溫度控制系統(tǒng)的仿真與研究

1、華中科技大學(xué)文華學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名學(xué) 號(hào)學(xué) 部 （系）信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部專業(yè)年級(jí)設(shè)計(jì)（論文）題目溫度控制系統(tǒng)的仿真與研究指導(dǎo)教師一、設(shè)計(jì)（論文）選題的依據(jù)（選題的目的和意義、該選題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，等）(一)課題的目的與意義在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制（DDC），推斷 控制，預(yù)測(cè)控制，模糊控制（Fuzzy）專家控制

2、(Expert Control)，魯棒控制 （Robust Control）,推理控制等.溫度的測(cè)控技術(shù)已由模擬測(cè)控技術(shù)逐漸讓位與以單片機(jī)為主的微處理器測(cè)控技術(shù)， 形成 數(shù)字與模擬混合的測(cè)控系統(tǒng)和純數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用，并正向全數(shù)字測(cè)控方向快速發(fā)展。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到生活的各個(gè)領(lǐng)域但溫度控制一直是個(gè)為開發(fā)的領(lǐng)域，卻又與人們 生活息息相關(guān)。，控制方案也有所不同。無(wú)論你生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度打著交道。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展對(duì)是否能掌握溫度有著絕對(duì)的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的

3、因素。溫度測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源等重大經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相聯(lián)系，因此溫度測(cè)控技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中都受到了相當(dāng)?shù)闹匾?。溫度控制技術(shù)是一種比較重要的工業(yè)技術(shù)，不僅應(yīng)用在化工、醫(yī)療、航空、航天等高科技領(lǐng)域，還應(yīng)用在一般的日常生活中。溫度控制系統(tǒng)一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到并滿工藝過(guò)程的要求。因此，溫度控制系統(tǒng)課題的研究成為必要。PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的經(jīng)典控制策略, 是用于過(guò)程控制最有效的策略之一。由于其原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成，在實(shí)際應(yīng)用中較易于整定,在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需了解被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,只需在線根據(jù) 系

4、統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡(jiǎn)單參數(shù), 經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定, 即可取得滿意的結(jié)具有很大的適應(yīng)性和靈活性。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到生活的各個(gè)領(lǐng)域但溫度控制一直是個(gè)為開發(fā)的領(lǐng)域，卻又與人們的生活息息相關(guān)。溫度控制技術(shù)是一種比較重要的工業(yè)技術(shù)，不僅應(yīng)用在化工、醫(yī)療、航空、航天等高科技領(lǐng)域，還應(yīng)用在一般的日常生活中。溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到并滿足工藝過(guò)程的要求。因此，溫度控制系統(tǒng)課題的研究成為必要。電加熱爐溫度控制具有單向性，大慣性，純滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)。單純的依靠傳統(tǒng)的控制方式都很難達(dá)到高質(zhì)量的控制效果。而PID控制技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、

5、容易實(shí)現(xiàn)、理論體系成熟等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了極為廣泛的應(yīng)用。它可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但其快速性與超調(diào)量之間不可調(diào)和的矛盾關(guān)系、對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化較差的適應(yīng)能力，使得這種算法在一定程度上難以滿足高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。模糊控制能夠保證系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時(shí)保持較小的超調(diào)量，且對(duì)被控參數(shù)變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但卻不可避免的在控制過(guò)程中存在穩(wěn)態(tài)誤差。本課題從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，經(jīng)典控制與現(xiàn)代智能控制相結(jié)合，將兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出了一種復(fù)合PID控制算法。(二)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)從生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比有著

6、較大差距。目前，我國(guó)在這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平。國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面，國(guó)外已有較多的成熟產(chǎn)品。但由于國(guó)外技術(shù)保密及我國(guó)開發(fā)工作的滯后，還沒(méi)有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件。控制參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。國(guó)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果。日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。它們主要具有如下的特點(diǎn)：一是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制；二是能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制；三是能夠適應(yīng)于

7、受控系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)時(shí)變的溫度控制系統(tǒng)的控制；四是溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)，適應(yīng)的范圍廣泛；五是溫控器普遍具有參數(shù)自整定功能。借助計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，溫控器具有對(duì)控制對(duì)象參數(shù)及特性進(jìn)行自動(dòng)整定的功能。有的還具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)及控制對(duì)象的變化情況，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化；六是具有控制精度高、抗干擾力強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)。二、主要參考文獻(xiàn)綜述(一) PID控制算法原理在工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比列，積分，微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制。將感測(cè)與轉(zhuǎn)換器輸出的訊號(hào)與設(shè)定值做比較，用輸出信號(hào)源(2-10v

8、或 4-20mA)去控制最終控制組件。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近60年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠，調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不 到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系 統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù).PID控制器問(wèn)世已有近70年歷史，它是根據(jù)系統(tǒng)

9、的誤差，利用比例，積分，微分計(jì)算控制量進(jìn)行控制的。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一

10、般采用的是臨界比例法利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器

11、、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng) 的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。PID控制的優(yōu)點(diǎn)(1)原理簡(jiǎn)單，使用方便PID

