基于PLC的模糊PID温度控制系统的应用研究【文献综述】

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毕业设计文献综述电气工程与自动化基于PLC的模糊PID温度控制系统的应用研究1、串级控制系统的组成温度串级控制系统，这种系统具有2个调节器和2个闭合回路和两个执行对象，2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接，主调节器的输出作为副回路的给定量，主、副调节器的输出分别去控制二个执行元件。主对象的输出为系统的被控制量锅炉夹套温度，副对象的输出是一个辅助控制变量。2、串级系统的抗干扰能力串级系统由于增加了副回路，对于进入副环内的干扰具有很强的抑制作用，因此作用于副环的干扰对主变量的影响就比较小，系统的主回路是定值控制，而副回环是一个随动控制。在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了指示系统的控制精度，一般主调节器设计成模糊PID调节器，而副调节器一般设计为PID控制，以提高副回路的快速响应。在搭实验线路时，要注意到两个调节器的极性（目的是保证主、副回路都是负反馈控制）。3、串级控制系统与单回路的控制系统相比串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高，改善了系统的动态性能，使系统的响应加快，控制及时。同时，由于串级系统具有主副两只控制器的总放大倍数增大，系统的扰干扰能力的增强。因此，它的控制质量要比单回路控制系统高。4、串级控制系统的运行和整定有一步整定法，也有两步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。5、模糊控制具有以下特点：(1)模糊控制是一种基于规则的控制.它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用；(2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则， 因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用；(3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器；(4)模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平；(5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性，时变及纯滞后系统的控制。除此，模糊控制还有比较突出的两个优点：第一，模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验；第二，模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入，输出模糊集及模糊规则中。模糊控制也有缺陷，主要表现在：1)精度不太高；2)自适应能力有限；3)易产生振荡现象。6、模糊PID控制器，模糊PID控制器的研究是将模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种控制方法，得到了许多学者的关注.模糊PID控制器是一种双模控制形式.这种改进的控制方法的出发点主要是消除模糊控制的系统稳态误差，利用PID控制器提高控制精度，消除误差，增加稳态控制性能。从PID控制角度出发，提出FI—PI，FI—PD，FI—PID三种形式的模糊控制器，并能运用各种方式得出模糊控制器中量化因子，比例因子同PID控制器的因子KP，KI，KD之间的关系式.对基于简单线性规则TS模型的模糊控制器进行了分析，指出这类模糊控制器是一种非线性增益PID控制器.有人试图利用GA算法，通过性能指标评价函数，决定模糊控制器的Ke，Kec，Ku等参数。7、　PID参数模糊自整定算法的实现，自适应模糊PID控制器以误差E和误差变化率EE作为输入，可以满足不同时刻的E和EE对PID参数自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器。PID参数模糊自整定是找出PID三个参数Kp、Ki、Kd与E和EE之间的模糊关系，Kp、Ki、Kd三个参数的模糊规则控制表建立好后，可根据各模糊子集的隶属度，各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，在运行中通过不断检测E和EE，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同E和EE时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。令y(k)表示离散化的当前温度的实际值，R(k) 表示离散化的当前设定值，E(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，EE(k)表示离散化误差变化率，E(k-1)、E(k-2)分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，U(k)为Fuzzy一PID控制器的输出量，则有：E(k)=R(k)-Y(K)，EE(K)=E(k)-E(k-1)；EE(k-1)=E(k-1)-E(k-2)。在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自矫正。8、WinCC监控软件设计上位机软件设计采用西门子WinCCV6软件。西门子视窗控制中心SIMATICWinCC(WindowsControlCenter)是HMI/SCADA软件中应用非常广泛的一个。