基于模糊控制的智能温度控制系统的设计

论文题目： 基于模糊控制的智能温度控制系统的设计开题报告填写要求1. 开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。在指导教师指导下，学生在毕业设计（论文）工作开始前完成，指导教师签署意见、教研室审查后生效；2. 学生应按照统一要求（从教务处网站下载开题报告标准格式电子文档）填写开题报告，其中：字体小4号宋体，行距20磅，日期的填写一律用阿拉伯数字书写，如“2006年1月17日”或“2006-01-17”；3. 根据专业的具体情况，学生应查阅一定数量的参考文献（不包括辞典、手册）；4. 完成后及时交给指导教师签署意见。 2009 届本科毕业设计（论文）开题报告1.设计背景或研究意义在工业生产中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。其中，温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。由于加热原理、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经常具有较大的滞后性、非线性、难以建立准确的数学模型等特点，而系统的性能又很大程度上取决于温度控制的精度。是否能够在数学模型不够精确、实时性较差的情况下，精确、稳定的控制温度系统就成了整个控制系统的一个关键的环节。目前控制领域上采用的大多数是经典PID控制调节。虽然PID控制具有算法简单、可靠性高等优点，但是PID控制有时效果并不理想。其原因是PID控制器主要针对具有准确数学模型的控制对象，在线整定参数的能力差，不能满足系统在不同条件下对参数的自整定的要求，从而限制了控制效果的进一步提高。模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术，与神经网络及专家控制并称为智能控制。其核心是模拟人的思维方式对一些无法得到精确数学模型的被控对象设计模糊控制器，通过建立输入、输出模糊集及模糊规则来实现有效的控制。可见，模糊控制是一种计算机数学控制方法，属于非线性控制方法。用模糊逻辑实现控制研究的重点是控制器本身而不是被控对象，因此模糊控制特别适用于那些具有纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定复杂系统。可使一些复杂系统有可能获得良好的动态特性，而静态特性往往不能令人满意。本课题使用电加热炉为控制对象，被控参数有强时变性、大滞后性。单纯的使用PID控制，或是单纯的使用模糊控制都不能很好的满足控制精度和控制性能的要求。由此我们想到了一种综合式的智能控制方式Fuzzy-PID控制。即将模糊控制和PID控制结合起来，扬长避短，既保留了PID控制精度高的优点，又选取了模糊控制灵活、动态性能好、适应性强的特点。2.设计的主要环节或论文的基本内容本课题讨论的电加热炉是双输入、双输出的立式试验炉。电加热装置的加热元件为上下两组电阻丝（在数学模型中称为双输入），套管中安装被加热的工件及其夹具，在上下两组电炉丝旁通过夹具可安装两支温度测量元件，如热电偶或热电阻等作为输出（在数学模型中称为双输出）。根据实际温控系统设计出把传统的PID控制与模糊控制结合在一起，基于PLC运用Fuzzy-PID控制算法实现对温度场的智能控制，使其既具有模糊控制的灵活性、响应快、适应性强等优点，又具有PID控制精度高的特点，并充分发挥PLC可靠性高、编程简单灵活、抗干扰能力强的优点。对温度场加以控制使温度场温度按设定曲线上升，完成升温与保温的目的。最终使设计的智能温度控制系统满足一下要求： 1、学习能力。系统对于一个未知环境提供的信息进行识别、记忆、学习并利用积累的经验进一步改善自身性能的能力；2、适应性。系统应具有适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力，实质上是一种从输入到输出之间的映射关系；3、容错性。系统对各类故障应具有自诊断屏蔽和自恢复的功能；4、鲁棒性。