完整PID控制器设计及仿真Word文档格式.docx
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FuzzyPIDcontrol;
TheSimulationanaIysis
第1章绪论0
1o1本课题研究背景及意义0
1.2国内外研究现状0
第二章被控对象及控制策略研究2
2o1被控对象分析2
2o2控制策略研究3
2.2o1PID控制基本理论3
2.2。
2模糊控制理论5
第三章PID控制器设计及仿真分析11
3.1电锅炉温度控制系统特性11
3o2控制系统设计仿真研究12
3.2.1PID控制器设计12
3.2o2模糊PID控制器设计15
3o2o3MATLAB仿真分析15
第四章总结19
参考文献20
致谢21
第1章绪论
1o1本课题研究背景及意义
当前温度控制广泛应用于各行各业，特别是石油化工、机械制造、食品加工等领域中，由于各行各业差异较大，因此控制对象差异很大，且存在的干扰类型也不相同。
工业热处理中，最常使用的设备就是电热炉，通常对电热炉进行温度控制，由于温度系是非线性的，且具有时变、大滞后以及外界干扰较多等特点，因此研究温度控制一直是行业的热点领域之一•此外由于电热炉的功率较大，因而依靠发热管加热能够快速的提升整体的温升，加热速度很快，但是对其冷却主要依靠的是自然环境的冷却功能，因此当温度发生一定的超调后,就无法有效的对其进行有效调节，正是存在上述问题，因此有必要提升电热炉温度控制调节的精度，当温度超出要求的合理范围内，通过温度控制策略能够较好的处理热工件，从而使温度在要求的范围内，提升电热炉的功率效率，降低损耗。
传统的电热炉使用最多的控制方法是电位差计式控制方法，有效的调节电热炉的温度，但是该方法存在一定的缺点，如控制精度相对较低，耗费的能源也较大，因此效率较低，此外传统的控制方法好存在一定的延伸特性，导致无法有效的对温度进行调节。
随着电力电子技术的快速发展，特别微型计算机的出现，实现了智能化控制，能够采用体积小、功率高的装置完成电热炉的有效调节.
1.2国内外研究现状
查阅相关文献可以看到，国内外最早使用电热炉是从19世纪20年开始的，到了上世纪，岀现了相关的控制系统，如分布式控制，能够较好的对电热炉进行有效调节。
近些年，随着模糊控制、神经网络、自适应控制等相继岀现，使得对电热炉的控制越来越多样化，此外国外相关研究人员还将可编程控制器、智能控制等算法相继加入到电热炉控制当中，不断提升电热炉控制效果。
国内虽然针对电热炉的控制较少，起步较晚,总的来讲主要经历了下面几个阶段：
1、纯手动控制方法,2、单元组合仪表控制方法，3、微机控制方法，4、分散控制方法，从上世纪开始我国相继从国外引进了相应的控制技术，但是由于受到诸多方面的影响，我国在电热炉等领域的发展仍然而临问题，特别是中小企业仍然无法自主生产电热炉有效的控制装置。
进入到21世界，随着我国经济实力的不断发展，技术的成熟，特别是智能控制不断完善,我国不断开展新一代电热炉的研发工作，不但优化当前电热炉的控制系统，从而使得电热炉温度控制领域成为了最具发展潜力的行业。
随着进行年我国市场经济的不断减少，市场竞争也趋于激烈。
在整个工业生产中，不仅要求高质量，此外还要求生产的设备价格低，精度高，品质好，因此对温度控制策略的不断优化和改进己经成为了电热炉控制领域的趋势，下面简单分析下工业控制领域发展的基本概况。
单考虑理论方面的因素，通常将工业控制分为是三个阶段，1、经典控制阶段,2、现代控制阶段，3、智能控制阶段：
经典控制阶段属于初级阶段，主要使用的理论是经典控制理论，通常采用常规液压、电动等方法完成对工业生产过程的温度变化，液体流量大小，压力数值等测量和控制。
第二阶段主要进行发展和完善阶段，此时运用的主要是现代控制理论，通过计算机、各种仪器等设备，对复杂现象进行有效分解处理，从而完成最后的控制效果，在这一阶段中由于建模理论、实时控制特性等获得了突破性发展，因此能够有效的优化模型，提升控制效果，当前发展阶段记为第三阶段，当前控制主要的发展趋势是智能、综合化，特别是近些年兴起的人工智能方法，能够进一步提升温度控制效果。
智能控制当中最具发展潜力的是神经网络控制方法、专家系统控制方法、模糊系统控制方法，本文采用的控制方法是模糊控制，该方法能够较好的将确定性和不确定性两方而综合考虑，从而将其转化为知识，有效的提升控制效果。
第二章被控对象及控制策略研究
2o1被控对象分析
排污口
供暧回水口
电锅炉主要的功能是将电能转化为热能，其工作原理与传统的锅炉有非常相似的地方，我们从结构上看，改装置主要有两部分组成,一个是“锅”，一个是“炉”。
其中“锅”这部分主要是盛放热介质用到，一般都是放水，而“炉”这部分主要完成的功能是将水进行加热，当前国内外生产电热炉的厂家很多，生产的型号也残次不齐,从整体来看，主要有卧式、立式以及多单元式等结构，从传热介质上来讲，主要有蒸汽式、热水式、有机载体式等过了，从获取热量的来源上主要有蓄热式、直热式。
从加热原理上来讲，主要有感应式、电热棒式、电热管式、电极式以及电热板式，木文研究的对象为直热式热水锅炉，一般加热方式是通过电阻放热，从而加热水的稳定，其工作压力一般达到0。
4Mpa,水温一般为95°
C左右.
