模糊PID控制器设计答辩ppt汇PPT文档格式.ppt
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郭丹指导教师:
郭丹论文提纲l1.1.总体方案设计总体方案设计l2.2.电锅炉温度控制器的设计电锅炉温度控制器的设计l3.3.电锅炉温度控制系统的电锅炉温度控制系统的MATLABMATLAB建模建模l4.4.电锅炉温度控制器的仿真电锅炉温度控制器的仿真l5.5.电锅炉温度控制器的功能及指标参数电锅炉温度控制器的功能及指标参数l6.6.结论结论第第一一章章.总体方案设计总体方案设计l电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置。
其工作原理与传统意义上的锅炉有相似之处,从结构上看也有“锅”和“炉”两大部分。
“锅”是指盛放热介质(一般是水)的容器,而“炉”这里指加热水的电热转换元件。
在生产过程,控制对象各种各样,理论分析和试验结果表明:
电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用二阶系统纯滞后环节来描述,而二阶系统,通过参数辨识可以降为一阶模型。
因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。
锅炉控制作为过程控制的一个典型,动态特性具有大惯性大延迟的特点,而且伴有非线性。
1.1被控对象的介绍被控对象的介绍l1号方案:
PID控制是经典控制理论中最典型的控制方法,对工业生产过程的线性定常系统,大多采用经典控制方法,它结构简单,可靠性强,容易实现,并且可以消除稳定误差,在大多数情况下能够满足性能要求。
1.2设计方案设计方案l2号方案:
模型参考自适应控制系统是参考模型与控制系统并联运行,接受相同信号r,二者输出信号的差值e(t)=ym(t)-y(t),由自适应机构根据e(t)调整控制器的控制规律和参数,使控制系统性能接近或等于参考模型规定的性能。
3号方案:
自整定模糊控制是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术,可以模拟人的推理和决策过程,因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制,且响应时间短,可以保持较小的超调量l1号方案是经典控制理论中最典型的控制方法,经典控制理论还是现代控制理论,都是建立在系统的精确数学模型基础之上的。
对工业生产过程的线性定常系统,大多采用经典控制方法,它结构简单,可靠性强,容易实现,并且可以消除稳定误差,在大多数情况下能够满足性能要求,而且采用PID的单回路系统仍占到总控制回路数的80%90%。
l2号方案模型参考自适应控制系统主要了解的问题使怎样设计一个稳定的、具有较高性能的自适应机构(有效算法),对电锅炉温度控制系统不是很合适。
l3号方案是以先验知识和专家经验为控制规则的智能控制技术,可以模拟人的推理和决策过程,因此无须知道被控对象的数学模型就可以实现较好的控制,且响应时间短,可以保持较小的超调量9。
l因此可采用的控制方案是1号方案和3号方案。
l由此我们还可以比较自整定模糊PID控制和基本PID控制的优缺点及其实用场合。
1.3案比较案比较第二章第二章.电锅炉温度控制器的设计电锅炉温度控制器的设计l基本PID控制器的原理图2.1基本基本PID控制器控制器l模糊控制的基本思想l模糊控制是模糊集合理论中的一个重要方面,是以模糊集合化、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制,从线性控制到非线性控制的角度分类,模糊控制是一种非线性控制;
从控制器的智能性看,模糊控制属于智能控制的范畴。
2.2模糊控制器设计模糊控制器设计l模糊控制算法的实现l模糊控制算法的实现方法目前有三种,即查表法、硬件专用模糊控制器和软件模糊推理等l模糊控制器具体设计l1.模糊控制器的结构,即根据具体的系统确定其输入、输出变量。
l2.输入变量的模糊化,也就是把输入的精确量转化为对应语言变量的模糊集合。
模糊化设计包含两部分内容,一个是模糊划分设计,解决的是语言变量论域中取模糊量个数的问题。
一个是模糊量隶属函数设计,解决的是模糊量的隶属函数形状问题。
l3.模糊推理算法的设计,即根据模糊控制规则进行模糊推理,包括对多个输入用模糊算子进行处理的过程。
l4.模糊合成算法的设计,就是对所有模糊规则输出的模糊集合进行综合的过程。
MATLAB提供三种合成方法:
最大值法max、概率法probor、求和法sum。
一般采用最大值法。
l5.反模糊化方法的设计,它的输入是模糊集合,输出是一个数值。
第三三章.电锅炉温度电锅炉温度控制系统的控制系统的MATLAB建模建模lMATLAB(MATrixLABoratory,即矩阵实验室)是CleveMoler博士在NewMexico大学讲授线性代数时,发现用高级语言编程极为不便而构思开发的。
它是集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统。
系统经过几年的试用之后,Moler博士等一批数学家与软件专家组建了一个名为MathWorks的软件开发公司,专门扩展并改进MATLAB,推出了该软件的正式版本。
3.1MATLAB7.0及模糊逻辑工具箱介绍l除原有的数值计算能力外,还增加了图形处理功能。
MathWorks公司于1993年推出了基于Windows平台的MATLAB4.0。
MATLAB4.x版在继承和发展其原有数值计算和图形处理能力的同时,还推出了符号计算工具包、Notebook和一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境Simulink。
lSimulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。
它除了包括输入模块、输出模块、连续模块、离散模块、函数和表模块、数学模块、非线性模块、信号模块以及子系统模块外,还包括各个工具箱特有的模块,如模糊逻辑工具箱的模糊逻辑控制器模块。
