主机燃油粘度的模糊控制设计
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摘要
在工业过程控制中，PID控制算法以其鲁棒性较好、易于实现和被工程技术人员熟悉掌握等特点，至今仍被工业过程控制界所广泛采用，即使目前被广泛引进和使用的计算机分散控制系统也仍采用常规PID作为主要控制手段。但是由于燃油粘度控制系统是一个非常复杂的双回路闭环系统，具有非线性，时变性，大迟延等特点，传统的PID较难达到理想的控制效果。
本文详细研究了模糊控制方法。在详细的介绍模糊控制器方法的基础上，利用仿真实现了常规PID控制算法、模糊控制算法。仿真结果表明这些方法具有很好的控制效果。
本文首先分析了燃油粘度控制系统的数学模型，分别对燃油加热器、执行机构及其通道、测量元件进行了深入的研究，并在Simulink中建立了系统模型，为仿真打下了良好的基础。然后研究了燃油粘度控制系统的PID控制算法和模糊控制，利用MATLAB软件实现了控制系统的仿真，并对各种方法进行了比较分析。在模糊控制算法中，借助于MATLAB的FIS工具箱，使模糊控制的应用更加简便。在此基础上，还进行了控制器的硬件设计，应用ATmega128芯片，对其接口电路进行了探讨，以实现硬件控制器。当然，本课题涉及的方面很多，工作量很大，从目前为止所完成的工作看，还远未达到理想的效果。但这次研究初步解决了燃油粘度控制系统的控制算法的优化。
此外，本文对燃油粘度控制系统国内外的现状与发展进行了探讨，指出软硬件仿真的发展前景，并结合先进PID控制算法，指出了系统仿真进一步研究要做的主要工作，展望了先进控制算法在燃油粘度控制系统中应用的前景。
Although a remarkable research activity has been devoted to the application of the industrial process control, the PID control technology is still the most popular and commercially available type used in the industrial process control. This is partially due to its robustness to different industrial environment, simplicity of implementation and familiarity to many engineers. Even if it is the advanced computer distributed Control System which is widely imported and applied in our country ,PID is used as the main control method. But because the fuel oil viscosity control system is rather complex system, which is double closed loop, non-linear, time varying, big hysteretic system, so it is difficult for the traditional PID controller to reach optimum control result.
This article researches the fuzzy-PID control algorithms carefully. After a particular introduction of fuzzy controller and it implement traditional PID controller and fuzzy controller by simulation. The result of simulation indicates that the method used in this article take the system better performance.
Firstly, the article analyze the model of fuel oil viscosity control system. And the major parts of system have been studied in-depth, including steam heater, executor and measurer. A simulating model has been set up in MATLAB /simlink, which is the base of next studying work. Secondly, we research the PID control method and fuzzy control method for fuel oil viscosity system. A simulator has been developed with MATLAB, in which the comparing within these method has been made in detail. When the fuzzy controller is established, we take the aid of FIS tool box in MATLAB which make application of such controller more simpler. On the base of simulating, we also develop fuzzy controller with ATmega128. The interface circuit, such as A/D,D/Aand FIFO has been discussed and practiced. All of those make up of a fuzzy controller used in fuel oil viscosity controller. Such complex project need a long time work. What we have done to this day has not met the ideal we presume upon as beginning. But this research prelimina
rily solved the major problem of control method of fuel oil viscosity system.
Furthermore, the statue quo and the future of fuel oil viscosity are discussed in this article which indicates the development of simulation, and provide the major work of next step in combination with advanced PID control method.
本文详细研究了模糊控制方法。在详细的介绍模糊控制器方法的基础上，利用仿真实现了常规PID控制算法、模糊控制算法。仿真结果表明这些方法具有很好的控制效果。
本文首先分析了燃油粘度控制系统的数学模型，分别对燃油加热器、执行机构及其通道、测量元件进行了深入的研究，并在Simulink中建立了系统模型，为仿真打下了良好的基础。然后研究了燃油粘度控制系统的PID控制算法和模糊控制，利用MATLAB软件实现了控制系统的仿真，并对各种方法进行了比较分析。在模糊控制算法中，借助于MATLAB的FIS工具箱，使模糊控制的应用更加简便。在此基础上，还进行了控制器的硬件设计，应用ATmega128芯片，对其接口电路进行了探讨，以实现硬件控制器。当然，本课题涉及的方面很多，工作量很大，从目前为止所完成的工作看，还远未达到理想的效果。但这次研究初步解决了燃油粘度控制系统的控制算法的优化。
此外，本文对燃油粘度控制系统国内外的现状与发展进行了探讨，指出软硬件仿真的发展前景，并结合先进PID控制算法，指出了系统仿真进一步研究要做的主要工作，展望了先进控制算法在燃油粘度控制系统中应用的前景。
Although a remarkable research activity has been devoted to the application of the industrial process control, the PID control technology is still the most popular and commercially available type used in the industrial process control. This is partially due to its robustness to different industrial environment, simplicity of implementation and familiarity to many engineers. Even if it is the advanced computer distributed Control System which is widely imported and applied in our country ,PID is used as the main control method. But because the fuel oil viscosity control system is rather complex system, which is double closed loop, non-linear, time varying, big hysteretic system, so it is difficult for the traditional PID controller to reach optimum control result.
