温度控制系统智能控制器的设计与仿真

毕业设计（论文）题目：温度控制系统智能控制器设计与仿真

目录TOC\h\z\t"标题1,1,标题2,2,标题3,3,1,1,2,1,3,1,4,1,5,1"摘要 3关键词 3Abstract 4KeyWords 51绪论 61.1课题研究意义 61.2课题目标及温度控制数学模型 71.2.1课题目标 71.2.2温度控制数学模型 71.3研究方式 71.3.1PID控制 71.3.2含糊控制 82PID控制 92.1PID控制概述 92.2PID控制算法 102.3PID控制器参数整定 112.3.1Ziegler-Nichols整定公式 112.3.2Cohen-Coon整定公式 113含糊控制 133.1含糊控制概述 133.2含糊逻辑基础 143.2.1含糊控制数学基础 143.2.2含糊逻辑系统结构 153.3含糊控制器设计 163.3.1含糊控制器设计要求 163.3.2含糊控制器设计流程 164温度控制系统仿真研究 184.1仿真工具 184.2PID控制器仿真 184.3含糊控制系统仿真 195总结 23参考文件 24致谢 25

温度控制系统智能控制器设计与仿真摘要在人类生活环境中，温度饰演着极其主要角色。温度是工业生产中常见工艺参数之一,任何物理改变和化学反应过程都与温度亲密相关，所以温度控制是生产自动化主要任务。对于不一样生产情况和工艺要求下温度控制，所采取加热方式，燃料，控制方案也有所不一样。不论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。含糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛应用。现在已出现一个高精度含糊控制器，能够愈加好模拟人操作经验来改进控制性能，从理论上讲，能够完全消除稳态误差。含糊自动控制是以含糊集合论、含糊语言变量及含糊逻辑推理为基础一个计算机数字控制，从线性控制与非线性控制角度分类，含糊控制是一个非线性控制。用含糊逻辑实现控制，只需要关心功效目标而不是系统数学模型，研究重点是控制器本身而不是被控对象。所以这种控制系统对被控对象参数改变不敏感，具备很强鲁棒性，含糊控制因为有较快响应，能够克服非线性原因影响等优点。本文工作主要是三个部分：介绍传统PID控制系统和含糊控制系统、提出温度控制模型、进行仿真和比较，最终得出结论。关键词：温度控制；PID控制；含糊控制。

Thetemperaturecontrolsystemoftheintelligentcontrollerdesignandsimulation AbstractTemperatureplaysanextremelyimportantroleinthehumanlivingenvironment,Temperatureisoneofthecommonindustrialproductionprocessparameters,Anyphysicalchangesandchemicalreactionsarecloselyrelatedtotemperature,Temperaturecontrolisanimportanttaskforproductionautomation.Fortemperaturecontrolunderdifferentproductionconditionsandprocessrequirements,theuseofheatingmode,thefuelcontrolprogramalsovary.Nomatterwhereyoulive,whatkindofworkallthetimeandtemperatureofthenameofdealings.Fuzzytemperaturecontrolmethodhasbeenverywidelyusedinpracticalengineeringtechnology.Hasahigh-precisionfuzzycontroller,youcanbettersimulatethehumanexperiencetoimprovethecontrolperformance,Intheory,youcancompletelyeliminatethesteadystateerror.Fuzzyautomaticcontrolbasedonfuzzysettheory,fuzzylinguisticvariablesandfuzzylogicinferencebasedonacomputernumericalcontrol,Fromtheperspectiveoflinearcontrol,nonlinearcontrol,fuzzycontrolisanonlinearcontrol.Fuzzylogictoachievecontrol,Onlyneedtocareaboutthefunctionalgoalsratherthanthemathematicalmodelofthesystem,Thestudyfocusesonthecontrolleritselfratherthanthecontrolledobject.So,thiscontrolsystemisnotsensitivetotheparametersofthecontrolledobject,Hasastrongrobustness,Fuzzycontrolbecausethereisarapidresponse,Ispossibletoovercometheimpactofnonlinearfactors.Thisworkismainlyofthreeparts:TraditionalPIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystem,Raisedthetemperaturecontrolmodel,Simulationandcomparison,andfinallyconcluded.KeyWords：Temperaturecontrol;PIDcontrol;fuzzycontrol.绪论1.1课题研究意义传统温度计采集信息，不但采集精度差，实时性差，而且操作人员劳动强度高，不利于推广。另外因为环境原因造成数据难以采集问题，尤其是在工厂，火灾等现场，工作人员不能长时间停留在现场观察和采集温度，就需要实现能够将数据采集并将其传送到一个地方集中进行处理，以节约人力，提升效率，但这么就会出现数据传输问题，因为厂房大，需要传输数据多，使用传统方法轻易造成资源浪费而且可操作性差，精度不高，这都在不一样程度上限制了工作进行和展开。所以，高精度，低成本，实时性好温度控制系统亟待人们去开发。市场决定技术，技引导产品开发，在这么环境下，与温度控制相关电子类产品开发成为当今研究热点。PID调整器模型中考虑了系统误差，误差改变及误差积累三个原因，所以，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其详细电路能够采取模拟电路或计算机软件方法来实现PID调整功效。前者称为模拟PID调整器，后者称为数字PID调整器。其中数字PID节器参数能够在现场实现在线整定，所以具备较大灵活性，能够得到很好控制效果。采取这种方法实现温度控制器，其控制品质好坏主要取决于三个PID参数（即百分比值、积分值、微分值）。只要PID参数选取正确，对于一个确定受控系统来说，其控制精度是比较令人满意。含糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛应用。现在已出现一个高精度含糊控制器，能够愈加好模拟人操作经验来改进控制性能，从理论上讲，能够完全消除稳态误差。含糊自动控制是以含糊集合论、含糊语言变量及含糊逻辑推理为基础一个计算机数字控制，从线性控制与非线性控制角度分类，含糊控制是一个非线性控制。用含糊逻辑实现控制，只需要关心功效目标而不是系统数学模型，研究重点是控制器本身而不是被控对象。所以这种控制系统对被控对象参数改变不敏感，具备很强鲁棒性，含糊控制因为有较快响应，能够克服非线性原因影响等优点，在工业过程控制中得到了广泛应用。含糊控制发展也为温度控制提供了新控制伎俩。本课题着力于利用含糊控制这一新兴控制伎俩处理传统控制伎俩难以应用温度控制，并采取当前国际最流行MATLAB软件仿真分析系统性能。1.2课题目标及温度控制数学模型1.2.1课题目标本论文以实际应用为出发点，以温度为控制对象，结合含糊控制与经典PID控制理论，考虑控制器可实践性，提出了多个控制器结构，探索在结构上消除稳态误差，提升控制精度方法。