫(kù)、lookup tables （查詢表）模塊庫(kù)、math operations（數(shù)學(xué)操作）模塊庫(kù)、model verification（模型驗(yàn)證）模塊庫(kù)、model-wide utilities、ports&subsystems（接口與子系統(tǒng)）模塊庫(kù)、signal attributes（信號(hào)屬性）模塊庫(kù)、signal routing（信號(hào)路由）模塊庫(kù)、sinks（輸出）模塊庫(kù)、sources（信號(hào)源）模塊庫(kù)、user-defined functions（用戶自定義）模塊庫(kù)、additional math& discrete（附加數(shù)學(xué)和離散系統(tǒng)）模