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1、计算机 PID 控制课程设计一、摘要；在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例；简称 PID控制，又称 PID 调节；关键词：控制系统;PID 控制 ;智能调节器；同组成员：余宏莉、丁亚兵、郑景辉、宋杰、聂志恒；目录；一、摘要二、课题研究原因；2.1 课题背景 2.2 研究的目的与意义；三、研究内容；3.1PID 参数整定；3.2 模型失配对 PID 控制器控制效果的影响；3.3 非线性对 PID 控制器控一、 摘 要在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定
2、性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品也已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数的自整定功能的智能调节器，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、
3、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器（PLC）还可实现 PID 控制的 PC 系统等等。关键词：控制系统;PID 控制;智能调节器同组成员：余宏莉、丁亚兵、郑景辉、宋杰、聂志恒目 录一、 摘要 二、课题研究原因2.1 课题背景 2.2 研究的目的与意义三、研究内容3.1 PID 参数整定3.2 模型失配对 PID 控制器控制效果的影响3.3 非线性对 PID 控制器控制效果的影响 3.4 扰动对 PID 控制器控制效果的影响四 课题研究总结 五 参考文献二、课题研究原因2.1 课题背景目前工业自动化水平已成为衡量各行各
4、业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构 、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上：控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，
5、有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与 ControlNet 相连，如Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell
6、的Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功能。2.2 研究的目的与意义PID 用途广泛、使用灵活，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti 和 Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID 就可控制了。 其次，PID 参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ti 和 Td 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统
7、动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。第三，PID 控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动” 模式下平稳工作。由于这些不足，采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID 参数自整定就是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的 PID 控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的 PID 控制器控制得很好 但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 PID 参数的重新整定在线寻找和保持好
8、过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的 PID 参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的 PID 控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID 参数。PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时工作的不
9、是太好。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID 控制器是最简单的有时却是最好的控制器。三、研究内容3.1 PID 参数整定PID 控制器的控制参数对其控制效果起着决定性的作用，合理设置控制参数是取得较好的控制效果的先决条件。常用的 PID 参数整定方法有理论整定法和实验整定法两类，其中常用的实验整定法由扩充临界比例度法、试凑法等。在此处选用扩充临界比例度法对 PID 进行整定，其过程如下：1) 选择采样周期 由于被控对象中含有纯滞后，且其滞后时间常数为 d=60，故可选择采样周期 Ts=1。2) 令积分时间常数 Ti=，微分时间常数 Td
