文献综述--炉温系统辨识及智能控制研究.doc

文献综述课题名称： 炉温系统辨识及智能控制研究 二级院部： 自动化工程学院 学生姓名： 学号： 专 业： 测控技术与仪器 班级： 指导老师： 炉温系统辨识及智能控制研究炉温系统辨识及智能控制研究摘要：摘要：电加热炉是一种被广泛应用的工业设备，加热炉的炉温控制是常见的控制目标为了提高产品质量，扩大经济效益，减少能耗并实现环境友好型生产，对于炉温控制系统的品质提出了更高的要求在这一背景下本论文的目的就是分析各种控制方法的的特性，采用智能控制对加热炉炉温控制系统进行设计关键词：关键词：炉温控制，时滞系统，模糊控制，Smith 预估引言引言电加热炉在工业生产中被广泛应用，炉温控制也是常见的过程控制之一传统的 PID 控制因其算法简单，适应性强，鲁棒性高等特点依然在温度控制领域得以广泛使用但因在以电加热炉炉温作为控制对象时存在着时变性、非线性、大滞后等特点以及可能出现的各种不确定扰动，难以建立相适应的数学模型，使得 PID 控制效果变差。

出现影响产品质量、生产能耗增加、设备寿命缩短、经济效益下降、浪费电能污染环境等问题因此，对于控制方法的选用及设计提出了更高的要求采用智能控制方法是有效提高控温效果的一种措施，在国内外的生产实践中也有了许多的先例如模糊 PID 控制可以依靠模糊化 Kp、Ki、Kd 等参数也就是对照已有的操作人员的实际经验对系统进行控制，消除了电加热炉复杂的工况所导致的的参数变化对控制造成的影响又比如 smith 预估控制则是建立在预估各种扰动的基础上对有较大时滞的被调量进行提前控制，从而消除时滞性所造成的控制速度慢、超调量大、系统稳定性差的不良影响我将在此次毕业设计中运用这些控制方法设计控制方案并运用 MATLAB 仿真进行分析比较1 1 加热炉炉温控制特性加热炉炉温控制特性要实现对加热炉的控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程在以电加热炉炉温作为控制对象时存在着时变性、非线性、大滞后等特点以及可能出现的各种不确定扰动，难以建立相适应的数学模型特别是它的大时滞性对控制系统的设计提出了相当高的要求2 2 时滞性的特点时滞性的特点时滞特性在工业生产过程中普遍存在,当物料和能量进行传输时就形成时滞现象。

由于时滞特性的存在使扰动不能被即时察觉,控制作用需长时间才能反映到对象输出量,产生较大的超调和振荡,控制系统的稳定性降低,导致控制品质受到严重影响3 3 时滞系统研究现状时滞系统研究现状（一）Smith 预估控制1957 年,O.J.Smith 提出了一种预估补偿控制方法来控制含有时滞环节的现象,即 Smith 预估补偿，理论上解决了时滞系统的控制问题Smith 预估控制是得到广泛应用的时滞系统的控制方法该控制方法是预先估计系统在基本扰动下的动态特性,然后对时滞进行补偿,使延迟的被调量超前反映到调节器,调节器就会提前动作,从而抵消时滞特性所造成的影响,减小超调量,提高系统稳定性,加速调节过程,提高系统快速性但这种控制器必须依赖于在实际中很难获得的被控对象的精确数学模型,当预估模型和实际对象不匹配时,控制效果较差当对象参数变化范围较大时,预估器将完全失效,甚至不及常规反馈控制方法对于干扰的控制效果因而难以对像加热炉炉温这种复杂的时变时滞系统进行良好控制3）Dahlin 控制Dahlin 算法是由美国 IBM 公司的 Dahlin 在 1968 年针对工业过程控制中的纯滞后特性提出的一种控制算法。

该算法设计了一个数字调节器,整个系统的闭环传递函数相当于带有纯滞后的一阶惯性环节,而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间算法比较简单,只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器,就能够有效地克服纯滞后的不利影响,因而在工业生产中得到广泛应用但是采用 Dahlin 算法设计的系统,其快速性受到限制四）PID 控制PID 控制是迄今为止应用最广泛的一种控制算法,在工业过程控制中 90％占以上这种控制方法原理简单、通用性强、鲁棒性好并且使用方便但是在时滞系统中的应用有一定局限性,对于大时滞系统,常规控制往往无能为力五）模糊控制“模糊”概念是 L.A.Zadeh 于 1965 年首先创立的,用模糊集描述与人的主观意识有关的一些概念,后来形成了一个庞大的数学分支即模糊数学1974 年,美国工程师 E.H.Mamdani 首次把模糊数学应用于对锅炉和蒸气机的控制,成为应用模糊控制技术的先驱模糊控制比常规控制具有较强的鲁棒性,被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显,可用于非线性、时变和时滞系统的控制,完全是在人员控制经验基础上实现对系统的控制,无需建立被控对象的数学模型,是解决不确定系统的一种有效途径。