本文详细内容安排以下：第一部分介绍了传统PID控制器和传统PID控制系统对于温度控制详细操作方法。第二部分介绍了含糊控制器和含糊控制系统对于温度控制详细操作方法。第三部分总结仿真数据，分析仿真结果，提出性能指标，比较各种控制器性能，得出结论。1.2.2温度控制数学模型在热交换过程中，经常将被加热物料输出温度作文被控制量，而把载热介质流量作为控制量，载热介质流量改变后，经过一定时间才表现为输出物料温度改变。系统这种表现可用含有纯滞后传递特征描述。故而选择下面传递函数（1-2）作为研究函数 （1-2）1.3研究方式1.3.1传统PID控制1922年美国Minorsky在对船舶自动导航研究中，提出了基于输出反馈百分比积分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器设计方法，标志了PID控制诞生。随即，PID控制器就以其结构简单、对模型误差具备鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够取得满意控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛应用。PID调整器模型中考虑了系统误差，误差改变及误差积累三个原因，所以，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其详细电路能够采取模拟电路或计算机软件方法来实现PID调整功效。前者称为模拟PID调整器，后者称为数字PID调整器。其中数字PID节器参数能够在现场实现在线整定，所以具备较大灵活性，能够得到很好控制效果。采取这种方法实现温度控制器，其控制品质好坏主要取决于三个PID参数（即百分比值、积分值、微分值）。只要PID参数选取正确，对于一个确定受控系统，其控制精度是比较令人满意。[1]1.3.2含糊控制含糊控制理论和应用技术发展30年来，虽历史很短，但发展速度之快，结果之丰和世人之重视却是少有。自从这门学科诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性研究与应用结果，同时，这一方法也逐步成为了人们思索问题主要方法论。为了使含糊控制理论继续向工程化方向发展和推广，仍必须处理许多理论问题。含糊控制系统稳定性分析至今还没完全处理，不过，实践证实只要能准确地模仿人类操作经验，便不会出现不稳定现象。伴随含糊集和含糊逻辑理论不停发展，含糊控制技术必将为工业过程控制中用常规方法难以处理或处理不好控制问题开辟崭新路径。尤其值得强调是，未来含糊系统与控制一个主要发展方向是自适应含糊控制方法研究。含糊控制器因为不需要对象精准模型，具备良好鲁棒性以及具备非线性控制特征而得到广泛应用。不过，普通含糊控制器存在余差、稳态控制精度低。伴随被控对象工作性能要求不停提升，对控制精度要求越来越高，这一矛盾日益突出。所以高精度含糊控制是含糊控制研究当中关键问题之一。[2]PID控制2.1PID控制概述当今自动控制技术绝大部分是基于反馈。反馈理论包含三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调整控制系统响应。反馈理论及其在自动控制中应用关键是：做出正确测量与比很好，怎样将偏差用于系统纠正与调整。PID控制器系统原理框架图如图2-1所表示。积分积分百分比微分d/dt被控对象e(t)r(t)u(t)y(t)_图2-1经典PID控制结构在图2-1中，系统偏差信号为。在PID调整作用下，控制器对误差信号分别进行百分比、积分、微分运算，其结果加权和组成系统控制信号，送给被控对象加以控制。PID控制器数学描述为：（2-1）式中，为百分比系数，为积分常数，为微分时间常数。PID控制百分比-积分-微分分别作用：百分比控制作用•对当前时刻偏差信号进行放大或衰减后作为控制信号输出。•百分比系数越大，控制作用越强，系统动态特征也越好，动态性能主要表现为起动快，对阶跃设定跟随得快。•但对于有惯性系统，过大时会出现较大超调，甚至引发系统振荡，影响系统稳定性。•百分比控制即使能减小偏差，却不能消除静态偏差。积分控制作用•积分控制作用是累积系统从零时刻（系统开启时刻）起到当前偏差信号历史过程。