智能PID设计论文

[摘要]智能控制吸收传统的PID控制的优势从而进一步发展成智能PID控制，自适应性的采用是其最大特色。以锅炉内胆水温作为被控对象，基于学生在实验室过程控制中所遇到的难题，来讨论关于锅炉内胆水温的控制方案，使得系统在安全稳定运行的前提下能够更高效率地工作。在控制过程中，由于受到的扰动不同，所需采取的控制方案也不同，需要根据大小和干扰程度选择控制方案。今天小编为大家精心挑选了关于《智能PID设计论文 (精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

智能PID设计论文 篇1：

智能PID设计与其在锅炉主汽温控制的应用初探

摘 要：提出了智能PID设计与其在锅炉主汽温控制的应用，对象模型的变化体现在增益、时间常数和阶次三个方面。增益变化对调节系统品质影响最大，时间常数次之，阶次通常可以认为不变。若能确定调节对象模型中增益和时间常数对指导信号的函数关系，这种函数关系可用于确定PID调节器参数，从而实现带指导信号的PID调节器，这种调节器可保持调节系统性能指标在变工况下近似不变。这种方法通过扩展线性控制理论来解决非线性控制问题，且方便使用。与模糊神经网络控制相比，这种方法更容易应用于工程实践。

关键词：智能PID调节器;主气温;控制，设计

1 引入指导信号的必要性

PID调节器对调节对象进行调节所采用的信号为误差信号、误差微分信号和误差积分信号，通常对这三个信号的定义域没有限定。当调节对象数学模型发生变化时(比如增益变化)，对于相同数值的误差信号、误差微分信号和误差积分信号，PID调节器无法分辨出对象数学模型的变化。即从误差信号、误差微分信号和误差积分信号无法分辨出变化的原因是由干扰引起的还是由对象模型变化共同引起的。因此对误差信号、误差微分信号和误差积分信号进行的任何再加工和处理都无法获得关于对象模型变化的信息，也就无法设计出具有对象模型变化适应能力的调节器。

设计具有对象模型变化适应能力的调节器所需要的信息要比设计针对固定模型的调节器所需要的信息要多，需要引入新变量，利用新变量来识别调节对象模型的变化。

对象模型的变化体现在增益、时间常数和阶次三个方面。增益变化对调节系统品质影响最大，时间常数次之，阶次通常可以认为不变。若能确定调节对象模型中增益和时间常数对指导信号的函数关系，根据调节器工程整定方法就可确定PID调节器参数与指导信号的函数关系，从而实现带指导信号的PID调节器，这种调节器可保持调节系统性能指标在变工况下近似不变。

2 PID调节器参数的确定方法

对于有自平衡能力的热工对象，其传递函数可表示为：

在变工况下，测定若干工况下调节对象动态特性，通过拟合得到K(x)， To(x)和n(x)，则可根据式(3)、式(4)和式(5)确定调节器参数。在调节对象阶次为3≤n≤10，衰减率为ψ=0.75时，经过拟合得：

从上至下依次为式(6)、(7)、(8)

3 应用示例

(1)火电厂主汽温调节系统。

火电厂主汽温调节对象是大惯性热工对象，阶次高。为了提高火电机组的经济性和安全性，通常对主汽温调节系统提出较高的性能指标，比如亚临界锅炉要求暂态偏差不能超过±8℃，稳态偏差不能超过±2℃。

带指导信号的主汽温调节系统如图1所示。内回路采用P调节器，外回路采用PID调节器，G02(s)为导前区传递函数，G01(s)为惰性区传递函数，

图1 主气温调节系统控制结构图

对于某超临界600WM机组的锅炉过热器在4个特定工况下汽温对喷水扰动的动态特性如表1所示：

2 仿真结果

对主汽温在典型工况下的动态特性进行了仿真。在仿真试验中，内回路采用P调节器，衰减率取为ψ=0.75，使内回路具有较强的克服扰动的能力。对于外回路，为了减少主汽温的波动，取衰减率为ψ=0.90。因为δ0.9=1.6δ0.75，Ti0.9≈0.8Ti0.75。仿真结果如图2所示。从图中可以看出：采用带指导信号的PID调节器，能够在机组负荷变化时，修正调节器参数，使调节系统品质指标基本保持不变。