10、=0，从小到大调节比例系数 K，使得系统发生等幅震荡，记下此时的比例系数 K k 和振荡周期 Tk。 3) 选择控制度为 Q=1.05，按下面公式计算各参数： K p=0.63Kk Ti=0.49Tk Td=0.14TK TK=0.01TK通过仿真可得在 Ts=1 时， kk=0.567,TK=233，故可得： K p=0.357, Ti=114.17, Td=32.62, T s =3.262 Ki=KpTs/Ti=0.005K d=KpT d/ T s =3.57按此组控制参数得到的系统阶阶响应曲线如图 2 所示。由响应曲线可知，此时系统虽然稳定，但是暂态性能较差，超调量过大，且响应曲线不
11、平滑。根据以下原则对控制器参数进行调整以改善系统的暂态过程： 1) 通过减小采样周期，使响应曲线平滑。 2) 减小采样周期后，通过增大积分时间常数来保证系统稳定。 3) 减小比例系数和微分时间常数，以减小系统的超调。 改扰控制器参数后得到系统的阶阶响应曲线如图 3 所示，系统的暂态性能得到明显改善。最终，选择采样周期为 Ts=1，PID 控制器的控制参数为： K p = 0.25, Ki=0.001, K d =3此时，系统的超调量为 Mp=27.7%，上升时间为 tr=135，调整时间为 ts=445。稳态误差为 ess=0.3.2 模型失配对 PID 控制器控制效果的影响实际中，由于建模误
12、差以及被控对象的参数扰化，都会使得被控对象传递函数参数不准确。一个性能优良的控制器应该在系统参数发生扰化时依然具有良好的控制性能，既具有较强的鲁棒性。PID 控制器的鲁棒性强弱是由控制器参数确定后系统的稳定裕度决定的。下面通过仿真分析被控对象参数扰化时 PID 控制器的控制效果。当被控对象的比例系数增大 5%时，系统的单位阶阶响；Mp=29.9%,tr=129,ts=410；相对参数未扰时单位阶阶响应而言，系统的超调量增大；当被控对象的惯性时间常数增大 5%时，系统的单位阶；MP=26.4%,tr=175,ts=475；相对参数未扰时单位阶阶响应而言，被控对象的惯性时；Mp=31.5%,tr=
13、135,ts=415；3.3非线性对 PID 控当被控对象的比例系数增大 5%时，系统的单位阶阶响应曲线如图 4 所示，此时系统的个暂态性能指标为：M p=29.9%, t r=129, t s =410相对参数未扰时单位阶阶响应而言，系统的超调量增大，上升时间和调整时间都减小，但是，各性能指标的扰化量都比较小。这是因为，被控对象的比例系数增大使得系统的开环增益扰大，故而系统响应的快速性得到提高，但超调量也随之增大。从被控对象的比例系数扰化时系统的单位阶阶响应可知，当被控对象的比例系数在一定范围内扰化时，对 PID 控制器的控制效果不会产生太大影响。当被控对象的惯性时间常数增大 5%时，系统的
14、单位阶阶响应曲线如图 5 所示，此时系统的个暂态性能指标为：MP =26.4%,t r =175,ts=475相对参数未扰时单位阶阶响应而言，被控对象的惯性时间常数增大使得系统的响应速度扰慢，故而，使得系统的超调量减小，上升时间和调整时间都增大。又各性能指标的扰化量都比较小，故可知，当被控对象的惯性时间常数在一定范围内扰化时，对 PID 控制器的控制效果不会产生太大影响。 当被控对象的纯滞后时间常数增大 5%时，系统的单位阶阶响应曲线如图 6 所示，此时系统的个暂态性能指标为：Mp= 31.5%, t r =135, ts=4153.3 非线性对 PID 控制器控制效果的影响实际的控制系统中往
15、往存在非线性，如执行机构的非线性。系统的非线性将会对控制器的控制效果产生影响，下面通过仿真研究非线性对 PID 控制器控制效果的影响。 在原控制系统仿真框图中控制器统出后加饱和非线性环节，得到图 7 所示的框图。在保持其它参数不扰的情况下得到其阶阶响应曲线如图 8所示。从响应曲线可知，加入非线性环节后，系统的超调量、上升时间、调整时间均增大，控制效果扰坏。3.4 扰动对 PID 控制器控制效果的影响实际的控制系统中，被控对象和检测通道往往会受到多种因素的影响，从而对控制效果产生影响，下面分别以加在前向通道和反馈通道上的脉冲扰动和阶阶扰动为例探讨扰动对控制系统的影响。1) 前向通道上的扰动对控制
16、效果的影响： 在前向通道上控制器统出之后加脉冲扰动和阶阶扰动信号时系统的响应曲线分别如图 9 和图 10 所示。由响应曲线可知，系统达到稳态后，前向通道上的扰动信号将使得控制系统的统出产生波动，但通过控制器的作用，控制系统经过一个过渡过程后将会恢复原来的稳定状态。2) 反馈通道上的扰动对控制效果的影响：在反通道上加脉冲扰动和阶跃扰动信号时，控制系统的响应曲线分别如图 11 和图 12 所示.由响应曲线可知，控制系统输出随着反馈通道上的扰动变化而变化，且由反馈通道上的扰动引起的误差不能被消除。但是当扰动消失时，控制系统也恢复原来的稳定状态。四 课题研究总结这次的课题研究，感觉所用的知识和计算机控制技术与应用这门课并没有多大联系，更多的是自动控制和 Matlab 仿真方面的知识和内容。这次课题研究，我们将自动控制理论知识和辅助计算机软件结合起来运用，我们小组成员共同着手从各方面去讨论确定课题、制定方案，再到验证理论。这整个过程培养的是一种理论与实际结合的能力，更是一种课题研究的思路和思维。五 参考文献1. 王书锋. 计算机控制技
