論文PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計及仿真

.]。4.2仿真和優(yōu)選仿真過程是在MATLAB的simulink環(huán)境中完成的。通過對系統(tǒng)采用不同的控制策略，得出它們各自的仿真結(jié)果，然后進(jìn)展分析比較，找到一個符合要求的解決方案。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全一樣，但它的結(jié)果還是有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義的。由于仿真可以方便、快速、屢次地進(jìn)展，從比較中找出較優(yōu)的方案是可行的。4.2.1控制對象模型本設(shè)計的電烤箱其工作頻率為50HZ，總功率為600W，工作圍為室溫20℃-200℃在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明:電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。然而，對于二階振蕩系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型[[]覃強(qiáng).模糊PTD溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實(shí)現(xiàn)[D]：[碩[]覃強(qiáng).模糊PTD溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實(shí)現(xiàn)[D]：[碩士學(xué)位論文].：中國科學(xué)院電工研究所．2002．所以，電烤箱模型的傳遞函數(shù)為：〔4.1〕式中K為對象的靜態(tài)增益，T為對象的時間常數(shù)，τ為對象的純滯后時間目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測量過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩〔Cohn-Coon〕公式確定近似傳遞函數(shù)[[]雷勇.單參數(shù)PID模糊控制器的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用[]雷勇.單參數(shù)PID模糊控制器的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用.1998,6-10．[]李林靜.基于單片機(jī)的爐溫控制系統(tǒng)[J].便用機(jī)械,2004,l：50-52表4.1采用飛升曲線法測烤箱模型時間00.51.01.52.02.53.03.54.04.5溫度20315278104126148168182198利用Origin6.0，由表中數(shù)據(jù)繪圖如圖4.1所示。圖4.1電烤箱飛升曲線Cohn-Coon公式如下：△M-系統(tǒng)階躍輸入；△C-系統(tǒng)的輸出響應(yīng)-對象飛升曲線為0.28△C時的時間〔分〕-對象飛升曲線為0.632△C時的時間〔分〕從而求得K=0.92,T=144s,τ=30s所以電烤箱模型為[[]王春霞.[]王春霞.模糊自整定PID溫控系統(tǒng)的仿真研究及設(shè)計[D]:[碩士學(xué)位論文].XX:東北師X大學(xué),2005 (4.2)4.2.2仿真和方案選擇電烤箱的工作圍為20℃-200℃1.PID控制圖4.2位在Simulink中創(chuàng)立的用PID算法控制電烤箱溫度的構(gòu)造圖。圖4.2電烤箱PID控制系統(tǒng)仿真構(gòu)造圖在圖中的PID模塊中對三個參數(shù)進(jìn)展設(shè)定，在TransportDelay模塊中設(shè)定滯后時間30秒。通過不斷調(diào)整PID三參數(shù)，得到最正確仿真曲線，其中=3，=0.02，=0當(dāng)給定值為100和150時，得到仿真結(jié)果分別如圖4.4，4.4所示。圖4.3給定值為100時的響應(yīng)曲線圖4.4給定值為150時的響應(yīng)曲線可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間=200s，超調(diào)量σ%約為10%，穩(wěn)態(tài)誤差=0。2.模糊控制模糊控制有快速、魯棒性好的特點(diǎn)?？梢钥紤]用它對系統(tǒng)進(jìn)展控制，希望能取得好的性能。比較常用的有Mamdani型。圖4.5采用純模糊控制時的模糊控制器圖4.6輸入變量e的隸屬函數(shù)圖圖4.7輸入變量ec的隸屬函數(shù)圖圖4.8輸出變量u的隸屬函數(shù)圖在MATLAB的模糊邏輯工具箱中構(gòu)建如下的Mamdani型模糊控制器，如圖4.5?？梢娔：刂破鞯妮斎胱兞繛閑和ec，輸出為控制變量u。and操作為最小法min，or操作為最大法max，模糊蘊(yùn)涵〔implication〕為最小法min，合成〔Aggregation〕為最大值法max，反模糊用的是重心法centroid。可見，e,ec和u的模糊子集均為｛NB,NS,0,PS,PB｝，它們模糊子集的論域都為｛-3,-2,-1,0,1,2,3｝，各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。表4.2為該Mamdani型模糊控制器的控制規(guī)那么，表中橫軸縱軸分別為ec和e的模糊子集。在模糊邏輯工具箱中,控制規(guī)那么是在RuleEditor窗口輸入的，以if-then的形式表達(dá),這里為ife～andec～thenu～，〔～表示各變量所分成的模糊值〕共25條規(guī)那么。編輯其規(guī)那么庫如圖4.9。圖4.6-圖4.8是該Mamdani型模糊控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖。然后，使用模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，如圖4.10所示。圖4.9模糊控制規(guī)那么編輯器表4.2模糊控制規(guī)那么NBNSZPSPBNBNBNBNBNSZNSNBNSNSZPSZNBNSZPSPBPSNSZPSPSPBPBZPSPBPBPB圖4.10電烤箱純模糊控制系統(tǒng)仿真構(gòu)造框圖圖4.11純模糊控制響應(yīng)曲線為了進(jìn)展模糊化處理，必須將輸入變量〔以e為例〕從根本論域〔實(shí)際圍〕[-xe,xe]變換到相應(yīng)的模糊子集論域﹛-n,-n+1,…,0,…,n-1,n﹜上，這須將輸入變量乘以相應(yīng)的因子，即量化因子。這里e的量化因子=n/xe。ec的量化因子同理。另外經(jīng)過模糊控制算法后的輸出控制量，變化圍為﹛-m,-m+1,…,0,…,m-1,m﹜不能直接作用于被控對象，還必須將其轉(zhuǎn)換到為控制量所能承受的根本論域[-yu,yu]中去。這樣就需要比例因子=。上圖中的三個增益模塊Gain分別給出量化因子、，比例因子。即=0.05，=0.3，=200。圖中FLC模塊中指定該控制器為fjustin.fis。仿真結(jié)果如圖4.11所示?？梢娦阅苤笜?biāo)為：調(diào)節(jié)時間ts=200s，超調(diào)量σ%幾乎為零，可穩(wěn)態(tài)誤差很大，約為10℃。3.參數(shù)模糊自整定PID控制由前面的仿真結(jié)果明顯看出，純PID控制有較大超調(diào)量；而純模糊控制由于自身構(gòu)造的原因又不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。所以，考慮把它們兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。本論文采用參數(shù)模糊自整定PID控制，具體說用的是模糊整定PI控制。首先設(shè)計模糊控制器。利用Matlab模糊邏輯工具箱設(shè)計名為FUZZYPID.fis的Mamdani型模糊控制器〔如圖4.12〕，由圖可見模糊控制器的輸入變量為e和ec，輸出變量為和，反模糊等方法都與上述模糊控制器fjustin.fis完全一樣。圖4.12采用參數(shù)模糊自整定PID控制的模糊控制器圖4.13輸入變量e的隸屬函數(shù)圖圖4.14輸入變量ec的隸屬函數(shù)圖圖4.15輸出變量的隸屬函數(shù)圖圖4.16輸出變量的隸屬函數(shù)圖圖4.13-圖4.16是該Mamdani型模糊控制器的各個變量的隸屬函數(shù)圖?？梢娸斎胱兞縠和ec的模糊子集均為｛NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB｝，論域均為｛-3,-2,-1,0,1,2,3｝，輸出變量和的模糊子集均為｛Z,S,M,B｝,論域均為｛0,1,2,3｝。各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。表4.3的模糊控制規(guī)那么NBNMNSZPSPMPBNBMSMMMSMNMBMBBBMSNSBMBBBMSZBMBZBMSPSBMBBBMSPMBMBBBMSPBMSMMMSM表4.4的模糊控制規(guī)那么NBNMNSZPSPMPBNBZSMBMSZNMZSBBBSZNSZZBBBMZZZZBZBMZPSZZBBBMZPMZSBBBSZPBZSMBMSZ表4.3，4.4為該Mamdani型模糊控制器的控制規(guī)那么，表中橫軸縱軸分別為ec和e的模糊子集。同樣控制規(guī)那么是在RuleEditor窗口輸入的，這里的形式為ife～andec～，then～，～〔～表示各變量所分成的模糊值〕。規(guī)那么庫如圖4.17所示，共49條。然后，使用該模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)。如圖4.18所示。圖4.17模糊自整定PID控制規(guī)那么庫編輯器圖4.18電烤箱參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)仿真構(gòu)造框圖圖4.19給定值為100時響應(yīng)曲線圖4.20給定值為200時響應(yīng)曲線圖4.21給定值為150時響應(yīng)曲線圖4.22給定值為50時響應(yīng)曲線圖4.23給定值為120時響應(yīng)曲線圖4.24給定值為80時響應(yīng)曲線不同給定值所對應(yīng)的仿真曲線如圖4.19-圖4.24所示。由上面各圖看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時間最大約為200s，超調(diào)量σ%=0，穩(wěn)態(tài)誤差=0。仿真結(jié)果說明：對于電烤箱，當(dāng)給定值不同時，需要調(diào)整積分限值，才能到達(dá)響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的理想技術(shù)指標(biāo)。小結(jié)經(jīng)過以上的對PID控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制三種控制方案的仿真研究和分析，明顯看出，PID控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，純模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差大，而參數(shù)模糊自整定PID控制策略可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零以及強(qiáng)的抗干擾能力等非常理想的性能指標(biāo)。因此，選擇它作為溫控方案。..