1、 本科毕业论文（设计）( 2014 届 ) 基于模糊 PID 控制电阻炉的温度系统设计与仿真院 系 电子信息工程学院 专 业 电子信息工程 姓 名 王静 指导教师 吴剑威 副教授 2014 年 4 月学号：1208211004I摘 要很多工业生产过程都需要用到电阻炉温度控制设备，电阻炉的温度控制系统存在很多问题，比如超调量比较大，超调时间比较长等问题。本文以电阻炉温度控制作为研究对象，通过对模糊控制和模糊PID控制方法的分析与研究，使用MTALAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，进行仿真研究。通过将模糊PID控制方法应用在电阻炉温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的超调量比较大，
2、超调时间比较长等问题，并且提高系统的稳定性。关键词：温度控制系统；电阻炉炉；模糊控制；MATLAB；PID 控制IIAbstractNow, a lot of industrial production process requires the use of boiler equipment,temperature control system of boiler has many problems, such as the lag phenomenon is serious, it is difficult to establish accurate mathematical model.
3、I performed simulation studies, taking the electric heating boiler as the research object, through the analysis and Research on fuzzy control method, using MATLAB in the Simulink and the Fuzzy toolbox simulation analysis. Through the fuzzy control method is applied in the boiler temperature control
4、system,we can overcome the serious lag phenomenonthe in the temperature control system, and can improve the stability of the system.The following is the chapter division:The first chapter introduces the research background and significance, the development status of the domestic and foreign boiler t
5、emperature control system, the significance of this topic and the main work of this paperThe second chapter introduces the development history, the fuzzy control theory and the basic idea and characteristics, the fuzzy controller and fuzzy control algorithm.The third chapter introduces the analysis
6、of controlled object and its control method.The fourth chapter introduces the simulation design of temperature control system for electric boiler characteristics, the fuzzy controller and the temperature control system.The fifth chapter is a brief summary of the whole thesis.Keywords: temperature-co
7、ntrol system; electric boiler; fuzzy control; MATLAB III基于模糊 PID 的电阻炉温度自动控制系统11 绪论1.1 课题的提出和意义 温度是人类在生产过程和科学实验中非常普遍而又非常重要的参数。在工业许多生产过程中，为了提高生产效率，必须对实际生产过程中的主要参数，比如电压、温度、压力、水流、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中起着至关重要的作用。准确地测量温度并且有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全工业生产中的重要条件。而且在我们的日常生活中也经常使用温度控制的一些家用电器，如微波炉、电阻炉、电热水器、空调等，温度在我们都生
8、活中无处不在。由此可见温度控制电路在社会生活中被广泛应用，所以对温度进行控制研究是非常有必要和有意义的。由于温度自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案使其调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。1.2 温度控制系统的研究现状计算机技术的快速发展极大地推动了我国工业控制系统的进步，而现代控制理论的发展和人工智能技术的深入研究，为控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的相互紧密结合也一定会导致新型的微机控制系统的出现。温
9、度微机控制系统常用的控制方案有经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。第一类: 经典控制方案经典控制方案基本可分为数字控制器的间接设计方案和直接设计方案。数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计是以 PID 控制器为代表。PID 控制器具有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。用离散时近似方法将模拟控制器转换成数字控制器，其实是将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，适当选择采样周期确保数字控制器与模拟控制器的近似。第二类: 基于现代控制理论的设计方案线性代数和微分方程是现代控制理论的数学工具，以状态空间法为基础
10、来基于模糊 PID 的电阻炉温度自动控制系统2分析和设计控制系统。 ，状态空间法不仅描述了系统的外部特性内部状态而且提示了系统的内部状态和性能，它的本质上是一种时域的方法，基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。控制系统进行分析综合通过数学方法。极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的响应确定控制规律。此类设计方案主要有系统辨识、最优控制和自校正控制等。而且这类设计方案适用范围比较广，大多适合于多输入多输出系统、一些非线性时变系统和某些具有随机扰动的系统。该方法理论严谨，可以严格证明控制系统的稳定性问题，定量分析性能指标能，得到比较好控制品质。但这类方法需要知道