模糊控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑,从工业过程的定性过程出发,较易建立语言变量控制规则,计算得到控制查询表,提高控制系统的实用性实际应用中还将模糊控制与 PID 控制相结合,以提高控制品质此外，将模糊控制与 Smith 预估器结合是模糊控制在纯滞后系统应用中比较成功的一种方式利用 Smith 预估器来消除系统纯滞后的影响,充分利用模糊控制器的动态性能好,鲁棒性强的特点,取得对纯滞后系统较好的控制效果六）神经网络控制神经网络控制已经成为时滞系统控制中的研究新热点,取得许多新成果神经网络是多个学科交叉形成的一个技术领域,它对信息的加工、处理、存储和搜索的过程具有很多其他方法所没有的特点它对信息的存储是分布式的对信息的处理是并行的,有自组织和自学习的特点,所以可任意精度逼近非线性函数可进行和离线学习,容错性比较强它被应用在时滞控制中也是因为它可以逼近时滞的动态特性,只需用一定的输入和输出样本来训练网络,不需复杂的控制结构,也不需要精确的数学模型,因此简单而有效的特点适合工业的应用神经网络不仅具有良好的控制特性,还具有很强的预测和辨识能力 模糊控制和神经网络控制都是无模型估计器,二者的结合既具有模糊逻辑的推理能力,又有神经网络很强的学习能力和非线性表述能力,因而也是一种有效的时滞系统控制方法。

神经网络与模糊逻辑融合技术的研究主要集中在以下三种形式基于神经网络的模糊逻辑推理机制的实现,即模糊神经网络神经网络模型的模糊推理实现,即神经模糊系统基于模糊技术与神经网络结合形成的一种混合系统,这是模糊逻辑和神经网络的一种比较高级的结合方式在第三种形式的系统中,模糊逻辑和神经网络各自发挥自己的功能,利用各自的优势为共同的目标而实现功能结合与互补4 4 结语结语通过查阅文献我了解了加热炉炉温控制系统的特点，发现解决其大时滞性所造成的控制问题是系统设计的难点与核心针对这一问题，在分析比较了多种可以解决大时滞控制问题的控制方法后，结合他们各自的优劣性，我认为可以分别进行PID 常规整定方法及仿真分析、模糊 PID 控制及仿真分析、Smith 预估控制及仿真分析对仿真结果比较分析，最终可以获得最优的加热炉炉温控制系统设计方案参考文献参考文献[1]刘晓川. PID 与模糊控制相结合的智能温度控制系统[J]，电子质量， 2012(02）：19-21[2]刘金琨. 先进 PID 控制 MATLAB 仿真[M],北京：电子工业出版社，2011.[3]李科. 温控系统的智能 PID 控制算法研究[D]，武汉:华中科技大学，2006[4]童春霞,张天桥.仿人智能 PID 控制器的设计[J]，计算机仿真 2005,22(1):191-193[5]程荣军，韩祥临，卢兆明，葛红霞.A control method applied to mixed traffic flow for the coupled-map car-following model[J],中国物理 B, 2014, 23(3): [6]罗志辉.模糊 PID 在电加热炉温控系统中的应用[J],工程设计与研究:长沙, 2014(1):17-19 [7]J Li，XL Meng，WL Song. Intelligent Temperature Control System Design Based on Single-Chip Microcomputer[J],哈尔滨工业大学学报(英文版), 2014, 21(3):91-94[8]井向阳,刘杏红,周 伟,常晓林.Real-time temperature control for high arch dam based on decision support system[J],天津大学学报(英文版), 2014, 20(2):118-125 [9]张连城.Smith 预估控制的工程实现[J],自动化博览, 2012(4):76-80[10]刘锡权.电加热炉温度控制系统的设计[D],吉林大学, 2008[11]王晓华.高精度温箱温度控制系统设计[D],西安工业大学, 2013[12]王瑞琪，王金美，靳占新，陈翼，邱峰.工业用电加热炉的智能温度控制系统设计[J],山东电力技术, 2014(2):37-41[13]胡开明，王怀平，葛远香.基于 Smith 预估控制和组态技术的锅炉内胆温度控制[J],东华理工大学学报自然科学版, 2014, 37(3):316-320[14]王春艳.基于 Smith 预估模糊 PID 控制的加热器温控系统[J],自动化与仪表, 2012, 27(6):49-52 [15]崔颖.基于 Smith 预估器的模糊 PID 控制方法研究[D],大连理工大学, 2006[16]李科，王永骥，吴浩.基于参数辨识的仿人智能 PID 电加热炉温度控制[J],江南大学学报(自然科学版), 2006, 5(4):493-496[17]刘中杰.基于模糊 PID 的电阻炉温度控制系统[J],电子设计工程, 2012, 20(13):151-154 [18]罗志辉.模糊 PID 在电加热炉温控系统中的应用[J],工程设计与研究:长沙, 2014(1):17-19 [19]冯健,王申全.一类带有时延的非线性网络控制系统可靠模糊控制（英文）[J],自动化学报, 2012, 38(7):1091–1099。