4 小结

设计具有对象模型变化适应能力的调节器所需要的信息要比设计针对固定模型的调节器所需要的信息要多。根据误差信号及其导数信号无法识别热工对象模型变化，需要引入指导信号，利用指导信号来识别调节对象模型的变化。导出了带指导信号的PID调节器参数计算公式，并通过举例进行了验证。

对于大惯性、高阶次、变模型参数热工对象，可以通过实验测定若干典型工况下热工对象的阶跃响应曲线，拟合模型参数随工况的变化的函数关系，然后可根据文中所述方法设计出变参数PID调节器，使变工况下调节系统的品质指标近似不变。

在常规热工对象模型参数中引入指导信号，利用常规PID调节器整定理论可以处理变模型热工对象的控制问题，提出了通过线性控制理论扩展来处理非线性控制理论的新方法。这方法有严格的理论基础，简捷实用。

参考文献

[1]杨献勇.热工过程自动控制[M]..北京：清华大学出版社，2006.

[2]张亮明，夏桂娟.工业锅炉热工检测与过程控制[M].天津：天津大学出版社，2006.

[3]张利辉，孔灵芳.简化的模糊自调整PID在主汽温控制的应用[J].动力工程，2005，(4).

[4]黄宇，王东风，韩璞.模糊自整PID控制及其在过热汽温系统中的应用[J].电力科学与工程，2006，(3).

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

作者：罗国勇

智能PID设计论文 篇2：

智能PID控制在实训教学中的设计与应用

[摘 要] 智能控制吸收传统的PID控制的优势从而进一步发展成智能PID控制，自适应性的采用是其最大特色。以锅炉内胆水温作为被控对象，基于学生在实验室过程控制中所遇到的难题，来讨论关于锅炉内胆水温的控制方案，使得系统在安全稳定运行的前提下能够更高效率地工作。在控制过程中，由于受到的扰动不同，所需采取的控制方案也不同，需要根据大小和干扰程度选择控制方案。锅炉水温度具有非线性、时变性，这些特性的大滞后和不对称，一般方法很难达到理想的控制效果。所以采用单回路控制与串级控制两种方案进行比较，通过反复试验与调节，使系统达到一定的设计精度和要求，从而体现智能PID控制锅炉内胆水温的重要意义及研究价值。

[关 键 词] 智能PID;单回路控制;串级控制;参数调节

一、概述

在实验室指导学生实训时，就常常遇到这样的问题，在扰动产生后，参数调节不够理想，耗时长，系统无法迅速恢复稳定状态。因为常规的PID控制存在一定的不足之处，学生无法掌控。本文将以智能PID控制锅炉内胆水温为实例，即以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控变量，通过具有负反馈的闭环系统，使锅炉内胆的水温稳定在设定值上，以达到控制锅炉内胆水温的目的。但是夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，温度控制本身滞后性大，动态性能变化反复，控制起来难度也就比较大。所以合理选择设计方案，参数的整定方法，参数的调节非常重要。本文主要采用智能PID来控制锅炉内胆水温，以期达到良好的控制效果。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，其算法结构简单，十分适用于工程中，是迄今工业过程控制中应用最广泛的一种控制策略。面对越来越复杂的被控对象，如具有非线性、参数时变、数学模型无法精确获得等特点的对象，传统PID设计方法难以取得较好的控制效果，这也是我们在实验室实训时学生所面临的难题，因此，需要先进的智能算法来改进PID控制器。学校为此引进了DCS实验室，以智能AI808控制锅炉内胆水温，从而体现智能PID远程控制锅炉内胆水温系统研究的意义。

