模糊Smith智能控制方法的研究 及其单片机实现
摘要
在工业控制过程中，被控对象通常具有严重的纯滞后、时变性、非线性以及 存在种类繁多的干扰采用常规的PID控制方法，难以获得满意的静、动态性能。 模糊控制作为智能控制领域的一个分支由于其本质是非线性控制和自适应控制，对于纯滞后的参数时变或模型不太精确的复杂控制系统具有较强的鲁棒性。
本文针对温度箱这一典型的具有时滞、大惯性和参数时变特性的控制对象，在模糊控制理论的基础上重点研究了模糊控制与PID控制相结合的模糊PID控 制方法，将模糊参数自整定PID控制应用于温度控制。本文针对温度箱的简化模 型，探讨了PID参数的模糊整定规则，进行模糊控制器的设计。通过仿真表明模 糊PID控制器具有模糊控制的灵活性、适应性，又具有PID控制的高精度性使 其控制具有很好的鲁棒性和很好的控制效果。
本文针对控制对象的纯滞后特性，在具有一阶惯性环节的Smith预估器的基 础上利用模糊控制整定惯性环节参数，使其随被控对象参数变化而变化。然后，结合模糊PID控制与模糊自适应Smith预估控制提出了本文的模糊Smith智能控 制方法。本文分别对被控对象的参数发生变化进行了仿真研究，得到了各种情况 下惯性环节参数的整定规则，设计了一个实时调整惯性环节参数的自适应机构。 通过仿真表明模糊Smith智能控制方法改善了控制品质，使温度箱等温度控制系 统的鲁棒性和抗干扰性得到了显著提高。
最后本文研究了模糊Smith智能控制方法在单片机温度控制系统中的实现，系统介绍了以单片机为核心的控制系统的硬件与软件设计。
关键词:模糊控制;Smith预估器;模糊PID;模糊Smith;单片机
第1章绪论
1.1研究背景
在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中 有的参数未知或缓慢变化;有的存在随机干扰;有的无法获得精确的数学模型。 时滞的存在严重影响了系统的稳定性导致系统的超调量变大调节时间大大加 长甚至出现振荡、发散系统的动态品质很差。这样仅采用常规PID控制难 以获得满意的控制结果。
对于具有纯滞后、参数时变的工业过程的控制从50年代末以来先后出现了 基于模型和无模型两大类解决方法基于模型的方法有Smith预估补偿控制法、 改进的Smith预估控制法、多变量的Smith预估控制法、最优控制法、自适应控 制法等[l1。无模型方法有自适应模糊法、模糊PID法、模糊自整定法、神经网络 预估法、专家控制等等[2]。其发展已由传统控制转到了智能控制或者两者结合。 近几十年来国内外的学者与工程技术人员在具有时滞、参数时变过程控制方法 及应用方面均做了大量的研究取得了相当的进展。
解决工业控制对象的大时滞、参数时变、非线性给控制带来的不利影响使 得对它的控制有效对于保证安全生产实现工业过程的连续化、高效率、低消 耗提高产品质量与经济效益等起着举足轻重的作用。因此针对具体的对象 提出有效控制方法与策略有着十分现实的意义。