基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究.doc
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基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究
摘要
温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象有着不同的控制方式和模式。
温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。
本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。
本文对电锅炉可采用的控制方案进行了深入研究，首选的研究方案是PID控制。
温度PID控制器的原理，是将温度偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
PID控制的重点是参数的调节，本文利用了Ziegler-Nichols.Chien-Hrones和人工整定方法对其参数进行整定。
第二个研究方案是模糊控制，研究了模糊控制的机理，确定了电锅炉模糊控制器的结构。
通过对电锅炉温升特点的分析，建立了模糊控制规则表。
借助matlab中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电锅炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。
结果表明当采用PID算法时，系统的超调量与调节时间，不能同时满足技术要求。
当采用模糊控制时，超调量与调节时间虽然同时满足技术要求，但系统出现了稳定误差。
因此本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，采用模糊推理的方法实现PID参数称、凡和凡的在线整定。
经仿真研究，参数自整定模糊PID控制效果达到了电锅炉温度控制系统的性能指标，是一种较为理想的智能性控制方案。
在分析电锅炉供暖系统对控制器要求的基础上，研制了以PIC16F877A单片机为核心部件的温度智能控制器，实现了温度的采集与控制、超限报警等各种功能。
在进行硬件电路设计的同时，也进行了相应软件设计，并将本文所提出的模糊PID算法引入到软件设计中，给出了主程序流程图、模糊PID算法工作流程图和温度采集流程图等。
ResearchonFuzzyPIDControlSystemof
TemperatureforElectricBoiler
Abstract
Temperaturecontrolisatopicfullofnewmeaningsinindustry,todiferent
controlobject,therearediferentmethodsandmodes.Butitisdificulttocontrol
wellbecauseofcharacteristicsofthetemperatureitself,suchasitsgreatinertia,
serioustime-lagandthedifficultytoestablishanaccuratemathematicalmodelofthe
object.Adutyinthisthesisistostudyakindofappropriatecontrolmethodtothe
temperatureoftheelectricboiler.Its'technologyrequirementsaer:
regulatingtime
mustbeshort,overshootmustbesmallandthecontrolsystemmustbestable.
Themethodoftheelectricboilercontrolisstudieddeeplybythethesis.The
firstisPIDcontrol.PrincipleoftemperaturePIDcontrolleristocontroltheobjectby
thelinearcombinationoftemperaturedeviation'sproportional,integraland
derivative.Thecontrolkeyistheparameteradjustment.Theparameterisadjustedby
methodsofZiegler-Nichols,Chien-Hronesandartificaltuninginthisthesis.The
secondmethodisfuzzycontrol.Thefuzzycontroltheoryisstudiedandtheelectric
boilerfuzzycontrollerstructureisdetermined.Thefuzzycontrolruletableis
establishedthroughanalysingthecharacteristicoftheelectricboilertemperatureinthethesis.
Inthisthesis,thePIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystemaresimulatedby
usingSimulinkandfuzzylogictoolsinMATLAB.Experimentalresultsillustrate
thatthePIDcontrolisusedinthesystem,regulatingtimeandovershootalwayscan
notachievethespecification.Whenfuzzycontrolisused,regulatingtimeand
overshootalwayscanachievesthespecification,butsystemcausesteady-stateeror.
Soitcomestoanewmethodofcombiningthemtogether.Thepatametersof耳，K
andKdareadjustbyfuzzyinference.Experimentalresultsillustratethatthefuzzy
PIDparameterscontrollerachievedthesystemperformanceindex.Themethodof
fuzzyPIDcontrolisaidealmethod.
