论文PID温控系统的设计及仿真

.]。4.2仿真和优选仿真过程是在MATLAB的simulink环境中完成的。通过对系统采用不同的控制策略，得出它们各自的仿真结果，然后进展分析比较，找到一个符合要求的解决方案。虽然仿真环境不可能与实际情况完全一样，但它的结果还是有相当的指导意义的。由于仿真可以方便、快速、屡次地进展，从比较中找出较优的方案是可行的。4.2.1控制对象模型本设计的电烤箱其工作频率为50HZ，总功率为600W，工作围为室温20℃-200℃在工业生产过程中，控制对象各种各样。理论分析和实验结果说明:电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型[[]覃强.模糊PTD温度控制方案的仿真优选及其实现[D]：[硕[]覃强.模糊PTD温度控制方案的仿真优选及其实现[D]：[硕士学位论文].：中国科学院电工研究所．2002．所以，电烤箱模型的传递函数为：〔4.1〕式中K为对象的静态增益，T为对象的时间常数，τ为对象的纯滞后时间目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测量过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩〔Cohn-Coon〕公式确定近似传递函数[[]雷勇.单参数PID模糊控制器的设计[J].电子技术应用[]雷勇.单参数PID模糊控制器的设计[J].电子技术应用.1998,6-10．[]李林静.基于单片机的炉温控制系统[J].便用机械,2004,l：50-52表4.1采用飞升曲线法测烤箱模型时间00.51.01.52.02.53.03.54.04.5温度20315278104126148168182198利用Origin6.0，由表中数据绘图如图4.1所示。图4.1电烤箱飞升曲线Cohn-Coon公式如下：△M-系统阶跃输入；△C-系统的输出响应-对象飞升曲线为0.28△C时的时间〔分〕-对象飞升曲线为0.632△C时的时间〔分〕从而求得K=0.92,T=144s,τ=30s所以电烤箱模型为[[]王春霞.[]王春霞.模糊自整定PID温控系统的仿真研究及设计[D]:[硕士学位论文].XX:东北师X大学,2005 (4.2)4.2.2仿真和方案选择电烤箱的工作围为20℃-200℃1.PID控制图4.2位在Simulink中创立的用PID算法控制电烤箱温度的构造图。图4.2电烤箱PID控制系统仿真构造图在图中的PID模块中对三个参数进展设定，在TransportDelay模块中设定滞后时间30秒。通过不断调整PID三参数，得到最正确仿真曲线，其中=3，=0.02，=0当给定值为100和150时，得到仿真结果分别如图4.4，4.4所示。图4.3给定值为100时的响应曲线图4.4给定值为150时的响应曲线可见性能指标为：调节时间=200s，超调量σ%约为10%，稳态误差=0。2.模糊控制模糊控制有快速、鲁棒性好的特点。可以考虑用它对系统进展控制，希望能取得好的性能。比较常用的有Mamdani型。图4.5采用纯模糊控制时的模糊控制器图4.6输入变量e的隶属函数图图4.7输入变量ec的隶属函数图图4.8输出变量u的隶属函数图在MATLAB的模糊逻辑工具箱中构建如下的Mamdani型模糊控制器，如图4.5。可见模糊控制器的输入变量为e和ec，输出为控制变量u。and操作为最小法min，or操作为最大法max，模糊蕴涵〔implication〕为最小法min，合成〔Aggregation〕为最大值法max，反模糊用的是重心法centroid。可见，e,ec和u的模糊子集均为｛NB,NS,0,PS,PB｝，它们模糊子集的论域都为｛-3,-2,-1,0,1,2,3｝，各模糊值的隶属度函数曲线都为三角形。表4.2为该Mamdani型模糊控制器的控制规那么，表中横轴纵轴分别为ec和e的模糊子集。在模糊逻辑工具箱中,控制规那么是在RuleEditor窗口输入的，以if-then的形式表达,这里为ife～andec～thenu～，〔～表示各变量所分成的模糊值〕共25条规那么。