过热汽温控制系统中的复合控制器的设计与仿真毕业论文原创

洛阳理工学院毕业设计（论文）I过热汽温控制系统中的复合控制器的设计与仿真摘要随着控制对象变得复杂,应用常规PID控制,精度和鲁棒性降低。本文设计一种模糊PID复合控制器，以提高控制精度。我们要求简单却具有鲁棒性的控制算法来实现控制。这里主要是在模糊PID控制领域进行研究。当控制对象很复杂的情况下，常规PID控制器已经不再适用了，为提高对复杂系统的控制性能，本文介绍了一种新方法设计模糊PID控制器。将PID控制与Fuzzy控制的简便性、灵活性以及鲁棒性融为一体，构造了一个模糊PID复合控制器。并且为了提高控制的精度，本文进一步改进了模糊PID控制器，此控制器的比例系数、积分系数可根据模糊推理规则进行在线调整。关键词：复合控制器模糊控制PID控制器洛阳理工学院毕业设计（论文）IIDesignandsimulationofcomplexcontrollerinsuperheatedsteamtemperaturecontrolsystemABSTRACTWhenthecontrolledobjectsbecomecomplicate,thecontrolaccuracyandrobustnessofthenormalPIDdecrease.ThemainscopeofthispaperistoinvestigatetheresearchoffuzzyPIDcontrol.Weproposeasimplebutrobustprogramforcontrol.ThispaperpresentsanovelmethodtodesignthefuzzyPIDcontrolinordertoimprovethesystemperformanceforcomplexsystemsinwhichthenormalPIDcontrollerisnotsuitableinsuchcase.AselfadjustingPIDcontroller,whichhassimplerstructureandhigherrobustness,isbuiltwhenFuzzylogiccontrollerandPIDcontrollerarecombinedtogetherappropriately.ToincreasetheaccuracythispaperdesignedanimprovedFLC(FuzzyLogicController)forcompoundPIDcontrol.Wheretheproportional,integralanddifferentialgainsaretunedonlinebasedonfuzzyinferencerules.Keywords:Compoundcontroller,Fuzzycontrol,PIDcontroller洛阳理工学院毕业设计（论文）III目录前言................................................................................................1第1章PID控制...............................................................................31.1PID控制概述......................................................................31.2PID控制的理论基础.........................................................31.2.1比例控制（P）...........................................................51.2.2积分控制（I）............................................................51.2.2微分控制（D）..........................................................6第2章模糊控制原理.......................................................................72.1模糊控制概述.......................................................................72.2模糊控制原理.......................................................................7第3章复合控制器的设计.............................................................103.1模糊PID控制系统结构及原理.........................................103.2模糊PID控制器参数自整定原则.....................................103.3各变量隶属度函数的确定.................................................113.4建立模糊规则表.................................................................14第4章利用MATLAB对模糊PID控制系统进行仿真................184.1建立系统结构仿真框图.....................................................184.2仿真结果分析.....................................................................19结论..................................................................................................24谢辞................................................................................................25参考文献..........................................................................................26附录..............................................................................................28洛阳理工学院毕业设计（论文）1前言过热蒸汽是工业生产中常用的环节之一，在生产过程中，蒸汽通过加热炉对其进行加热，工艺要求过热蒸汽温度必须维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化。过热汽温(过热蒸汽的温度)的控制就是维持过热出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热汽温对象除了具有多容、大惯性、大延迟的特性之外，往往还表现出一定的非线性和时变特性，因此，如何稳定、准确、快速地对过热汽温进行有效的控制显得尤为关键，一直是国内外专家学者和工作人员关注的热点问题。随着控制理论的不断发展，控制领域出现了许多新的控制方法，如预测控制方法、自适应控制方法、各种智能控制方法。模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系L.A.Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。L.A.Zadeh教授在1965年发表的FuzzySet论文中首次提出表达事物模糊性的重要概念——隶属函数。模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。模糊控制作为一种智能控制方法，对于处理过热汽温这种具有大延迟、非线性和对象模型不确定的被控制对象有很好的控制效果，为解决这类复杂对象的控制问题开辟了新途径。但是，单独采用基本的模糊控制不能获得好的控制品质。因此现在构成一种新型的模糊--PID复合串级控制系统，实现对过热蒸汽温度的控制。从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质，并能保证系统运行的安全性。我国的研究是模糊控制器开始于1979年，并在模糊控制器方法的定义已经实现，性能，算法，鲁棒性，电路，稳定性，自我调整规则已经取得了很多成就。著名科学家钱学森指出，模糊数学理论及其应用，涉及到我国二十一世纪的国家命运。PID线性控制器仍旧是电厂控制系统的主导。这是因为线性PID控制器结构简单，易于使用和控制各种对象，从理论上讲，一个成熟的设计和洛阳理工学院毕业设计（论文）2参数整定方法的稳定性，积累了丰富的工程应用实践经验。然而，线性PID控制器的线性特性只有在工作点附近的良好的控制性能，工作点从远偏离，控制对象是很难保持非线性动态品质的设计。由于EHMandani模糊控制技术用于锅炉和蒸汽机控制，模糊控制在工业过程控制中得到了广泛应用。模糊控制的特点是从遥远的地区的工作点的偏差可以显著提高动态性能控制，并改变控制对象的属性比线性PID控制器具有更健壮。因为非线性控制的方法有固有的模糊控制器，缺乏共同的系统的设计方法难以保证控制器的稳定性，控制精度不够高，而在工作点容易发生限制振荡的附近。模糊控制器的设计和调优参数实际应用中往往过于依赖于现场操作经验和反复试验的方法。本文基于PID控制器和模糊控制器的特点，提出一种设计模糊PID复合控制器的新方法。洛阳理工学院毕业设计（论文）3第1章PID控制1.1PID控制概述PID控制是在生产过程控制发展中历史最悠久、生命力最强的基本控制方式，是比例积分微分控制的简称。PID控制是最早发展的控制策略之一，20世纪40年代之前，除了在最简单的情况下，可开关控制，它是控制由于其算法简单，鲁棒性和可靠性高的唯一途径，广泛应用于过程控制和运动控制，特别是对确定性系统可建立精确的数学模型。近年来，随着计算机技术的飞速发展，利用计算机算法来取代模拟PID控制器，数字PID控制，数字PID控制器算法的不断改进和完善，取得了较好的控制性能。PID控制器是众所周知的，常用于我们的简单的控制器，所以本章只是简单的介绍，为下文复合模糊PID控制器的设计和分析打基础。1.2PID控制的理论基础在传递函数方面来看，理想的PID控制器传递函数应为()ipdkCSkkss(1)1()1pdiCskTsTs(2)洛阳理工学院毕业设计（论文）41()111iddppdidkksTsCskkssTss(3)11()1idpidTsTsCskTsTs(4)在控制器设计过程中，令1易获得相位超前行为。一般来说，串行PID控制器结构不如并行PID控制器结构灵活。由式(4)可知串行PID控制器的零点均为实数，而并行PID控制器可以包含复零点，参数的可调性优于串行PID控制器。典型的PID控制系统结构图如图示图1-1典型的PID控制系统结构图图1-1中，r(t)为参考输入信号，(e)t为控制偏差信号，u(t)为控制信号，y(t)为被控系统输出信号。其中控制偏差信号(e)t=r(t)-y(t).控制信号u(t)为0()()()()tpiddetutketkedkdt(5)洛阳理工学院毕业设计（论文）51.2.1比例控制（P）比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。令0idk