Inthisthesis,basingontherequestoftheelectricboilerheatingsystemtothe
controller,atemperaturecontrolleroftheelectricboilerisdesigned,inwhichthe
目录
第1章绪论 3
1.1课题的提出与意义 3
1.2工业控制的发展概况 3
1.3传统控制方法的缺陷 4
1.4智能控制方法概述 4
1.4.1智能控制方法的起源、发展和分类 5
1.4.2智能控制方法的特点 6
1.5论文的主要研究内容 6
第2章被控对象及控制策略研究 7
2.1被控对象及其原有控制方案 7
2.1.1被控对象分析 7
2.1.2原有控制方案 8
2.2控制策略研究 8
2.2.IPID控制基本理论 9
2.2.2设计PID控制器时注意事项 11
2.3模糊控制理论 12
2.3.1模糊控制的基本思想 12
2.3.2模糊控制系统的组成及结构分析 12
2.3.3模糊控制算法的实现 14
2.3.4模糊控制方法的进展 15
2.4本章小结 17
第3章控制系统特性及仿真研究 17
3.1电锅炉温度控制系统特性 17
3.2仿真工具 18
3.2.1MATLAB简介 19
3.2.2Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱 19
3.3控制系统仿真研究 21
3.3.1PID控制器设计 21
3.3．2PID参数的整定 22
3.4模糊控制器设计及模糊推理方法 26
3.4.1模糊控制器的结构 26
3.4.2温控系统的模糊控制器设计 27
3.5.2控制系统参数自整定模糊PID控制 31
3.6控制系统方案选择 35
3.7本章小结 35
结论 35
参考文献 36
致谢 38
第1章绪论
1.1课题的提出与意义
在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验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。
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，技术己经比较成熟。
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。
本文主要研究电锅炉温度控制的方法。
电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置川。
具有结构简单、无污染自动化程度高等特点.与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。
近年来，电锅炉已成为供热采暖的主要设备。
锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。
目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。
采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。
另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使用年限。
因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重要的意义。
1.2工业控制的发展概况
工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段:
s0年代末起到70年为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期;70年代至90年代为第二阶段，即现代控制理论阶段;90年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶段[21
第一阶段:
初级阶段。
它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制。
在诸多哈尔滨理工大学T学硕上学位论文。
控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如达林顿算法、5而th预估器、根轨迹法等。
这阶段的主要任务是稳定系统、实现定值控制。
第二阶段:
发展阶段。
以现代控制理论为基础，以微型计算机和高档仪器为工具，对复杂现象进行控制。
这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。
这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。
第三阶段:
高级阶段。
不论从历史和现状，还是从发展的必要性和可能性来看，控制方法主要朝着综合化、智能化方向发展。
尤其近些年来人工智能理论的迅速崛起为控制的智能化提供了一个腾飞的工具。
智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统是最有潜力的三种方法。
专家系统在工业生产过程、故障诊断和监督控制以及检测仪表有效性检测等方面获得成功应用;神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效的方法，进而可用于过程软测量和控制系统的设计上;模糊系统不仅有行之有效的模糊控制理论为基础，而且能够表达确定性和不确定性两类经验，并提炼成为知识进而改善己有控制。
应用经典控制理论的前提是:
必须有一个高阶微分方程式来描述系统运动状态的数学模型，是建立在频率法的基础上的。
而现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时变系统的问题，它的数学模型是用一个一阶微分方程组（即状态方程）或差分方程组来描述，是一种时域表示方法。
这两种方法在精确数学模型的自动控制系统中发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。
1.3传统控制方法的缺陷