•积分控制输出与偏差存在全部时段关于，只要有足够时间，积分控制将能够消除静态偏差。•积分控制不能及时地克服扰动影响微分控制作用•微分控制作用是由偏差信号当前改变率预见随即偏差将是增大还是减小、增减幅度怎样。•微分控制作用正比于偏差信号当前改变率，微分控制作用特点是只能对偏差改变速度起反应，对于一个固定不变偏差，不论其数值多大，根本不会有微分作用输出。•因为只能在偏差刚才出现时产生很大控制作用，微分控制能够加紧系统响应速度，降低调整时间，从而改进系统快速性，而且有利于减小超调，克服振荡，从而提升系统稳定性，但不能消除静态偏差。2.2PID控制算法惯用PID控制算法：P、PI、PD、PID控制算法。1）百分比控制规律（P）采取P控制规律能较快克服扰动影响，使系统稳定下来，但有余差。它适适用于控制通道滞后较小、负荷改变不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差场所。2）百分比积分控制规律（PI）在工程上百分比积分控制规律是应用最广泛一个控制规律。积分能消除余差，它适适用于控制通道滞后较小、负荷改变不大、被控参数不允许有余差场所。3）百分比微分控制规律（PD）微分具备超前作用，对于具备容量滞后控制通道，引入微分控制规律（微分时间设置得当）对于改进系统动态性能指标，有显著效果。所以，对于控制通道时间常数或容量之后场所较大场所，为了提升系统稳定性，减小动态偏差等可选取百分比微分控制规律，如温度或成份控制。4）百分比积分微分控制规律（PID）PID控制规律是一个较理想控制规律，它在百分比基础上引入积分，能够消除余差，再加入微分作用，又能提升系统稳定性。它适适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高场所。如温度控制、成份控制等。2.3PID控制器参数整定2.3.1Ziegler-Nichols整定公式传统PID控制经验公式是Ziegler与Nichols在20世纪40年代初提出。这个经验公式是基于带有延迟一阶传递函数模型提出。该对象模型能够表示为：（2-3）在实际过程控制系统中，有大量对象模型能够近似由这么一阶模型来表示，假如不能物理建立起系统模型，我们还能够由试验提取对应模型参数。假如试验数据是经过阶跃响应取得，我们能够由表2-3-1给出经验公式来设计PID控制器。表2-3-1Ziegler-Nichols整定公式控制器类型由阶跃响应整定由频域响应整定KTLKTLPT/kL0.5KPI0.9T/kL3L0.4K0.8TPID1.2T/kL2LL/20.6K0.5T0.12T2.3.2Cohen-Coon整定公式传统Ziegler-Nichols整定公式经过改进，出现了各种设计PID控制器不一样算法，其中Cohen-Coon是一个类似于Ziegler-Nichols整定算法。若我们从阶跃响应数据提取特征参数，则不一样控制器能够直接由表2-3-2中方法设计。表2-3-2Cohen-Coon整定参数控制器KpTiTdP[1+1.35τ/(1-τ)]/aPI0.9[1+0.92τ/(1-τ)]/a(3.3-3τ)L/(1+1.2τ)PD1.24[1+0.13τ/(1-τ)]/a(0.27-0.36τ)L/(1-0.87τ)PID1.35[1+0.18τ/(1-τ)]/a(2.5-2τ)L/(1-0.39τ)(0.37-0.37τ)L/(1-0.18τ)[3]含糊控制3.1含糊控制概述含糊控制理论是有美国加利福利亚大学自动控制理论教授L.Azadeh教授最先提出。1965年，他在《Information﹠Control》杂志上发表了《Fuzzyset》（含糊文）一文，首次提出了含糊集合概念，并很快被人们接收。1974年，英国Mamdani首先把含糊理论用于工业控制，取得了良好效果。从此，含糊逻辑控制理论和含糊逻辑控制系统应用发展很快，展示了含糊理论在控制领域中良好发展前景。含糊控制已成为智能控制主要组成部分。含糊控制理论和应用技术发展30年来，虽历史很短，但发展速度之快，结果之丰和世人之重视却是少有。自从这门学科诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性研究与应用结果，同时，这一方法也逐步成为了人们思索问题主要方法论。为了使含糊控制理论继续向工程化方向发展和推广，仍必须处理许多理论问题。