DZ175智能恒压控制系统设计
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浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 1 -1.课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述模糊控制在恒压供水系统的国内外研究现状迄今,处理现实对象的数学模型可以分为三大类:确定性数学模型、随机性数学模型和模糊性数学模型。前两者的共同点是所描述的事物本身的含义是确定的,后者则是不确定的。由于世界的复杂性和多样性,随着科技的发展,我们研究的对象越来越复杂,而复杂的对象是难以精确的,即是模糊的。比如,高、低、胖、瘦就是模糊性的概念。为了描述和处理世界的模糊性,产生了一门数学即模糊数学。模糊理论的研究对象就是世界的模糊性。 自从 1965 年美国自动控制理论学家 I A. Zedeh 引入模糊集合以来,模糊理论有了很大的发展,其应用也越来越广泛。其应用包括模糊分类、模糊识别、模糊诊断、模糊控制、模糊智能等。规模糊控制的两个主要问题在于:改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中,往往是将模糊控制或模糊推理的思想,与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来,发挥各自的长处,从而获得理想的控制效果。由于模糊规则和语言很容易被人们广泛接受,加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现,所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制,自适应和自学习模糊控制,以及模糊控制与智能化方法的结合等三个方面。(1)小需要建立被控过程的数学模型,控制指标和参数都是模糊概念。这样,我们小至于为建立数学模型而陷入死区。(2)理论基础是模糊理论,采用模糊语言和知识,描述过程比较接近实际,便于获取和表示所需要的知识,模糊逻辑最适宜作知识的表达,连续变量有效地被压缩。(3)模糊控制具有良好的鲁棒性。模糊 IC 卡及其开发系统的实现有利于推动模糊控制的发展。1、适应和自学习模糊控制: 自校正模糊控制器 :修改控制规则的自校正模糊控制器,从响应性能指标的评价出发,用模糊集合平移或隶属函数参数的改变,来实现控制规则的部分或全面修正,也可通过修正规则表或隶属函数本身来进行调整;基于模糊模型的自校正模糊控制器,包括利用模糊集理论辨识系统模型的语言化方法,基于参考模糊集的系统模糊关系模型辨识方法,以及由 I/O数据建立模糊规则模型,并以此作为自校正控制器设计的基础等。 参数自调整模糊控制 :自调整比例因子的模糊控制,引入性能测量和比例因子调整的功能,在线改变模糊控制器的参数,较大的增强了对环境变化的适应能力;基于模糊推理的 PID 自整定控制,如参数自整定模糊 PD控制,以及类似的 PI 及 PID 控制等。 模型参考自适应模糊控制器 :利用参考模型输出与控制作用下系统输出间的偏差来修正模糊控制器的输出,包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则等。 具有自学习功能的模糊控制 :包括多种对外扰影响或重复任务的性能具有自学习功能的模糊控制方法,以及自寻优模糊控制器等,其关键在于自寻优算法的设计,尤其是提高其速度和效率。自组织模糊控制器 :将参浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 2 -考模型和自组织机制相结合的模糊模型参考学习控制,及自适应递阶模糊控制等更高级的自组织形式具有很大的发展潜力。 2、模糊控制与其它智能控制方法的结合:尽管模糊控制在概念和理论上仍然存在着不少争议,但进入 90 年代以来,由于国际上许多著名学者的参与,以及大量工程应用上取得的成功,尤其是对无法用经典与现代控制理论建立精确数学模型的复杂系统特别显得成绩非凡,因而导致了更为广泛深入的研究,事实上模糊控制已作为智能控制的一个重要分支确定了下来。 3、专家模糊控制: 专家系统能够表达和利用控制复杂过程和对象所需的启发式知识,重视知识的多层次和分类的需要,弥补了模糊控制器结构过于简单、规则比较单一的缺陷,赋予了模糊控制更高的智能 ;二者的结合还能够拥有过程控制复杂的知识,并能够在更为复杂的情况下对这些知识加以有效利用。4、基于神经网络的模糊控制: 神经网络实现局部或全部的模糊逻辑控制功能,前者如利用神经网络实现模糊控制规则或模糊推理,后者通常要求网络层数多于三层 ;自适应神经网络模糊控制,利用神经网络的学习功能作为模型辨识或直接用作控制器;基于模糊神经网络的隶属函数及推理规则的获取方法,具有模糊连接强度的模糊神经网等,均在控制中有所应用;模糊系统与遗传算法相结合的控制器设计方法则提供了更为新颖的思路。 此外,模糊预测控制,模糊变结构方法,模糊系统建模及参数辨识,糊模式识别等的研究,也都属于较为前沿的研究方向。 二、模糊控制研究方向展望 模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不长,理论上的系统性和完善性,技术上的成熟性和规范性都还是不够的,有待人们的进一步提高。 模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。其中两个重要的问题是 :如何获得模糊规则及隶属函数,这在目前完全凭经验来进行;以及如何保证模糊系统的稳定性。 大体说来,在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题为: 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法,稳定性评价理论体系 ;控制器的鲁棒性分析,系统的可控性和可观测性判定方法等。 