散热片
图2。
1电锅炉安装图
当锅炉工作的压力在0.4Mpa的时候，水能够达到的饱和稳定为144摄氏度，因此当水温处于最高温度95摄氏度的时候，能够远离工作压力下的饱和稳定，从而使加热元器件的表明出现过度沸腾的现象，因此无法有效的控制水温，此外，当水温处于95摄氏度的时候，基本上也不会产生过多的水蒸气，具体安装图如2.1所示。
从上面图形可以看出，一般向供热区进行释放的热量主要来源于散热片，因此供热区域部控制的主要参数是温度，通过热水的量进性调节。
通过补水阀的控制，从而控制出水的开始和暂停，通过调节阀的控制，调节供水的等温特性.因此在研究电锅炉水温的同时，要结合电锅炉水温上升的特性,从而达到预期的控制要求，实现调节速度快,稳态好，误差低的要求。
由于控制对象的残次不齐，从控制理论和实验效果来看，使用的电热装置能够进
行自平衡，通常使用二阶系统进行描述，为了简化计算，通常使用参数辨识的方法
对其进行降阶处理，用一阶惯性环节进行表示，其传递函数如式2.1所示：
（2.1）
上式当中，时间常数用丁表示，
控制对象的纯滞后时间用「表示，
控制对象的静态增益用K表示。
其中控制对象的参数对输岀产生的应如下：
1＞时间常数用了主要反映受控对象受到阶跃干扰后，达到新的稳态程度需要的时间，也表示被控对象的惯性大小。
2、放大系数K也就是经常讲到的传递系统，该部分与被控量的变化过程没有必
然联系，但是其输岀的数值对整个稳态会产生一定的影响.K值越小，那么被控对象的自平衡能力越大，K值越大，那么被控对象的自平衡能力越小。
2.2控制策略研究
2.2o1PID控制基本理论
通过对电锅炉的结构进行分析，从而确定出具体的控制方案，本文首先针对PID控制方法进行分析，该方法是经典控制领域最典型的控制方法，当控制对象为线性方程时，特别是线性定常系统，大多使用PID控制方法，该方法实现简单，可靠性强.能够稳定的消除稳定误差值，一般情况下，能够达到控制要求.
第二个控制方法是模糊控制策略，该方法主要依靠专家经验以及总结的先验知识，将其制定位控制规则，从而模拟人类的推理和决策过程，该方法对数学模型要求不高，模糊控制的优点在于实现速度快，此外还能够降低超调量。
在工业生产过程中，最常使用的方法便是PID控制，该方法是比例、积分、微分并联控制器•具体的结构原理如图2。
2所示.