This article researches the fuzzy-PID control algorithms carefully. After a particular introduction of fuzzy controller and it implement traditional PID controller and fuzzy controller by simulation. The result of simulation indicates that the method used in this article take the system better performance.
Firstly, the article analyze the model of fuel oil viscosity control system. And the major parts of system have been studied in-depth, including steam heater, executor and measurer. A simulating model has been set up in MATLAB /simlink, which is the base of next studying work. Secondly, we research the PID control method and fuzzy control method for fuel oil viscosity system. A simulator has been developed with MATLAB, in which the comparing within these method has been made in detail. When the fuzzy controller is established, we take the aid of FIS tool box in MATLAB which make application of such controller more simpler. On the base of simulating, we also develop fuzzy controller with ATmega128. The interface circuit, such as A/D,D/Aand FIFO has been discussed and practiced. All of those make up of a fuzzy controller used in fuel oil viscosity controller. Such complex project need a long time work. What we have done to this day has not met the ideal we presume upon as beginning. But this research prelimina
rily solved the major problem of control method of fuel oil viscosity system.
Furthermore, the statue quo and the future of fuel oil viscosity are discussed in this article which indicates the development of simulation, and provide the major work of next step in combination with advanced PID control method.
引文
1．陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及应用．机械工业出版社，2001
2．郑凤阁．轮机自动化．大连海运学院出版社，1993
3．方泉根．计算机仿真技术在21世纪航海教育中的发展与应用．上海海运学院学报．2001年，第一期
4. ZHANG Fu-jun, , ZHAO Chang-lu, HUANG-Ying, GE Yun-shan, SUN Ye-bao. Application of the Computer Simulation Technique to Developing EFI Engine.Journal of beijing Institute of Technology, 2000, vol. 9
5．陈杨，林辉．基于神经网络的迭代学习控制参数拟合．计算机仿真，2003，第七期
6．龙晓林，徐金方．基于优化BP神经网络的PID控制器的研究．计算机测量与控制，2003，第十一期
7．王金峰，史秀敏．计算机仿真技术在输油管道系统方面的应用．国外油田工程，1998，第二期
8．汪玉．船舶计算机仿真技术的发展．计算机仿真，1996，第三期
9．黄重．近年来计算机仿真技术的新发展．华北电力技术，1996，第九期
10．黄翼虎，贾喜梅，周则魁．调节阀PID控制器自动／手动无扰动切换的实现．制造业自动化，2003，第四期．
