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1、I 工业控制器参数工程整定算法及仿真分析工业控制器参数工程整定算法及仿真分析 摘 要 PID参数整定就是设置和调整PID参数，使得控制系统的过渡过程达到最为满 意的质量指标。控制器参数整定的要求，就是通过选择合适的控制器参数(, p K , ),使过渡过程满足工业过程控制生产。控制器参数整定方法很多，总的可 i T d T 分为理论计算和工程整定法两种。 论文在较为全面地对PID控制器参数整定方法的现状分析研究的基础上，按 照简单、易用、直观的参数整定原则及切实改善系统控制性能的参数整定目的， 针对工程整定算法响应曲线法以及其应用的可行性进行了相关的研究，主要 的工作和结果概括如下：将利用MA
2、TLAB工具自动仿真求出特征参数,和， m KT 然后利用Z-N阶跃整定公式自动整定，整定出PID控制器的三个参数,， p K i T d T 之后引入增量式控制算法形成闭合回路，使结果呈现出4：1衰减曲线。最后在分 析其抗干扰性。通过仿真研究验证了响应曲线法的整定效果比经验法的整定效果 好，且方法方便，有更广泛的应用范围。 本文针对二阶对象和二阶加纯滞后对象进行了仿真研究，将这种方法与经验 法进行了比较，结果表明响应曲线整定算法优于经验法，其抗干扰能力较好。 关键词：PID控制器；整定算法；抗干扰性；仿真 II PID PID, - - . , (,), - p K i T d T ， .
3、, . PID , , - , , - , : - MATLAB 、 , m KT Z-N , PID , - - , , . p K i T d T III . , , . , - , , . : PID; ; ; IV 目 录 摘 要 .I II 第 1 章 引 言 .1 1. 1 PID 参数整定的意义 .1 1. 2 PID 参数整定技术的研究现状 .1 1. 3 PID 参数整定的存在问题与展望 .2 第 2 章 常用控制器参数整定算法 4 2. 1 PID 参数整定的一些准则 .4 2. 2 临界比例度法 .5 2. 3 衰减振荡法 .6 2. 4 基于继电器型反馈的极限环法 .6
4、 2. 5 模式识别法 .7 2. 6 最优整定 .8 第 3 章 PID 控制器参数工程整定方法设计10 3. 1 设计思想 10 3. 2 方块图 10 3. 3 详细设计 12 3.3.1 被控对象的选择.12 3.3.2 整定算法的设计.13 3.3.3 特征参数的实现.15 V 3.3.4 数值计算.17 3.3.5 PID 参数整定的性能指标 .18 3. 4 仿真中控制器参数的求取 20 3.4.1 增量式控制算法的采用.21 3.4.2 采样周期 T 的选择.22 3. 5 程序流程图 23 第 4 章 仿真分析 .25 第 5 章 结论 .35 参考文献 36 谢 辞 38
5、附录 39 1 第 1 章 引 言 1. 1 PID 参数整定的意义 PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、参数物理意义 明确、理论分析体系完整、鲁棒性好和可靠性高等优点，在工业过程控制，尤其 在可建立精确数学模型的确定性控制系统中，目前采用最多的控制方式仍然是 PID控制方式，即使是在计算机技术高速发展的今天，在诸多控制策略中，PID控 制仍占有相当重要的地位。 1 在PID控制中，一个关键的问题便是PID参数的整定。传统的方法是在获取对 象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PID参数。只要对象数学模型精 确，且是非时变的，其整定的参数可以固定不变，控制效果一般能满足
6、要求。然 而在实际的工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高度非线性、时变 不确定性、大延迟等特点，在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数、甚至 模型结构，均会发生变化，即难以建立精确的数学模型。 2 在工业控制实际中，针对那些非线性、大时变、大延迟等控制对象，不仅要 求PID参数的整定不依赖于对象数学模型，而且要求PID参数能在线调整，以满足 实时控制的要求。因此，寻求PID参数自动整定技术，以适应复杂工况和高指标 性能的控制要求，具有十分重大的工程实践意义。 3 1. 2 PID 参数整定技术的研究现状 随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，尤其是随着现代 控制理论(
7、诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络控制技术等)研究和应用的 发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。近年来，出现了许多新型 2 PID控制器及各种PID参数整定技术，其对复杂对象控制的适应性和控制效果远远 超过常规PID控制。 4 自适应PID控制吸收了自适应控制与常规PID控制两者的优点。它有自动辨识 被控过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数的变化等一系列优 点;同时，它又有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高、为现场工作人 员和设计工程师们所熟悉的优点。因此，它是目前过程控制的一种理想的自动化 装置，也是人们竞相研究PID参数自整定技术发展的方向。 5 专家
8、自适应PID控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智 能的方式利用这些知识来设计PID控制器;模糊自适应PID控制的实质，是运用模 糊数学的基本理论和方法，把控制规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模 糊控制规则以及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知 识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实 现对PID参数的最佳整定;神经网络PID控制是以一种简单计算、处理单元(即模仿 人脑神经元)为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络(可以用来描述任意 非线性系统)，构成具有PID控制作用的单神经元自适应PID控制器或神经网络PID
9、控制器;基于遗传算法整定的PID控制，是采用模拟自然界遗传机制和生物进化论， 而形成的一种并行随机搜索最优化方法整定PID参数，近年来，这种基于遗传算 法整定的PID控制在控制中的应用日益增多。 7, 6 1. 3 PID 参数整定的存在问题与展望 PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略。如依据算法的复杂性、灵活性 及使用的过程知识量的不同，有许多不同的方法来确定合适的控制器参数。一个 3 好的整定方法应该基于合理地考虑以下特性的折衷:负载千扰衰减，测量噪声效 果，过程变化的鲁棒性，设定值变化的响应，所需模型，计算要求等。我们需要 简单、直观、易用的方法，它们需要较少的信息，并能够给出合适的
10、性能。我们 也需要那些尽管需要更多的信息及计算量，但能给出较好性能的较复杂的方法。 从目前 PID参数整定方法的应用来看，我们可以得到以下两点启示; (1) 将鲁棒控制思想引入PID参数整定，可以使所设计的PID控制器适应生产 过程中不确定性变化的能力增强。PID控制器本身就具有一定的鲁棒性，但在用 于实际过程控制时还存在一些问题，主要有两点:一是控制器适应不确定性变化 的能力不够强，难以适应大范围的不确定性变化;二是在不确定性范围内系统性 没有综合考虑，一致性差。 (2) 运用综合智能系统理论与PID参数整定方法结合开发多模态控制器是今 后新型控制器发展的方向。运用AI(人工智能)，NN(人工神经网络)，FL(模糊逻 辑)，EC(进化计算)，C MAC(小脑模型)等原理与传统PID控制器融合可以开发各 种性能的先进控制器，如模糊控制器与PID控制器构成的双模态控制器就是其中 的典型，模糊控制器仿人作用完成粗调，使系统接近稳态点;PID控制器完成细调， 克服稳态点附近的小幅值振荡。 9 , 8 4 第 2 章 常用控制器参数整定算法 PID参数的最优整定