编辑其规那么库如图4.9。图4.6-图4.8是该Mamdani型模糊控制器的各个变量的隶属函数图。然后，使用模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统，如图4.10所示。图4.9模糊控制规那么编辑器表4.2模糊控制规那么NBNSZPSPBNBNBNBNBNSZNSNBNSNSZPSZNBNSZPSPBPSNSZPSPSPBPBZPSPBPBPB图4.10电烤箱纯模糊控制系统仿真构造框图图4.11纯模糊控制响应曲线为了进展模糊化处理，必须将输入变量〔以e为例〕从根本论域〔实际围〕[-xe,xe]变换到相应的模糊子集论域﹛-n,-n+1,…,0,…,n-1,n﹜上，这须将输入变量乘以相应的因子，即量化因子。这里e的量化因子=n/xe。ec的量化因子同理。另外经过模糊控制算法后的输出控制量，变化围为﹛-m,-m+1,…,0,…,m-1,m﹜不能直接作用于被控对象，还必须将其转换到为控制量所能承受的根本论域[-yu,yu]中去。这样就需要比例因子=。上图中的三个增益模块Gain分别给出量化因子、，比例因子。即=0.05，=0.3，=200。图中FLC模块中指定该控制器为fjustin.fis。仿真结果如图4.11所示。可见性能指标为：调节时间ts=200s，超调量σ%几乎为零，可稳态误差很大，约为10℃。3.参数模糊自整定PID控制由前面的仿真结果明显看出，纯PID控制有较大超调量；而纯模糊控制由于自身构造的原因又不能消除稳态误差，稳态误差较大。所以，考虑把它们两者相结合，实现优势互补。本论文采用参数模糊自整定PID控制，具体说用的是模糊整定PI控制。首先设计模糊控制器。利用Matlab模糊逻辑工具箱设计名为FUZZYPID.fis的Mamdani型模糊控制器〔如图4.12〕，由图可见模糊控制器的输入变量为e和ec，输出变量为和，反模糊等方法都与上述模糊控制器fjustin.fis完全一样。图4.12采用参数模糊自整定PID控制的模糊控制器图4.13输入变量e的隶属函数图图4.14输入变量ec的隶属函数图图4.15输出变量的隶属函数图图4.16输出变量的隶属函数图图4.13-图4.16是该Mamdani型模糊控制器的各个变量的隶属函数图。可见输入变量e和ec的模糊子集均为｛NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB｝，论域均为｛-3,-2,-1,0,1,2,3｝，输出变量和的模糊子集均为｛Z,S,M,B｝,论域均为｛0,1,2,3｝。各模糊值的隶属度函数曲线都为三角形。表4.3的模糊控制规那么NBNMNSZPSPMPBNBMSMMMSMNMBMBBBMSNSBMBBBMSZBMBZBMSPSBMBBBMSPMBMBBBMSPBMSMMMSM表4.4的模糊控制规那么NBNMNSZPSPMPBNBZSMBMSZNMZSBBBSZNSZZBBBMZZZZBZBMZPSZZBBBMZPMZSBBBSZPBZSMBMSZ表4.3，4.4为该Mamdani型模糊控制器的控制规那么，表中横轴纵轴分别为ec和e的模糊子集。同样控制规那么是在RuleEditor窗口输入的，这里的形式为ife～andec～，then～，～〔～表示各变量所分成的模糊值〕。规那么库如图4.17所示，共49条。然后，使用该模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统。如图4.18所示。图4.17模糊自整定PID控制规那么库编辑器图4.18电烤箱参数模糊自整定PID控制系统仿真构造框图图4.19给定值为100时响应曲线图4.20给定值为200时响应曲线图4.21给定值为150时响应曲线图4.22给定值为50时响应曲线图4.23给定值为120时响应曲线图4.24给定值为80时响应曲线不同给定值所对应的仿真曲线如图4.19-图4.24所示。由上面各图看出性能指标：调节时间最大约为200s，超调量σ%=0，稳态误差=0。