工業(yè)控制中的溫度測(cè)量和控制

1、濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I目錄目錄第一章第一章 前言前言.1.1 課題的提出與意義課題的提出與意義.1.1.1課題的提出課題的提出.1.1.2 課題的意義課題的意義.1.2 工業(yè)控制的發(fā)展概況工業(yè)控制的發(fā)展概況.1.3 工業(yè)工程控制的常用算法.1.3.1 PID控制.1.3.2 自適應(yīng)控制.1.3.3 智能控制.1.4 智能控制方法概述.1.4.1 智能方法的起源與發(fā)展.1.4.2 智能控制方法的分支、特點(diǎn)及應(yīng)用.1.5 論文的主要研究?jī)?nèi)容.第二章第二章 PID 控制基本理論及參數(shù)設(shè)定控制基本理論及參數(shù)設(shè)定.2.1 PID 控制理論.2.1.1 模擬PID控制

2、器.2.1.2 數(shù)字PID控制器.2.2 PID 控制器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng).2.3 PID 控制參數(shù)調(diào)節(jié)和整定.濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II2.3.1 Zieg1er-Niehols整定法.2.3.2 Cohen-Coon參數(shù)整定法.2.3.3 試湊法.2.3.4 衰減曲線法.2.4 PID 控制器的局限性及發(fā)展.第三章第三章 模糊控制概論模糊控制概論.3.1 模糊控制的發(fā)展及特點(diǎn).第四章第四章 溫控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真溫控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真.4.1 溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).4.2 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).4.2.1 總系統(tǒng)簡(jiǎn)介.4.2.2 系統(tǒng)總電路圖.

3、4.3 MATLAB 系統(tǒng)仿真.4.3.1 MATLAB簡(jiǎn)介.4.3.2 MATLAB對(duì)模糊PID控制仿真.第五章第五章 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).致謝致謝.濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要：摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)控制中的溫度測(cè)量和控制已成為一個(gè)全新的課題，尤其是對(duì)高精度的要求，使其應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。在溫度控制系統(tǒng)的研究，傳統(tǒng)的 PID 控制是非常方便的，但難以勝任高精度的系統(tǒng)。模糊控制是基于模糊控制器的設(shè)計(jì)，是一種多用途的方法?？刂埔?guī)則往往是因?yàn)槿藗冎揽刂七^(guò)程是不全面的，沒(méi)有高精度要求的選擇是不完美的。所以更多的是以兩種方法的結(jié)合，滿足

4、設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)高精度的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，研究方法的選擇是 PID 控制。溫度 PID 控制原理是將溫度差成比例，積分和微分的線性組合控制，以控制被控對(duì)象，對(duì)參數(shù)調(diào)整的重點(diǎn)。模糊控制技術(shù)在過(guò)去幾十年的迅速發(fā)展，也被稱為智能控制。純滯后的非線性對(duì)象的控制性能改善具有積極作用。本文提出的復(fù)合控制方法，模糊邏輯和專家智能 PID 結(jié)合人工操作經(jīng)驗(yàn)和專家 PID 控制定量調(diào)節(jié)特性充分研究可以滿足高精度和高精度溫度控制速度的要求。將 PID 控制和模糊控制的簡(jiǎn)單性，靈活性和魯棒性的融為一體，構(gòu)成一個(gè)模糊自整定 PID 控制器。為了提高控制精度，并用 MATLAB 語(yǔ)言是實(shí)現(xiàn)控制的計(jì)算機(jī)仿真方

5、便快捷。通過(guò) Matlab 的 Simulink 和模糊推理工具箱，溫度控制系統(tǒng)的 PID 控制和模糊控制仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：采用 PID 算法時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，不能同時(shí)滿足技術(shù)要求。當(dāng)模糊控制，調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量的同時(shí)，滿足技術(shù)要求，但系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。因此，智能化和可靠性的模糊控制，PID 控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種模糊參數(shù)自整定模糊 PID 控制器，利用模糊推理在線 PID 參數(shù) Kp，Ki 和 Kd 值的設(shè)置。仿真研究，參數(shù)自整定模糊 PID 控制效果達(dá)到了電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，是一種理想的智能控制方案。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng); PID 控制; 模糊控制器; 自調(diào)整

6、; 仿真濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACT：With the development of science and technology, in the production and life, the temperature measurement and control in industrial control has been a new topic, In the research of temperature control system, the traditional PID control is very convenient, esp

7、ecially for high precision requirements,more and more extensive application.but it is difficult to be competent for system with high precision. Fuzzy control is designed based on the fuzzy controller, is also a kind of method for multiple uses. The control rule is often because people know to contro

8、led process is not comprehensive and selection is not perfect without high precision requirement.So more is combined by two kinds of methods,to meet the deshgn requirements.The high precision temperature control system in-depth research, research method of choice is PID control. The principle of tem

9、perature PID control is the temperature deviation of the proportional, integral and differential control by linear combination, to control the controlled object, focus on adjusting parameters. Fuzzy control is developed rapidly in the past decades of technology, also known as intelligent control. Po

10、sitive control performance with pure lag and nonlinear object for improvement. In this paper, the composite control method of Fuzzy logic and the expert intelligent PID combined with artificial operation experience and expert PID control quantitative regulation characteristics fully applied to study

