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1、 摘要PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中依然应用最广泛的控制策略之一。PID控制中至关重要的是控制器三个参数的整定，参数整定的好坏既影响到控制性能，又影响到整个系统的能耗。常规的PID整定参数的选择取决于多种因素：被控过程的动态性能、控制目标以及操作人员对过程的理解等，所以要求工程技术人员具有丰富的经验，加上实际系统又有滞后、非线性等因素，都会使得PID参数整定有一定的难度，比较费时费力，从而导致许多PID控制回路不能运行在最佳工作状态。而自整定控制器能通过按键方式由控制器自身完成参数的整定，不需要人工干预，可以节省整定时间，提高整定精度，进而提高经济效益。因此，研究自整定PID控
2、制器具有重要意义。针对上述问题,，本文开发了一种基于系统辨识的自整定PID控制器。该控制器给过程控制技术人员提供了一种调试工具，不仅保证了控制参数的优化，而且缩短了系统的现场整定时间。ABSTRACTPID control，which is one of the earliest developed in the industrial process control，is still one of the most widely used control strategy , and more than 95of the industrial control loop has PID stru
3、ctureThe tuning of the three control parameters is the most important,because it does not only affect the quality of control performance，but also affects the whole system of energy consumptionConventional PID parameter selection depends on many factors：such as the dynamic performance of the proces，c
4、ontrol objectives，as well as the operators understanding of the processThe actual system usally is lagged behind，nonlinear,and has other factorsThat is why it is difficult to turn the PID parametersThere , it needs experienced engineers to complete PID parameters tuning although it is time-consuming
5、 and laborious and results in a number of PID control loop can not run in the best working conditionAuto-tuning controller can complete control with a button on their own,without human interventionAuto-tuning method call save more time and be more accurate than artificial mothod，and it also can impr
6、ove the cost-effectivenessThus，research on auto-tuning PID controller is of great significance To solve problems mentioned above,this paper developed an auto-tuning PID controller based on system identification methodIt provides the process control engineers with a debugging tool ,which not only ens
7、ures the optimization of the control parameters，but also shorten the setting time目 录第一章 绪论11.1本课题研究的目的与意义21.2 参数自整定技术的国内外研究现状31.3 本课题主要研究内容4第二章 模型参数辨识方法与选择52.1 模型参数辨识原理62.2 模型参数辨识常见方法72.3 本课题选用方法8 2.1.1递推最小二乘法9 2.1.2 脉冲响应法10第三章 参数自整定方法与选择113.1 参数自整定原理123.2 参数自整定常用方法133.3 本课题选用方法14 3.1.1改进型临界比例度法14 3
8、.1.2 迭代自整定法15 第四章 自整定PID控制器的设计与实现164.1 控制器的功能分析174.2 控制器的硬件电路设计18 4.2.1微处理器的选择20 4.2.2模拟量输入/输出通道 19 4.2.3人机交互模块的设计20 4.2.4电源电路设计 234.3 控制器的软件模块设计24第五章 总结与展望25致谢26参考文献27附录第一章 绪论1.1 本课题研究的目的与意义 PID控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，广泛应用于化工、机械、冶金和轻工等工业过程控制系统中。有一些文献陈述了当前的应用状况1,2。日本电子测量仪表协会在1989 年对过程控制做的调查报告，该报告表明9