无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在系统的精确数学型基础之上的。
但在实际系统中被控对象一般都具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点，这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参数之间的祸合交错，而且包含被控量、操作量和干扰量之间的联系;不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性;非线性既有非本质的非线性，又有本质非线性。
由于被控对象的这种复杂性，决定了控制的艰难性。
传统控制方法绝大多数是基于被控对象的数学模型，即按照建模控制化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低，尽管目前的建模理论和方法已哈尔滨理工大学工学硕士学位论文有长足的长进，但仍有许多过程和对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，使我们不得不对被控对象进行简化或近似，将一理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果自然会大打折扣，因用传统的控制手段进一步提高控制对象的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严峻的挑战。
1.4智能控制方法概述
1.4.1智能控制方法的起源、发展和分类
工业控制中存在着工业过程复杂、数学模型难以确定的系统，智能控理论的产生正是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出的。
1987年智能控制正式成为一门独立的学科，它是人工智能、运筹学和自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。
它与传统控制的主要区别在于可以解决非线性模型化系统的控制问题。
目前，根据智能控制发展的不同历史阶段和不同的理论基础可以将它为四大类:
基于专家系统的智能控制、分层递阶智能控制、模糊逻辑控制、神经网络控制。
专家控制是基于知识的智能控制，由关于控制领域的知识库和体现该识决策的推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的获取与组织，按照某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，进而对控制队象实施控制，或修改补充知识条目。
其主要优点是层次结构、控制方法和知识表达上的灵活性较强，既可以符号推理，又允许模糊描述演绎。
但灵活性同时带来了设计上的随意性和不规范性，而且控制知识的获取、表达和学习，以及推理的有效性也是难点。
分层递阶智能控制模拟人脑的分层结构，由执行级、协调级和组织级构成。
它不需要精确的模型，但需要具备学习功能，并能接受上一级的模糊指令和符号语言。
其特点是自下而上智能递增而精度递减，即执行级用于高精度局部控制，协调级用于知识和实际输出调整执行级中的控制参数，而组织级进行推理决策和自主学习。
该控制方法主要用于那些存在不确定性的系统，如机器人控制等，但应用范围有限。
智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。
90年代后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家系统、传统PID控制与智能控制的结合等。
这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景。
模糊控制是智能控制的一种典型和较早的形式，作为智能控制的一个重要分支，自从1974年英国的Manldani第一次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制，特别是近几年得到了飞速的发展曰61。
模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，它采用了人的思维具有模糊性的特点，通过使用模糊数学中的隶属度函数、模糊关系、模糊推理等工具，得到的控制表格进行控制。
模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法比拟的优点:
1.使用语言规则，不需要掌握过程的精确数学模型。
因为对于复杂的生产过程很难得到过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。
2.对于具有一定操作经验，但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。
3.操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语言很容易加入到过程的控制环节。
4.采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规的PDI控制，并对过程参数的变化具有很强的适应性。
神经元的数学模型是由McClulcoh和Piet两位科学家在1934年首先提出来的川。
它本身是一种控制策略的工具支持，各神经元并没有显在的物理意义。
神经网络的主要特点是具有学习能力、并行计算能力和非线性映射能力。
充分利用神经网络的这些能力来解决众多非线性、强祸合和不确定性系统的建模、辨识和控制问题是神经网络研究的主要课题。
神经网络建模以其独特的非传统表达方式和固定的学习能力实现系统输入输出的映射，并在短时间内得到迅速发展。
尤其在传统建模方法难以对非线性系统的建模有所突破的形势下，神经
网络更表现出其巨大的潜力。
神经网络作为智能控制器主要采用直接自校正控制、间接自校正控制、神经网络预测控制和神经网络模型参考自适应控制等几种方法。
1.4.2智能控制方法的特点
智能控制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。