11、 can meet the high accuracy and speed requirements in high precision temperature control.The PID control and fuzzy control simplicity, flexibility and robustness of com., constitute a self-tuning fuzzy PID controller. To improve the control precision, and the use of MATLAB language is convenient and

12、 fast to realize the computer simulation of the control. By means of the MATLAB simulink and the fuzzy toolbox, the temperature control system PID control and fuzzy control simulation system. The simulation results show that: when using PID algorithm, the system overshoot and adjusting time, can not

13、 meet the technical requirements at the same time. When the fuzzy control, regulating time and overshoot while at the same time, meet the technical requirements, but the system has stable error. Therefore the fuzzy control of intelligence and reliability, PID control combined with each other, design

14、ed a kind of fuzzy parameter self-tuning fuzzy PID controller, using fuzzy inference on-line PID parameters Kp, Ki and Kd setting. The simulation study, the parameter self-tuning fuzzy PID control effect reaches the performance index of electric boiler temperature control 濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

15、） system, which is an ideal intelligent control scheme.KEY WORDS: temperature control system; PID controller; fuzzy controller; self adjusting; simulation濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章第一章 前言前言自動(dòng)控制理論至今已有將近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論（傳遞函數(shù)、根軌跡、頻域分析等） 、現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間技術(shù)、最大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等）和先進(jìn)控制理論（魯棒控制理論、預(yù)測(cè)控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等）

16、。對(duì)于控制理論中很多要解決的重大的、根本的問(wèn)題，如過(guò)程的結(jié)構(gòu)及其尋求方法，控制系統(tǒng)的綜合方法，可控性、可觀測(cè)性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，發(fā)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的現(xiàn)象等在傳統(tǒng)控制中都已經(jīng)建立了比較完善的理論體系。傳統(tǒng)的控制方法適于解決線性、時(shí)不變性等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題，缺乏靈活性和應(yīng)變能力。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論雖然能夠滿足工程技術(shù)及其它各個(gè)領(lǐng)域的需要，但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)高精度、快響應(yīng)、強(qiáng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力強(qiáng)的要求越來(lái)越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛，由此產(chǎn)生了智能控制。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，它將控制理論的方法和人工智能技術(shù)靈活地結(jié)合起來(lái)，其控制方法適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜

17、性和不確定性。它主要解決那些用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無(wú)論你生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度打著交道。溫度控制通常指對(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。自 18 世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎 80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著溫度的因素。溫度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義1。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，順應(yīng)科技的發(fā)展，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。

18、溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例，近年來(lái)，雖然在理論的溫度檢測(cè)的成熟，但在實(shí)際的測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)采樣的溫度，以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，并可以對(duì)溫度場(chǎng)的更精確的控制，是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。兩個(gè)溫度測(cè)量和控制技術(shù)，包括溫度測(cè)量和溫度控制技術(shù)。溫度測(cè)量是溫度控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(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。如何滿足不同系統(tǒng)的控制要求，更好地提高控制性能是目前科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本文根據(jù)對(duì)高精度溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，設(shè)計(jì)出一種 PID 控制和模糊控制相結(jié)合并利用 MATLAB 仿真系統(tǒng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析的智能控制系統(tǒng)，使其既具有了模糊控制靈濰坊大學(xué)

19、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 活、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),又具有 PID 控制精度高的特點(diǎn)。對(duì)模糊控制理論的研究，將遺傳算法和模糊控制，PID 控制和智能控制和遺傳算法結(jié)合起來(lái)，提出了模糊自整定 PID 算法和基于遺傳算法的 PID 參數(shù)整定方法的形成。MATLAB 軟件仿真結(jié)果表明，這兩種智能 PID 整定算法效果較好，能達(dá)到預(yù)期的效果。1.1 課題的提出與意義課題的提出與意義 1.1.1 課題的提出課題的提出科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了人類文明的向前發(fā)展，加快了社會(huì)生產(chǎn)面貌的改變，具有極其重要的意義?，F(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜性更是不言而喻，隨著國(guó)際間的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，人們對(duì)生產(chǎn)效

20、益、產(chǎn)品質(zhì)量和成本降低的要求也越來(lái)越苛刻，同時(shí)還存在裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴、精度低，難操作等一系列問(wèn)題。這些原因使得人們不得不尋求新的設(shè)計(jì)，和新的方法來(lái)滿足自身和生活生產(chǎn)的需要。人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和過(guò)程控制的必要性，從而致力于對(duì)高精度，強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)的研究。溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位，智能控制應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命，控制的理論化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、實(shí)用化是時(shí)代的要求。1.1.2 課題的意義課題的意義今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來(lái)越多被自動(dòng)化系統(tǒng)所代替，溫度控制，在人們生產(chǎn)生活中占有非常重要的地位，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精

21、度在各種領(lǐng)域表現(xiàn)出越來(lái)越高的速度，穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力，控制對(duì)象的非線性，時(shí)變過(guò)程，強(qiáng)耦合的多參數(shù)，隨機(jī)攝動(dòng)，不確定性和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法是不完美的，它是困難的基于數(shù)學(xué)方法建立被控對(duì)象的精確模型。高精度溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究經(jīng)常面臨的問(wèn)題，研究高精度溫控具有明確的現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術(shù)及其它各種領(lǐng)域的需要。但隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是本世紀(jì)以來(lái),工業(yè)過(guò)程技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用,推動(dòng)了控制理論研究的深入開(kāi)展并進(jìn)入了一個(gè)新的歷程。PID 控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，因而常常被應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)計(jì)和過(guò)程控制中，作為一種應(yīng)用廣泛的控制規(guī)律