模糊控制规则设计方法的研究,包括模糊集合隶属函数的设定方法,量化水平,采样周期的最优选择,规则的系数,最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题 ;进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。 模糊控制器参数最优调整理论的确定,以及修正推理规则的学习方式和算法等。 模糊动态模型的辨识方法。 模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。神经网络与模糊控制相结合,有望发展一套新的智能控制理论。模糊控制算法改进的研究 :由于模糊逻辑的范畴很广,包含大量的概念和原则;然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。最优模糊控制器设计的研究 :依据恰当提出的性能指标,规范控制规则的设计依据,并在某种浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 3 -意义上达到最优。2设计(论文) 要解决的问题和已采用的研究方法本设计(论文)要解决的问题有以下几个方面:(1)系统整体方案的确立(2)系统软件与硬件的设计(3)元件的选取系统的方案包括自动控制方案,压力控制方案。本题选用模糊 PID控制方法控制变频器从而控制压力泵最后达到恒压供水的目的。模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。模糊控制系统应用于诸如在测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判断它们的兼容性、一些复杂可变的被控对象等场合是非常合适的。在传统控制器中,参数或控制输出的调整是根据对由一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来进行的,而模糊控制器参数或控制输出是从过程函数的逻辑模型产生的规则来进行的,改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制规则。通常,模糊控制规则是通过将有关控制人员和专家的控制经验及指示转化为模糊语言形式获取的,因此模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制具有以下特点:1)无需知道被控对象的精确数学模型。2)具有良好的适应性和较强的鲁棒性。模糊控制是一种非线性控制,主要采用比例因子进行参数整定的控制,有利于实现参数的自适应,具有较强的鲁棒稳定性。3)控制规则容易理解。模糊控制是一种反应人类思维的智能控制,其控制规则是以人的经验和知识为基础建立起来的,容易理解和接受。4)容易实现。模糊控制系统的结构与一般的数字控制系统大致相同,模糊控制算法通过软件实现。在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用 PID 控制技术。PID 控制,实际中也有 PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例(P )控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error) 。 积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 4 -对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error) 。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI) 控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。系统的硬件采用单片机控制,硬件组成主要包括压力传感器,A/D ,D/A转换器,电源电路,控制电路,故障检测电路,电压电流变换电路,变频器,电机,输入设定与输出显示设备等。元件的选取以系统各方面参数要求为准。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 5 -3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路重点研究与关键问题:(1)模糊 PID 控制;(2)单片机程序设计(3)传感器的数据转换。解决思路:模糊控制具体原理如下:微机中断采样获取被控量的精确值,然后将此量与给定值比较后得到误差信号 E,此误差信号作为模糊控制器的一个输入量,进行模糊量化变成模糊量,此模糊量可以用相应的模糊语言来表示,至此,得到了模糊语言集合的一个子集 e,e 和模糊控制规则 R 根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量 u,u 为:=uolt。其中 u 为一个模糊量,为了对被控对象施加精确地控制,还需将模糊量转换为精确量,即非模糊化处理,得到精确的数字控制量后,经数模变换变为精确的模拟量送给执行机构,对被控对象进行一步控制,然后中断等待第二次采样,进行第二步控制循环下去,就实现了对被控对象的模糊控制。以上为单输入单输出模糊控制原理,其它的单输入多输出模糊控制系统、多输入输出模糊控制系统原理类似,只不过输入输出变量个数相异,控制规则烦琐一些。从模糊控制器结构可以看出模糊控制器的三大功能:(1)把系统的偏差从数字量转化为模糊量(2)对模糊量进行一定的给出规则进行推理(3)把推理的结果从模糊量转化为可实用于实际控制的数字量对应于以上的三大功能,模糊控制器的实现需要三大过程:(1)模糊化过程:通过传感器把受控对象的相当物理量转换成电量,若传感器的输出量是连续的模拟量,还要通过模数转换器转换成数字量,作为计算机的输入测量值,接着再将此输入测量值做标准化处理,即把其变化范围映射到相应的论域中,再将论域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语,并构成模糊集合,这样就把输入的精确量转换为由隶属函数表示的某一模糊变量的值,由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊控制规则进行推理。