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毕业论文-模糊-PID温度控制器的研究，共40页，24996字
前 言
随着控制技术的不断发展，高抗干扰、高灵敏度的自动控制技术越来越受到社会的广泛关注。尤其是在温度控制领域，一方面，经典的PID控制器以其高稳定性、高可靠性、结构简单、调整方便等优点而得到最广泛的使用。另一方面，由于模糊控制技术不需要对象的精确模型，对参数漂移的鲁棒性强，因此越来越受人瞩目。
在日常的生产生活控制系统中，温度都是比较重要的控制参数，温度控制具有非线性，时变性，滞后性等特点。本课题就是通过对模糊控制和PID控制进行研究，设计将模糊控制和PID控制相结合的温度控制器的实现策略。本题目综合性、创新性、实践性较强，通过本次设计培养学生正确的设计思想、方法、创新能力及科学态度，提高学生的综合专业技能及素质。
二十世纪八十年代以来，模糊控制技术的应用首先在日本、美国等国家出现，进而获得了广泛的推广，取得了良好的效果。目前，在温度自动控制领域，模糊控制技术也毫无疑问有着至关重要的地位。然而，在稳定性的判别、隶属函数的确定、模糊规则的确立、采样时间的最优化等方面，模糊控制技术还需要进一步的研究和完善，特别是如何与其他先进智能控制方法或传统控制方法相结合，取长补短，从而形成最佳的控制策略，是目前国内外许多学者研究的方向。
模糊温度控制器最主要的控制目标就是实现控制系统的温度恒定。温度控制技术的主要任务可以分为两类：动态温度的跟踪与系统恒温的保持控制。动态温度的跟踪主要任务是使被控制系统按照预先设定好的温度控制变化曲线进行变化。此控制过程中的主要任务是如何使被控系统很好的跟踪控制曲线，不要产生太大的控制误差或者偏离控制曲线。系统恒温的控制主要是完成保持温度恒定。对于恒温空调房系统，当完成很好的动态跟踪实现温度控制的设定值时，空调房系统本身和外界还是有热交换的，或者系统内部也有热源存在如人的呼吸、生活电器等等，并不会保持温度恒定，那么此时就需要分析系统在某温度设定值下，需要维持此温度时所需要补充热量或者冷量的多少及时间间隔，以满足系统的控制要求及控制精度。
将模糊控制与PID控制相结合，建立相应数学模型。所得控制器应该可以使系统具有较小的超调、较高的控制精度和较快的响应速度，而且对解决系统大滞后问题也有显著效果。
在本设计中是以恒温空调房系统为研究对象，构建符合基本精度要求的系统数学模型，设计一个模糊PID控制器，实现系统的恒温控制。复杂的对象特性决定了控制系统的热惯性大，达到设定温度前后的跟随性差，而且没有很好的鲁棒性。在这种大滞后、慢时变、非线性的复杂系统。常规的PID控制器难以收到良好的控制效果。而模糊控制不要求被控对象有精确的数学模型也可以对复杂对象实施良好的控制,并且模糊控制具有良好的鲁棒性,动态性能好;但模糊控制的主要缺点是稳态精度不高。为了解决上述这些问题，我们尝试使用模糊控制与PID控制相结合的方法，构成模糊PID控制器,既具有模糊控制灵活、适应性强的优点,又具有PID控制精度高的特点。我们的基本思想是采用并行Fuzzy－PID复合控制方法比较合适。当实际温度与设定值偏差较大时,采用模糊控制,发挥其响应快的特点;当实际温度与设定温度偏差较小时,采用PID控制,发挥其静态性能好的特点,提高系统的控制精度。 

目 录
前 言 1
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 PID温度控制器和模糊控制 1
1.1 理论基础——自动控制原理 1
1.2 PID温度控制器 2
1.3 PID控制器的特点 3
1.4 模糊控制的概述 5
1.5 模糊控制基本理论 5
1.6 模糊控制的特点 7
1.7 模糊控制理论研究现状 8
第二章 PID算法和模糊控制的设计建模 10
2.1 模糊PID温度控制器的形成 10
2.2 PID控制器的参数整定 11
2.3 三种常见的模糊PID温度控制器模型 12
2.4 模糊温度控制器的非线性逼近能力 15
2.5 模糊PID控制器的选择和控制器维数的选择 19
第三章 模糊PID温度控制器设计 21
3.1 模糊PID温度控制器的基本理论建模 21
3.2 PID模糊控制设计 22
3.3 输入量的修正 34
3.4 时间最优化 35
3.5 应用举例 38
第四章 模糊PID温度控制器的总结和展望 40
4.1 有关本设计的总结 40
4.2 理论的完善 40
4.3 非线性控制 41
4.4 简单性 42
致 谢 43
参考文献 44