22、，PID 控制并沒(méi)有因?yàn)楦鞣N先進(jìn)控制算法，已被淘汰，相反，由于其長(zhǎng)期應(yīng)用，控制工程師們已經(jīng)積累了濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 大量的 PID 參數(shù)調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)，然而，傳統(tǒng)的 PID 控制不能取得令人滿意的結(jié)果，傳統(tǒng)的 PID 控制在工業(yè)過(guò)程中的復(fù)雜系統(tǒng)，更是顯得無(wú)能為力。二十世紀(jì) 80 年代以來(lái)，對(duì)控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究更為多樣化和復(fù)雜化，它不僅顯示了多輸入多輸出的強(qiáng)耦合，非線性和參數(shù)嚴(yán)重的時(shí)變性，更重要的是控制性能要求的提高，可以得到該系統(tǒng)的對(duì)象相對(duì)數(shù)據(jù)量使用減少。因此要想準(zhǔn)確地描述物理現(xiàn)象的復(fù)雜對(duì)象和系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和它們之間的關(guān)系，已不可能。而模糊控制理論卻

23、能如何在精確和簡(jiǎn)潔之間取得平衡，使問(wèn)題的描述具有實(shí)際意義，模糊控制理論的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代控制理論中起著越來(lái)越重要的地位和意義。同時(shí)世界各國(guó)也涌現(xiàn)了越來(lái)越多模糊控制的成功應(yīng)用范例，特別是在工業(yè)過(guò)程、航天飛行、機(jī)器人和家用電器控制方面，并且生產(chǎn)出了專用的模糊芯片與模糊計(jì)算機(jī)。1.2 工業(yè)控制的發(fā)展概況工業(yè)控制的發(fā)展概況從上世紀(jì)初，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)至今，控制理論與控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展，而電子計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代更加推動(dòng)了控制理論不斷向前發(fā)展，控制理論的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：經(jīng)典控制理論時(shí)期、現(xiàn)代控制理論時(shí)期、智能控制理論時(shí)期。智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的最高階段。1.經(jīng)典控制理論上世紀(jì) 20-60 年

24、代為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期，經(jīng)典控制理論是自動(dòng)控制理論中基于根軌跡法和頻率響應(yīng)法基礎(chǔ)上的一個(gè)重要分支。經(jīng)典控制理論的研究對(duì)象是單輸入、單輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)，尤其是線性定常系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論的特點(diǎn)是以輸入輸出特性（主要是傳遞函數(shù)）為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用頻率響應(yīng)法和根軌跡法等這些圖解分析方法，分析系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)控制裝置。拉普拉斯變換是經(jīng)典控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，頻率域方法是占有主導(dǎo)地位的分析和綜合方法。經(jīng)典控制理論主要研究時(shí)間域和頻率域中系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和校正方法。早期，這種控制理論常被稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)和以最優(yōu)控制理論為特征的現(xiàn)代控制理論的形成，

25、開(kāi)始廣為使用現(xiàn)在的名稱。2.現(xiàn)代控制理論上世紀(jì) 60-80 年代為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，推動(dòng)了空間技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)典控制理論中的高階微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，即“狀態(tài)空間法”。現(xiàn)代控制理論是濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 建立在狀態(tài)空間上的一種分析方法，它的數(shù)學(xué)模型主要是狀態(tài)方程，控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)是精確的?？刂茖?duì)象可以是單輸入單輸出控制系統(tǒng)。也可以是多輸入多輸出控制系統(tǒng)，可以是線性定?？刂葡到y(tǒng)，也可以是非線性時(shí)變控制系統(tǒng)，可以是連續(xù)控制系統(tǒng)，也可以是離散或數(shù)字控制系統(tǒng)。因此，現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用范圍更加廣泛。主要的控制策略

26、有極點(diǎn)配置、狀態(tài)反饋、輸出反饋等。由于現(xiàn)代控制理論的分析與設(shè)計(jì)方法的精確性，因此，現(xiàn)代控制可以得到最優(yōu)控制。但這些控制策略大多是建立在已知系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，大部分的控制系統(tǒng)是一個(gè)完全未知或部分未知系統(tǒng)，這里包括系統(tǒng)本身參數(shù)未知、系統(tǒng)狀態(tài)未知兩個(gè)方面，同時(shí)被控制對(duì)象還受外界干擾、環(huán)境變化等的因素影響。3.智能控制上世紀(jì) 80 年代至今，控制理論向著“智能控制”、 “非線性系統(tǒng)理論”、 “大系統(tǒng)理論”方向發(fā)展。智能控制是一種能更好地模仿人類智能的、非傳統(tǒng)的控制方法，它采用的理論方法則主要來(lái)自自動(dòng)控制理論、人工智能和運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科分支。內(nèi)容包括最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模

