电阻炉PID控制方法的比较与分析

电阻炉PID控制方法的比较与分析

论文摘要

温度控制系统其本身具有惯性大、滞后时间长、难以建立精确的数学模型的特点。而传统的PID控制方法对这类被控对象常常满足不了控制要求。本文以电阻炉为研究对象,通过对几种PID控制方法的分析与比较,确定适合电阻炉的改进PID控制方法,以其达到系统超调量小,调节时间短的控制效果。论文首先阐述了传统PID控制的优点与缺点,针对系统滞后时间长的特点加入Smith预估补偿器加以改进。采用PID控制方法的难点是如何整定出合适的PID参数,论文尝试采用ZN临界比例度法整定出PID参数。考虑到采用模糊控制可以得到良好的动态性能,本文采用自适应模糊PID控制,它通过在线实时调整PID参数弥补了采用固定PID参数控制的不足。在此基础上,给出将Smith预估补偿器和模糊PID相结合的双模型控制方法,该方法充分将模糊控制鲁棒性好与PID控制稳态精度高的优点结合起来,同时改进了由模糊控制向PID控制切换的方法。论文使用Matlab中Fuzzy工具箱和Simulink对电阻炉系统分别采用几种控制方案进行仿真分析。仿真结果表明单纯采用PID控制时,系统的超调量与调节时间均不能满足要求;而采用自适应模糊PID控制时,系统的抗干扰能力不佳;采用Smith预估补偿器的模糊与PID结合的双模型控制时,系统的动态响应与稳态精度有了更好提高而且系统具有很强的抗干扰能力。根据电阻炉系统的要求,论文运用组态王设计了一套电阻炉控制系统,并进行了系统调试,调试结果表明,Smith预估补偿器的模糊与PID双模型控制对大惯性、大滞后时间的非线性系统具有好的控制效果。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 PID控制方法的发展
  • 1.3 模糊控制
  • 1.3.1 模糊控制的发展阶段
  • 1.3.2 模糊控制的特点及发展前景
  • 1.4 电阻炉系统的控制要求
  • 1.5 论文的主要研究内容
  • 2 电阻炉温度控制系统的硬件组成
  • 2.1 控制对象简介与系统结构
  • 2.1.1 检测元件
  • 2.1.2 PEC5000模块
  • 2.1.3 可控硅工作原理
  • 2.1.4 单相交流调压原理
  • 2.2 本章小结
  • 3 系统特性与控制方法分析
  • 3.1 系统特点分析
  • 3.2 系统原有控制方案
  • 3.3 PID控制方法简介
  • 3.3.1 PID控制器的基本原理
  • 3.3.2 设计PID控制器的注意事项
  • 3.4 系统模型的建立
  • 3.4.1 机理法
  • 3.4.2 飞升曲线法
  • 3.5 PID参数的初步整定
  • 3.6 加入Smith预估器的PID控制器
  • 3.7 自适应模糊PID控制器的设计
  • 3.7.1 PID控制器参数的模糊调整原理
  • 3.7.2 模糊控制器的设计
  • 3.7.3 模糊控制器的输入与输出的确定
  • 3.7.4 精确量的模糊化
  • 3.7.5 语言变量和语言值的选择
  • 3.7.6 录属度函数的选择
  • 3.7.7 PID参数模糊调整模型的确立
  • 3.7.8 模糊推理
  • 3.7.9 解模糊
  • 3.8 Smith预估器和模糊与PID结合的双模型控制器设计
  • 3.9 本章小结
  • 4 几种PID控制方法的仿真与分析
  • 4.1 Matlab各工具箱之间的关系
  • 4.2 自适应模糊PID控制的仿真
  • 4.3 Smith预估器和模糊与PID结合的双模型控制方法与仿真
  • 4.4 本章小结
  • 5 几种PID控制方法的抗干扰能力分析
  • 5.1 斜坡干扰信号的仿真
  • 5.2 尖波干扰信号的仿真
  • 5.3 本章小结
  • 6 电阻炉系统的实际调试与分析
  • 6.1 系统界面设计
  • 6.1.1 总控制界面
  • 6.1.2 历史曲线界面
  • 6.1.3 参数设置界面
  • 6.2 系统实际调试
  • 6.3 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
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