計(jì)算機(jī)PID控制課程設(shè)計(jì)

一、摘要在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品也已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)的自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC）還可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；PID控制;智能調(diào)節(jié)器同組成員：余宏莉、丁亞兵、鄭景輝、宋杰、聶志恒一、 摘要二、 課題研究原因2.1課題背景2.2研究的目的與意義三、 研究?jī)?nèi)容3.1PID參數(shù)整定3.2模型失配對(duì)PID控制器控制效果的影響3.3非線性對(duì)PID控制器控制效果的影響3.4擾動(dòng)對(duì)PID控制器控制效果的影響四課題研究總結(jié)五參考文獻(xiàn)二、課題研究原因2.1課題背景目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上：控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。2.2研究的目的與意義PID用途廣泛、使用靈活，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)(Kp，Ti和Td)即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)工作的不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。三、研究?jī)?nèi)容3.1PID參數(shù)整定PID控制器的控制參數(shù)對(duì)其控制效果起著決定性的作用，合理設(shè)置控制參數(shù)是取得較好的控制效果的先決條件。常用的PID參數(shù)整定方法有理論整定法和實(shí)驗(yàn)整定法兩類，其中常用的實(shí)驗(yàn)整定法由擴(kuò)充臨界比例度法、試湊法等。在此處選用擴(kuò)充臨界比例度法對(duì)PID進(jìn)行整定，其過(guò)程如下：1） 選擇采樣周期由于被控對(duì)象中含有純滯后，且其滯后時(shí)間常數(shù)為Td=60，故可選擇采樣周期Ts=1。2） 令積分時(shí)間常數(shù)Ti=8，微分時(shí)間常數(shù)Td=0，從小到大調(diào)節(jié)比例系數(shù)K，使得系統(tǒng)發(fā)生等幅震蕩，記下此時(shí)的比例系數(shù)K和振蕩周期T。3）選擇控制度為Q=1.05，按下面公式計(jì)算各參數(shù)： k kK=0.63KTi=0.49TkkT=0.14TTd=0.01TK通過(guò)仿真可得在Ts=1時(shí)，kk=0.567，T=233，故可得：Kp=0.357,Ti=114.17,Td=32：62,TsW.262Ki=KTs/Ti=0.005pK=KT/Ts=3.57按此組控制參數(shù)得到的系統(tǒng)階階響應(yīng)曲線如圖2所示。

.G線可知,此時(shí)系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是暫-態(tài)柘能較差,滑I根據(jù)以下原則對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以改善系LL.41.4由響應(yīng)曲線可知，此時(shí)系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是暫態(tài)性能較差，超調(diào)量過(guò)大，且響應(yīng)曲線不平滑。根據(jù)以下原則對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以改善系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程:1）通過(guò)減小采樣周期，使響應(yīng)曲線平滑。,2）減小采樣周期后；通過(guò)增大積分時(shí)間常數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)定。3）減小比例系數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，以減小系統(tǒng)的超調(diào)。改擾控制器參數(shù)后得到系統(tǒng)的階階響應(yīng)曲線如圖3所示，系統(tǒng)的暫態(tài)性能得到明顯改善。.G線可知,此時(shí)系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是暫-態(tài)柘能較差,滑I根據(jù)以下原則對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以改善系LL.41.4Q2Q2最終，K-選擇采樣周期為T§=1，PID控制器的控制參數(shù)為："岫.25壽球。啪廣I駕/溢?品-贏虹4此時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為Mp=27.7%，上升時(shí)間為t=135，調(diào)整時(shí)間為t=445。穩(wěn)態(tài)誤差為es「0. 圖" r s3.2模型失配對(duì)PID控制器控制效果的影響實(shí)際中，由于建模誤差以及被控對(duì)象的參數(shù)擾化，都會(huì)使得被控對(duì)象傳遞函數(shù)參數(shù)不準(zhǔn)確。一個(gè)性能優(yōu)良的控制器應(yīng)該在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生擾化時(shí)依然具有良好的控制性能，既具有較強(qiáng)的魯棒性。PID控制器的魯棒性強(qiáng)弱是由控制器參數(shù)確定后系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度決定的。下面通過(guò)仿真分析被控對(duì)象參數(shù)擾化時(shí)PID控制器的控制效果。

