開題報告

電氣工程及自動化

基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制與診斷（控制部分）

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

溫度控制是生產自動化的重要任務，一般是指對某一特定空間的溫度進行控制調節，使其達到并滿足工藝的要求。溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域，例如：機械、生產制造等行業。另外，溫度控制在家電、汽車、材料、電力電子、生物醫藥等方面也有廣泛應用。

隨著生產的發展，設備對溫度的控制要求越來越高，除具有較高的溫度控制精度外，還希望控制系統的過程過度時間盡量短，最大偏差和超調量要小，擾動作用后減幅振蕩的次數要盡量小，恒溫曲線要求盡可能平直，靜差要小。而作為溫度控制的對象大多數都具有較大的熱慣性，溫度控制系統具有非線性，時滯以及不確定性。由于控制對象的純滯后興致，常使系統在運行中產生超調乃至振蕩。單純的依靠古典控制方法或現代控制理論都很難達到高質量的控制效果。特別對于高精度溫度控制，如何快速、精確的將溫度控制在給定值一直是現在生產、生活面臨的重要課題之一。溫度控制不論是從控制算法還是控制算法在硬件上面的實現，都是隨著社會科技的發展而不斷進步的。特別是近年來，隨著計算機應用技術的不斷發展和完善，計算機被廣泛地應用于檢測和控制領域，使傳統的測控手段、方法與設備發生了根本性的變化。從普遍意義上講，利用計算機強大的數據處理和人機對話功能，實現對各種參數的實時測量、控制和現場分析，使測試系統的自動化、智能化和實時性的水平顯著提高。國內外對全數字溫度控制系統進行了大量的研究和開發，并獲得了成功，有的還形成了系列產品。

對溫度的控制理論是自動控制理論的一部分，近幾年PID控制，模糊控制，以及神經網絡在溫度控制中的應用都發展較快。

PID控制系統自出現以來，由于其結構簡單、實用、價格便宜，在很多過程領域中實現了滿意的控制。在過去長期的應用中，這種技術已經非常成熟。隨著計算機技術的飛速發展，采用計算機實現PID控制時，其軟件系統靈活易修改完善的優點得以發揮，是連續系統中技術最成熟，應用最廣泛的一種調節器。

人工神經網絡是一種采用數理模型的方法模擬生物神經細胞結構及對信息的記憶處理而構成的信息處理方法。它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各種復雜網絡。人工神經網絡以其高度的非線性映射，自組織，自學習和聯想記憶等功能，可對復雜的非線性系統建模，該方法響應速度快，抗干擾能力強，算法簡單，且易于用硬件和軟件實現。在溫控系統中，將溫度的影響因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質以及被加熱物體溫度等作為網絡的輸入，以實驗數據作為樣本，在微機上反復迭代，隨實驗與研究的進行與深入，自我完善與修正，直至系統收斂，得到網絡權值，達到自整定控制參數的目的。

模糊控制是基于模糊邏輯描述一個過程的控制算法，它適用于控制不易取得精確數學模型和數學模型不確定或經常變化的對象。在實現溫度控制時，將溫控對象的偏差和偏差變化率及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規則，將這些模糊規則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。然后根據控制查詢表，形成模糊算法。最后對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經過數學處理輸入計算機中，計算機根據模糊規則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成精確量去驅動執行機構，調整輸入，達到調節溫度，使之穩定的目的。模糊控制不需要裝置的精確模型，僅依賴于操作人員的經驗和直觀判斷，非常容易應用，并且模糊控制對被控對象參數變化有強魯棒性，對控制系統干擾有較強抑制能力。

目前國外溫度控制系統的發展情況

由于工業過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發展以及自動控制理論和設計方法發展的推動下，國外溫度控制系統發展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業廣泛應用。

目前國內溫度控制系統的發展情況

溫度控制系統在國內各行各業的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發展水平仍然不高，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于

世紀

80年代中后期水平，成熟產品主要以“點位”控制及常規的PID

控制器為主，它只能適應一般溫度系統控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。

目前，應用最廣泛的溫度控制系統依然是PID控制系統，在工業過程控制中，90%以上的控制系統回路具有

PID

結構。在目前的溫度控制領域，應用十分廣泛，即使在科技發達的日本，PID

在其溫度控制應用中仍然占

80%的比例。溫度

PID

調節器有三個可設定參數，即比例放大系數、積分時間常數、微分時間常數。對一個控制系統而言，合理地設置這三個參數，可取得較好的控制效果。

本課題以現代火電廠發電機的蒸汽溫度控制為模型，重點研究基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制與診斷，加強系統的穩定性、抗干擾性以及控制精度。研究蒸汽溫度控制系統，順應數字化時代控制系統發展的潮流，對于節約能源、降低成本、提高安全性和可靠性以及促進對蒸汽溫度控制和診斷系統的研究具有重要的意義。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

（1）查找相關資料，熟悉現有的基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制與診斷的發展情況

（2）熟悉基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制系統的情況，提出新的控制方案

（3）進行基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制系統的設計

（4）總結得出結論

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

（1）了解傳統的基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制技術

（2）分析相關的基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制技術

（3）基于狀態觀測器的蒸汽溫度控制系統的設計

（4）分析控制效果

（5）總結得出結論

措施：圖書館查找相關的書籍、期刊、雜志等，通過上網尋找相關的一些資料，查看當代對該技術的研究成果和最新的動態。然后通過對這些資料的學習和研究進一步的熟悉和理解設計所需的相關知識。在設計過程中及時與指導老師探討，對不了解的問題及時向老師請教。

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