二、设计方案

这次设计主要是采用闭环控制系统，闭环控制系统的定义是说控制器与被控对象之间从起点出发又会回到起点的控制系统。闭环控制系统特点是当系统受到扰动时，被控变量就会偏离我们最初的设定值，此时系统就会立马产生控制作用，去消除被控变量与设定值之间的偏差。所以闭环控制系统是有非常高的控制精度的，而且有比较强的适应能力，它的应用非常广泛。但它也有一些缺点，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低，所以控制方案中要着重克服其存在的缺点。接下来我们看一下具体设计方案。

(一)单回路控制锅炉内胆水温

以锅炉作为对象，内胆水的温度作为系统的被控变量。设定值我们预先按要求设定好，锅炉内胆水的温度最终目的就是稳定在设定值上。检测元件将检测到的锅炉内胆水的温度信号输送到控制器，然后与我们给定的值进行比较运算，得出差值再由调节器传送到执行器，这是一个闭环线路，周而复始以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉的整个定值控制系统中，锅炉内夹套的温度的升降是由锅炉内胆的温热传递来决定的。所以夹套温度加热延迟非常大，过渡时间跨度长。在单回路控制系统中锅炉外壳温度如果不用循环水进行热交换，热量丧失的过程就比较慢了，整个温度调控质量也会受到对象特性和环境的影响，在准确度和稳定性上隐藏着一定的误差。而如果引入了水循环系统之后，那么情况就会有很大的改变。同比于静态温度控制实验中，整个系统的准确性、速度上都会有很大的提高。我们这个系统控制的锅炉夹套水温系统，它的控制任务就是应用智能PID调节，使得锅炉内夹套的水温等于最初的给定值。接下来我们看一下本实验系统结构图和方框图。如图1所示。

(二)锅炉夹套和锅炉内胆温度串级控制

1.基本工作原理

首先这是两个闭合回路构成的，并且具有负反馈，在测温回路中，内胆温度检测变送器检测到的信号会输送到副调节器，这就形成了副回路;夹套水温通过夹套温度检测变送器检测到的，这是主回路上的反馈信号，与刚开始输入设定值相比较后，再被送入主调节器，主调节器也会传送出新的信号，再与副回路反馈信号进行比较运算后，得出的差值信号将被副调节器送给执行器，从而能够达到控制锅炉内胆水温的最终目的。

2.控制方案分析

控制系统中的主控制量是锅炉内夹套水温，副控制量则是指锅炉内胆水温，这是一个辅助控制量。控制系统由主、副回路两个联合在一起，主回路是一个定值控制系统，即主控量必须等于我们的给定值，那么比例积分(PI)或比例积分微分(PID)就作为系统的主调节器控制;副回路是一个随动系统，这就要求输出副回路可以快速显示主控制装置的变化规律，从而达到控制主控变量的目的，二次调节器通常是比例(P)控制，如果有必要，适当引入积分环节。由于温度升降夹套锅炉上反映锅炉的传热是非常明显的，因为副对象管道的时间常数小于主对象时间常数，所以，当主回路对副回路产生干扰影响的时候，只要调节副回路参数就能尽快消除干扰，所以我们主张采用串级控制，其结构如图2所示。

3.串级控制系统的特点

①改善了过程的动态特性;

②可以克服各环节两次进入系统的干扰，提高抗干扰能力;

③提高了系统的鲁棒性;

④具有一定的自适应能力。

4.主、副调节器各自的作用

主回路的设计：

串级控制的主回路就是一个定值控制系统，它的设计理念其实和单回路控制系统相差并不是很多，整个组态过程完全依照单回路系统的原则来进行。在这里，两个回路的相互协调性问题是我们主要处理并关注的。例如如何选择合适的参数，主、副回路应当遵循的规则等问题。

副回路的设计：

前面我们也说了副回路是一个随动系统，那么对其产生影响的二次扰动，它可以很好地抑制住且自适应能力强，这样二次扰动对主被控量的影响就会变得很小，所以我们希望大振幅扰动、频繁扰动和严重的扰动都尽可能地包括在副回路中。

当遇到一些非线性环节的对象时，就应尽力使非线性环节消失于副环节中，而串级控制系统本身是有一定的自适应能力的，它能消除副回路对象的非线性特征，所以非线性环节最好能融入副环中。

