工业过程控制中模糊PID控制器的应用研究

摘要

近年来发展起来的基于知识且不依赖于模型的智能控制技术为解决系统的非线性、滞后和时变等问题提供了新的思路。模糊控制技术是智能控制研究中最活跃的领域，也是未来研究与应用的重点技术之一，而常规PID控制器以结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器。因此，对模糊PID控制器的研究，无论在理论研究上还是在工业过程控制实践中都将具有重要的意义，本文对模糊PID控制器进行理论分析，并选取工业过程控制中典型的一阶纯滞后及二阶纯滞后为控制对象进行Matlab环境下的仿真研究，进一步对模糊PID控制器的应用研究做一些试探性工作，具体如下： 阐述模糊控制的基本理论，通过对常规模糊控制器和PID控制器的控制性能进行仿真比较，总结了各自的特点和适用性，归纳了模糊PID控制器的基本形式。 在总结模糊控制和传统PID控制性能的基础上，根据工业过程控制的实际，分析和研究了PID参数模糊自整定控制器FGSC；针对FGSC法抗干扰能力差的缺点，提出了基于设定值加权的模糊PID控制器FSWC；针对大时滞系统的常规控制策略Smith预估控制的优缺点，结合模糊PID控制器的特点，提出了对大时滞对象的模糊PID-Smith复合控制。并对以上三种模糊PID控制器进行了跟踪设定值特性、抑制扰动性能和适应对象参数变化能力的仿真分析与研究，总结了各自的特点和适用性。 简要介绍造纸工艺流程，根据造纸生产的工艺特点和过程控制要求，重点对浓度和液位实现了自动控制。针对纸浆浓度控制具有大滞后，模型不确定，综合Smith预估对滞后的补偿，模糊PID控制器的鲁棒性、精确性等特点设计模糊PID-Smith复合控制器。对液位控制，采用参数自整定模糊PID控制器；以Matlab为工具对所设计的模糊PID控制器进行仿真，并与常规PID控制仿真比较研究，取得了较好的控制效果。

目录

文摘

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声明

1绪论

1.1工业过程控制技术概述

1.1.1过程控制技术的发展历程

1.1.2过程控制的特点

1.2过程控制技术的方法应用现状

1.3过程控制的发展方向—智能控制

1.4模糊PID控制研究的意义和现状

1.5本文的主要工作

2模糊控制的基本理论

2.1 PID控制算法的理论基础

2.1.1 PID控制器的基本原理

2.1.2数字式PID控制算法

2.1.3 PID控制的特点

2.2模糊控制的概述

2.2.1模糊逻辑控制理论的产生和发展

2.2.2模糊控制的特点

2.3模糊控制器(FC，FUZZY CONTROLLER)的结构和工作原理

2.3.1常规模糊控制系统的结构

2.3.2基本模糊控制器FC的的工作原理与设计方法

2.4模糊控制的适用性

2.5常规FC与PID控制器性能的仿真比较

2.6模糊PID控制器的基本形式

2.6.1增益调整型(Gain-Scheduling)模糊PID控制器

2.6.2直接控制量型(Direct-action)模糊PID控制器

2.6.3混合型(hybrid)模糊PID控制器

2.7模糊PID控制器的设计步骤

3模糊PID控制算法的仿真研究

3.1 PID参数工程整定常用方法的仿真研究

3.1.1衰减曲线法

3.1.2过程反应曲线法

3.1.3 Ziegler-Nichols整定法(临界振荡法)

3.2模糊自整定PID控制算法

3.2.1 PID参数的智能整定方法

3.2.2模糊自适应整定PID控制器

3.2.3基于设定值加权的模糊PID控制器

3.3模糊PID-SMITH复合控制

3.3.1 Smith预估控制器

3.3.2 Fuzzy-PID-Smith控制系统

3.3.3仿真和讨论

4模糊PID控制器在造纸工业过程中的应用

4.1前言

4.2制浆造纸过程工艺简介

4.2.1制浆过程工艺流程

4.2.2湿部工艺流程

4.2.3干部工艺流程

4.3常见的数字量控制回路

4.4浓度控制系统的模糊PID控制器的设计

4.4.1纸浆浓度调节控制回路及其模型的建立

4.4.2纸浆浓度的模糊PID控制器设计

4.4.3 Fuzzy-Smith预估控制算法

4.4.4 Fuzzy-Smith-PID控制系统仿真

4.5液位控制系统的模糊PID控制器的设计

4.5.1液位控制系统采用模糊PID控制的可行性

4.5.2液位控制模糊PID控制器的设计

4.5.3系统仿真分析

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文目录