PID控制器设计及仿真

PID控制器设计及仿真摘要温度控制对于工业生产以及科学研究都具有重要意义，当前我国科技技术还不太成熟，温度控制领域大多使用传统控制方式为主，该方法精度不高，容易造成系统不稳定，给控制系统带来了很大的困难，正是在上述背景下，本文以电锅炉为研究对象详细分析其温度控制策略。本文主要针对电锅炉控制方法进行了深入探讨，首先分析的是PID控制策略，该方法的主要运行机理是温度偏差环节通过比例、积分和微分等线性组合从而构成控制部分，完成对电锅炉的控制；由于经典PID控制存在的缺陷，本文加入了补偿器，如Simith预估器、Ziegler-Nichols，并通过Simulink进行了仿真分析，实验结果表示虽然超调量和调节时间下降，但是系统却出现了问题误差，因此本文深入分析了模糊控制理论，将PID控制方法与模糊控制相结合。设计的模糊PID控制策略，通过Simulink的Fuzzy逻辑箱完成了对电锅炉的稳定控制，仿真实验结果表明，实验的模糊PID控制策略能够较好的达到电锅炉的稳定控制目标，因此是一种较为理想的控制策略。关键词：电锅炉；温度控制；模糊PID控制；仿真分析AbstractTemperaturecontrolisofgreatsignificanceforindustrialproductionandscientificresearch,thecurrentourcountryscienceandtechnologyalsoisnotverymature,thetemperaturecontrolfieldaremostlyusingtraditionalcontrolmethodisgivenpriorityto,theaccuracyisnothigh,easytocausesysteminstability,thecontrolsystemtobringverygreatdifficulty,itisundertheabovebackground,takingelectricboilerastheresearchobject,thispaperhasadetailedanalysisofthetemperaturecontrolstrategy.ThispaperfocusesontheelectricboilercontrolmethodhascarriedonthedeepdiscussionandtheanalysisofthefirstisthePIDcontrolstrategy,themainoperatingmechanismofthemethodisoftemperaturedeviationbyproportion,integralanddifferentiallinearcombinationsoastoconstitutecontrolpart,completecontroloftheelectricboiler;DuetotheflawsoftheclassicalPIDcontrol,thispaperjoinedthecompensator,suchasSimithforecast,ZieglerNichols,andthroughtheSimulinksimulationanalysis,theresultssaidalthoughtheovershootandadjustmenttimedecreased,butthesystemhasaproblemoferror,sothispaperdeeplyanalyzesthefuzzycontroltheory,themethodofPIDcontroliscombinedwithfuzzycontrol.DesignofFuzzyPIDcontrolstrategy,bytheFuzzylogicoftheSimulinkboxhascompletedthestabilitycontrolofelectricboiler,thesimulationresultsshowthattheexperimentoftheFuzzyPIDcontrolstrategycanbetterachievethestabilityoftheelectricboilercontrol,thusisanidealcontrolstrategy.Keywords：Theelectricboiler;Temperaturecontrol;FuzzyPIDcontrol;Thesimulationanalysis目录第1章绪论.............................................................11.1本课题研究背景及意义.............................................11.2国内外研究现状...................................................1第二章被控对象及控制策略研究............................................32.1被控对象分析.....................................................32.2控制策略研究.....................................................42.2.1PID控制基本理论...........................................42.2.2模糊控制理论...............................................6第三章PID控制器设计及仿真分析.........................................113.1电锅炉温度控制系统特性..........................