27、糊控制、仿人控制等。其控制對(duì)象可以是已知系統(tǒng)也可以是未知系統(tǒng)，大多數(shù)的控制策略不僅能抑制外界干擾、環(huán)境變化、參數(shù)變化的影響，還能有效地消除模型化誤差的影響。智能系統(tǒng)可以解決實(shí)際系統(tǒng)中存在不完全性的模糊性、不確定性、時(shí)變性、非線性特征時(shí)，很難獲得精確性能的數(shù)學(xué)模型，而智能控制理論分析和設(shè)計(jì)等問(wèn)題，是控制論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能、信息論等學(xué)科的交叉，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段。1.3 工業(yè)工程控制的常用算法工業(yè)工程控制的常用算法1.3.1 PID 控制控制在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PID 調(diào)節(jié)是指比例，積分和微分調(diào)節(jié)，是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)發(fā)的控制策略。設(shè)置控制質(zhì)量的好壞主要取決于控制規(guī)則和參數(shù)的合理選擇。在控制系統(tǒng)中，

28、總是希望在工藝要求的范圍內(nèi)控制參數(shù)的穩(wěn)定性。但在實(shí)踐中，被控參數(shù)總是與設(shè)定值有差異。調(diào)節(jié)規(guī)律的選取原則為：調(diào)節(jié)規(guī)律有效，能迅速克服干擾。其對(duì)被控對(duì)象的控制規(guī)律為： （1-1）01d ( )( ) ( )( )ddtPDe tu tKe te ttTTt濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 或者寫(xiě)成傳遞函數(shù)的形式為 （1-2）)11 ()(DSISPTTKsG式 1-2 中，為積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；為比例環(huán)節(jié)系數(shù)； 為微分時(shí)間的常數(shù)。對(duì)IKPKDK于不同的被控對(duì)象只要適當(dāng)?shù)剡x取整定 PID 的三個(gè)參數(shù)，就可以獲得滿意的控制效果，完成設(shè)計(jì)要求。事實(shí)上它是對(duì)比例，積分和微分三部分控制

29、作用的妥協(xié)。但是在實(shí)際生產(chǎn)生活現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，PID 控制器的參數(shù)往往整定不良而使其控制效果欠佳，同時(shí)當(dāng)對(duì)象特性變化較大時(shí)，需要重新整定參數(shù)，以確保系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng) PID 控制一般只適用于線性時(shí)不變空間，對(duì)難以建模且無(wú)法取得傳遞函數(shù)的系統(tǒng)難以適用。隨著現(xiàn)代控制理論，智能控制理論的研究和應(yīng)用的發(fā)展和深入，為控制復(fù)雜過(guò)程系統(tǒng)開(kāi)辟了新的途徑。近年來(lái)，為適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求，出現(xiàn)了 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)以及許多新型的 PID 控制方式。1.3.2 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制的基本思想是：在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)本身不斷地測(cè)量被控制系統(tǒng)的狀態(tài)、性

30、能和參數(shù)；從而“認(rèn)識(shí)”或“掌握”系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)作指標(biāo)并與期望的指標(biāo)相比較；進(jìn)而做出決策，來(lái)改變控制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)或根據(jù)自適應(yīng)規(guī)律來(lái)改變控制作用。能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化。自適應(yīng)控制大約在 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始發(fā)展，只是對(duì)具體對(duì)象設(shè)計(jì)的討論，沒(méi)有形成理論體系；60 年代以來(lái)現(xiàn)代控制理論得到蓬勃發(fā)展，為自適應(yīng)控制理論形成和發(fā)展準(zhǔn)備了條件；自適應(yīng)控制的設(shè)想由考德?tīng)枺╓.L.Caldwell)首先提出。隨著科技的進(jìn)步自適應(yīng)控制也迅速發(fā)展起來(lái)，自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)展到航空航天，冶金，機(jī)械和機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域，并在社會(huì)生產(chǎn)和生活中發(fā)揮了巨大的作用。從理論上來(lái)看，自適應(yīng)控制系

31、統(tǒng)是非線性的，往往具有隨機(jī)時(shí)變的特點(diǎn)，系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的，所以這類系統(tǒng)的分析是很難的。自適應(yīng)系統(tǒng)利用可調(diào)系統(tǒng)的輸入量、狀態(tài)變量及輸出量來(lái)測(cè)量某些性能指標(biāo)，完成設(shè)計(jì)需要，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)自我修改參數(shù)，具有更好的可接受性。從理論研究和實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，比較成熟的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有以下兩大類：(1)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，如圖 1-1a 所示；(2)自校正控制系統(tǒng),如圖 1-1b 所示。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 參考模型自適應(yīng)結(jié)構(gòu)被控對(duì)象調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器被控對(duì)象調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)推進(jìn)參數(shù)估計(jì)器圖 1-1a 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng) 圖 1-1b 自校正控制系統(tǒng)1.3.