通过WinCC开发的组态系统能够使整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性；实现了数据库系统的全面开放；广泛的采用了最新的开放性软件技术和标准，能面向多种操作系统平台。在本系统中，依靠WinCC系统开发过程流程画面、监控画面、实时调节曲线、历史曲线、报警画面、历史报警信息、用户登录系统，从而实现对现场的实时监控9、AE2000A型系统介绍，AE2000A型过程控制实验装置是根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该设备涵盖了《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。整个系统美观实用，功能多样，使用方便，既能进行验证性、设计性实验，又能提供综合性实验，可以满足不同层次的教学和研究要求。AE2000A型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1~5V，电流4~20mA。实验系统供电要求：三相380V交流电，外型尺寸：1850×1450×900mm，重量：300Kg10、AE2000A型系统主要特点1．被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。2．执行器中既有电动调节阀（或气动调节阀）、三相SCR移相调压等仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器。3．调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还有在对象中通过另一动力支路或电磁阀和手操作阀制造各种扰动。 4．一个被调参数可在不同动力源、不同的执行器、不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。5．某些检测信号、执行器在本对象中存在相互干扰，二者同时进行时要对原独立调节系统的被调参数进行重新整定，还可对复杂调节系统比较优劣。6．各种控制算法和调节规律在开放的组态实验软件平台上都可以实现。7．实验数据及图表在MCGS组态软件中永久存储可随时调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。实验对象采用了很多工业现场常用检测控制装置，仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件，基型产品控制系统既有上位监控机加智能仪表控制系统，又有上位监控机加远程数据采集计算机DDC控制系统。扩展的信号接口用于控制系统二次开发。对象系统预留有扩展连接口，进行DCS控制，计算机DDC控制，PLC控制开发。扩展控制系统为DCS分布式集散控制系统，西门子S7300PLC加上位WINCC组态软件。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能够很快适应环境进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发平台。参考文献[1]路俊峰，PLC高温烧结炉的智能温度控制，硕士论文[D]，上海交通大学，2001.[2]郁汉琪主编，电气控制与可编程序控制器应用技术[M]，南京，东南大学出版社，2003.1.[3]廖常初主编，S7-300/400PLC应用技术[M]，北京，机械工业出版社，2005.1.[4]刘士荣主编，计算机控制系统[M]，北京，机械工业出版社，2007.9.[5]SiemensAG.StandardPIDControlManual,2003.[6]SiemensAG.FunctionBlockDiagram(FBD)forS7-300andS7-400ProgrammingReferenceManual,2002.[7]浙大中控集团编，AE2000APLC实验指导手册[Z]，2004.[8]席爱民主编，模糊控制技术[M]，西安，西安电子科技大学出版社，2008.6.[9]胡寿松主编，自动控制原理[M]，第4版，北京，科学出版社，2001.[10]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团编，使用SFB/FB41,SFB/FB42,SFB/FB43实现PID控制用户手册[Z]，2004.[11] 汪晓平主编，PLC可编程控制器系统开发实例导航[M]，北京，人民邮电出版社，2004.7.[12]张智焕主编，计算机检测与控制[M]，杭州，浙江科学技术出版社，2004.8.[13]常健生主编，检测与转换技术[M]第3版，北京，机械工业出版社，2000.2.[14]朱晓青主编，过程检测控制技术与应用[M]，北京：冶金工业出版社，2002.6.[15]王兆安、黄俊主编，电力电子技术[M]，北京，机械工业出版社，2000.[16]瞿枫，徐中宏，孙冀，基于西门子S7-300PLC的模糊控制实现[J]，南京师范大学学报，2007:23-27.[17]金以慧，过程控制[M]，北京，清华大学出版社，2003.[18]王曙光，杨春杰，魏秋月等，S7-300/400PLC入门与开发实例[M]，北京，人民邮电出版社，2009.2.[19]陶权，谢彤，基于PLC的过程控制实验装置温度模糊PID控制[J]，自动化技术与应用，2010，29(10):22-26.[20]LeiWang,WencaiDu,HaiWang,HongWu.Fuzzyself-tuningPIDcontroloftheoperationtemperaturesinatwo-stagedmembraneseparationprocess[J].JournalofNaturalGasChemistry.2008:409-414.[21]M.Santos,A.L.Dexter.ControlofacryogenicprocessusingafuzzyPIDscheduler[J].ControlEngineeringPractice.2002:1147-1152.