................113.2控制系统设计仿真研究............................................123.2.1PID控制器设计.............................................123.2.2模糊PID控制器设计........................................143.2.3MATLAB仿真分析............................................15第四章总结............................................................19参考文献................................................................20致谢..................................................................211第1章绪论1.1本课题研究背景及意义当前温度控制广泛应用于各行各业，特别是石油化工、机械制造、食品加工等领域中，由于各行各业差异较大，因此控制对象差异很大，且存在的干扰类型也不相同。工业热处理中，最常使用的设备就是电热炉，通常对电热炉进行温度控制，由于温度系是非线性的，且具有时变、大滞后以及外界干扰较多等特点，因此研究温度控制一直是行业的热点领域之一。此外由于电热炉的功率较大，因而依靠发热管加热能够快速的提升整体的温升，加热速度很快，但是对其冷却主要依靠的是自然环境的冷却功能，因此当温度发生一定的超调后，就无法有效的对其进行有效调节，正是存在上述问题，因此有必要提升电热炉温度控制调节的精度，当温度超出要求的合理范围内，通过温度控制策略能够较好的处理热工件，从而使温度在要求的范围内，提升电热炉的功率效率，降低损耗。传统的电热炉使用最多的控制方法是电位差计式控制方法，有效的调节电热炉的温度，但是该方法存在一定的缺点，如控制精度相对较低，耗费的能源也较大，因此效率较低，此外传统的控制方法好存在一定的延伸特性，导致无法有效的对温度进行调节。随着电力电子技术的快速发展，特别微型计算机的出现，实现了智能化控制，能够采用体积小、功率高的装置完成电热炉的有效调节。1.2国内外研究现状查阅相关文献可以看到，国内外最早使用电热炉是从19世纪20年开始的，到了上世纪，出现了相关的控制系统，如分布式控制，能够较好的对电热炉进行有效调节。近些年，随着模糊控制、神经网络、自适应控制等相继出现，使得对电热炉的控制越来越多样化，此外国外相关研究人员还将可编程控制器、智能控制等算法相继加入到电热炉控制当中，不断提升电热炉控制效果。国内虽然针对电热炉的控制较少，起步较晚，总的来讲主要经历了下面几个阶段：1、纯手动控制方法，2、单元组合仪表控制方法，3、微机控制方法，4、分散控制方法，从上世纪开始我国相继从国外引进了相应的控制技术，但是由于受到诸多方面的影响，我国在电热炉等领域的发展仍然面临问题，特别是中小企业仍然无法自主生产电热炉有效的控制装置。进入到21世界，随着我国经济实力的不断发展，技术的成熟，特别是智能控制不断完善，我国不断开展新一代电热炉的研发工作，不但优化当前电热炉的控制系统，从而使得电热炉温度控制领域成为了最具发展潜力的行业。随着进行年我国市场经济的不断减少，市场竞争也趋于激烈。在整个工业生产中，不仅要求高质量，此外还要求生产的设备价格低，精度高，品质好，因此对温度控制策略的不断优化和改进已经成为了电热炉控制领域的趋势，下面简单分析下工业控制领域发展的基本概况。2单考虑理论方面的因素，通常将工业控制分为是三个阶段，1、经典控制阶段，2、现代控制阶段，3、智能控制阶段：经典控制阶段属于初级阶段，主要使用的理论是经典控制理论，通常采用常规液压、电动等方法完成对工业生产过程的温度变化，液体流量大小，压力数值等测量和控制。第二阶段主要进行发展和完善阶段，此时运用的主要是现代控制理论，通过计算机、各种仪器等设备，对复杂现象进行有效分解处理，从而完成最后的控制效果，在这一阶段中由于建模理论、实时控制特性等获得了突破性发展，因此能够有效的优化模型，提升控制效果，当前发展阶段记为第三阶段，当前控制主要的发展趋势是智能、综合化，特别是近些年兴起的人工智能方法，能够进一步提升温度控制效果。智能控制当中最具发展潜力的是神经网络控制方法、专家系统控制方法、模糊系统控制方法，本文采用的控制方法是模糊控制，该方法能够较好的将确定性和不确定性两方面综合考虑，从而将其转化为知识，有效的提升控制效果。3第二章被控对象及控制策略研究2.1被控对象分析电锅炉主要的功能是将电能转化为热能，其工作原理与传统的锅炉有非常相似的地方，我们从结构上看，改装置主要有两部分组成，一个是“锅”，一个是“炉”。其中“锅”这部分主要是盛放热介质用到，一般都是放水，而“炉”这部分主要完成的功能是将水进行加热，当前国内外生产电热炉的厂家很多，生产的型号也残次不齐，从整体来看，主要有卧式、立式以及多单元式等结构，从传热介质上来讲，主要有蒸汽式、热水式、有机载体式等过了，从获取热量的来源上主要有蓄热式、直热式。从加热原理上来讲，主要有感应式、电热棒式、电热管式、电极式以及电热板式，本文研究的对象为直热式热水锅炉，一般加热方式是通过电阻放热，从而加热水的稳定，其工作压力一般达到0.4Mpa，水温一般为95℃左右。图2.1电锅炉安装图当锅炉工作的压力在0.4Mpa的时候，水能够达到的饱和稳定为144摄氏度，因此当水温处于最高温度95摄氏度的时候，能够远离工作压力下的饱和稳定，从而使加热元器件的表明出现过度沸腾的现象，因此无法有效的控制水温，此外，当水温处于95摄氏度的时候，基本上也不会产生过多的水蒸气，具体安装图如2.1所示。从上面图形可以看出，一般向供热区进行释放的热量主要来源