实验锅炉炉温自校正PID控制系统设计

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I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、K I、K D 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; 最小二乘法实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计IIABSTRACTThis paper adopts recursive least square method to research how to control the experimental boiler temperature and uses MATLAB to program and simulate. The further research and analysis are made on the basis of system simulation results, The results show that when adopting the self-revised PID controller, the system can adapt the complex working conditions and the controller can select the PID parameters automatically. Morever, it has solved the difficult problem of setting large delay experimental boiler system PID parameters. In order to make the system more accurate, this paper adopts the estimation algorithm of recursive least-square method with forgetting factor.Keywords： Self-revised PID Controller; Temperature Control; Recursive Least Square Method; Parameter Estimation实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计III目 录摘 要 IABSTRACTII1 绪论 11.1 选题背景及意义 11.2 论文的主要内容 11.3 本人主要工作 12 常规 PID 控制算法及其改进算法 22.1 常规 PID 控制原理 22.1.1 常规 PID 调节器算法 22.1.2 常规 PID 调节器的参数整定 32.1.3 常规 PID 调节器在实际应用中的局限 32.2 数字 PI D 控制 32.2.1 位置式 PID 控制算法 42.2.2 增量式 PID 控制算法 52.2.3 数字 PID 控制器的参数整定方法 52.2.4 采样周期的选择 63 自校正 PID 控制算法 73.1 自适应控制系统原理 73.1.1 概述 73.1.2 模型参考自适应控制 83.1.3 自校正控制 83.2 自校正控制系统 93.3.1 递推最小二乘估计 103.3.2 带遗忘因子的递推最小二乘算法的递推算式 123.3.3 初值的确定 133.4 本论文所用自校正 PID 控制算法 133.4.1 具体框图和原理 133.4.3 带遗忘因子的递推最小二乘法 174 系统硬件的结构设计 184.1 系统硬件的结构 184.2 自校正 PID 实验锅炉控制系统原理 184.3 自校正控制算法设计 20实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计IV4.4 自校正 PID 算法设计流程图 215 MATLAB 仿真及结果分析 226 结论 26参考文献 27致 谢 28附 录 29实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计11 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，得到多个设实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计2定值的仿真波形，并与其他控制方法比较得出结论。实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计32 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()rt()yt控制偏差：(2-1)()()etryt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)01()()()()tPDIdetutKetT其传递函数为：(2-3)()1PDIUsGsET式中， 比例系数， 积分时间常数， 微分时间常数。PKITPID 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()et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。ITI实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计4(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 PI D 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。实验锅炉炉温自校正 PID 控制系统设计5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kTt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：（2-000()()()1kktjjTedeTt4）可得离散 PID表达式：(2-