32、3 智能控制智能控制智能控制是一門(mén)交叉學(xué)科，著名美籍華人傅京遜 1971 年首先提出的，是二元論，它將人工智能和自動(dòng)控制進(jìn)行交叉。美國(guó)學(xué)者 G.N.Saridis1977 年在此基礎(chǔ)上提出了運(yùn)籌學(xué)，形成了三元論。智能控制根據(jù)智能控制發(fā)展的不同歷史階段和不同的理論基礎(chǔ)可以將它分為四大類：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。近年來(lái)，智能控制無(wú)論是理論上還是應(yīng)用技術(shù)上均得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，控制理論的研究人員和工程師們把智能控制與常規(guī) PID 控制相結(jié)合，形成了許多形式的智能 PID 控制器。智能控制成為眾多過(guò)程控制的一種較理想的控制裝置。1.4 智能控制方法概述智能控

33、制方法概述1.4.1 智能方法的起源與發(fā)展智能方法的起源與發(fā)展在工業(yè)控制中，經(jīng)常存在著工業(yè)過(guò)程設(shè)計(jì)復(fù)雜、數(shù)學(xué)模型難以確定的系統(tǒng)，而這些問(wèn)題是傳統(tǒng)控制無(wú)法解決的，這就要求智能控制理論針對(duì)環(huán)境、控制目標(biāo)、被控對(duì)象或任務(wù)復(fù)雜性進(jìn)行研究，從而提出了智能控制。它是運(yùn)籌學(xué)、自動(dòng)控制理論和人工智能等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。解決非線性模型化系統(tǒng)的控制問(wèn)題是它與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)別。智能控制的兩個(gè)主要研究方向是模擬人類的專家控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，另一個(gè)是模擬人的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行控制。智能控制必須具備有人的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。從 20 世紀(jì)60 年代起，由于空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，控制界也開(kāi)始了新的革新。19

34、66 年，J.M.Mendal 首次提出人工智能技術(shù)用于飛船控制系統(tǒng)，1971 年傅京遜歸納了濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 三種類型控制系統(tǒng)：人作為控制器的系統(tǒng)，人機(jī)結(jié)合作為控制器的系統(tǒng)和無(wú)人參與的自主控制系統(tǒng)。1985 年 IEEE 在美舉行了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)，成立了專業(yè)委員會(huì)。各種學(xué)科的發(fā)展給智能控制注入了活力，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、進(jìn)化論等。智能控制的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，結(jié)合心理學(xué)、人工智能、神經(jīng)學(xué)等深入地學(xué)習(xí)解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)、策略等，建立更復(fù)合要求的系統(tǒng)；研發(fā)適合當(dāng)今計(jì)算機(jī)資源條件的控制方法；不斷提高智能水平，為解決更多實(shí)際應(yīng)用中的難題

35、致力于研究軟、硬件進(jìn)行處理機(jī)，信號(hào)處理器等智能開(kāi)發(fā)工具。1.4.2 智能控制方法的分支、特點(diǎn)及應(yīng)用智能控制方法的分支、特點(diǎn)及應(yīng)用智能控制的主要形式是：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、分級(jí)遞階智能控制、各種方法綜合集合以及仿人智能控制。1）模糊控制是人類最初對(duì)事物的認(rèn)識(shí)都是定性的、模糊的和非精確的，于是經(jīng)模糊信息引入智能控制具有現(xiàn)實(shí)的意義。它是以模糊系理論為基礎(chǔ)的。形式如下：規(guī)則庫(kù)模糊化模糊推理清晰化 輸入輸出圖 2-1 模糊控制的基本結(jié)構(gòu)2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于腦模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用仿生學(xué)的觀點(diǎn)與方法來(lái)研究人腦和智能系統(tǒng)中的高級(jí)信息處理。 3）專家控制是將專家系統(tǒng)控制。它的功能

36、如下：控制過(guò)程可以利用先驗(yàn)知識(shí)，能夠滿足任意動(dòng)態(tài)過(guò)程的控制需要，利用修改、增加規(guī)則，來(lái)積累知識(shí)改進(jìn)系統(tǒng)性能，對(duì)系統(tǒng)的性能如超調(diào)小、偏差增大等均可定性描述，同時(shí)可進(jìn)行解釋，檢測(cè)故障來(lái)獲取經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。其結(jié)構(gòu)圖如下：知識(shí)庫(kù)推理機(jī)算法庫(kù)A/D被控對(duì)象D/A濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖 2-2 專家控制的基本結(jié)構(gòu)4)仿人智能控制的核心就是在控制過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)提供的特征信息，并啟發(fā)和直覺(jué)推理從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確模型的對(duì)象進(jìn)行有效控制。5）各種方法綜合集成有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專家控制、模糊 PID 控制等。智能控制的特點(diǎn)：

37、1）應(yīng)能為復(fù)雜系統(tǒng)（如強(qiáng)耦合、非線性、快時(shí)變、多變量、不確定性等）進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力；2）是定型決策和定量控制相結(jié)合的多模組合控制；3）其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的方面來(lái)分析，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，并具有自組織能力；4）同時(shí)具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)表示的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合控制，系統(tǒng)在信息處理上既有數(shù)學(xué)運(yùn)算又有邏輯和知識(shí)推理。智能控制主要解決那些用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，其中包括智能機(jī)器人控制，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，航空航天控制，社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)，交通運(yùn)輸系統(tǒng)，環(huán)保及能源系統(tǒng)等。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

38、徑。在各種儀表高速發(fā)展的今天，控制裝置已經(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)容論文的主要研究?jī)?nèi)容 本文共分四章，其結(jié)構(gòu)內(nèi)容如下：第一章為緒論部分，主要對(duì)本課題研究背景和意義、論文結(jié)構(gòu)、控制理論發(fā)展的狀況和內(nèi)容作逐一介紹；第二章為 PID 控制器算法研究，以對(duì)基本的 PID 控制器的結(jié)構(gòu)分析為出發(fā)點(diǎn)，介紹了模糊控制技術(shù)的背景和重大意義，了解常規(guī) PID 控制中的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)并從其控制原理的規(guī)律、參數(shù)整定的方法綜述和應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展多方面進(jìn)行分析與討論，提出了進(jìn)一步研究溫控參數(shù)整定方法的必要性；