当所面对的对象有较大滞后特性时，这样主控制器输出的反应对于它来说就显得很迟钝，也不能很快地克服各种干扰所产生的影响，同时副回路也不能起到随动系统的作用。在这种情况下我们就应尽量将纯滞后部分引入主回路对象中去，从而保证副回路的快速抗扰动功能。

三、总结

通过以上讨论与分析，本次论文设计将单回路控制与串级控制两种不同的控制方案进行了比较，通过智能PID控制对各调节参数的影响，我们发现虽然串级控制比较复杂，但是如果方法应用得当，便能使系统很快达到理想状态。因为内胆水温控制本身就具有一定的滞后性，在实训操作中学生难以把握，而我们选用智能PID控制器去控制其参数，就是因为智能PID具有良好的自适应性，它吸收了传统PID的优势，更加易于学生掌握控制。智能PID算法是近年来发展起来的一种将智能控制方法和常规PID控制方法相融合的新方法。它具有自学习、自适应、自组织能力，而且构成的PID控制器结构简单、抗干扰性强、鲁棒性高。对于没有經验的学生，PID参数的设定有一定的难度，所以我们希望通过智能PID控制方案的设计与应用，来提高学生的认知能力和学习能力。

参考文献：

[1]杜效荣.化工仪表及自动化[M].化学工业出版社，2001-06.

[2]何道清，湛海云，张禾.仪表与自动化[M].化学工业出版社，2008-01.

[3]厉玉鸣.化工自动化及仪表[M].4版.化学工业出版社，2010-03.

[4]刘金琨.智能控制[M].2版.北京：电子工业出版社，2009.

作者：汪翠萍

智能PID设计论文 篇3：

PID驱蚊剂智能释放系统设计与实现

摘要：根据现实需求，基于PID闭环控制与单片机，设计与实现一种智能驱蚊剂释放装置。通过气体探测器测定密闭空间固体颗粒浓度变化得到驱蚊剂空间浓度，通过温度传感器得到驱蚊器加热温度，确定两者关系。通过单片机进行PID闭环控制，通过实现温度在一定时间范围内的精确控制，实现驱蚊剂智能释放系统。从而改进现有单一的电蚊香释放逻辑与设备。

关键词：PID;驱蚊剂;智能;单片机

1、引言

蚊虫能够传播80多种疾病，驱蚊防蚊是我们不可避免的重要任务。目前，市售驱蚊产品中，主要有化学驱避剂和电子驱蚊器[1]。化学驱蚊剂主要含有避蚊胺、驱蚊酯、羟哌酯等，如驱蚊花露水、驱蚊液等，需要喷洒于皮肤表面使用，作用时间短。此类成分已被研究证实长期使用会导致皮肤损害、诱发神经系统疾病、DNA损伤等危害[2-4]。电子驱蚊器主要通过加热释放拟除虫菊酯类化合物实现驱蚊作用，包括氯氰菊酯、丙炔菊酯、丙烯菊酯、ES生物菊酯等。已有文献报道，人类暴露于高浓度的拟除虫菊酯类成分中，会发生呼吸困难、咳嗽、支气管痉挛、恶心、头痛等急性癥状，严重者会产生发育神经毒性、生殖毒性和免疫系统毒性。因此如何安全有效的使用拟除虫菊酯类电子驱蚊器，成为关系到人们身体健康的重要问题。

智能控制驱蚊剂的释放量，对在密闭空间特别是有婴幼儿的室内环境中的驱蚊安全性是必要的。而目前市售电子驱蚊产品，均无法调节释放浓度，只能在固定温度下持续释放拟除虫菊酯类化学驱蚊剂。在密闭室内使用，极易导致拟除虫菊酯类浓度超标，引发上述毒副作用。本文描述一种智能的驱蚊剂释放系统设计，通过前期基本实验，结合单片机的PID控制，最终实现驱蚊剂的智能释放，并最终实现空间驱蚊剂浓度的精准智能控制。