系统性能应对环境干扰和不确定因素不敏感；5、实时性。系统应具有相当的在线响应能力，能够对突发状况及时的做出反应。鉴于上述情况，现将本课题分为以下几部分内容分别阐述。一、综述：智能温度控制的背景、意义；本课题的研究目标。二、被控对象详述：被控对象为双输入、双输出的立式实验电加热炉。首先，介绍所要控制的实验炉的结构；其次，分析控制对象的主要特性；最后，指出控制中存在的主要问题及理想的控制结果。三、控制算法的研究：分别介绍PID控制和模糊控制的原理及优缺点。从单独使用PID控制或是单独使用模糊控制的局限性分析Fuzzy-PID控制的优势，在此基础上结合两者的特点提出本系统的智能控制方法Fuzzy-PID 复合控制方法。并介绍Fuzzy-PID控制的原理及设计步骤。用Fuzzy-PID控制算法设计出本电加热炉系统的算法。四、基于PLC的智能温度控制系统：根据实际温控系统的目的要求，参照智能温度控制系统的基本工作原理，完成智能温度控制系统的硬件和软件设计。硬件设计具体设计分为两大功能模块（FX2N-2AD 模数转换模块和FX2N-232IF 通信模块）和系统输出执行机构三个小部分完成。采用分块的方式分别介绍各个部分的硬件设计过程。主要包括电路设计的总体结构，输入、输出电路的设计，各部分的功能与原理，并给出电路原理图及注意事项。软件设计具体包括系统基本控制程序及控制算法的实现。提出各主控模块的子程序流程图，对流程中某些参数的设置进行详细介绍。在编程时采用了模块化的编程思想，对PLC 实现控制器功能时设定的启动模块初始化模块定时中断模块立即刷新输出等模块结合梯形图进行说明，总结PLC实现各个功能模块时应该注意的问题。论述了Fuzzy-PID 控制算法在系统中的具体实现。最后对本控制系统的智能化分段控制策略进行了说明。五、上位机监控软件的设计与实现：用VC+实现上位机和PLC 间实现串口通信的方法及在实现过程中应用的相关技术。通过运用PC和PLC的通信技术，不仅可以直接应用到高级编程语言编制的上位机监控系统中，也可以链接到组态软件的监控画面中，而且可以在知道其他PLC通信格式的情况下方便的进行改进以适应不同的通信需要。并在此基础上介绍了本系统监控软件的设计流程及相应功能模块的实现方法和流程。该监控软件弥补了PLC 控制软件的不足拥有了适应本系统特殊要求的功能对于系统的进一步完善提供了有力的支持。六、系统性能仿真及分析：本系统的设计和程序的编程都遵循了自上而下、模块化的设计原则，然后，再把每个调试好的功能模块组合起来成为一个完善的系统。因此在本系统设计和调试过程中所采用的也是这种自上而下模块化的设计原则。利用Matlab/ Simulink对PID控制与模糊控制在特定条件下进行仿真的比较，以及鲁棒性分析。七、总结与展望：智能控制是一个新兴的自动控制技术领域。无论在理论上还是实践上都还不是很成熟，还需要进一步的探索和开发。本课题主要应用实验室现有的实验设备对电加热炉炉温进行控制。所采用Fuzzy-PID控制方案。这种复合控制策略主要体现于在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内转换成PID， 控制二者的转换由可编程控制器的程序根据事先给定的偏差范围自动实现。这次课题是作者在温度控制领域的一个探讨和尝试，在控制效果及控制算法上还不是非常完善，进一步学习及系统的完善是下一步要做的重要工作。1 2008 届本科毕业设计（论文）开题报告3.进度安排1 4周，根据题目的要求查找完成设计所需资料。写好完整记录，包括遇到的问题，自己找到的解决方案以及未能解决的问题，并记录心得体会。5 8周，通过学习相关资料，掌握智能温度控制系统设计一般原理和各种方法，熟悉智能温度控制系统设计的程序、内容，掌握设计步骤与注意事项。 最后，按照本课题的要求，在比较了各种设计方法的优劣后，选择最适合本课题的设计方案。并写出大概的设计步骤。9 13周，进行具体的设计。完成系统的硬/软件的设计。采用自上而下、模块化的设计原则，将系统分为几大模块分别设计，而后再把每个功能模块组合起来成为一个完善的系统。基本结束工程主体部分设计。14 16周，调试、修整阶段。采用同设计方法一致