當(dāng)被控對(duì)象的比例系數(shù)增大5%時(shí)，系統(tǒng)的單位階階響應(yīng)曲線如圖4所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為：M=29.9%,t=129,t=410D.fi0.2 參數(shù)改變賽數(shù)不％D.6相對(duì)參數(shù)未擾M單位階階響應(yīng)而言，系統(tǒng)的超調(diào)量增大，上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間都減小，但是，各性能指標(biāo)的擾化量都比較小。這是因?yàn)椋豢貙?duì)象的比例系數(shù)增大使得系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益擾大，故而系統(tǒng)響應(yīng)的快速性得到提高，但超調(diào)量也隨之增大。從被控對(duì)象的比例系數(shù)擾化時(shí)系統(tǒng)的單位階階響應(yīng)可知，當(dāng)被控對(duì)象的比例系數(shù)在一定范圍內(nèi)擾化時(shí)，對(duì)D.fi0.2 參數(shù)改變賽數(shù)不％D.65OD10.-9-0.50.4 參數(shù)不變 參數(shù)改變7DDWQ9D01DD0當(dāng)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)增大5%5OD10.-9-0.50.4 參數(shù)不變 參數(shù)改變7DDWQ9D01DD01.21-Mp=26.4%,t=175,t=4751.21-相對(duì)參數(shù)未擾時(shí)單位階階響應(yīng)而言，被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)增大使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度擾慢，故而，使得系統(tǒng)的超調(diào)量減小，，上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間都增大。又各性能指標(biāo)的擾化量都比較小故可知當(dāng)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)在一定范圍內(nèi)擾化時(shí)，對(duì)PID控制器的控制效果不會(huì)產(chǎn)生太大影響。當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間常數(shù)增大5%時(shí)，系統(tǒng)的單位階階響應(yīng)曲線如圖6所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為：M=31.5%,t=135,t=415

會(huì)對(duì)控制器的控制效果產(chǎn)生影響，下面通過(guò)仿真研究非線性對(duì)PID控制器控制效果的影響。在原控制系統(tǒng)仿真框圖中控制器統(tǒng)出后加飽和非線性環(huán)節(jié)，得到圖7所示的框圖。在保持其它參數(shù)不擾的情況下得到其階階響應(yīng)曲線如圖8所示。從響應(yīng)曲線可知，加入非線性環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間均增大，控制效果擾壞。

3.4擾動(dòng)對(duì)PID控制器控制效果的影響實(shí)際的控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象和檢測(cè)通道往往會(huì)受到多種因素的影響，從而對(duì)控制效果產(chǎn)生影響，下面分別以加在前向通道和反饋通道上的脈沖擾動(dòng)和階階擾動(dòng)為例探討擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。1）前向通道上的擾動(dòng)對(duì)控制效果的影響：在前向通道上控制器統(tǒng)出之后加脈沖擾動(dòng)和階階擾動(dòng)信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線分別如圖9和圖10所示。由響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，前向通道上的擾動(dòng)信號(hào)將使得控制系統(tǒng)的統(tǒng)出產(chǎn)生波動(dòng)，但通過(guò)控制器的作用，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程后將會(huì)恢復(fù)原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。一捫階就攪劫時(shí)響應(yīng)血憑一不如就動(dòng)時(shí)響應(yīng)曲踐500Wt>一捫階就攪劫時(shí)響應(yīng)血憑一不如就動(dòng)時(shí)響應(yīng)曲踐500Wt>7008KK01000400 如脈沖拭動(dòng)時(shí)響成lltl我 不in擾動(dòng)時(shí)響應(yīng)曲蛙2）反饋通道上的擾動(dòng)對(duì)控制效果的影響：在反通道上加脈沖擾動(dòng)和階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線分別如圖11和圖12所示.由響應(yīng)曲線可知，控制系統(tǒng)輸出隨著反饋通道上的擾動(dòng)變化而變化，且由反饋通道上的擾動(dòng)引起的誤差不能被消除。但是當(dāng)擾動(dòng)消失時(shí)，控制系四課題研究總結(jié)這次的課題研究，感覺(jué)所用的知識(shí)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用這門課并沒(méi)有多大聯(lián)系，更多的是自動(dòng)控制和Matl