基于模糊PID自整定的鍋爐控制系統(tǒng)開題報(bào)告

PAGEPAGE7畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告中文題目：基于模糊PID自整定的鍋爐控制系統(tǒng)英文題目：BoilerControlSystemBasedonFuzzyPIDSelf-TuningSystem

一、課題背景及意義（包括課題現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及研究的意義等）常規(guī)PID控制器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性好，參數(shù)調(diào)整方便等。常被用于工業(yè)過(guò)程控制。但其參數(shù)整定是在獲取被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上根據(jù)一定規(guī)則來(lái)確定的，難于適應(yīng)復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)。針對(duì)其參數(shù)整定效果不良，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)被控制對(duì)象適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，將模糊控制與PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了模糊自整定PID控制器。在常規(guī)PID控制器基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自整定。仿真結(jié)果表明，模糊自整定PID控制器，不僅具有模糊控制快速，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又有PID控制精確度高的特點(diǎn)，使系統(tǒng)有較好的控制作用，因此具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景溫度是工業(yè)生產(chǎn)最常見最基本的工藝參數(shù)之一，例如：冶金、機(jī)械、電子、石油、化工、制造等行業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理反映爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。本文對(duì)咸陽(yáng)795廠電子元件結(jié)構(gòu)爐改造分析，陶瓷電阻、電元器件著色的關(guān)鍵工藝是干燥煅燒，通過(guò)調(diào)整干燥煅燒條件能較好的控制著色指標(biāo)。干燥煅燒是靠干燥煅燒窯爐來(lái)完成的，而窯頭溫度又直接影響干燥溫度和煅燒溫度，所以控制好窯爐溫度就可以間接控制好著色指標(biāo)。至于溫度控制器，過(guò)去一般采用溫控儀表，墊電偶等儀器來(lái)直接控制。

改造后是基于PLC的模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于窯爐溫度控制系統(tǒng)，可以用溫度傳感器對(duì)窯爐的溫度采樣。選擇檢測(cè)值和給定值之差和差的變量作為控制加熱和干燥系統(tǒng)的輸入量。采用PLC作為中心控制單元，利用模糊控制技術(shù)與數(shù)子式PID相結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整窯爐溫度，達(dá)到恒溫控制的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到良好的控制效果。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，電爐隨著負(fù)荷變化或干擾因數(shù)的影響。其對(duì)象特征或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電爐溫控具有升溫單向性，大時(shí)滯和時(shí)變的特點(diǎn)，如升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好地控制效果。另外對(duì)于PID控制，若條件稍加變化，則控制參數(shù)也需調(diào)整。自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易表示，而模糊理論正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。從以上的分析可知模糊自整定PID控制應(yīng)用在具有明顯的純滯后，非線性，參數(shù)時(shí)變類似于這樣特點(diǎn)的控制對(duì)象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定PID控制電爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用PID參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善PID控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果二、研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)課題研究的主要內(nèi)容：了解35t/h循環(huán)流化床鍋爐特性設(shè)計(jì)基于辨識(shí)的模糊PID參數(shù)自整定算法利用8098單片機(jī)進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，確定各個(gè)模塊所要完成的功能，完成包括上位機(jī)監(jiān)控管理軟件和鍋爐輸煤系統(tǒng)燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)軟件。研究目標(biāo)：鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的受控對(duì)象，存在非線性、時(shí)變性和不確定性等因素，因而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)本課題設(shè)計(jì)使學(xué)生了解模糊控制不依賴于對(duì)象模型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出單一規(guī)則PID參數(shù)模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，并利用其對(duì)鍋爐進(jìn)行控制。三、初步研究方案1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

