挑战杯范文___基于模糊pid的电锅炉水温控制项目申报书(编辑修改稿)

挑战杯范文___基于模糊pid的电锅炉水温控制项目申报书(编辑修改稿)内容摘要：

糊控制，由于它是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术，可以模拟人的推理和决策过程，因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制，且响应时间短，可以保持较小的超调量。 PID 控制基本理论 PID 控制在生产过程中是一种被普遍采用的控制方法，是一种比例、积分、微分并联控制器。 常规 PID 控制系统原理框图如图22 所示。 理想的 PID 控制器根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成的控制偏差 e(t)      tctrte  （ 22） 将偏差的比例、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。             dt tdeTtdteT1teKtu dip （ 23） 式中 u（ t） —— 控制器的输出。 e(t)—— 控制器的输入，给定值与被控对象输出值的差，即偏差信号。 Kpe（ t） —— 比例控制项， Kp 为比例系数。  t0idtteT1 —— 积分控制项， Ti 为积分时间常数。 tedtdTd 微分控制项， Td 为微分时间常数。 模糊控制理论 模糊控制系统的组成及结构分析 摸糊控制系统是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字模糊控制系统。 智能性的模糊控制器是模糊控制系统的核心。 模糊控制系统组成原理框图如图 23 所示。 模糊控制系统是由被控对象、执行机构、过程输入输出通道、检测装置、模糊控制器等几部分组成。 本文所研制的电锅炉控制系统采用的就是后一种组成方式。 模糊控制器 (FC 一 Fuzzy Controller)又称为模糊逻辑控制器 (FLC 一 Fuzzy Logic Controller)，它的模糊控制规则用模糊条件语句来描述，是一种语言型控制器，因此有时又被称为模糊语言控制器。 模糊控制器的机构框图如图 24 所示。 图 24 中， ut是被控对象的输入， y(t)是被控对象的输出，s(t)是参考输入， e 为误差。 图中虚线框内就是模糊控制器，它根据误差信号产生合适的控制作用，输出给被控对象。 模糊控制算法的实现 模糊控制算法的实现方法目前有三种，即查表法、硬件专用模糊控 制器和软件模糊推理等。 本论文模糊控制器的设计采用的正是 查表法。 查表法适用于输入、输出论域为离散有限论域的情况。 查表法是输入论域上的点到输出论域的对应关系，它己经是经过了模糊化、模糊推理和解模糊的过程，它可以离线计算得到，模糊控制器在线运行时，进 行查表就可以了，因而可以大大加快在线运行的速度。 这一过程可以用 图 25 表示。 图 25 查表法 3 控制系统特性及仿真研究 电锅炉温度控制系统特性 锅 炉 允 许 最 高 温 度95 ℃。 现，由控制 算法计算出输出量，根据输出量判断继电器的通断。 制过程包括两个阶段。 ①自由升温段 :要求锅炉水温快速升至温度设定值。 ②保温段 :水温升至设定值后要求温度维持设定值基本不变。 水温的检测元件采用数字式传感器。 图 31 温度 上 升曲线 电锅炉的温度控制系统是常见的确定性系统，采用飞升曲线测量方法，测出锅炉温控制系统的飞升曲线，即可得到控制对象的数学模型。 控制系统仿真研究 PID 控制器设计 在 Simulink 中创建用 PID算法控制电锅炉温度的结构图如图 33 所示 : 图 33 电锅炉 PID 控制系统仿真结构图 电锅炉温度控制系统是一个大惯性、纯滞后系统， PID 控制虽可以使系统达到稳定，但调节时间过长及超调量大使系统达不到理想的控制效果，因此在实际中控制器起的作用不明显。 在工业生产过程中，当 PID调节难以驾驭控制系统时，常常根据系统的动态特性，设计出一个补偿器，调节器将把难控对象和补偿器看作一个新的对象进行控制。 Smith 补偿的原理是 :与PID 控制器并接一个补偿环节，这个补偿环节就是 Smith 预估器， 其传递函数为 (1 一 e τS)G(S)(τ为滞后 时间 )，即加入Smith (38) 分解得 (39) 在 Simulink 中建立的带 Smith 预估器的 PID 结构图如图 34 所示 : 图 34 带有 Smith 预估器的 PID控制系统仿真结构图 PID 参数的整定 1. ZieglerNichols( 齐格勒一尼柯尔斯 )参数整定 它是在实验阶跃响应的基础上，或者是在仅采用比例控制作用的条件下，根据临界稳定性中的 Kp 值建立起来的。 当被控对象的传递函数可以近似为带延迟的 一阶系统 : (310) 齐格勒一尼柯尔斯给出了用表 31 中的公式确定 Tp、 Ti, Td 的值的方法。 表 31 参数表 用 ZieglerNichols 法则调整 PID控制器，给出下列公式 : (311) 由电锅炉温度控制系统的传递函数得 :K= 秒 T=120 秒，τ=122 秒 得 Ti=2τ =2 44 秒， Td== =61秒 根据齐格勒一尼柯尔斯参数调整法则得 PID 三个参数为 : 图 35 , 36 为给定值 60 ℃ 时，在该参数下的系统仿真响应曲线图，图 35 为纯 PID 控制响应曲线图。 图 36 为带有 Smith 预估器的 PID 控制响应曲线图。 由图 35 可见，在齐格勒一尼柯尔斯参数整定下纯 PID 控制系统性能指标为调节时间 tss = 1400秒，超调量δ %= %，稳态误差 ess=0 图 36 ZieglerNichols 参数整定带有 Smith 预估器的 PID 控制响应曲线图 由图 36 可 见 ，ZieglerNichols 参 数 整 定 带 有Smith 预估器的 PID 控制系统 性能指标为 :调节时间 tss =1070秒，超调量δ %=5%，稳态误差ess=0。 2. ChienHrones(CHR) 参数整定ChienHrones 参数整定对设定问题的关注主要有两种情况，一种是带有 20%超调量的快速响应，另一种是没有超调量的快速响应，对于本系统最关注的是没有超调量的最快速响应，表 32 是ChienHrones(CHR)参数整定法则 : 表 32 参数表 得 Ti=122 秒， Td= =61 秒。 根据 ChienHrones 参数调整法则得 PID 三个参数数： 图 37 为给定值为 60 ℃ 时，在该参数 下的仿真响应曲线图。 图 37 ChienHrones 参数 整定纯PID 控制响应曲线图 由图 37 可见， ChienHrones参数整定纯 PID 控制系统性能指标为 :调节时间 tss==20xx 秒，超调量δ %=20 ℅，稳态误差 ess==0。 由图 38 可见， ChienHrones 参数整定带有 Smith 预估器的指标为 :调节时间 tss= 1250 秒，超调量δ %=%稳态误差 ess==0。 对以上仿真结果分析可见，用经典的方法算出的PID 参数不一定能满足控制要求。 实际控制过程中， 也是通过手。