基于Smith预估补偿的模糊-PID混合控制在时滞系统中的应用研究

论文摘要

温度控制在冶金、化工、机械等工业领域应用非常广泛。这些工业领域的过程控制往往具有工况复杂、参数多变、控制滞后等特点。特别由于时滞现象的存在,扰动不能被及时察觉,使控制器参数不容易选取,若控制参数调整不当,会造成系统控制品质的下降,严重时会导致系统不稳定。因此研究时滞过程的控制方法具有非常重要的理论和实际意义。本文针对工业生产过程中的时滞现象,搭建了网络环境下的温度时滞控制系统。通过实验测试法和最小二乘法估计法建立了系统被控对象的数学模型。根据被控对象大滞后的特性,采用Smith预估补偿和基于模糊规则的模糊—PID混合控制的控制策略：系统通过Smith预估器对大滞后进行补偿；系统的控制器采用基于模糊规则的模糊—PID混合控制算法,这种控制器在不同的模糊论域中采用不同的控制方式：系统响应在暂态过程阶段,模糊控制器起主要作用；当系统响应进入稳态,误差和误差的变化率均很小时,PID控制器起主要作用。这种控制方法综合了模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快的特点,又具有PID控制的较高动态跟踪品质和稳态精度。而且由于采用了基于模糊规则进行混合控制的方法,克服了常规模糊—PID阈值切换控制器,在切换时容易跃变的现象。通过理论分析和仿真分析表明,本文提出的控制方法在动态品质和稳态精度方面均优于单一的PID控制和模糊控制,具有良好的控制效果。基于西门子的工业以太网和PROFIBUS现场总线技术,本文搭建了网络环境下的温度时滞控制实验系统。该实验系统以西门子工业通讯网络和软、硬件为控制平台,利用西门子软件和硬件来实现基于Smith预估补偿的模糊—PID混合控制算法。通过该算法进行实验研究,对温度时滞进行控制。实验结果表明：本文提出的Smith预估补偿和基于模糊规则的模糊—PID混合控制算法比传统PID控制算法具有更好的控制品质,可以对实际系统进行有效的控制,具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 温度滞后控制的研究现状
• 1.2.1 PID控制
• 1.2.2 Smith预估补偿
• 1.2.3 智能控制方法
• 1.3 工业控制网络概述
• 1.3.1 工业以太网
• 1.3.2 工业现场总线技术
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 西门子的工业网络系统
• 2.1 西门子工业网络系统概述
• 2.2 PROFIBUS现场总线技术
• 2.2.1 PROFIBUS现场总线技术概述
• 2.2.2 PROFIBUS总线协议结构
• 2.2.3 PROFIBUS总线的通信技术
• 2.2.4 PROFIBUS总线访问技术
• 2.3 西门子的工业以太网
• 2.3.1 工业以太网和西门子的工业以太网
• 2.3.2 工业以太网的CSMA/CD介质访问技术
• 2.4 小结
• 第三章 基于网络环境的温度滞后控制系统实验装置及特性分析
• 3.1 温度滞后控制系统的网络结构
• 3.2 温度滞后控制系统的实验装置
• 3.3 温度滞后实验系统被控对象的数学模型
• 3.3.1 锅炉内胆和盘管温度滞后控制实验
• 3.3.2 最小二乘法辨识被控对象的数学模型
• 3.4 小结
• 第四章 基于模糊规则的模糊—PID混合控制器设计
• 4.1 控制方案的选择
• 4.2 PID控制、模糊控制及Smith预估的特点
• 4.2.1 PID控制器
• 4.2.2 模糊控制器
• 4.2.3 Smith预估器的特点
• 4.3 基于Smith预估器的模糊—PID混合控制器设计
• 4.3.1 模糊—PID切换控制器切换阈值的选取
• 4.3.2 模糊—PID切换控制算法
• 4.3.3 模糊—PID切换控制存在的问题
• 4.4 基于模糊规则的模糊—PID混合控制器设计
• 4.5 系统仿真与结果分析
• 4.6 小结
• 第五章 温度时滞控制系统设计及模糊—PID混合控制算法实现
• 5.1 网络环境下的温度时滞控制系统的硬件设计
• 5.1.1 温度时滞控制系统的硬件总体设计
• 5.1.2 PLC SIMATIC S7系统的硬件设备
• 5.1.3 MM420变频器
• 5.2 网络环境下的温度时滞控制系统的软件设计
• 5.2.1 PLC的软件设计
• 5.2.2 WinCC监控系统
• 5.3 基于模糊规则的模糊—PID混合控制算法实现及结果分析
• 5.3.1 基于模糊规则的模糊—PID混合控制算法实现
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文