2、总体设计

智能驱蚊剂释放系统包含三个部分：传感器系统，主控运算单元与执行器系统。系统总体构成如图1所示。

图1：智能驱蚊系统总体构成

⑴传感器系统：传感器系统包括气体传感器，非接触式温度传感器。采用气体传感器对空气中的驱蚊剂平均浓度进行测定，利用非接触式温度传感器采集加热器表面的温度，经过信号处理，将电信号传输到主控运算单元。

⑵主控运算单元。对传感器采集到的浓度与温度值，通过前期建模构建的PID控制算法，完成对执行器系统的控制算法。

⑶执行器系统。主要由继电器与PTC加热器构成。通过接收主控运算单元传送的控制信号，实现驱蚊剂加热器的温度与时间控制。主控单元利用前期的建模和PID控制算法，并通过执行器系统，最终实现在密闭空间中释放适量的驱蚊剂。加热器可以通过PWM进行能量输出控制，而继电器可以在温度过高时瞬间切断，以实现快速降温。

3、核心算法模型的确立

PID控制包括比例积分微分三个部分。如图2所示，通过确定KP，KI，KD的值。在驱蚊剂控制系统中，调节对象是加热器，最终控制为空间驱蚊剂浓度。首先需要确定驱蚊剂浓度、加热温度与时间之间的关系。通过气体传感器获得的浓度值与非接触式温度传感器获得的相应数值并建立对应关系。根据实验建立时间浓度曲线，得到空间安全浓度在不同温度条件下的时间。如图3所示。

通过该曲线，得到T温度--t时间--N浓度函数，确定控制对象为浓度的情况下，通过控制特定温度的加热时间，控制空间驱蚊剂浓度。对于单片机控制算法，核心是控制加热器的温度与加热时间，系统控制的传递函数为Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;通过调节KP，KI，KD，可以实现控制曲线的性能。最终确定PID参数，获得良好的控制曲线，如图4。

图2PID控制示意图

图3时间浓度曲线

图4 PID控制曲线

4、各部分软硬件实现方法

⑴传感器系统：由MLX90614非接触式温度传感器，AGS01DB气体传感器构成。温度传感器精度为0.01℃，测量温度范围-70.01℃至+382.19℃，满足测温区间要求。气体传感器有一定的预热时间，：采样周期>= 2 秒/次。

⑵主控运算单元。选用基于Atmel Atmega328单片机的主控板，支持40mA的数字IO电流，通过数字口的PWM输出控制加热器输出功率，通过数字IO控制继电器通断来瞬间切断加热器供电，从而精准控制加热时间。单片机使用PID库，通过加热器控制空间浓度。

⑶执行器系统。执行机构主要有加热器与继电器构成，通过单片机数字IO的PWM输出，对接加热器控制口，实现加热器功率控制，通过继电器控制加热器瞬间切断，将加热时间精准控制在0.5ms的精度内。

结论：本文研究的基于PID控制的智能驱蚊剂释放系统，在传统加热释放方式的基础上，通过实验得到空间浓度加热温度时间曲线，并由此构建PID控制算法，调节PID控制参数，最终通过搭建单片机软硬件平台实现该设计。这种智能释放器大大提高了在居家密闭空间使用驱蚊剂的安全性，对于婴幼儿和敏感人群尤为有效，可作为未来驱蚊器产品实用尝试。

参考文献：

[1]康庆玲,林红. 消灭蚊子[J]. 大自然探索,2016,(9):68-75.

[2]陶波,张大伟. 蚊虫驱避剂的研究进展[J]. 东北农业大学学报,2014,45(2):123-128.

作者简介：蔡丽莎(1997.8-)，女，本科生，共同第一作者;郑景珂(1996.11-)，男，本科生，共同第一作者;黄凯(1986.5-)，男，讲师，通讯作者。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目201913023003、201913023007;杭州医学院校级大学生创新创业训练计划项目S201913023021、S201913023022、S201913023041)。

作者：蔡丽莎　郑景珂　陈州颢　黄凯