39、第三章對(duì)模糊控制的發(fā)展、模糊控制的構(gòu)成結(jié)構(gòu)、模糊控制器的設(shè)計(jì)方法三方面進(jìn)行比較深入的研究分析，提出其與經(jīng)典控制相結(jié)合必要性；第四章詳細(xì)介紹了本文所提出的一種新型控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程；對(duì)本文所提控制器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，掌握 MATLAB 中模糊工具箱、SIMULINK 的使用及模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的模糊控制器的規(guī)則。并將其與常規(guī) PID 控制和常規(guī)模糊控制進(jìn)行比較分析，并且歸納結(jié)果、概括結(jié)論。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章第二章 PID 控制基本理論及參數(shù)設(shè)定控制基本理論及參數(shù)設(shè)定2.12.1 PID 控制理論控制理論在自動(dòng)控制

40、系統(tǒng)中，PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有70 多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID 控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID 調(diào)節(jié)是指比例調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)作用。在控制系統(tǒng)中總是希望被控參數(shù)穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)，而調(diào)節(jié)控制質(zhì)量的好壞取決于控制規(guī)律的合理選取和參數(shù)的整定。但在實(shí)際中被控參數(shù)總是與設(shè)定值有一定的誤差。對(duì)于調(diào)節(jié)規(guī)律的選取原則通常為：調(diào)節(jié)規(guī)律有效，能迅速克服出現(xiàn)的各種干擾。2.1.12.1.1 模擬模擬 PID 控制器控制器在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制，常規(guī) PI

41、D 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-1 所示：濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 比例被控對(duì)象積分微分r(t) +e(t)_u(t)y(t)圖 2-1 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式為： （2-1）)11 ()(DSISPTTKsG各校正環(huán)節(jié)作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)比例控制就是對(duì)偏差進(jìn)行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用。即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp、Kp 越大偏差減小的越快。但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp 減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在靜差不能

42、消除。比例調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，控制及時(shí)，參數(shù)整定方便，控制結(jié)果有余差。比例環(huán)節(jié)能及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。因此，比例控制規(guī)律適應(yīng)于對(duì)象容量大負(fù)荷變化不大純滯后小，允許有余差存在的系統(tǒng)，一般可用于液位、次要壓力的控制。同時(shí)增大比例系數(shù) K，可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小系數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。（2）積分環(huán)節(jié)積分控制實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)而且還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差積累起來(lái)，一起算總帳。積分過(guò)程的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。它能

43、對(duì)穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。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，只要有誤差積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差。自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在穩(wěn)濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 定狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)誤差的存在，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)為有差系統(tǒng)。為了消除產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中就必須引入積分項(xiàng)。時(shí)間的積分對(duì)積分項(xiàng)對(duì)誤差的作用起著決定性作用，隨著時(shí)間的不斷增加，積分項(xiàng)就會(huì)增大。這樣，即使誤差已很小，積分項(xiàng)也會(huì)因時(shí)間的增加而變大，它推動(dòng)著控制器的輸出向穩(wěn)態(tài)誤差減小的方向進(jìn)行變化，直到穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到零。（3）微分環(huán)節(jié)微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢(shì),可在誤差信

44、號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。微分環(huán)節(jié)具有超前作用，對(duì)于具有滯后的控制系統(tǒng)，引入微分控制，在微分項(xiàng)設(shè)置恰當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的提高有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動(dòng)態(tài)誤差減小。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差

45、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環(huán)節(jié)或滯后的被控對(duì)象，可以有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差函數(shù)變化“超前” ，這是在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。微分項(xiàng)能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，從而促使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了在調(diào)整過(guò)程中被控量的嚴(yán)重超調(diào)，以改善了系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。PID 控制(實(shí)際中還包括僅用到 PI 和 PD 的控制的系統(tǒng))，就是根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差或者加上系統(tǒng)誤差的變化率的大小，利用比例、積分、微分計(jì)算出被控量進(jìn)行控制。使系統(tǒng)的

46、響應(yīng)達(dá)到快(快速)、準(zhǔn)(準(zhǔn)確)、穩(wěn)(穩(wěn)定)的最佳狀態(tài)是任何一種閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)目標(biāo)，而 PID 調(diào)整的主要工作就是如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。2.1.22.1.2 數(shù)字?jǐn)?shù)字 PID 控制器控制器隨著計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)逐漸被數(shù)字控制方式所取代。在濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)算法程序來(lái)實(shí)現(xiàn)是 PID 控制規(guī)律，采用的是數(shù)字 PID 控制器，數(shù)字 PID 控制算法通常都分為位置式的 PID 控制算法和增量式的 PID 控制算法。2.22.2 PIDPID 控制器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)控制器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)1.對(duì)外界干擾的抑制。數(shù)字 PID 控制器