摘 要

在温度控制领域，一方面，经典的PID控制器以其高稳定性、高可靠性、结构简单、调整方便等优点而得到广泛的使用。另一方面，由于模糊控制技术不需要对象的精确模型，对参数漂移的鲁棒性强，因此越来越受人瞩目。目前，在温度自动控制领域，模糊控制技术也毫无疑问有着至关重要的地位。然而，在稳定性的判别、隶属函数的确定、模糊规则的确立、采样时间的最优化等方面，模糊控制技术还需要进一步的研究和完善，特别是如何与其他先进智能控制方法或传统控制方法相结合，取长补短，从而形成最佳的控制策略，是目前国内外许多学者研究的方向。
本文介绍的温度控制器，它主要采用模糊控制与PID控制算法相结合的设计优化了控制策略。首先介绍了模糊控制和PID控制技术的基本原理和构成方式，之后描述了设计一个模糊PID控制器所应该考虑的各方面的理论问题，最后给出了基本的模糊PID控制器的数学模型。在此基础上，进一步对基本的模糊PID温度控制器进行优化。为了兼顾PID控制算法和模糊控制技术各自的优点，首先要考虑对模糊控制器的输入量进行修正，然后讨论了控制的时间最优性。
最后，对此次设计的温度控制器的研究做出总结和展望。

关键字：PID，温度控制器，自动控制原理，模糊控制

ABSTRACT

In the field of temperature control, on one hand, the classical PID controller is used widely for its advantages of high stability, high reliability, simple structure, easy to adjust. On the other hand, the fuzzy controllers which are robust to the excursion of parameters need no precise mathematical model, so more and more attention by people. At present, Fuzzy control undoubtedly plays the significant role especially in the field of temperature controlling． However, fuzzy control lefts many problems such as the distinguish stability,how to get subject functions and fuzzy rules and optimization sample timing especially how to combine with traditional technologies．
This paper describes a temperature controller, it is mainly using a combination of fuzzy control and PID control algorithm designed to optimize the control strategy. First introduces the basic principles of fuzzy PID control technology and composition, then describes the design of a fuzzy PID controller should consider all aspects of the theory, and finally gives the basic mathematical model of the fuzzy PID controller. On this basis, further basic fuzzy PID temperature controller optimized. In order to take into account the PID control algorithm and fuzzy technology with their respective advantages, we must first consider the amendment, and then discuss the time optimality of the control input of the fuzzy controller.
Finally, this study using a fuzzy algorithm of the temperature controller to make the prospect.

Keywords:PID,Temperature controller,Principles of Automatic Control,Fuzzy Control

第一章 PID温度控制器和模糊控制

1.1 理论基础——自动控制原理
自动控制技术是研究自动控制共同规律的科学技术，是衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。随着生产和科学的进步，以反馈理论为基础的自动调节技术逐渐发展成为一门独立的学科——控制论。根据研究对象的不同，控制论又可以划分为工程控制论、生物控制论和经济控制论三个子类。主要研究自动控制系统中的信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用的理论总称为工程控制论。其中，自动控制原理是工程控制论中很重要的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一般理论。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原理又可以相应分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论是指二十世纪五十年代末所形成的控制理论体系，自动控制理论中建立在频率响应法和根轨迹法基础上的一个分支。经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频率域方法。多年来，经典控制理论已经在各种工程实践中得到了广泛而成功的应用。
现代控制理论是指在二十世纪六十年代初期，建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。值得指出的是，现代控制理论的发展虽然解决了很多经典控制理论所不能解决的许多理论问题和工程问题，但这绝不意味着经典控制理论已经过时。相反，由于经典控制理论便于实际工程应用，今后还将继续发挥其理论指导作用，而现代控制理论则可以补其不足。两者相辅相成，才能不断推动自动控制理论和应用的发展。