用户可以利用这些模块搭建自己的系统并进行仿真,通过更改这些模块的参数提高系统的性能,最终得到合乎自己设计要求的系统l仿真是控制系统进行科学了解的重要方法,通过仿真来分析各种控制策略和方案对控制系统的性能,优化相关参数,以获得最佳控制效果。
为了进行模糊系统的仿真设计,国内外的学者都开发了一些工具,其中一个就是MATLAB的模糊控制工具箱。
l模糊控制工具箱是数字计算机环境下的函数集成体,是一个不针对具体硬件平台的控制设计工具,它可以用完全图形界面的工作方式设计整个模糊控制器。
如定义它的输入、输出变量的数目,各输入、输出变量的隶属度函数的形状和数目,模糊控制规则的数目,模糊推理的方法,反模糊化的方法等等。
在设好这样一个模糊控制器之后,可以利用MATLAB本身的Simulink仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真了解。
它的优势在于可以利用MATLAB软件本身的丰富资源,方便的将模糊工具箱与其它一些工具箱集合使用,来构建不同结构的模糊系统,比如神经网络模糊系统,遗传算法模糊系统,模糊PID系统等,并对这样的系统进行仿真、分析。
l模糊逻辑工具箱必须在MATLAB环境下运行,它所创建的模糊控制器可以为其它工具箱所用,也可以用Simulink环境对它进行仿真。
最后还可以C语言的形式输出一个独立的模糊控制器,嵌入到用户自己的应用程序代码中去3.2电锅炉温度控制系统模型的建立及其功能电锅炉温度控制系统模型的建立及其功能l在Simulink中创建用PID算法控制电锅炉温度的结构图l在Simulink中建立的带Smith预估器的PID结构图第第四章四章电锅炉温度控制器的仿真电锅炉温度控制器的仿真4.1常规常规PID控制的仿真控制的仿真l仿真参数的设置lChien-Hrones参数整定纯PID控制响应曲线图l加阶跃干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制响应曲线图l加延迟干扰信号的Chien-Hrones参数纯PID控制响应曲线图4.2加加smith预估器的预估器的PID控制的仿真控制的仿真lChien-Hrones参数整定带有Smith预估器的PID控制响应曲线图l加阶跃干扰信号带有Smith预估器的PID控制响应曲线图l加延迟时间干扰信号带有Smith预估器的PID控制响应曲线图4.3参数自整定模糊参数自整定模糊PID控制仿真控制仿真lPID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及互联关系。
模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊规则表10。
下面根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响情况,结系统输出响应曲线图来介绍,在不同的e和ec时,被控过程对参数Kp、Ki、Kd的自整定要求为l1.当|e|较大时,即系统响应处于图4.8输出响应曲线的第段时,为了加快系统的响应速度,避免因开始时偏差e的瞬间变大可能引起微分过饱和,而使控制作用超出许可范围,因此应取较大的Kp和较小的Kd,同时为了防止积分饱和,避免系统响应出现较大的超调,此时应该去掉积分作用,取Ki=0。
l2.当|e|和|ec|为中等大小,即系统响应处于图4.9曲线的第II段时,为使系统响应的超调减少,Kp、Ki和Kd都不能取大,取较小的Kp值,Ki和Kd值的大小要适中,以保证系统的响应速度。
l3.当|e|较小,即系统响应处于图4.8曲线的第III段中时,为使系统具有良好的稳定性能,应增大Kp和Ki值,同时为避免系统在设定值附近出现振荡,并考虑系统的抗干扰性能,应适当地选取Kd值,其原则是:
当ec较小时,Kd可取大些,通常取为中等大小;
当ec较大时,Kd应取小些。
第五章第五章电锅炉温度电锅炉温度控制器的功能及指标参数控制器的功能及指标参数5.1电锅炉温度控制器实现的功能电锅炉温度控制器实现的功能l1、本次设计用模块方式对电锅炉温度控制系统的模糊自整定PID控制过程进行设计,包括输入变量确定、输出变量和隶属函数确定、模糊控制规律运用、自适应校正等全过程。
l2、建立了电锅炉温度控制系统PID控制器仿真模型,并使用smith预估器对参数进行优化,绘出了原理图、仿真模型图和仿真结果图;
并和普通PID控制进行比较,得出结论。
5.2电锅炉温度控制器功能及指标参数分析电锅炉温度控制器功能及指标参数分析l经过以上对PID控制、模糊控制和参数自整定模糊PID控制三种方案的理论了解和仿真分析,可以看出,PID控制系统响应易产生振荡,超调量;
模糊控制虽可以减少系统的振荡,但出现了稳态误差,且稳态误差较大;
模糊PID控制克服了纯PID控制和模糊控制的缺点,实现了系统调节时间短、超调量小,稳态误差小的理想性能指标。
因此选用参数自整定模糊PID控制为电锅炉温度控制系统的控制方案。
结论结论l温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一,准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。
PID控制作为一种基本的控制方案,至今在工业生产过程仍保持着主导位置,模糊控制的发展为温度控制技术带来了新的思路,可以根据先验知识和专家经验形成的模糊控制规则对系统进行控制。
本设计将模糊控制理论与经典的PID控制理论结合,设计一种模糊PID控制器,对电锅炉温度控制系统进行控制。
具体结论如下:
l1.针对电锅炉温控系统可采用的控制方案进行了了解,提出了温控系统可采用的控制方案,有传统的PID控制和模糊PID控制,讨论了两种控制方案的基本理论、实现形式和注意事项。
l2.对于经典的PID控制分别用加入Simith预估器Chien-Hrones方法对其参数进行整定,并用MATLAB中的Simulink进行仿真分析,由仿真结果可以看出,超调量小与调节时间短的矛盾始终无法解决。
l3.本次设计采用了参数自整定模糊PID控制器,使用了比较橙色的模糊PID控制器控制规则,用Simulink的Fuzzy逻辑箱对控制对象进行仿真了解,经过多次反复试验,确定了模糊控制规则,仿真结果表明达到了比较理想的控制效果。
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