基于预测模型的模糊PID控制理论及其仿真与试验研究

论文摘要

温度是过程工业中的重要参数之一,温度控制尤其对石油化工行业意义重大。电加热锅炉的温度可近似为一阶惯性加纯滞后环节,且有受其他干扰因素影响严重的特点,所以电加热锅炉的温度控制是过程控制中难度较大的课题。本文实现了几种典型的先进控制技术在AE2000过程控制装置中的应用,并在此基础上研究了基于预测模型的模糊-PID控制的理论及该方法在电加热锅炉中的仿真。引进了浙江中控公司研发并生产的AE2000过程控制装置及JX-300集散控制系统。研究对象是电加热锅炉的夹套温度,该对象不仅具有大惯性及大滞后的特点,而且受环境影响严重。在该对象原有的常规PID控制基础上,又进一步实现了Smith预估控制、内模控制、模糊控制及动态矩阵预测控制,并得到相应的曲线图。通过对上述几种先进控制曲线图的比较,分析出针对该对象的几种先进控制方法的优点与不足。在上述工作基础上,针对电加热锅炉的特性设计了基于预测模型的模糊-PID控制方案。首先,在Matlab中实现了PID控制与Fuzzy-PID控制的仿真,通过仿真可以看到加入了模糊控制规则的控制器比常规PID控制器响应时间减少了600 s左右、超调量基本不变,且加入20%的扰动后,输出仅用了原来50%的时间就达到了基本平衡。其次,在该控制模型中加入了预测模型,预测模型可以预测未来时刻的输出值。用预测输出与设定值的偏差及偏差变化率作为模糊控制器的输入,改善了滞后的影响。最后利用模糊规则来反馈校正预测模型,使加入了预测模型的模糊-PID控制器超调量由原来的3%降低到几乎没有,稳定性更好。仿真曲线表明,该控制方案下的控制效果较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 先进控制技术的研究现状
• 1.2.1 PID 控制技术的发展现状
• 1.2.2 预测控制技术的发展现状
• 1.2.3 模糊控制技术的发展现状
• 1.3 本文研究工作
• 第2章 计算机控制系统
• 2.1 AE2000 过程控制装置
• 2.2 集散控制系统（DCS）
• 2.3 ADVANTROL-PRO 软件包
• 2.3.1 系统组态
• 2.3.2 数据传输
• 2.3.2 实时监控
• 2.4 AE2000 先进控制实验软件
• 第3章 先进控制策略及试验研究
• 3.1 过程辨识与建模
• 3.1.1 系统辨识
• 3.1.2 模型的建立
• 3.2 PID 控制在DCS 中的实现
• 3.3 SMITH 预估控制在DCS 中的实现
• 3.3.1 改进的Smith 预估控制在DCS 中的实现
• 3.3.2 其他改进方案的讨论
• 3.4 内模控制
• 3.4.1 内模控制在DCS 系统中实现
• 3.4.2 其他改进方案的讨论
• 3.5 模糊控制
• 3.5.1 模糊控制在DCS 中的实现
• 3.5.2 其他改进方案的讨论
• 3.6 动态矩阵预测控制
• 3.6.1 动态矩阵预测控制在DCS 中的实现
• 3.6.2 其他改进方案的讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于预测模型的模糊-PID 控制及仿真
• 4.1 基于预测模型的模糊-PID 控制器的理论
• 4.1.1 模糊控制器的基本原理及组成
• 4.1.2 模糊-PID 控制器的原理
• 4.1.3 基于预测模型的模糊-PID 控制器的原理
• 4.2 基于预测模型的模糊-PID 控制器的设计与仿真
• 4.2.1 模糊-PID 控制器的设计与仿真
• 4.2.2 基于预测模型的模糊-PID 控制器的设计与仿真
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介