基于模糊PID自整定的锅炉控制系统开题报告

PAGEPAGE7毕业设计(论文)开题报告中文题目：基于模糊PID自整定的锅炉控制系统英文题目：BoilerControlSystemBasedonFuzzyPIDSelf-TuningSystem

一、课题背景及意义（包括课题现状、发展趋势以及研究的意义等）常规PID控制器因结构简单，鲁棒性好，参数调整方便等。常被用于工业过程控制。但其参数整定是在获取被控对象数学模型的基础上根据一定规则来确定的，难于适应复杂多变的控制系统。针对其参数整定效果不良，调试时间长，对被控制对象适应性差等缺点，将模糊控制与PID控制相结合，设计了模糊自整定PID控制器。在常规PID控制器基础上，根据相应模糊规则进行模糊推理，实现PID参数的在线自整定。仿真结果表明，模糊自整定PID控制器，不仅具有模糊控制快速，适应性强等优点，又有PID控制精确度高的特点，使系统有较好的控制作用，因此具有较好的工业应用前景温度是工业生产最常见最基本的工艺参数之一，例如：冶金、机械、电子、石油、化工、制造等行业中广泛使用的各种加热炉、热处理反映炉等，对工件的处理温度要求严格控制。本文对咸阳795厂电子元件结构炉改造分析，陶瓷电阻、电元器件着色的关键工艺是干燥煅烧，通过调整干燥煅烧条件能较好的控制着色指标。干燥煅烧是靠干燥煅烧窑炉来完成的，而窑头温度又直接影响干燥温度和煅烧温度，所以控制好窑炉温度就可以间接控制好着色指标。至于温度控制器，过去一般采用温控仪表，垫电偶等仪器来直接控制。

改造后是基于PLC的模糊自整定PID参数控制系统，应用于窑炉温度控制系统，可以用温度传感器对窑炉的温度采样。选择检测值和给定值之差和差的变量作为控制加热和干燥系统的输入量。采用PLC作为中心控制单元，利用模糊控制技术与数子式PID相结合，根据系统状态可快速调整窑炉温度，达到恒温控制的目的，提高了系统的工作稳定性，得到良好的控制效果。在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因数的影响。其对象特征或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性，大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好地控制效果。另外对于PID控制，若条件稍加变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对PID参数的最佳调整。从以上的分析可知模糊自整定PID控制应用在具有明显的纯滞后，非线性，参数时变类似于这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定PID控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好，动态响应好，上升时间快和超调小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用PID参数模糊自整定复合控制，实现PID参数的在线自调整功能，可以进一步完善PID控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果二、研究内容及目标课题研究的主要内容：了解35t/h循环流化床锅炉特性设计基于辨识的模糊PID参数自整定算法利用8098单片机进行整个控制系统的硬件设计采用模块化设计原则，确定各个模块所要完成的功能，完成包括上位机监控管理软件和锅炉输煤系统燃烧过程控制系统软件。研究目标：锅炉是一个复杂的受控对象，存在非线性、时变性和不确定性等因素，因而难以建立精确的数学模型。通过本课题设计使学生了解模糊控制不依赖于对象模型的特点，设计出单一规则PID参数模糊自适应调节器，并利用其对锅炉进行控制。三、初步研究方案1.系统结构与工作原理

PLC温度控制系统如图1所示。图1中，控制系统主要由PLC，A/D与D/A模块，切换继电器，温度传感器等部分组成。控制核心单元PLC根据手动设定温度信号与现场测温传感器反馈信号经过PLC分析与计算，得到温度偏差与温度偏差的变化率，经过PID运算后，PLC将0~10V模拟信号输出，用于调节触发器的控制电压，PLC通过比较模拟量输出与温度偏差值，通过I/O端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入加热的台数，并完成窑炉加热启停与切换。在温度上升到规定值的90%以前，采用全压控制，节省升温时间，待炉温上升到给定值的90%时，采用模糊控制，以提高控制精度。通常要实现对控制对象的模糊控制，首先根据系统的输入/输出量的多少来确定PLC的型号，本系统采用SIMATICS7-300型PLC；A/D转换器为SM331；D/A转换器为SM332；热电偶为S型：0~1300C°；变送器为DDZ-Ⅱ型。2.数字式PID的调节原理

数字式PID控制器的表达函数为：

式中：e(n)为系统偏差；ec(n)为系统偏差变化率；KP为比例系数；KI为积分作用系数；KD为微分作用系数。

KP值影响系统的响应速度和精度；KP越大，系统响应速度越快，系统的调节精度越高，KP若过大，将引起超调，导致系统不稳定。KI值影响着系统的稳定精度；KI越大，系统静态误差消除越快，但如果KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。KD值影响系统动态特性；它主要抑制响应误差的变化，如果KD过大，会使响应过分提前制动，从而延长系统的调节时间。

由分析系统加热过程可知，在函数响应的初始阶段，取较大的KP和较小的KI与KD，可以使响应曲线的斜率增大，加快其响应速度。在函数接近输出值时，应迅速增大KD，并逐步减小KP，使系统获得较大的阻尼，抑制系统的超调，减小响应误差的变化率。当函数达到输出值时，就使KI增大，迅速消除系统的静态误差。

模糊控制器将根据偏差和偏差变化率值的不同，在线适当调节参数KP，KI和KD值，这样就可以有效的提高系统的响应速度和精度，减小超调并缩短响应时间，提高系统的工作稳定性。3.模糊控制的实现

模糊自整定PID参数控制系统由参数可调整PID和模糊控制器两部分组成。参数可调整PID完成对被控对象的控制；模糊控制器采用二输入三输出结构，以偏差和偏差变化率为输入量，以PID的参数KP，KI和KD为输出量，利用模糊控制器模糊推理的方法对PID参数KP，KI和KD进行在线自整定，以满足不同的和时对系统控制的要求，使被控制对象具有良好的动态和静态性能。4.仿真结果分析由仿真结果可知，基于模糊推理的PID控制器相比于传统PID控制器，由于模糊控制器能够根据系统偏差和变化率对PID的三个参数KP，KI和KD进行在线修正，所以得到的系统动态响应曲线较好，响应时间短，超调量小，稳态精度高；其中参数的Fuzzy在线自整定能有效抑制干扰和噪声，提高控制系统品质是有效的，特别是这种模糊自整定算法简单，所需控制时间短，也能够满足实时控制的要求。

四、进度安排1熟悉毕业设计内容，查资料，做出初步设计方案，准备开题报告1周2了解实际实际系统的应用，收集资料，准备进行详细设计1周3根据初步设计，查阅资料，进行详细设计（含图表绘制、设备选型、撰写设计说明书等）5周4整理毕业设计，查缺补漏，准备答辩1周五、参考文献将方乐等，基于MATLAB的陶瓷窑炉模糊控制系统计算机仿真，中国陶瓷工业，2002.9(2)7-39.刘美俊，基于PID模糊控制的陶瓷窑炉温度控制系统的设计。中国陶瓷工业，20029（4）：30－32.韩瑞珍等，模糊推理自整定PID控制器，自动化仪表，2001，22（10）：24－25阎如忠等，一种电炉稳定模糊控制器的软硬件实现，自动化仪表，2001，22（10）：48－50牛明运，自动配料控制系统在水泥磨料过程中的应用，自动化仪表，2001，22（11）：36－37六、指导老师意见1、对“开题报告”的评语2、/