仿真结果说明：对于电烤箱，当给定值不同时，需要调整积分限值，才能到达响应曲线调节时间短、超调量为零、稳态误差为零的理想技术指标。小结经过以上的对PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制三种控制方案的仿真研究和分析，明显看出，PID控制响应曲线超调量较大，纯模糊控制的稳态误差大，而参数模糊自整定PID控制策略可实现调节时间短、超调量为零、稳态误差为零以及强的抗干扰能力等非常理想的性能指标。因此，选择它作为温控方案。..第五章总结与展望5.1主要工作容论文主要着眼于控制理论的研究，具体讨论了以下几个问题：1．PID控制算法对PID控制算法进展了仿真，着重分析了其存在的两个主要问题：参数整定困难，动态响应慢。2．模糊控制算法采用模糊控制的根本原理与设计方法进展仿真，指出了其存在的几个主要问题：自适应性弱，稳态精度低，易发生"规那么爆炸〞。由于模糊控制是在固定论域上进展均匀分档，当系统愈接近稳态，控制策略愈不细腻。通过整定量化因子与比例因子，系统的动静态性能可以得到提高。3．模糊PID控制算法针对单一控制的缺乏，结合PID控制的稳态精度高、动态响应慢与模糊控制动态响应快、稳态精度低的特点，采用模糊PID控制算法，以实现优劣互补，以满足电烤箱的设计要求。5.2工作小结通过理论研究和工程的实际开发感触颇深：(1)智能控制是对自动控制理论和技术开展到一个新阶段的概括，它并不排斥传统控制理论，而是对其继承和发扬。(2)要有扎实的控制理论知识，对微控制器应用系统要熟悉，要有一定的计算机技术，具有一定的软、硬件开发理论与技术，没有理论作根底，很难完成高质量的系统设计。(3)必须坚持理论与实践相结合，目前大多数研究是从理论上着手，并且已经出现了很多成果，但实践中因为多种干扰因素的影响，效果不是很佳，甚至有时根本不能在现场使用，导致理论脱离实际。5.3存在的问题及未来的方向1．下一步的工作本论文将智能模糊控制方法引入电烤箱的控制中，在模拟仿真中得到满意的效果。尽管如此，在具体的生产应用中也暴露出模糊控制思想的一些局限性，以下几方面是今后需进一步研究和实践的重点：(1)完成对单片机软件局部的设计。(2)由于目前模糊控制器的设计根本上是根据专家和具有丰富经历的操作人员的经历和大量的计算机模拟实验，具有一定的"暗箱效应〞，控制规那么不能自动生成与优化，需进一步研究自学习模糊控制策略。2．展望随着工业对象的日益复杂，必然会对控制系统提出更高的要求。智能控制理论与应用仍然有许多需要完善的局部，将多种控制策略相互结合是今后计算机控制系统理论与应用研究的重要方向。(1)硬件上，由于模糊控制规那么的数目与系统的控制效果严密相关，限制了在以单片机作微处理器的工业控制中的应用，需要加快简单、实用的模糊集成芯片和模糊控制装置的开发与推广应用。(2)传统控制理论、现代控制理论与智能控制技术(模糊控制、神经网络、遗传算法等)相融合集成的研究，从功能上组成互补系统和利用一种智能技术来改良另一种智能技术的研究，将是今后控制理论研究的一个重要开展方向。..完毕语针对电烤箱温度控制系统，本文在simulink中分别对PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制进展了仿真研究。结果说明：PID控制响应曲线超调量较大，模糊控制的响应特性稳态误差大；而采用本文设计的用模糊规那么调节、两个参数的参数模糊自整定PID控制方法，可得到调节时间短、超调量为零、稳态误差为零的极为理想的性能指标。而且这种方法的抗干扰能力也很强，同时对一阶惯性滞后环节的适应能力很强，由于一般温控对象的数学模型可用一阶惯性滞后环节来描述，因而这一控制方法对温控场合的适用性很强。具体设计了以AT89C52单片机为核心，K型热电偶为温度传感器，MAX6675芯片ICL7135为温度转换元件,由双向晶闸管和SSR构成温度反应信息给单片机，并由按键、LED数码显示器及报警电路等组成电烤箱温度控制闭环系统，并进展了相应软件程序流程构造设计。但是由于一些原因，未得出最后的实验调试结