47、的輸入量取決于偏差值 e，它是系統(tǒng)的給定值 r 和系統(tǒng)實(shí)際輸出 y 的偏差。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)過(guò)程后，由于 e 值不大，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，不僅僅要在硬件采取相應(yīng)的措施以外，還要在控制算法上也要采取一定的措施。2.積分飽和現(xiàn)象及其抑制。在控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用標(biāo)準(zhǔn) PID 位置式算法，只要系統(tǒng)的偏差沒(méi)有消除，積分作用就會(huì)繼續(xù)增加或減小音量控制，最終使控制量達(dá)到上限或者下限時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入飽和區(qū)。對(duì)于偏差不會(huì)在幾個(gè)周期內(nèi)消失的情況，常常采用過(guò)限積分消弱法和積分分離法。2.32.3 PID 控制參數(shù)調(diào)節(jié)和整定控制參數(shù)調(diào)節(jié)和整定PID 控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的方法很多，概括起來(lái)

48、有兩大類：一是理論計(jì)算法；二是工程方法；工程實(shí)際中，PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)整定方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。1942 年由 Ziegler 和 Nichols 首次提出 PD 工程整定算法，簡(jiǎn)稱 Z-N 經(jīng)驗(yàn)公式。到1953 年，在 Z-N 公式的基礎(chǔ)上，Cohen 和 Coon 提出了一種考慮被控過(guò)程時(shí)滯大小的Cohen-Coon 整定公式，這一算法是對(duì) Z-N 算法的繼承和發(fā)展。1971 年,由著名的華裔科學(xué)家傅京孫教授首次公開(kāi)提出智能控制系統(tǒng)的概念。2.3.12.3.1 Zieg1er-Niehols 整定法整定法Ziegler-Nichols 法也叫動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，其適用

49、對(duì)象為帶純時(shí)滯的一階慣性環(huán)節(jié)，是一種開(kāi)環(huán)的整定方法。Ziegler-Nichols 法也是基于頻域設(shè)計(jì) PID 控制器的方法，基于在一定程度上頻域的設(shè)計(jì)方法回避了精確的系統(tǒng)建模，而且具有較為明確的物理意義，比常規(guī)的 PD 控制可適應(yīng)的場(chǎng)合更多。一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)概括其數(shù)學(xué)模型，即：- s(s)1KeGTs (2-2)濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 在上式中 K 是放大系數(shù)，T 是時(shí)間常數(shù)，Ziegler-Nichols 法是根據(jù)給定對(duì)象的一瞬態(tài)響應(yīng)特性來(lái)確定 PID 控制器的參數(shù)。響應(yīng)曲線如圖 2-2圖 2-2 被控對(duì)像的階躍響應(yīng)曲線圖2.3.22.3.2 Coh

50、en-Coon 參數(shù)整定法參數(shù)整定法Cohen-Coon 參數(shù)整定法是在 Ziegler-Nichols 法的基礎(chǔ)上的改進(jìn)和完善，同屬于動(dòng)態(tài)特性整定法。表 2.1 Cohen-Coon 法整定控制器參數(shù)。表 2.1 Cohen-Coon 法整定控制器參數(shù)控制器類型比例度（%）積分時(shí)間1T微分時(shí)間pTP 控制TKT310PI 控制TKT129 . 0TT2093300濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） PID 控制TKT434TT81363242.3.32.3.3 試湊法試湊法試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)行修改參數(shù)知道符合要求。一般情況下

51、，增大比例系數(shù)會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但是會(huì)造成超調(diào)變大，并產(chǎn)生振動(dòng)使穩(wěn)定性下降。減小積分系數(shù)有利于減小超調(diào)是控制穩(wěn)定但速度變慢。增加微分系數(shù)有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，產(chǎn)生小的超調(diào)，穩(wěn)定性加強(qiáng)，但抗干擾能力下降。在初步的 PID 參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)節(jié)，通過(guò)改變給定值和對(duì)控制系統(tǒng)施加擾動(dòng)，分析研究系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線，同時(shí)修改 PID 參數(shù)，反復(fù)進(jìn)行試湊，直到整定出最佳的參數(shù)值為止。2.3.42.3.4 衰減曲線法衰減曲線法衰減曲線參數(shù)整定法也是一種封閉的循環(huán)，它根據(jù)衰減的頻率調(diào)諧參數(shù)衰減曲線法在純比例環(huán)節(jié)被控對(duì)象的作用下，過(guò)渡過(guò)程的衰減響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上比為 4:1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一

52、個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式的最佳參數(shù)值的方法。其具體操作步驟如下：先把控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置為純比例環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，然后從大到小逐漸改變比例度的系數(shù)占有率，直到系統(tǒng)出現(xiàn) 4:1 衰減過(guò)程曲線：圖 2-3 系統(tǒng)衰減曲線圖利用衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題:濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1)控制過(guò)程首先要先比例，后積分，最后微分的操作過(guò)程執(zhí)行，在控制器上設(shè)置分析得的整定參數(shù)；2)有些被控系統(tǒng)反應(yīng)比較快，鎖定 4:1 的衰減曲線段同時(shí)得到在此衰減比下的衰減振蕩周期兀是很困難的，誤差也大，針對(duì)此情況下，可用記錄指針來(lái)回?cái)[動(dòng)兩次就可以達(dá)到穩(wěn)定來(lái)作為 4:1 衰減過(guò)

