最優(yōu)控制與智能控制論文.doc

最優(yōu)控制與智能控制基礎(chǔ)文獻總結(jié)報告1 課題背景及意義溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電阻爐、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關(guān)?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，所以對溫度進行控制是非常有必要和有意義的。1傳統(tǒng)的經(jīng)典控制漸漸不能滿足控制要求的情況下,通過應(yīng)用模糊控制技術(shù)來完成對系統(tǒng)的控制要求,引進模糊PID溫度控制，它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點，又具有PID控制無靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。2由于溫度自身的一些特點，如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等使控制系統(tǒng)性能不佳。在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻資料中，控制結(jié)果都是有超調(diào)的而且很多時候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點，研究一種控制方案使其調(diào)節(jié)時間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。1電鍋爐是以電力為能源，通過電磁加熱來實現(xiàn)加熱鍋爐。鍋爐有斷流、超溫、超壓、短路、漏電、缺相、過流等保護功能，鍋爐運行更加穩(wěn)定、安全，具有效率高、體積小、無污染、運行安全可靠、供熱穩(wěn)定、自動化程程度高、安裝檢修方便等特點。電鍋爐是一種機電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品, 可以將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能,是理想節(jié)能環(huán)保型的供暖設(shè)備。本文設(shè)計的智能溫度控制器用于電鍋爐的控制, 可根據(jù)用戶的要求, 將室溫自動控制在某一范圍; 可根據(jù)系統(tǒng)負載自動調(diào)節(jié), 保持供熱穩(wěn)定; 采用全自動化的程序控制又使得安全檢修方便。82 電鍋爐溫度控制的研究現(xiàn)狀近年來，溫度的檢測在理論上發(fā)展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對所測溫度場進行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。在溫度的測量技術(shù)中，接觸式測溫發(fā)展較早，這種測量方法的優(yōu)點是：簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度；但由于檢測元件熱慣性的影響，響應(yīng)時間較長，對熱容量小的物體難以實現(xiàn)精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質(zhì)測溫，不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。另外的非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類：動態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進行變化。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場合需要實現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等;恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度(即穩(wěn)態(tài)誤差)不能超過某允許值。本文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進行討論。從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下兩種：1：PID線性控溫法這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的PID調(diào)節(jié)器控制原理，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬PID控制器，后者稱為數(shù)字PID控制器。其中數(shù)字PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個PID參數(shù)（比例值、積分值、微分值）。只要PID參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。2：智能溫度控制法為了克服PID線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整PID參數(shù)的方法，如PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID算法的溫度控制儀表。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。11模糊PID的溫度控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，越來越多的溫度控制系統(tǒng)都基于模糊PID算法而設(shè)計。隨著控制對象變得復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)PID溫度控制精度和魯棒性降低。當(dāng)控制對象很復(fù)雜的情況下，常規(guī)PID溫度控制器已經(jīng)不再適用了，為了提高對復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能，要使用模糊PID溫度控制器。一種將PID控制與模糊控制的簡便性、靈活性、以及魯棒性融為一體，構(gòu)造了一個模糊PID溫度控制器。PID控制策略是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)金使用的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915-1940年期間盡管自1940年以來，許多先進的控制方法不斷的推出，但由于PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進行組合，而且其應(yīng)用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛的應(yīng)用，許多工業(yè)控制器仍然采用PID控制器。2.1 國內(nèi)電鍋爐溫度控制的研究現(xiàn)狀溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀(jì) 80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。目前，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個方面：1） 行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)能力不強，制約技術(shù)發(fā)展。2） 商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國外差距較大。目前，國內(nèi)企業(yè)復(fù)雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進口溫度控制儀表。3） 儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)、相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國外已有較多的成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及我國開發(fā)工作的滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試來確定。這些差距，是我們必須努力克服的。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入 WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關(guān)企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，并通過合資、技術(shù)合作等方式，組建了一批合資、合作及獨資企業(yè)，使我國溫度等儀表工業(yè)得到迅速的發(fā)展。2.2國外電鍋爐溫度控制的研究現(xiàn)狀由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點：1） 適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制。2） 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。3） 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。4） 這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進的算法，適應(yīng)的范圍廣泛。5） 普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。6） 溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。153 模糊控制在電鍋爐溫度控制中的應(yīng)用3.1電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計3.1.1整定離散PID表達式由于計算機控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。離散的PID表達式： 3.1.2模糊PID算法應(yīng)用將系統(tǒng)誤差和誤差變化率變化范圍定義為模糊集上的論域：E，Ec-5,5，其模糊子集為：E，Ec-NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。設(shè)E，Ec隸屬函數(shù)取“三角形”隸屬函數(shù)。 E、Ec隸屬函數(shù)、的論域為0,1，均服從正態(tài)分布，隸屬函數(shù)如圖所示。 、隸屬函數(shù)Fuzzy-PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調(diào)整。建立、的模糊控制規(guī)則表分別如表3-1、3-2、3-3所示。 表3-1 的模糊規(guī)則表 表3-2 的模糊規(guī)則表 表3-3 的模糊規(guī)則表、經(jīng)去模糊處理后，、最終通過以下公式得到：式中：為比例控制下等幅振蕩時的比例增益；為比例控制下等幅振蕩時振蕩周期。3.2溫度控制系統(tǒng)的仿真3.2.1控制對象模型本文選擇的仿真對象傳遞函數(shù)模型： K：對象的靜態(tài)增益；T：對象的時間常數(shù)；：對象的純之后時間。通過計算K=0.92，T=144s，=30s仿真對象傳遞函數(shù)：3.2.2 MATLAB仿真模糊控制器編輯輸入、輸出變量的隸屬函數(shù),如下圖所示。隸屬函數(shù)圖編輯模糊控制規(guī)則，將其保存在一個后綴名為FIS的文件中，以備仿真時調(diào)用。模糊規(guī)則編輯表（4）如下圖所示相應(yīng)的模糊自整定PID控制器的仿真模型，其中Fuzzy logic子模塊即為模糊自調(diào)整機構(gòu)。simulink中構(gòu)建的系統(tǒng)圖3.3仿真結(jié)果與分析采用模糊PID控制仿真圖由于模糊控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec對PID的三個參數(shù)進行在線修正，所以得到的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線較好，響應(yīng)時間短、超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高、系統(tǒng)遇到干擾時能很快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，動靜態(tài)性能好。而且這種方法抗干擾能力也很強，同時對一階慣性滯后環(huán)節(jié)的適應(yīng)能力很強，由于一般溫控對象的數(shù)學(xué)模型可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述，因而這一控制方法對溫控場合的適用性很強。由于一般溫控對象的數(shù)學(xué)模型可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述，因而這一控制方法對溫控場合的適用性很強。實測表明：采用模糊PID溫度控制系統(tǒng)的算法系統(tǒng)響應(yīng)快而且穩(wěn)定。參考文獻1 王吉龍.基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)J.電子工程師，2008，5.2 吳為民，王仁麗.溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況J.工業(yè)爐，20023 李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.4 耿瑞.基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計算機仿真J.信息技術(shù).2007.5 鮑可進.PID參數(shù)自整定的溫度控制J.江蘇理工大學(xué)學(xué)報,2005,13(3).6 王文杰.模糊控制理論在溫度控制中的應(yīng)用J.西北紡織工學(xué)院學(xué)報,1995,151(6).7 胡社教,徐曉冰,楊柳;溫度控制儀表的模糊PID控制J;合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1998年05期8 靳瑛,侯來靈,楊惠平;電爐溫控智能化J;太原理工大學(xué)學(xué)報;2001年05期9 高偉，楊濤，黃樹紅. 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