r（t）
W）
图2.2基本PID控制系统原理图
理想的PID控制器的输入信号为叩），叩）是由给定值巾）与输出值C⑴做差得到
的:
（2o2）
其中对输出进行控制的部分是有比例、积分、微分相应的线性组合构成的•从而完成被控对象的控制效果。
（203）
上式中控制器的输出部分用"
（0表示；
控制器的输入用MO表示；
表示的的是给定值与输出实际数值的差值；
比例部分用＜曲）表示，比例系数用K卩表示；
积分部分用几表示，分时间常数用匚表示；
Tde（f）
微分部分用"
可表示，微分时间常数厂孑表示。
下面根据图2.2所示分析PID控制的各个校正环节的作用：
1o比例环节，该部分的引入能够成比例的反映系统特性，特别是偏差信号HD部分，当升高比例数值时，能够以最快的速度进行相应，但当K卩数值较大时，导致系统的动态性能下降明显，尤其是产生较为严重的振荡，此外超调量也会响应的上升。
2.积分环节，该部分的引入主要用于消除误差，当系统为闭环时，将系统的输出和偏差均控制为某一个定值，积分的强弱取决于「的大小，时间常数越大，那么积分效果则越小，时间常数越小，那么积分效果越大，随着「的降低，静差也不断下降，但当「过小时,导致系统振荡明显，因此系统的稳定性严重下降。
3.微分环节，该部分的引入主要改善系统的稳定性和动态响应速度，该部分能够预测未来的变化趋势，根据偏差信号的发展方向，从而有效的给予早期修正信号，从而提高响应速度，提高运行效率。
由于通常采用数字控制方法，因此通过计算机能够实现数字PID控制算法程序.由于输入计算机的是连续信号，因此需要将连续信号进行离散化处理，在数字计算机当中，不管使用积分运算还是使用微分运算，都只能通过数值计算的方法进行无限逼近。
当将周期时间T设置足够短时，那么数值PID算法就可以做如下近似计算，求和
代替积分，差商代替微商，从而使得PID离散化，得到如下关系式：
伙=0,1,2,-）
<
［心gT*jT）=T^e（j）
冃；
=«
d&
f）〜e{kT）—^伙一1）门_e（f）—e（k—\）
~di~"
TT（2o4）
式2.4中，采样周期用丁表示，将连续的PID算法微分方程转化为离散时间的PID算法方程，一般将幺伙门书写为£
伙），上述表示的即为数字PID控制方法，其表达式如式2.5所示：
（2o5）
Az
（2o6）
上式中，积分系数为KUW77T,
微分系数为Kd,心田厂，
采用序号用上表示，…，
第K次采样时刻的计算机输出数值用"
（紆表示,
第K次采样时刻输入偏差数值用“約表示，
第KT次采样时刻输入偏差数值用^-1）表示。
有式2。
6可得：
（2.7）
上式2o7当中，么4^^事，增量式的PID算法用&
KQ表示,根据第K次采样分析计算，从而得到最后的树池值，由于在采样过程中时间恒定均为乙因此当参数丘后，通过前三次的测量值偏差，就能够得到控制量的增量大小。
2o2o2模糊控制理论
2.2.2.1模糊控制系统的组成
模糊控制属于计算机数字控制的一种形式•因此，模糊控制系统的组成类同于
般的数字控制系统，其框图如图2.3所示。
3模糊控制系统
模糊控制系统一般可以分为四个组成部分
1模糊控制器:
实际上是一台微型计算机，根据控制系统的需要，既可选用系统机,也可选用单板机或单片机.
2输入/输出接口：
模糊控制器通过输入/输岀接口从被控对象获取数字信号量,并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。
3广义对象：
包括被控对象及执行机构,被控对象可以是线性或非线性的、定常或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的等多种情况。
2.2模糊控制器的结构
目前世界上己研制出各种专用硬件模糊控制器（模糊芯片）可供选用。
另外，进入20世纪90年代以来，美、H、德和我国己研制开发了各种模糊控制的软件开发工具。
模糊控制的基础是模糊集合理论和模糊逻辑，模糊控制器就是用模糊逻辑模仿人的逻辑思维来对无法建立数学模型的系统实现控制的设备，模糊控制器的基木结构如图2.4所示.
输岀
——►
4模糊控制器
1）模糊化器
输入量的规范化:
主要是为便于控制器的设计和实现，将控制器的输入按其标准化原则限制在规定的范围之内。
输入量的模糊化：
把输入变量数值，变换成模糊语言变量的语言值,每一个语言值对应一个模糊子集。
2）模糊推理块
语言控制规则：
确定语言控制规则是模糊控制器设计的核心工作，规则的形式很像计算机程序设计语言常用的“IF……THEN……”条件语句,用以表达在实际控制中的专家知识和经验。
模糊逻辑推理:
它与语言控制规则组成了控制器的核心部分，它根据模糊输入量和语言控制规则，推理决定输出量的一个分布函数。
3）解模糊化器
输出量的去模糊化处理：
将输岀的语言模糊量，回复到精确的数值，也就是按输岀的模糊子集的隶属度计算出确定数值的过程，并将控制器的输出量按其标准化原则限制在规定的范围之内。
2。
3模糊控制器的设计
设计模糊控制器必须解决以下三个问题：
（1）输入量、输出量的模糊量化；
（2）建立模糊控制规则或模糊控制表；
（3）输岀信息的模糊判决。
自从Zadeh发展出模糊数学之后，对于不明确系统的控制有极大的贡献，自70年代以后，便有一些实用的模糊控制器相继的完成，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步，在此将对模糊控制理论做一些简单的介绍。
一般控制系统的架构，包含了五个主要部分，即：
定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化，下面将就每一部分做简单的说明：
（1）定义变量：
也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上,输入变量有输出误差E与输出误差之变化率CE,而控制变量则为下一个状态之输入U。
其中E、CE、U统称为模糊变量。
（2）模糊化：
将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值求该值相对的隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzysubsets）.