11．邱公伟，林瑞全．神经元微分先行PID控制器的研究．工业仪表与自动化装置，2003，第二期
12．孙宗毅，王柏林．一种改进的模糊PID控制器及其仿真．计算机仿真，2003，第二期
13．陆黎．一种新型船舶操纵仿真器的设计．武汉造船，1999，第二期
14．Fuzzy-PID算法在换热站控制中的应用．西安建筑科技大学学报，2003，第一期
15．赵望达，鲁五一，徐志胜，刘子建．PID控制器及其智能化方法探讨．检测与控制装置，1999，第二十六卷
16．代军，苏娅芳，张雪．PID算法及其演变．辽宁交通高等专科学校学报，2003，第三期
17．曹传根，周渝生，叶正才，顾祥林，夏勇．计算机仿真技术在工业生产中的应用．宝钢技术，1998，第三期
18．王冬捷，郑凤阁．单片机在燃油粘度控制系统中的应用．大连海事学报，1995，第二期
19．叶伟强，林春熙．燃油粘度控制系统的改进．中国修船，1995，第五期
20．孙瑞利，王云华．VAF V92 MODEL 1003微电脑粘度自动调节系统故障排除实例．航海技术，1999，第四期
21．蔡自兴．智能控制—基础与应用．国防工业出版社，1998
22．王立新．自适应模糊系统与控制—设计与稳定性分析．国防工业出版社，1995
23．王顺晃，舒迪前．智能控制系统及其应用．机械工业出版社，1995
24．王俊普．智能控制．中国科学技术出版社，1996
25．马鹏，徐国强，王玉艳，章建雄．微处理器仿真技术研究．计算机工程，2003
年，第二期
26．刘鑫．低功耗微处理器技术与应用前景．行业观察
27．王莲，臧运平．微处理器的诞生和发展及社会影响．现代情报，2003年，第八期
28．徐家蓓．控制系统数字仿真．北京理工大学出版社，1998
29．刘有才，刘增良．模糊专家系统原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995
30．张乃尧，阎平凡．神经网络与模糊控制．清华大学出版社，1998
31．Joseph Giarratano, Gary Riley. 专家系统原理与编程．机械工业出版社，2000
32．曹恒，孙宝元，段军．基于MATLAB-SIMULINK的数字控制器模型．内燃机车，2000，第5期
33．杨治平．一种调速过程的模糊自适应控制．仪表技术与传感器，2002，第9期
34．李人厚．智能控制理论与方法(第一版)．西安电子科技大学出版社，1993
35．何克忠等．计算机控制系统分析与设计(第一版)．清华大学出版社，1988
36．胡晚霞等．PID控制器参数快速整定的新方法．自动化与仪器仪表，1996，第5期
37．吴晓帆．智能PID控制．自动化博览．2001．18
38．金以慧．过程控制．清华大学出版社，1993
39．张旺林等．实验室基于Matlab实时工作间的快速原型仿真系统的研究．科技情报开发与经济．2003年第13卷第4期
40．袁勇等．实现Matlab与VC++混合编程的有效途径．飞机设计．2003年3月第1期
41．杨智．工业自整定PID调节器关键设计技术综述．化工自动化及仪表．2000，27(2)
42．王杨．现代训练仿真器技术的发展．计算机仿真．2003，1，第1期
43．刘增良，刘有才．模糊逻辑与神经网络——理论研究与探索．北京航空航天大学出版社．1996．4
44．王国军，陈松乔．自动控制原理发展综述．微型机与应用．2000．6
45．简清华，钟化兰．MATLAB的数据文件I／O的实现方法．计算机与现代化．2003，5，第5期
46．杨智．自整定PID调节器设计方法．甘肃工业大学学报．第24卷第1期，1998年3月
47．刘伯春．智能自整定PID调节器的进展．化工自动化及仪表．2000，1，第1期
48．张秋红，李玉忍．用MATLAB制作图形用户界面．电脑开发与应用．2003，第3期
49．李甲申．实用二自由度PID控制．自动化仪表．第21卷第11期，2000，11
50．董红生，李战明．基于阶跃辨识的自整定PID控制器．兰州工业高等专科学校学报．2003，6，第2期
51．韩曾晋．自适应控制．清华大学出版社 1995
52．胡琳静，孙政顺．SIMULINK中自定义模块的创建与封装．系统仿真学报．
2004，第3期
53．施阳，李俊．MATLAB语言工具箱——TOOLBOX实用指南．西北工业大学出版社．1998，5
54．黄文梅．信号分析与处理：MATLAB语言及应用．国防科技大学出版社．2002，2
55．马金祥，余发山，董爱华．一种模糊自适应PID控制器的设计与仿真．焦作工学院学报．第21卷，第3期
56．王迎旭，刘国繁，伍萍辉．基于神经网络的自适应PID控制器及其应用．电力电子技术．2002，第4期
2．郑凤阁．轮机自动化．大连海运学院出版社，1993
3．方泉根．计算机仿真技术在21世纪航海教育中的发展与应用．上海海运学院学报．2001年，第一期
4. ZHANG Fu-jun, , ZHAO Chang-lu, HUANG-Ying, GE Yun-shan, SUN Ye-bao. Application of the Computer Simulation Technique to Developing EFI Engine.Journal of beijing Institute of Technology, 2000, vol. 9