11、精确的被控对象的数学模型形式。第三类: 智能控制方案智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它不需要建立精确的数学模型也不需要用常规控制理论进行定量计算与困难性分析。它是一种无模型控制方案，即在不知道对象精确模型的情况下，通过自我的调节作用，使实际响应曲线近似于理想响应曲线。目前，也有一些科研人员运用一些控制理论来控制锅炉:（ 1） 基 于 PID 控 制 的 锅炉控 制传 统 的 PID 控 制 用 在 锅炉控 制 中 ， 原 理 简 单 ， 易 于 实 现 ， 鲁 棒 性 较 强 ，是 应 用 最 广 泛 的 控 制 方 法 之 一
12、 ， 但 是 也 存 在 局 限 性 ， 超 调 量 大 ， 无 法 实 现 非线 性 系 统 的 精 确 控 制 1。（ 2） 基 于 模 糊 控 制 的 锅炉控 制模 糊 控 制 用 在 锅炉控 制 中 ， 有 效 地 克 服 复 杂 系 统 的 非 线 性 及 不 确 定 特 性 ，因 而 与 传 统 控 制 比 较 有 较 强 的 鲁 棒 性 2。 但 模 糊 控 制 的 控 制 作 用 较 粗 糙 ， 使得 稳 态 控 制 精 度 较 低 。（ 3） 基 于 模糊自调整 PID 控制的 锅炉控 制模糊自调整 PID 控制用 在 锅炉控 制 中 ， 能 对 不 确 定 的 条 件 、
13、参 数 、 延 迟和 干 扰 等 因 素 进 行 检 测 分 析 ， 采 用 模 糊 推 理 的 方 法 实 现 PID 参 数KP， KI， KD 的 在 线 自 整 定 ， 不 仅 保 持 了 常 规 控 制 系 统 原 理 简 单 、 使 用 方 便 、鲁 棒 性 较 强 等 优 点 ， 而 且 具 有 更 大 的 灵 活 性 、 适 应 性 ， 控 制 也 更 精 确 。1.3 本 文 的 主 要 研 究 内 容本 论 文 就 锅 炉 水 位 控 制 特 性 作 为 研 究 切 入 点 ， 探 讨 如 何 解 决 锅 炉 水 位 控制 特 性 所 提 出 的 问 题 。 建 立 了 锅
14、 炉 水 位 控 制 特 性 的 数 学 模 型 ， 分 别 采 用基于模糊 PID 的电阻炉温度自动控制系统3PID 控 制 手 段 和 模 糊 控 制 方 法 来 设 计 锅 炉 水 位 控 制 系 统 ， 并 进 行 了 对 比 讨 论 ，仿 真 表 明 模 糊 控 制 方 法 要 优 于 PID 控 制 方 法 。 但 是 也 存 在 缺 点 ， 最 后 采 用模 糊 自 调 整 PID 控 制 来 设 计 锅 炉 水 位 控 制 系 统 ， 仿 真 证 明 了 采 用 模 糊 自 调 整PID 控 制 优 于 PID 控 制 和 纯 模 糊 控 制 。1.3 本文的工作基于以上所述日
15、前国内外的温控方法的各自特点，以及温度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本论文考虑采用模糊控制与 PID 控制相结合的参数模糊自整定 PID 控制方法。本文首先介绍常规 PID 控制，模糊控制和自适应模糊 PID 控制的基础，然后对电阻炉温度这一控制对象，选择了纯 PID 控制、纯模糊控制和参数模糊自整定 PID 控制三种控制方案，并给出了仿真与比较。 基于模糊 PID 的电阻炉温度自动控制系统42 模糊 PID 控制基础2.1 常规 PID 控制2.1.1 模拟 PID 控制PID 控制是偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。在模拟控制系统中，常规模拟 PID
16、控制系统原理框图如图 2.1 所示。系统由模拟 PID控制(虚框内部分)和被控对象组成。-图 2.1 模拟 PID 控制器系统框图PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r (t)与实际输出值 y (t)构成偏差:(2.1)t(yr)t(e将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。其控制规律为(2.2)01()()()()tPDIdetutKetT其传递函数形式为:(2.3)()1()PDIUSGSET式中： -为比例系数；PK-为积分时间常数；IT-为微分时间常数D1、比例控制（P）被控对象积分微分比例基于模糊 PID 的电阻炉温度自
17、动控制系统5在比例调节器中，调节器的输出信号 u 与偏差信号 e 成正比例，即PKe（2.4）其中 为比例系数。比例调节即及时成比例地反映控制系统的偏差信号PKe，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。其特点是简单、快速，对于具有自平衡性的控制对象可能产生静差（自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值） ；而对于带有滞后的系统，可能产生振荡，系统的动态特性也随之降低 。12、积分调节（I）在积分调节中，调节器的输出信号 u 的变化速度 du /dt 与偏差信号 e 成正比，即：01tIedT（2.5）其中： 称为积分时间常数可见偏差一旦产生，控制信号不断增大，偏差IT信号消失后，控制
18、信号保持原值，显然，在已知 为常数的情况下，控制信号IT为常数当且仅当 e=0，即对于一个带积分作用的控制器而言，如果它能够使闭环系统达到内稳，并存在一个稳定状态，则此时对设定值 r 的跟踪必然是无静差的。积分调节主要用于提高系统的抗干扰能力，消除静差，提高系统的无差度。其特点是，它相当于滞后校正环节，因此如相位滞后，使系统的稳定性变差。积分作用虽然可以消除静差，但不能及时克服静差，偏差信号产生后有滞后现象，使调节过程缓慢，超调量变大，并可能产生振荡。3、微分调节（D）在微分调节器中，调节器的输出 u 与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即)dtyr(TdteuD（2.6）可见微分作用输出只
19、与偏差变化有关，偏差无变化就无控制信号输出，所以不能消除静差。调节器中增加微分作用相当于使控制输出超前了 时间，DT基于模糊 PID 的电阻炉温度自动控制系统6为零时，相当于没有微分作用。其特点是，针对被控对象的大惯性改善动态DT特性，它能给出响应过程提前制动的减速信号，相当于其具有某种程度的预见性。它有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。2.1.2 数字 PID 控制计算机的诞生与发展，传统的控制方式已经逐渐被数字控制方式所取代。在计算机控制系统中，PID 控制规律是用计算机算法程序来实现的，使用的是数字 PID 控制器，数
20、字 PID 控制算法通常又分为位置式 PID 控制算法和增量式PID 控制算法。1、位置式 PID 控制算法由于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，式（2.2）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟 PID 控制算法的算式（2.2） ，现以一系列的采样时刻点 kT 代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换: )n,3210k(kTt00j0l(eT)ed)(e )1k()1k(t 式中 T 为采样周期，k 为采样序号，k=0，1，2，3。显然，上述离散化过程中，采样周期 T 必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将 e (kT)简化表示成 e (k)等，即略去了 T。将上式代入（2.2）,可得离散的 PID 表达式为 ：2(2.7)k0jDIp )1k()(e)(eK)k(u或(2.8)k0jDIp )1k(e)K)(e)(e)k(u式中: u (k)-第 k 次采样时刻的计算机输出值；e (k)-第 k 次采样时刻输入的偏差值；