它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。
它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。
一般来讲，智能控制具有以下一些特点:
1.学习能力智能控制可以对一个过程或其环境的未知特性所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进一步估计、分类、决策或控制，这有利于对未知对象进行认知和辨识并进一步改善控制系统的控制性能。
2，组织综合能力对复杂的任务和分散的传感器信息，具有处理、组织、协调和综合决策能力，并在进行过程中表现出类似于人的主动性和灵活性。
3.适应能力由于智能控制不依赖于对象模型，智能行为表现为从系统输入到输出的映射关系，即使输入时系统从未有过的例子，系统通过插补、归类等方法，也能给出适当的输出。
如果系统中某部分出现故障，仍能正常工作，并给出警告信号，甚至自行修复。
4.优化能力智能控制具有在线特征辨识、特征记忆和拟人等特点，故在整个控制过程中，计算机能够在线获得信息、实时处理并给出控制决策，通过不断优化参数和寻找控制器最佳结构形式，来获得整体的最优控制性能1510
因此就目前而言，智能控制是解决传统过程控制局限性问题和提高控制质量的一个重要途径。
在各种仪表高速发展的今天，控制装置己经不是主要问题，影响被控对象性能指标的主要因素取决于控制器本身，控制器本身的智能化设计将直接影响产品的质量和生产率。
1.5论文的主要研究内容
本课题的具体研究内容如下:
1.结合电锅炉水温上升过程的特点，对被控对象进行理论分析，建立被控系统的数学模型，提出适合于锅炉水温过程控制的纯PID控制、加入Smith预估器的PID控制、模糊控制、参数自整定模糊PID控制方法。
并对控制算法的实现、控制器的设计和参数调整进行深入研究。
2运用MAfLAB软件的ismilukn开发环境和模糊逻辑工具箱对上述几种方法进行建模仿真，并对控制性能指标进行分析，确定出符合控制系统输出响应速度快、超调量小和稳定误差小的控制算法。
3.结合电锅炉供暖系统对控制器的要求，设计一个智能温度控制器，包括:
总体方案设计、硬件电路设计和部分软件设计。
实现温度的采集与控制、超限报警等功能。
第2章被控对象及控制策略研究
2.1被控对象及其原有控制方案
2.1.1被控对象分析
电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置。
其工作原理与传统意义上的锅炉有相似之处，从结构上看也有“锅”和“炉”两大部分。
“锅”是指盛放热介质（一般是水）的容器，而“炉”这里指加热水的电热转换元件。
目前国内外生产的电锅炉有很多种型式，从整体结构上分有立式、卧式、多单元式等:
从传热介质上分有热水锅炉、蒸汽锅炉和有机载体锅炉;从电加热原理上可分为电热管式、电热棒式、电热板式、电极式和感应式等;从供热方式上有直热式和蓄热式等91。
本文研究对象为直热式热水锅炉，采用电阻式加热，工
作压力为0.4Mpa，锅炉内最高水温950C。
膨胀水箱
（必须与大气相通）
电锅炉
供暖出水口排气阀
安全阀
泄水阀
排污口 供暖回水口散热片
图2-1电锅炉安装图
当电锅炉工作在0.4Mpa时，水的饱和温度为144C，最高水温95℃使锅炉远离了工作压力下的饱和温度及加热元件表面的过度沸腾难以控制的现象，同时，95℃的水温基本上不产生蒸汽。
产品安装示意图如图2-1所示。
从电锅炉的安装示意图可以看出，电锅炉的热水经供暖出水口送至散热片，通过散热片向供热区释放热量。
可见供热区的温度是控制参数，操作量是电锅炉内的热水。
通过调节阀的开度，保证供热区的等温特性;通过水位的判别，调节补水阀的起、停。
因此本文的研究目的是结合电锅炉水温上升的特点，对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量小且稳定误差小的技术要求。
在生产过程，控制对象各种各样，理论分析和试验结果表明:
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，而二阶系统，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。
其传递函数可由式（2一1）表示:
式（2一1）中K-对象的静态增益;
T-对象的时间常数;
г—对象的纯滞后时间。
对象中的特性参数对其输出的影响:
1.放大系数K放大系数K也就是传递系数，它与被控量的变化过程无关，其值表示输入对输出稳态值的影响程度。
K值越大，表示被控对象的自平衡力小;K值小，对象自平衡能力大。
2.时间常数T时间常数T的大小反映了对象受到阶跃干扰后，被控量达到新的稳定值的快慢程度，即时间常数T是表示对象惯性大小的物理量。
2.1.2原有控制方案
目前国内电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。
1.开关式控制方法以预控制的温度为标称值，据此设定一个控制上限，一个控制下限。
当温度不在此范围内时，电热锅加热，否则停止加热。
这种方法主要存在以下几个问题:
①在实际工程中达不到理想的控制效果，系统的稳定性不好.
②由于系统只是采用简单的开关量启动或关闭，使系统出现反复振荡，且对电网产生很大冲击，运行成本很高。
2.人工控制方法人工控制方法是通过工作人员的操作经验，简单的对锅炉进行操作.因此，很难提高系统的控制精度和实现低成本运行。
针对市面上电锅炉的粗犷式控制方法，要提高系统控制精度和实现低成本运行，必须寻找一种新的解决方案。
2.2控制策略研究
通过对电锅炉的结构和系统研究确定出可采用的研究方案，首先可采的控制方案是PID控制，它是经典控制理论中最典型的控制方法，对工业生产过程的线性定常系统，大多采用经典控制方法，它结构简单，可靠性强，容易实现，并且可以消除稳定误差，在大多数情况下能够满足性能要求。
第二个可采用方案是模糊控制，由于它是以先验知识和专家经验为控规则的智能控制技术，可以模拟人的推理和决策过程，因此无须知道
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