9、0%以上的控制回路具有PID 结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有2000 多个控制回路，其中97%以上是PID 控制，而且仅仅有20%的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差的原因中参数整定不合适的占30%，阀门问题占30%，而另外20%的控制器性能差有多种原因，如传感器问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。在已安装的过程控制器中30%是处于手动状态，20%的控制回路采用厂家整定的参数，即控制器制造商预先设定的参数值，30%的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差。因此，PID 控制器虽然在工业过程控制中普遍应用，但是获得的控制效果并不十分理想。同时
10、由于PID 控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的情况，但随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对于控制系统的精度性能和可靠性的要求越来越高，这对PID 控制技术提出了严峻的挑战。只有和先进控制策略相结合，才能保证PID 控制技术永不过时，而它也正是向高精度、高性能、智能化的方向在逐步发展。 鉴于在当前和将来的工业过程中仍旧大量使用PID控制器，这就迫切需要设计出一些简单的且鲁棒性好的自整定控制器。在许多文献中已经报道了，通过大量的调查工作表明实际工业过程中使用的许多PID控制器都没有整定到令人满意的程度。因此，设计一种面向普通工业过程的能够以高性能自动整定的
11、控制器非常有必要，而且这样的自整定PID控制器将会在工业领域内有很好的市场前景。1.2 参数自整定技术的国内外研究现状 在过程工业界，从40年代开始，采用PID控制规律的单输入单输出简单反馈控制回路己成为过程控制的核心系统。目前，PID控制仍广泛应用，即便是在大量采用DCS控制的最现代化的装置中，这类回路仍占总回路数的80-90。这是因为PID控制算法是对人的简单而有效操作方式的总结与模仿，足以维护一般工业过程的平稳操作与运行，而且这类算法简单且应用历史悠久，工业界比较熟悉且容易接受。 PID参数的自整定一般包括两部分内容：一是过程特性的提取，也称为初期校正部分，即对过程进行辨识，得到过程的动
12、态特性，求得过程的增益、时间常数、延迟时间，然后按过程的特征参数或者按部分模型的匹配法设定PID参数。二是确定相应的最优控制器参数，也称为在线校正部分，是通过对控制响应的波形进行在线监视，求出性能控制指标，即超调量、振幅衰减比等，然后建立调整规则对PID参数进行更新。自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。Ziegler-Nichols阶跃响应是确定PID参数的简单方法，根据纯滞后时间和时间常数来整定控制器的参数。但是该方法仅在纯滞后时间与时问常数之比处于01-1之间时才适用，对于大的纯滞后需采取专门补偿措施。另外该方法借助于
13、作图来确定特征参数，得到的控制器是使用尚可的或次优的，并不能得到最优的控制器。其中应用广泛的有临界灵敏度法，需要测量临界增益和临界周期从而得到合适的PID参数。Z-N法需要使系统接近临界状态运行，这很易产生增幅振荡，并使系统毁坏。为克服乙N闭环方法的缺点，知名学者Astrom提出基于继电反馈的方法该方法的基本思路是在继电反馈下观测过程的极限环振荡，并由极限环的特征来确定过程的基本性质，然后算出PID调节器的参数。继电器自整定操作简单，不需要较多的有关被控对象的先验知识印可以整定控制器参数的优点，预先确定的参数少，仅仅是继电特性的输出高度和滞环宽度。而且它是在闭环条件下完成的，所以对扰动不灵敏，
14、而且所产生的极限环振荡又是一种受控振荡，易于控制。Astrom在1988年美国控制会议(ACC)上作的Toward Intelligent Control的大会报告概述了结合于新一代工业控制器中的两种控制思想一一自整定和自适应，为智能PID控制的发展奠定了基础。他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化，自整定调节器应具有推理能力。自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究交得日益重要。自适应技术中最主要的是自整定。根据发展阶段来分，PID参数整定可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法；按照被控对象个数来划分可分为单变量PID参
15、数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点。按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法。前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。按工作机理划分，自整定方法能分为两类：基于模型的自整定方法和基于规则的自整定方法。目前来说，在众多的整定方法中主要有两种方法在实际工业过程中应用较好。一种是基于继电反馈的参数整定方法，另一种是Foxboro公司推出的基于模式识别的参数整定方法。后者主要应用于Foxboro的单回路EXACT控制器及分散控制系统IA Series的PIDE功能块，其原理是基于Bristol在模式识别方面的早期工作。前者的应用实例较多，这类控制器现在包括自整定、增益计划设定及反馈和前馈增益的连续自适应等功能，这些技术都极大简化了PID控制器的使用，显著改进了它的性能。1.3 本课题主要研究内容 (1)模型参数辨识方法研究； (2)参数自整定方法