（3）知识库：
包括数据库（database）与规则库（rulebase）两部分，其中数据库是提供处理模糊数据的相关定义；
而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略.
（4）逻辑判断：
模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。
此部分是模糊控制器的精髓所在。
（5）解模糊化（defuzzify）:
将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为系统的输入值。
2o2o2.4模糊集合及其隶属函数
（1）模糊集合的定义
设U为一可能是离散或连续的集合，U被称为论域（UniverseofDiscourse）,用｛U｝表示论域U的元素。
模糊集合是用隶属函数来表示的。
定义1论域U中的模糊子集A,是以隶属函数“人为表征的集合，即由映射：
“A：
Uf[0,1]（2o8）
确定论域U的一个模糊子集Ao“称为模糊子集的隶属函数，““（U）称为u对A的隶属度，它表示论域U中的元素u属于其模糊子集A的程度。
它在[0,1]闭区间内可连续取值，隶属度也可简记为A（u）o
关于模糊子集A和隶属函数“人，做如下几点说明：
1）论域U中的元素是分明的，即U本身是普通集合，只是U的子集是模糊集合，故称A为U的模糊子集，简称模糊集。
2）“a（u）是用来说明u隶属于U的程度的。
“人（u）的值越接近1,表示M从属于A的程度越大;
反之，"
4u）的值越接近于0,则表示u从属于A的程度越小。
显然,当"
（u）的值域为｛0,1｝时，隶属函数“己蜕变为经典集合的特征函数,模糊集合A也就蜕变成为一个经典集合。
因此，可以这样来概括经典集合和模糊集合间的互变关系，即模糊集合是经典集合在概念上的拓广，或者说经典集合是模糊集合的一种特殊形式；
而隶属函数则是特征函数的扩展，或者说，特征函数只是隶属函数的一个特例.
3）模糊集合完全由它的隶属函数来刻画。
隶属函数是模糊数学的最基本概念，借助于它才能对模糊集合进行量化。
正确地建立隶属函数，是使模糊集合能够恰当地表达模糊集合的关键，是利用精确的数学方法去分析处理模糊信息的基础。
（2）模糊集合的表示方法
就论域的类型而言，模糊集合有下列两种表示方法：
①设论域U是有限域，即5S•丹，U上的任意一个模糊集合A,其函数为则此时A可表示成：
"
、（叫）/曰2一"
，则此时A可表示成:
n
（2o9）
⑷他
/=1
这里的E并不表示“求和”，从“7也不是分数，只是借用来表示集合的一种方法，它们只有符号意义，表示A对模糊集合的隶属程度是“、匕）。
②设论域U是无限集合，此时U上的一个模糊集合A可表示成
（2.10）
注意，同样，这里的丁不再表示“积分”，只代表一种记号：
“的意义则同有限情况是一致的。
（3）模糊集合的隶属函数
在经典集合中，特征函数只能取0和1两个值，即特征函数与｛0,1｝相对应；
而在模糊集合中，其特征函数的取值范围从两个元素的集合扩大到在［0,1］区间连续取值。
为了把两者区分开来，就把模糊集合的特征函数称为隶属函数。
常用的隶属函数图形有三类:
梯形、高斯形和三角形。
这三种隶属函数的形状如图2.5所示。
（a〉梯形隶属函数
（b）?
?
j斯形隶屈函数
图2.5隶属度函数形状
2.2o2.5模糊控制系统的特点
模糊控制系统主要有以下一些特点：
1）无需己知被控对象的精确数学模型，一般只需其控制经验或操作数据•这样，对一些用经典控制论难以建立精确数学模型的复朵系统，更宜采用模糊控制。
2）由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动
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