5．陈杨，林辉．基于神经网络的迭代学习控制参数拟合．计算机仿真，2003，第七期
6．龙晓林，徐金方．基于优化BP神经网络的PID控制器的研究．计算机测量与控制，2003，第十一期
7．王金峰，史秀敏．计算机仿真技术在输油管道系统方面的应用．国外油田工程，1998，第二期
8．汪玉．船舶计算机仿真技术的发展．计算机仿真，1996，第三期
9．黄重．近年来计算机仿真技术的新发展．华北电力技术，1996，第九期
10．黄翼虎，贾喜梅，周则魁．调节阀PID控制器自动／手动无扰动切换的实现．制造业自动化，2003，第四期．
11．邱公伟，林瑞全．神经元微分先行PID控制器的研究．工业仪表与自动化装置，2003，第二期
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13．陆黎．一种新型船舶操纵仿真器的设计．武汉造船，1999，第二期
14．Fuzzy-PID算法在换热站控制中的应用．西安建筑科技大学学报，2003，第一期
15．赵望达，鲁五一，徐志胜，刘子建．PID控制器及其智能化方法探讨．检测与控制装置，1999，第二十六卷
16．代军，苏娅芳，张雪．PID算法及其演变．辽宁交通高等专科学校学报，2003，第三期
17．曹传根，周渝生，叶正才，顾祥林，夏勇．计算机仿真技术在工业生产中的应用．宝钢技术，1998，第三期
18．王冬捷，郑凤阁．单片机在燃油粘度控制系统中的应用．大连海事学报，1995，第二期
19．叶伟强，林春熙．燃油粘度控制系统的改进．中国修船，1995，第五期
20．孙瑞利，王云华．VAF V92 MODEL 1003微电脑粘度自动调节系统故障排除实例．航海技术，1999，第四期
21．蔡自兴．智能控制—基础与应用．国防工业出版社，1998
22．王立新．自适应模糊系统与控制—设计与稳定性分析．国防工业出版社，1995
23．王顺晃，舒迪前．智能控制系统及其应用．机械工业出版社，1995
24．王俊普．智能控制．中国科学技术出版社，1996
25．马鹏，徐国强，王玉艳，章建雄．微处理器仿真技术研究．计算机工程，2003
年，第二期
26．刘鑫．低功耗微处理器技术与应用前景．行业观察
27．王莲，臧运平．微处理器的诞生和发展及社会影响．现代情报，2003年，第八期
28．徐家蓓．控制系统数字仿真．北京理工大学出版社，1998
29．刘有才，刘增良．模糊专家系统原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995
30．张乃尧，阎平凡．神经网络与模糊控制．清华大学出版社，1998
31．Joseph Giarratano, Gary Riley. 专家系统原理与编程．机械工业出版社，2000
32．曹恒，孙宝元，段军．基于MATLAB-SIMULINK的数字控制器模型．内燃机车，2000，第5期
33．杨治平．一种调速过程的模糊自适应控制．仪表技术与传感器，2002，第9期
34．李人厚．智能控制理论与方法(第一版)．西安电子科技大学出版社，1993
35．何克忠等．计算机控制系统分析与设计(第一版)．清华大学出版社，1988
36．胡晚霞等．PID控制器参数快速整定的新方法．自动化与仪器仪表，1996，第5期
37．吴晓帆．智能PID控制．自动化博览．2001．18
38．金以慧．过程控制．清华大学出版社，1993
39．张旺林等．实验室基于Matlab实时工作间的快速原型仿真系统的研究．科技情报开发与经济．2003年第13卷第4期
40．袁勇等．实现Matlab与VC++混合编程的有效途径．飞机设计．2003年3月第1期
41．杨智．工业自整定PID调节器关键设计技术综述．化工自动化及仪表．2000，27(2)
42．王杨．现代训练仿真器技术的发展．计算机仿真．2003，1，第1期
43．刘增良，刘有才．模糊逻辑与神经网络——理论研究与探索．北京航空航天大学出版社．1996．4
44．王国军，陈松乔．自动控制原理发展综述．微型机与应用．2000．6
45．简清华，钟化兰．MATLAB的数据文件I／O的实现方法．计算机与现代化．2003，5，第5期
46．杨智．自整定PID调节器设计方法．甘肃工业大学学报．第24卷第1期，1998年3月
47．刘伯春．智能自整定PID调节器的进展．化工自动化及仪表．2000，1，第1期
48．张秋红，李玉忍．用MATLAB制作图形用户界面．电脑开发与应用．2003，第3期
49．李甲申．实用二自由度PID控制．自动化仪表．第21卷第11期，2000，11
50．董红生，李战明．基于阶跃辨识的自整定PID控制器．兰州工业高等专科学校学报．2003，6，第2期
51．韩曾晋．自适应控制．清华大学出版社 1995
52．胡琳静，孙政顺．SIMULINK中自定义模块的创建与封装．系统仿真学报．
2004，第3期
53．施阳，李俊．MATLAB语言工具箱——TOOLBOX实用指南．西北工业大学出版社．1998，5
54．黄文梅．信号分析与处理：MATLAB语言及应用．国防科技大学出版社．2002，2
55．马金祥，余发山，董爱华．一种模糊自适应PID控制器的设计与仿真．焦作工学院学报．第21卷，第3期
56．王迎旭，刘国繁，伍萍辉．基于神经网络的自适应PID控制器及其应用．电力电子技术．2002，第4期