毕业设计实验锅炉炉温自校正PID控制系统设计.doc

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毕业设计（论文）

题目：

实验锅炉炉温自校正PID控制系统设计

实验锅炉炉温自校正PID控制系统设计

摘要

本文以递推最小二乘法为自适应规律,研究实验锅炉温度控制,用MATLAB语言编程并进行系统仿真,在仿真结果的基础上进行分析研究.结果表明当采用自校正PID算法时,系统有自适应能力,能根据被调节系统自动调节KP、KI、KD参数使系统达到稳定,解决了长期以来大时滞实验锅炉系统PID参数设定难的问题.为了使系统更精确,本文采用了“带遗忘因子的递推最小二乘法”估计算法.

关键字：

自校正PID;炉温控制;参数估计;最小二乘法

ABSTRACT

ThispaperadoptsrecursiveleastsquaremethodtoresearchhowtocontroltheexperimentalboilertemperatureandusesMATLABtoprogramandsimulate.Thefurtherresearchandanalysisaremadeonthebasisofsystemsimulationresults,Theresultsshowthatwhenadoptingtheself-revisedPIDcontroller,thesystemcanadaptthecomplexworkingconditionsandthecontrollercanselectthePIDparametersautomatically.Morever,ithassolvedthedifficultproblemofsettinglargedelayexperimentalboilersystemPIDparameters.Inordertomakethesystemmoreaccurate,thispaperadoptstheestimationalgorithmofrecursiveleast-squaremethodwithforgettingfactor.

Keywords：

Self-revisedPIDController;TemperatureControl;RecursiveLeastSquareMethod;ParameterEstimation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2论文的主要内容 1

1.3本人主要工作 1

2常规PID控制算法及其改进算法 2

2.1常规PID控制原理 2

2.1.1常规PID调节器算法 2

2.1.2常规PID调节器的参数整定 3

2.1.3常规PID调节器在实际应用中的局限 3

2.2数字PID控制 3

2.2.1位置式PID控制算法 4

2.2.2增量式PID控制算法 5

2.2.3数字PID控制器的参数整定方法 5

2.2.4采样周期的选择 6

3自校正PID控制算法 7

3.1自适应控制系统原理 7

3.1.1概述 7

3.1.2模型参考自适应控制 8

3.1.3自校正控制 8

3.2自校正控制系统 9

3.3.1递推最小二乘估计 10

3.3.2带遗忘因子的递推最小二乘算法的递推算式 12

3.3.3初值的确定 13

3.4本论文所用自校正PID控制算法 13

3.4.1具体框图和原理 13

3.4.3带遗忘因子的递推最小二乘法 17

4系统硬件的结构设计 18

4.1系统硬件的结构 18

4.2自校正PID实验锅炉控制系统原理 18

4.3自校正控制算法设计 20

4.4自校正PID算法设计流程图 21

5MATLAB仿真及结果分析 22

6结论 26

参考文献 27

致谢 28

附录 29

IV

29

1绪论

1.1选题背景及意义

锅炉炉温控制是典型的工业过程控制对象，例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

通常，电阻炉炉温控制都采用偏差控制法。

偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值，然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率，以实现对炉温的控制。

通常对偏差进行比例、积分和微分控制又称PID控制，是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式。

但由于锅炉温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后性等特点，很难用数学建立精确的模型和确定参数。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，多年来，人们一直在努力寻找一种方法，能够简单易行的在线实时自动整定PID参数。

自校正PID调节器就是其中的一种，自校正PID是自校正思想和常规PID控制器相结合的产物，它吸收了两者的优点，设计参数少，能够在线整定和校正PID控制器参数，具有较强的适应能力[1]。

1.2论文的主要内容

本论文详细的阐述了常规PID控制优点和缺陷控制功能，以及如何把最小二乘法的思维与常规PID相结合的，得出了基于最小二乘法的自校正PID控制算法。

以及如何把自校正PID应用到实验锅炉稳定控制系统中，并对自校正PID实验锅炉温度控制系统进行了matlab仿真，并与常规PID控制的实验锅炉炉温控制系统相比较，得出了自校正PID能自适应实验锅炉系统且自动调节PID参数以达到最优控制，解决了常规PID参数难以设定的问题。

1.3本人主要工作

（1）对自适应控制技术和常规PID调节器的原理进行研究，熟悉其模型原理；

（2）确定整个实验锅炉自校正PID控制系统算法；

（3）设计实验锅炉对象模型组成框图和结构图；

（4）对实验锅炉模型实施自校正PID控制，进行matlab仿真，得到多个设定值的仿真波形，并与其他控制方法比较得出结论。

2常规PID控制算法及其改进算法

PID控制是模拟控制系统最常用的控制规律之一。

模拟PID控制系统原理框图如图2.1所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

比例

R（t）

+

+

Y（t）

微分

积分

被控对象

+

_

U（t）

图2.1常规PID控制原理图

2.1常规PID控制原理

2.1.1常规PID调节器算法

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差：

（2-1）

将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。

其控制规律为：

（2-2）

其传递函数为：

（2-3）

式中，——比例系数，——积分时间常数，——微分时间常数。

PID控制器各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：

成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。

（2）积分环节：

主要用于消除误差，提高系统的精度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：

反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

2.1.2常规PID调节器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，并且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有稳定边界法、动态特性参数法和衰减曲线法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是稳定边界法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下[2]：

（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

2.1.3常规PID调节器在实际应用中的局限

（1）由于实现控制系统的器件的物理特性的限制，使得PID控制器获取得原始信息偏离真实值，而其产生的控制作用偏离理论值。

（2）由于在系统的设计与整定过程中，要兼顾动态与稳定性能，只能采取折衷方案，难以大幅度提高控制系统的性能指标。

（3）对于存在强非线性、快速时变不确定性、强干扰等特性的对象，控制效果较差。

2.2数字PID控制

在连续时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。

其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。

计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。

因此连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。

在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。

数字PID控制比连续PID控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题，经修正得到更完善的数字PID算法[3]。

2.2.1位置式PID控制算法

按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点代表连续时间，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶向后差分近似代替微分，即：

（2-4）

可得离散PID表达式：

（2-5）

式中，为采样周期，和分别为第（k-1）和第k时刻所得的偏差信号。

根据Z变换迭值定理和滞后定理可得：

则对离散PID的表达式（2-5）作z变换，可得

（2-6）

由（2-6）可得数字PID控制器的Z传递函数为：

（2-7）

算法中，为了求和，必须将系统偏差的全部过去值都存储起来。

这种算法得出控制量的全量输出（的是控制量的绝对数值，的值和执行机构的位置是一一对应的，因此称其为位置式PID控制算法[4]。

2.2.2增量式PID控制算法

位置式PID算法计算时需要对进行累加，计算机运算工作量很大。

而且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化，这就可能造成重大的生产事故。

并且有些执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要的就是PID的"增量算法"。

所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。

根据位置式算法的公式（2-5）可知，

则有：

（2-8）

式（2-8）称为