含糊控制系统稳定性分析至今还没完全处理，不过，实践证实只要能准确地模仿人类操作经验，便不会出现不稳定现象。伴随含糊集和含糊逻辑理论不停发展，含糊控制技术必将为工业过程控制中用常规方法难以处理或处理不好控制问题开辟崭新路径。尤其值得强调是，未来含糊系统与控制一个主要发展方向是自适应含糊控制方法研究。含糊控制技术之所以具备如此强大生命力，是因为它具备其余控制方法不可代替优点。其一设计时不需要建立被控制对象数学模型，只要求掌握人类控制经验。其二是系统鲁棒性强，尤其适适用于非线性时变、滞后系统控制。其三是基于模型控制算法及系统设计方法，因为出发点和性能指标不一样，轻易造成较大差异；但一个系统语言控制规则却具备相正确独立性，利用这些控制规律间含糊连接，轻易找到折中选择，使控制效果优于常规控制器。最终是由工业过程定性认识出发，比较轻易建立语言控制规则，因而含糊控制对那些数学模型难以获取，动态特征不易掌握或改变非常显著对象非常适用。不过含糊控制也有其本身缺点：其一是确立含糊化和逆含糊化方法时，缺乏系统方法，主要靠经验和试凑。其二是总结含糊控制规则有时比较困难。其三是控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况改变。最终是含糊控制器因为不具备积分步骤，因而稳态精度不高。3.2含糊逻辑基础3.2.1含糊控制数学基础含糊控制是建立在含糊集合和含糊逻辑基础上。含糊控制所用数学基本概念、运算法则以下：设U为一些对象集合，称为论域，能够是连续或离散；u表示U元素，记作U=｛u｝。含糊结合（FuzzySets）论域U到[0，1]区间任意映射，即：U→[0,1],都确定U一个含糊子集F，称为F隶属函数或隶属度。也就是说，表示u属于含糊子集F程度或等级。在论域U中，可把含糊子集表示为元素u与其隶属函数序偶集合，记为：(3-1)若U为连续，则含糊集F可记作：(3-2)若U为离散，则含糊集F可记作：(3-3)含糊集运算设A和B为论域中两个含糊集，其隶属函数分别为和，则对于全部，存在以下运算：A与B并记为A∪B，其隶属函数为：(3-4)A与B交（逻辑与）记为A∩B，其隶属函数为：(3-5)A补（逻辑非）记为，其传递函数定义为：含糊逻辑推理含糊逻辑推理是建立在含糊逻辑基础上，它是一个不确定性推理方法，是在二值逻辑三段理论基础上发展起来。这种推理方法以含糊判断为前提，利用含糊语言规则，推导出一个近似含糊判断结论。在含糊逻辑和近似推理中，有两种主要含糊推理规则，即广义取式（必定前提）假言推理法（GMP）和广义拒式（否定结论）假言推理法(GMT)，分别简称为广义前向推理法和广义后向推理法。GMP推理规则可表示为：前提1：x为A’;前提2：若x为A，则y为B；结论：y为B’。GMT推理规则可表示为：前提1：y为B；前提2：若x为A，则y为B；结论：x为A’。3.2.2含糊逻辑系统结构含糊控制系统基本结构如图3-1所表示。其中，含糊控制器由含糊化接口、知识库、推理机和含糊判决接口四个基本单元组成。它们左右说明以下。传感器传感器输出含糊化接口推理机含糊判决接口过程数据库规则库含糊控制器图3-1含糊控制系统基本结构含糊化接口：测量输入变量（设定输入）和受控系统输出变量，并把它们映射到一个适宜响应论域量程，然后精准输入数据变换为适当语言值或含糊集合标识符，本单元可视为含糊集合标识。知识库：包括应用领域和控制目标相关知识，它由数据库和语言（含糊）控制规则库组成，数据库为语言控制规则论域离散化和隶属函数提供必要定义，语言控制规则标识控制目标和领域教授控制策略。推理机：是含糊控制系统关键，以含糊概念为基础，含糊控制信息可经过含糊蕴涵和含糊逻辑推理规则来获取，并可实现拟人决议过程，依照含糊输入和含糊控制规则，含糊推理求解含糊关系方程，取得含糊输出。含糊判决接口：起到含糊控制推断作用，并产生一个精准或非控制作用，次精准控制作用必须经行逆定标（输出定标），这一作用是在对受控过程进行控制之前经过量程变换来实现。3.3含糊控制器设计3.3.1含糊控制器设计要求从系统硬件结构来看，含糊控制系统与其余常规数字控制系统一样，是用控制器、执行机构、被控对象、敏感元件和输入输出接口等步骤组成。在综合设计阶段，依照对系统控制品质要求，自动操作约束条件和被控对象数学模型，设计出相匹配控制器，即定义控制器结构和参数优化，然后编制实现算法和仿真试验验证。