PLC溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中，控制系統(tǒng)主要由PLC，A/D與D/A模塊，切換繼電器，溫度傳感器等部分組成?？刂坪诵膯卧狿LC根據(jù)手動(dòng)設(shè)定溫度信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫傳感器反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC分析與計(jì)算，得到溫度偏差與溫度偏差的變化率，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，PLC將0~10V模擬信號(hào)輸出，用于調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓，PLC通過(guò)比較模擬量輸出與溫度偏差值，通過(guò)I/O端口開關(guān)量的輸出驅(qū)動(dòng)切換繼電器組，以此來(lái)協(xié)調(diào)投入加熱的臺(tái)數(shù)，并完成窯爐加熱啟停與切換。在溫度上升到規(guī)定值的90%以前，采用全壓控制，節(jié)省升溫時(shí)間，待爐溫上升到給定值的90%時(shí)，采用模糊控制，以提高控制精度。通常要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的模糊控制，首先根據(jù)系統(tǒng)的輸入/輸出量的多少來(lái)確定PLC的型號(hào)，本系統(tǒng)采用SIMATICS7-300型PLC；A/D轉(zhuǎn)換器為SM331；D/A轉(zhuǎn)換器為SM332；熱電偶為S型：0~1300C°；變送器為DDZ-Ⅱ型。2.數(shù)字式PID的調(diào)節(jié)原理

數(shù)字式PID控制器的表達(dá)函數(shù)為：

式中：e(n)為系統(tǒng)偏差；ec(n)為系統(tǒng)偏差變化率；KP為比例系數(shù)；KI為積分作用系數(shù)；KD為微分作用系數(shù)。

KP值影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度；KP越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，KP若過(guò)大，將引起超調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KI值影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定精度；KI越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但如果KI過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。KD值影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；它主要抑制響應(yīng)誤差的變化，如果KD過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)分提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

由分析系統(tǒng)加熱過(guò)程可知，在函數(shù)響應(yīng)的初始階段，取較大的KP和較小的KI與KD，可以使響應(yīng)曲線的斜率增大，加快其響應(yīng)速度。在函數(shù)接近輸出值時(shí)，應(yīng)迅速增大KD，并逐步減小KP，使系統(tǒng)獲得較大的阻尼，抑制系統(tǒng)的超調(diào)，減小響應(yīng)誤差的變化率。當(dāng)函數(shù)達(dá)到輸出值時(shí)，就使KI增大，迅速消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。

模糊控制器將根據(jù)偏差和偏差變化率值的不同，在線適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)KP，KI和KD值，這樣就可以有效的提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，減小超調(diào)并縮短響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。3.模糊控制的實(shí)現(xiàn)

模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊控制器兩部分組成。參數(shù)可調(diào)整PID完成對(duì)被控對(duì)象的控制；模糊控制器采用二輸入三輸出結(jié)構(gòu)，以偏差和偏差變化率為輸入量，以PID的參數(shù)KP，KI和KD為輸出量，利用模糊控制器模糊推理的方法對(duì)PID參數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行在線自整定，以滿足不同的和時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制的要求，使被控制對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。4.仿真結(jié)果分析由仿真結(jié)果可知，基于模糊推理的PID控制器相比于傳統(tǒng)PID控制器，由于模糊控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)偏差和變化率對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行在線修正，所以得到的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線較好，響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高；其中參數(shù)的Fuzzy在線自整定能有效抑制干擾和噪聲，提高控制系統(tǒng)品質(zhì)是有效的，特別是這種模糊自整定算法簡(jiǎn)單，所需控制時(shí)間短，也能夠滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

四、進(jìn)度安排1熟悉畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，查資料，做出初步設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)備開題報(bào)告1周2了解實(shí)際實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用，收集資料，準(zhǔn)備進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)1周3根據(jù)初步設(shè)計(jì)，查閱資料，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)（含圖表繪制、設(shè)備選型、撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書等）5周4整理畢業(yè)設(shè)計(jì)，查缺補(bǔ)漏，準(zhǔn)備答辯1周五、參考文獻(xiàn)將方樂(lè)等，基于MATLAB的陶瓷窯爐模糊控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真，中國(guó)陶瓷工業(yè)，2002.9(2)7-39.劉美俊，基于PID模糊控制的陶瓷窯爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。中國(guó)陶瓷工業(yè)，20029（4）：30－32.韓瑞珍等，模糊推理自整定PID控制器，自動(dòng)化儀表，2001，22（10）：24－25閻如忠等，一種電爐穩(wěn)定模糊控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化儀表，2001，22（10）：48－50牛明運(yùn)，自動(dòng)配料控制系統(tǒng)在水泥磨料過(guò)程中的應(yīng)用，自動(dòng)化儀表，2001，22（11）：36－37六、指導(dǎo)老師意見1、對(duì)“開題報(bào)告”的評(píng)語(yǔ)2、/