12、控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量小。(2)適應(yīng)性強(qiáng)可以廣泛的應(yīng)用于化工，熱工，冶金，煉油以及紙，建材等各種生產(chǎn)部門。根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式。但比列控制一般是必不可少的。(3)魯棒性強(qiáng)即其控制品質(zhì)對(duì)被控特性的變化不大。(4)對(duì)模型依賴性少因?yàn)樵S多工業(yè)控制對(duì)象，根本就去發(fā)建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此，對(duì)于這一類系統(tǒng)使用PID控制器可以的帶滿意的結(jié)果。(二) 仿真工具為了進(jìn)行模糊系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)國(guó)外學(xué)者發(fā)明了仿真系統(tǒng)，MATLAB就是其中之一。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商

13、業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 是MATLAB中的一種可視化仿

14、真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，

15、包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。（三）復(fù)合控制復(fù)合控制系統(tǒng)同時(shí)包含按偏差的閉環(huán)控制和按擾動(dòng)或輸入的開環(huán)控制的控制系統(tǒng)。按偏差控制即反饋控制（見反饋控制系統(tǒng)），它按偏差確定控制作

16、用以使輸出量保持在期望值上。對(duì)于滯后較大的控制對(duì)象，反饋控制作用不能及時(shí)影響系統(tǒng)的輸出，常引起輸出量的過(guò)大波動(dòng)。如果引起輸出量變化的外擾是可量測(cè)的（例如在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，汽輪機(jī)的負(fù)荷就是可以量測(cè)的），則用外擾信號(hào)直接控制輸出就能更迅速和有效地補(bǔ)償外擾對(duì)輸出的影響。理論上甚至可作到使這種影響完全消除（見不變性原理）。這種控制方式稱為按擾動(dòng)控制。影響輸出量變化的擾動(dòng)因素很多，但可量測(cè)并用來(lái)進(jìn)行控制的只能是主擾動(dòng)。按擾動(dòng)控制一般不能單獨(dú)采用，常需與按偏差控制結(jié)合使用，構(gòu)成復(fù)合控制。復(fù)合控制能顯著減小擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，有利于提高控制精度。三、設(shè)計(jì)（論文）的研究方案（擬采用的研究方法、準(zhǔn)備工作情況及主

17、要措施）、主要研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo)（一)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)形式可分為單回路系統(tǒng)和多回路系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)包含一個(gè)測(cè)量變送器，單回路控制系統(tǒng)包含一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)執(zhí)行器和對(duì)象，對(duì)對(duì)象的 某一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)負(fù)反饋控制。 多回路控制系統(tǒng)內(nèi)部包含兩個(gè)以上的單 多回路控制系統(tǒng)內(nèi)部包含兩個(gè)以上的單 回路系統(tǒng)，對(duì)過(guò)程兩個(gè)以上的參數(shù)進(jìn)行閉環(huán) 負(fù)反饋控制，其控制目標(biāo)保證被控過(guò)程的被控參數(shù)滿足工藝要求。 在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和整定中，單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是最基本的方法，適用于其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、整定和投 運(yùn)。通常在選擇控制方案時(shí)，通常在選擇控制方案時(shí)，只有在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能

18、滿足生產(chǎn)過(guò)程控制的要求時(shí)， 控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)過(guò)程控制的要求時(shí)，才考慮采用兩個(gè)回路以上組成的復(fù)雜控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)適用于被控對(duì)象滯后時(shí)間較小，負(fù)載和干擾不大，控制質(zhì)量要求不很高的場(chǎng)合。(二)進(jìn)行單回路PID控制仿真利用MATLAB/Simulink描述框圖模型是十分簡(jiǎn)單和直觀的，可以用圖形化的方法直接建立起系統(tǒng)的仿真模型，啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程后可將結(jié)果在示波器上顯示出來(lái)。Simulink仿真的一般步驟為：a.打開模型編輯窗口；b.將PID控制器控制的系統(tǒng)各模塊復(fù)制到編輯窗口中；c.修改各模塊的參數(shù)；d.按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖將各模塊連接起來(lái)；e.得到系統(tǒng)仿真波形參數(shù)，將仿真結(jié)果與理論結(jié)果相比

19、較，找出結(jié)果之間的差別，并找出其原因。調(diào)節(jié)各控制器的參數(shù)，重復(fù)做多次仿真，并對(duì)比分析。(三)PID控制的改進(jìn)PID控制規(guī)律雖然具有較好的控制性能，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除誤差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大，控制要求較高的場(chǎng)合，如溫度控制，成分控制但是有時(shí)候采用PID制達(dá)不到工藝要求，如加入擾動(dòng)時(shí)，此時(shí)則需要考慮其他方法。(四)復(fù)合控制復(fù)合控制系統(tǒng)同時(shí)包含按偏差的閉環(huán)控制和按擾動(dòng)或輸入的開環(huán)控制的控制系統(tǒng)。影響輸出量變化的擾動(dòng)因素很多，但可量測(cè)并用來(lái)進(jìn)行控制的只能是主擾動(dòng)。按擾動(dòng)控制一般不能單獨(dú)采用，常需與按偏差控制結(jié)合使用，構(gòu)成復(fù)合控制。復(fù)合控制能顯著減小擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，有利于提高控制精度。四、設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)展安排 (1) 1-3周：根據(jù)選題內(nèi)容查找參考資料，研究參考文獻(xiàn)，結(jié)合課題任務(wù)提出研究、設(shè)計(jì)方案，寫出開題報(bào)告。(2) 4-5周：熟悉MATLABSimu