基于灰色补偿的连续系统PID控制算法研究

一、 选题的依据、意义和理论或实际应用方面的价值 

本课题为基于灰色补偿的连续系统PID控制算法研究的课题，，属于电力系统分析的范畴，来源于杨力森老师所给的毕业设计选题。

随着世界各国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已成为世界人们所关注的问题。我国经过30年的改革开放，经济的发展更是迅猛，但是了带来许多问题，例如煤炭、石油紧缺问题，这都是一个国家发展的经济命脉，经济强国都竟相开发上述资源的替代品。电加热炉技术可以广泛应用于石油冶炼、轧钢等工业行业上,

电加热炉技术可以广泛应用于石油冶炼、轧钢等工业行业上, 并且加热炉的能源消耗有时可以占一个工厂能源消耗的60%以上。在一定范围内控制现场温度，是产品质量及安全生产的重要保证，还能有效的降低加热炉的能源消耗，提高经济效益，因此温度控制系统在工业控制领域中十分重要。

在工业过程的PID控制应用中通常存在两个难解决的问题：信号干扰声问题和控制参数失调问题.经过分析对这两个问题的分析，本文基于灰色理论，提出了引入灰色预估算法来还原与控制模型参数吻合的信号成分，利用灰色补偿算法以及自适应方法来解决信号噪声、控制参数失调问题。

二、 本课题在国内外的研究现状

用于热处理的电加热炉, 需要消耗大量的电能,电加热炉炉温控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点，应用传统的模拟电路控制方法，很难达到理想的控制效果。现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制, 随着科技进步和生产的发展, 这类设备对温度的控制要求越来越高, 除控温精度外, 对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求, 显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。随着微电子技术及电力电子技术的发展, 采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实[1]。

由于电加热炉电路复杂、器件太多、无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，往往很难达到理想的控制效果。本次设计采用计算机控制技术中的PID算法控制,计算机控制系统设计通常是指在反馈控制系统结构和对象特性确定的情况下,按照给定的系统性能指标,设计出数字控制器的控制规律和相应的数字控制算法,使控制系统满足性能指标的要求[2]。

按反馈控制系统偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Differential）规律进行控制的调节器，简称为PID调节器。它是连续系统中技术最成熟、使用最广泛的一种调节器，这是由于该调解器具有结构简单、参数整定方便、易于工业实现、适用面广等优点[3]。PID控制算法作为软件核心,比例积分微分(PID)调节——比例积分调节会使调节过程增长, 温度的波动幅值增大, 为此再引入微分(D)调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例, 微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出, 变化速度越快、输出信号越强, 故能加快调节速度, 降低温度波动幅度, 比例调节、积分调节和微分调节的组合称为比例积分微分调节，控制精度比较高[4]。

    微机控制系统的快速计算、灵活多样的逻辑判断和高效的信息加工能力使自动控制进入了更高一级的领域, 提高了生产过程的自动化程度, 减少了人工干预, 并不断地完善和满足工农业生产和国防科技日益增长的需要。微机控制系统由于具有成本低、体积小、功耗小、可靠性高和使用灵活等特点, 因而广泛的应用于工农业生产、交通运输、国防建设和空间技术等各个领域。其控制对象已从单一的工厂流程扩展到企业生产过程的管理和控制。随着微机和单片机的推广使用, 实现信息自动化与过程控制相结合的分级分布式计算机控制, 使计算机控制技术的水平发展到一个崭新的阶段[5]。

三、 课题研究的内容及拟采取的方法

本课题的最终目标是完成由按键模块设定温度值，单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过16 位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于温度传感器测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过PID 电路后，获得一个控制量给加热电路，构成实时闭环系统，同时实际测量电压值并显示在显示模块上。输出控制D/A转换电路转换成电压信号来控制可控硅触发电路，从而控制加热电路实现对温度的精确控制。

本课题以AT89S52为硬件控制核心, 包括电源电路，温度信号采样电路，键盘及显示电路，加温控制电路等模块。软件采用PID 算法进行了建模和编程，在SIMULINK 环境中进行了仿真，系统无稳态误差，调节时间为30s，无超调量，满足设计要求。

四、 课题研究中的主要难点以及解决的方法

   本课题的主要问题是MATLAB程序的设计与仿真，以期完成PID算法控制器的仿真，实现系统无稳态误差，调节时间为30s，无超调量的设计要求。

   现有Matlab软件，计算机相关设备。在设计中必须采取翻阅大量相关资料文献，学习Matlab软件，定期和指导老师沟通，与同学形成小组讨论，合理安排时间，保持认真严谨的态度等措施

五、毕业设计(论文)工作日程计划

（1）第11周（11年11月18日前）接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。

（2）第12-18周 阅读指定的参考资料及文献 (包括5-10万个印刷符号与课题或本专业相关的外文资料)，完成开题报告、外文翻译任务，并交由老师，请老师指导修改，提出相关意见。

 （3）第19周上交开题报告、外文翻译，指导教师批阅。

   2013年春季学期：

 （4）第1-5周 完成方案设计，软硬件的设计，设计步骤的祥述和计算。

 （5）第6-10周采用MATLAB语言编写程序，对所设计课题进行模拟演示，以期达到理想效果。

  （6）第11周 开始毕业论文的撰写。

  （7）第15周完成毕业论文的撰写，全部成果上交指导教师，老师批阅、评阅。

  （8）第16周（6月1日至3日） 毕业答辩。

六、主要参考文献

[1]. 张际平.教育技术应用发展的热点和趋势[J].电化教育研究,1999,5(5):3-7

[3] .顾德英，罗云林，马淑华. 计算机控制技术[M] 北京：北京邮电大学出版社，2006，2

[4]. 于存江，李克明.基于PID算法的锅炉温度控制系统的实现.长春大学学报，2008.4

[5].刘金锟.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2003,1

[6].张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真实例精讲[M].北京：机械工业出版社，2010,1

[7].赵丽清.51单片机开发与应用[M].山东：中国石油大学出版社，2009,8

[8].祝诗平.传感器与检测技术[M].北京：中国林业出版社、北京大学出版社，2008,8

[9].蒋平.一种PID模糊控制器.自动化博览，2010,01

[10].刘锡权.电加热炉温控制系统的设计.吉林大学，2008,3

指 导 教 师 意 见

指导教师   签字

年    月    日

所 在 专 业 审 查 意 见

                                                 审查人  签字

                                                     年    月    日