第五章總結(jié)與展望5.1主要工作容論文主要著眼于控制理論的研究，具體討論了以下幾個問題：1．PID控制算法對PID控制算法進(jìn)展了仿真，著重分析了其存在的兩個主要問題：參數(shù)整定困難，動態(tài)響應(yīng)慢。2．模糊控制算法采用模糊控制的根本原理與設(shè)計方法進(jìn)展仿真，指出了其存在的幾個主要問題：自適應(yīng)性弱，穩(wěn)態(tài)精度低，易發(fā)生"規(guī)那么爆炸〞。由于模糊控制是在固定論域上進(jìn)展均勻分檔，當(dāng)系統(tǒng)愈接近穩(wěn)態(tài)，控制策略愈不細(xì)膩。通過整定量化因子與比例因子，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能可以得到提高。3．模糊PID控制算法針對單一控制的缺乏，結(jié)合PID控制的穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)慢與模糊控制動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度低的特點(diǎn)，采用模糊PID控制算法，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)，以滿足電烤箱的設(shè)計要求。5.2工作小結(jié)通過理論研究和工程的實(shí)際開發(fā)感觸頗深：(1)智能控制是對自動控制理論和技術(shù)開展到一個新階段的概括，它并不排斥傳統(tǒng)控制理論，而是對其繼承和發(fā)揚(yáng)。(2)要有扎實(shí)的控制理論知識，對微控制器應(yīng)用系統(tǒng)要熟悉，要有一定的計算機(jī)技術(shù)，具有一定的軟、硬件開發(fā)理論與技術(shù)，沒有理論作根底，很難完成高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)計。(3)必須堅持理論與實(shí)踐相結(jié)合，目前大多數(shù)研究是從理論上著手，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多成果，但實(shí)踐中因?yàn)槎喾N干擾因素的影響，效果不是很佳，甚至有時根本不能在現(xiàn)場使用，導(dǎo)致理論脫離實(shí)際。5.3存在的問題及未來的方向1．下一步的工作本論文將智能模糊控制方法引入電烤箱的控制中，在模擬仿真中得到滿意的效果。盡管如此，在具體的生產(chǎn)應(yīng)用中也暴露出模糊控制思想的一些局限性，以下幾方面是今后需進(jìn)一步研究和實(shí)踐的重點(diǎn)：(1)完成對單片機(jī)軟件局部的設(shè)計。(2)由于目前模糊控制器的設(shè)計根本上是根據(jù)專家和具有豐富經(jīng)歷的操作人員的經(jīng)歷和大量的計算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，具有一定的"暗箱效應(yīng)〞，控制規(guī)那么不能自動生成與優(yōu)化，需進(jìn)一步研究自學(xué)習(xí)模糊控制策略。2．展望隨著工業(yè)對象的日益復(fù)雜，必然會對控制系統(tǒng)提出更高的要求。智能控制理論與應(yīng)用仍然有許多需要完善的局部，將多種控制策略相互結(jié)合是今后計算機(jī)控制系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究的重要方向。(1)硬件上，由于模糊控制規(guī)那么的數(shù)目與系統(tǒng)的控制效果嚴(yán)密相關(guān)，限制了在以單片機(jī)作微處理器的工業(yè)控制中的應(yīng)用，需要加快簡單、實(shí)用的模糊集成芯片和模糊控制裝置的開發(fā)與推廣應(yīng)用。(2)傳統(tǒng)控制理論、現(xiàn)代控制理論與智能控制技術(shù)(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等)相融合集成的研究，從功能上組成互補(bǔ)系統(tǒng)和利用一種智能技術(shù)來改良另一種智能技術(shù)的研究，將是今后控制理論研究的一個重要開展方向。..完畢語針對電烤箱溫度控制系統(tǒng)，本文在simulink中分別對PID控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制進(jìn)展了仿真研究。結(jié)果說明：PID控制響應(yīng)曲線超調(diào)量較大，模糊控制的響應(yīng)特性穩(wěn)態(tài)誤差大；而采用本文設(shè)計的用模糊規(guī)那么調(diào)節(jié)、兩個參數(shù)的參數(shù)模糊自整定PID控制方法，可得到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的極為理想的性能指標(biāo)。而且這種方法的抗干擾能力也很強(qiáng)，同時對一階慣性滯后環(huán)節(jié)的適應(yīng)能力很強(qiáng)，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(qiáng)。具體設(shè)計了以AT89C52單片機(jī)為核心，K型熱電偶為溫度傳感器，MAX6675芯片ICL7135為溫度轉(zhuǎn)換元件,由雙向晶閘管和SSR構(gòu)成溫度反應(yīng)信息給單片機(jī)，并由按鍵、LED數(shù)碼顯示器及報警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)，并進(jìn)展了相應(yīng)軟件程序流程構(gòu)造設(shè)計。但是由于一些原因，未得出最后的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)