53、程；3)當(dāng)負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，必須重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)值，直到滿足新環(huán)境下的控制要求；4)對(duì)于有些被控系統(tǒng)，若 4:1 比率下衰減太慢，可采用 10:1 衰減過(guò)程。2.42.4 PID 控制器的局限性及發(fā)展控制器的局限性及發(fā)展PID 控制算法由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物理意義明確，魯棒性強(qiáng)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，使它在工業(yè)控制中處于主導(dǎo)地位，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。然而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中往往具有非線性、時(shí)不變性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，常規(guī) PID 控制器不能達(dá)到理想控制效果，參數(shù)不能整定不良，性能欠佳，對(duì)運(yùn)行情況適應(yīng)性差，仍面臨許多富人限制和挑戰(zhàn)。針對(duì)以上問(wèn)題，人們利用當(dāng)今科技也做了些改進(jìn)工作。

54、一方面對(duì)常規(guī) PID 控制器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，另一方面，隨著現(xiàn)代控制理論(諸如自適應(yīng)模糊控制、智能控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)研究和應(yīng)用與深入，為控制復(fù)雜且無(wú)規(guī)則的系統(tǒng)開(kāi)辟了新研究方向，人們又把它們與常規(guī) PID 控制相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成智能 PID 控制。結(jié)合模糊控制和 PID 控制是改善控制性能的一種有效方法，模糊控制不依賴于對(duì)象模型，對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息，根據(jù)知識(shí)規(guī)則推理控制適量，因此它具有控制精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，強(qiáng)魯棒性，因此具有良好的應(yīng)用前景。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章第三章 模糊控制概論模糊控制概論3.13.1 模糊控制的發(fā)展及特點(diǎn)模糊控制

55、的發(fā)展及特點(diǎn)模糊控制2(fuzzy control）是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊控制邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，從行為上模擬人的思維方式，對(duì)難建模的對(duì)象實(shí)施模糊推理和決策的一種控制方法。模糊控制的總體思想是基于專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，模仿人類對(duì)于模糊現(xiàn)象進(jìn)行不精確決策推理的能力，采用數(shù)學(xué)方法對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 表 3-2 的模糊規(guī)則表DK 表 3-3 的模糊規(guī)則表IK（3）去模糊化模糊推理過(guò)程后，模糊 PID 控制器 3 的校正參數(shù)的模糊處理，以計(jì)算輸出控制量得到確切的數(shù)額。過(guò)程的模糊化是模糊推理系統(tǒng)的輸出集映射到精確的輸出，采用面積中

56、模糊中心法解模糊。 ； ； 。miimiPiPuKuK11miimiDiDuKuK11miimiiIuuK11濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （4）確定參數(shù)、經(jīng)去模糊處理后，、最終通過(guò)以下的公式得到：PKIKDKPKIKDKPPPPPKKKKK*)(minmaxminDDDDDKKKKK*)(minmaxminIIIIIKKKKK*)(minmaxmin其中、由以下的公式得到：minPKmaxPKminDKmaxDK， UPKK235. 0minUPKK481. 0max， UUDTKK0347. 0minUUDTKK0951. 0max式中：為比例控制下等幅振蕩時(shí)的

57、比例增益；為比例控制下等幅振蕩時(shí)振UKUT蕩周期11。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章第四章 溫控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真溫控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真4.14.1 溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件的工作是上電后對(duì)系統(tǒng)初始化和構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架，其中初始化包括對(duì)單片機(jī)的初始化和串口初始化等。然后等待溫度設(shè)定，按照設(shè)計(jì)要求的溫度，判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)運(yùn)行，則依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序模塊的程序流程圖如圖 4-1 所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路：在微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過(guò)軟件編程而代替。

58、一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，如數(shù)字濾波，信號(hào)處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件編程。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)，軟件的特點(diǎn)要是多種推理方法可以任意選擇，離線支撐功能加強(qiáng)，價(jià)格便宜適宜大眾設(shè)計(jì)。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)始系統(tǒng)初始化等待溫度設(shè)定與否讀溫度設(shè)定值等待運(yùn)行/停止數(shù)據(jù)采集溫度顯示PID運(yùn)算控制輸出運(yùn)行/停止按鈕圖 4-1 主程序流程圖濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 溫度采集模塊

59、溫度設(shè)定模塊單片機(jī)控制模塊外部存儲(chǔ)模塊溫度超限報(bào)警模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊溫度顯示模塊4.24.2 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.2.14.2.1 總系統(tǒng)簡(jiǎn)介總系統(tǒng)簡(jiǎn)介模糊 PID 溫度控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊，溫度采集模塊，溫度顯示模塊，溫度上下限調(diào)整模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和外部存儲(chǔ)模塊等六大部分。系統(tǒng)總體框圖如圖3-1 所示12。 圖 4-2 系統(tǒng)總框圖（1）單片機(jī)控制模塊：它是系統(tǒng)的核心模塊，用來(lái)控制其他各個(gè)模塊的工作情況。（2）溫度設(shè)定模塊：用來(lái)設(shè)定所需求的溫度。（3）溫度超限報(bào)警模塊：當(dāng)溫度高于上限或者低于下限時(shí)，該模塊啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交流。（4）溫度采集模塊：該模塊用來(lái)采

60、集控制對(duì)象的溫度，并輸入到單片機(jī)中。（5）外部存儲(chǔ)模塊：用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)定溫度的上限值和下限值。（6）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊分為兩個(gè)部分；加熱裝置與散熱裝置。（7）溫度顯示模塊：顯示當(dāng)前設(shè)定的溫度值。濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）濰坊大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4.2.24.2.2 系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總電路圖XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.7