因为对象复杂非线性，难以建立其精准数学模型，所以关于对象知识主要起源是领域教授或操作人员知识和经验。但这些经验并不都是以某种现成形式存在于这些知识源中而可供挑选。为了从中得到有用知识，需要做大量工作，即要把蕴涵于知识源知识经过了解、选择、归纳等过程抽取出来，用于形成经验型知识模型或知识库，称知识获取，从而确定含糊控制器输入变量和输出变量以及它们数值改变范围。在综合设计时要调整参数有：1）控制器结构2）隶属函数形状、位置3）规则和置信度4）含糊推理运算子5）清楚化方法3.3.2含糊控制器设计流程图3-2给出了含糊控制器设计流程图。设计要求设计要求系统分析输入输出物理量整定控制器结构确实定隶属函数确实定规则库建立运算子确实定含糊推理方法选择清楚化方法模拟试验是否达成要求控制要求约束条件NY图3-2含糊控制器设计流程[4]温度控制系统仿真研究4.1仿真工具MATLAB介绍在科学研究和工程应用中，为了克服通常语言对大量数学运算，尤其当包括矩阵运算时，编程难、调试麻烦等困难，美国MathWorks企业于1967年构思并开发了“MatrixLaboratory（缩写MATLAB，即矩阵试验包）”软件包；经过不停更新和扩充，该企业于1984年推出了MATLAB正式版，尤其是1992年推出了具备划时代意义MATLAB4.0版，并于1993年推出了其微机版，以配合当初日益流行MicrosoftWindows一起使用。到为止先后推出了MATLAB4.x、MATLAB5.x、MATLAB6.x和MATLAB7.x版，使之应用范围越来越广。[5]SIMULINK仿真工具介绍SIMULINK是MATLAB里仿真工具，具备相对独立功效和使用方法，主要是用来实现对动态系统建模、仿真与分析。它支持包含线性和非线性系统、连续系统、离散系统、连续和离散混合系统，而且能够支持具备多个采样速率采样系统。SIMULINK具备以下特点：1）基于矩阵数值计算；2）高级编程语言；3）图形与可视化；4）工具箱提供面向详细应用领域功效；5）丰富数据I/O工具；6）提供与其余高级语言接口；7）支持多平台；8）开放可扩展体系结构。4.2PID控制器仿真在MATLAB命令窗口中运行命令simulink,打开simulink模块。运行File-new-model,再执行View菜单下LibraryBrowser打开模块库，在模型库中选择模块，连接后就建立了一个PID仿真模型，如图4-1所表示。由式1-2给出系统传函结合表2-3-1Ziegler-Nichols整定公式可得出：k=1、T=0.4、L=0.76，Kp=0.63，微分时间τ=0.38，积分时间1/Ti=1.52。图4-1传统PID控制器仿真模型整定好各参数后就能够进行仿真，仿真结果如图4-2所表示图4-2传统PID仿真结果由图形可得：系统延迟时间为1.9S,最大超调量σp=0.13%，延滞时间=2.4-1.9=0.5S，峰值时间=3.4-1.9=1.5S,调整时间=8.9-1.9=7S。无稳态误差。4.3含糊控制系统仿真因为要做PID含糊控制仿真，所以我们要先建立一个两输入、三输出含糊控制器。图4-3即为建立含糊控制器：图4-3含糊控制器输入e论域及含糊规则如图4-4：图4-4输入e据图参数然后依次输入ec、kp、ki、kd参数，其余参数一样，就是论域有不一样，ec和kd论域为[-33]，kp论域为[-0.30.3]，ki论域为[-0.060.06]。然后建立含糊规则，含糊规则如图4-5：图4-5部分含糊规则如图4-6所表示为PID含糊控制系统结构图。PID含糊控制器选取输入参数为偏差及偏差改变率，这两个参数经逻辑控制器推理出控制作用，经输出系数放大后作用与被控对象。图4-6经典含糊控制系统结构图FuzzyLogicController是含糊控制器，需双击输入含糊控制器参数，本例设置为FD，其设置界面如图4-7所表示。图4-7含糊控制器模块设置在MATLAB命令窗口输入FD=readfis(‘fd.fis’)，“FD”为仿真模型中含糊控制器设置参数，“fd.fis”正是我们之前所建立含糊控制器。运行之后，仿真模型便与之前编辑含糊控制器联络起来。图4-8就是PID含糊控制器仿真效果图。 图4-8PID含糊控制系统输出曲线系统延迟时间为1.0S,最大超调量σp=0.0