温度控制系统智能控制器的设计与仿真(编辑修改稿)

温度控制系统智能控制器的设计与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 5 F C / P I D G ( s )Y d ( t )e ( t )Y ( t )()t 图 21 控制流程图 分别设计 PID 和 Fuzzy 控制器，并做多层次不同比较各自性能，得出最优控制方法。 其中 Yd=1, 1)() 2 ) 0 .1t d   白 噪 声 方 差 定 干 扰,采样周期为 . 第三章 PID 控制器的设计与仿真 PID 控制器的模型与设计 图 31 PID 控制模型 )(11)( sESTSTKsU dip   （ 31） 或写成传递函数形式： )11()( )()( STSTKSE SUSG dipp  （ 32） 公式中 U(s)和 E（ s） 分别是 u（ t） 和 e（ t） 的拉氏变换，其中 pK 、 iT 、 dT 分别控比例 微分 积分 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 6 制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数。 P、 I、 D 控制 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器输出与输入误差讯号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号成正比关系。 对一个自 动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取关于时间的积分，随时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道等于零。 因此，比例加积分（ PI）控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出和输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差调节过程中可能 会出现震荡甚至失稳。 其原因是由于存在较大惯性组件（环节）和有滞后的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使克服误差的作用的变化有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负数，从而避免了被控制量的严重的冲过头。 所以对于有较大惯性和滞后的被控对象，比例加微分（ PD）的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID 控制器部分 Simulink 的模块 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 7 图 32 PID 控制器部分 simulink 模块 PID 控制器参数的整定 由于温度控制系统的模型具有非线性，大惯性和纯延迟的特点，要建立精确的模型是比较困难的。 在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。 故要求在 PID 控制中不仅 PID 参数的整定不依赖与对象数学模型，并且 PID 参数能够 在线调整，以满足实时控制要求。 PID控制器参数的整定方法很多， 本实验采用 临界比例度法 来整定 PID 参数。 Ziegler和 Nichols提出的临界比例度法是一种非常著名的工程整定方法。 通过实验由经验公式得到控制器的近似最优整定参数，用来确定被控对象的动态特性的两个参数：临界增益 Ku 和临界振荡周期 Tu。 临界比例度法 ⋯适用于已知对象传递函数的场合，在闭合的控制系统里，将控制器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变控制器的比例增 益 ，得到等幅振荡的过渡过程。 此时的比例增益 被称为临界增益 ，相邻两个波峰间的时间间隔为临界振荡周期 Tu。 用临界比例度法整定 PID参数的步骤如下： (1) 将控制器的积分时间常数 置于最大 (Ti =)，微分时间常数 置零 (Td =0)，比例系数 Kp 置适当的值，平衡操作一段时间，把系统投入自动运 行。 (2)将比例增益 Kp 逐渐减小，直至得到等幅振荡过程，记下此时的临界增益 Ku 和临界振荡周期 Tu 值。 (3)根据 Ku 和 Tu 值，按照表 l中的经验公式，计算出控制器各个参数，即 Kp 、 Ti 和 Td 的值。 表 31 临界比例参数整定公式 控制器类型 Kp Ti Td P  0 PI 0 PID 按照“先 P后 I最后 D”的操作程序将控制器整定参数调到计算值上。 若还不够满意，则可再进一步调整。 Step 1:以 MATLAB 里的 Simulink 绘出反馈方块，如下图 33 所示 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 8 图 33 反馈方块图 PID 方块图内为： 图 34 PID 方块图 Step 2:将 Td调为 0， Ti 调为 0，让系统为 P 控制，如下图 35 所示： 图 35 PID 方块图 Step 3：调整 KP使系统震荡，震荡时的 KP 即为临界增益 KU，震荡周期即为 TV。 如下图 36所示： 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 9 图 36 系统震荡特性图 Step 4： 再利用 ZieglerNichols 调整法则，即可求出该系统之Ｋ p、 Ti， Td之值。 三个不同的控制对象模型的 Kp， Ti， Td 的整定值。 控制对象 1220)(  SeSG s的参数 Kp， Ti， Td的整定 如下图： 图 37 )(1SG 的 simulink 模型 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 10 图 38 等幅震荡时的输出波形 Tu= 此时设定的 Ku= 按表 31 计算的各参数结果为： Kp = = Ti = = Td = = 控制对象 1420)(  SeSG s的参数 Kp， Ti， Td的整定 如下图： 图 39 等幅震荡时的输出波形 Tu= 此时设定的 Ku= 华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 11 按表 31 计算的各参数结果为： Kp = = Ti = =。