(2)模糊逻辑推理 :根据事先定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则进行计算推理,实际上根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行评估,以得到一个定性的用语言表示的量,这不结果只告诉你某一个确定的输出范围,即模糊输出量。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 6 -4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法1、本课题运用到的了以下书籍: 1 田会山,杨爱华水泵和水泵站M北京:中国建筑工业出版社,1986 2 成都佳灵电气制造公司JP6C-T9 系列 PIM IGBT 高性能数字式变频器使用手册2001,23 陈国呈编著PWM 变频调速技术M北京:机械工业出版社,1998,74 段文泽等 . 泵站调速节能的自适应控制. 电气传动,1990,20(5):3845 5 郁汉琪,陆宝春等. 基于专家 PID 调节的变频调速恒压供水系统的研究. 电气传动自动化,1998,20(1):41 44 6 陶永华,尹怡欣,葛芦生等. 新型 PID 控制及其应用. 北京:机械工业出版社,19987 钱毅,韩涛, 微机控制的变频调速恒压供水系统J 资源节约和综合利用,1996,6(2)8 李红斌,张承慧,宋军,万军远程供水变频调速计算机控制系统设计J 电气传动,2002 第 1 期:14189 陈虹,史旺旺,唐鸿儒,刘正意中小型水厂自动化技术的实现方法J给水排水,2001,27(11):869010 邓星钟,机电传动控制( 第三版) 武昌:华中科技大学出版社,2001,311 全继萍陈玩丰大涌水厂给水泵房改造节能总结J 城镇供水2002,12 韩涛,钱毅变频调速供水系统控制特性的改进J 供水排水1995,21(6) :313213 蔡燕,陈振翼微机控制变频调速水泵恒压供水系统J 天津纺织工学院学报,1994,13(3):545714 高新陵,宋晓平变频调速恒压供水系统研制J 河海大学学报,2001,29(1): 11511815黄贤武。 传感器实际应用电路设计 电子科技大学出版社 16 刘国荣,阳宪惠等. 模糊自适应 PID 控制器 . 控制与决策,1995,10(6):55856217 Graham C. Goidwin, Stefan F Graebe, Mario E. Salgado. Control System Design. 北京:清华大学出版社,2002,118 张曾科编著,模糊数学在自动化技术中的应用M 北京:清华大学出版社,1997,719 闻新,周露,李东江,贝超编著MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用M 北京:科学出版社,200120 姜成国,冉树成,郑雪梅,孙斌模糊控制在水处理系统中的应用探讨J工业水处理,2000,20(10):283021 刘增良主编模糊技术于应用选编(1)(2)(3)M北京:北京航空航天大学出版社,1997,222 胡包刚,应浩模糊 PID 控制技术研究发展回顾及其面临的若干重浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 7 -要问题J.自动化学报,2001,27(4):5675842、所需要的实验设备:单片机实验设备等3、所需要的计算机辅助高级软件有:word2003, KEIL 单片机程序编辑软件,protel,CAD 等。4、有条件本次毕业设计,本组同学想做一定的仿真实验或是实际实验。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 8 -5设计(论文)完成进度计划第 01 周至第 02 周: 查阅中文及英文资料(并翻译一篇外文资料) ,了解该系统以及单片机设计相关内容,收集相关资料;第 03 周至第 03 周: 完成毕业设计(论文)开题报告,并开始进行毕业设计;第 04 周至第 08 周: 完成控制系统的硬件设计;第 09 周至第 12 周: 完成控制系统的软件设计;第 13 周至第 13 周: 软件和硬件的调试;第 14 周至第 15 周: 整理相关资料,完成毕业设计(论文)手稿及最终电脑打印的毕业论文;第 16 周至第 16 周: 毕业设计(论文)小组答辩;第 17 周至第 17 周: 答辩。于 2006 年 3 月 5 日前完成题报告。2006 年 6 月份上旬之前完成所有的设计及论文。6指导教师审阅意见 该课题切合实际,具有实际应用价值,同意开题。指导教师(签字):年 月 日浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 9 -7. 教研室主任意见 教研室主任(签字): 系(签章)年 月 日说明:1.本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书” 、正式开始做毕业设计(论文)的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成,并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份,作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务的依据,并接受学校的抽查。
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