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1、精选优质文档-倾情为你奉上安徽大学本科毕业论文（设计） （内封面） 题目：数字PID控制算法仿真研究 学生姓名： 刘高文 学号： P 院（系）： 电子科学与技术学院专业： 电气工程及其自动化入学时间：2006 年9月导师姓名：刘凯峰 职称/学位：讲师/硕士 导师所在单位：安徽大学电子科学与技术学院 数字PID控制算法仿真研究刘高文 ( P)安徽大学电子科学与技术学院 2006级电气工程及其自动化专业指导教师： 刘凯锋安徽省 合肥市 摘 要PID 控制算法是过程控制中应用最广泛的一种控制方法。PID 控制算法简单应用广泛 , 但是其参数整定方法繁杂。 利用 Matlab 可以方便地仿真 , 实现
2、 PID 参数整定。文章首先介绍了 PID 控制算法的原理、框图和公式，通过 MATLAB 仿真出普通增量式 PID 控制算法引起系统输出不稳定的仿真图，并给出引起该系统不稳定的原因，最后，文章研究了现实中应用较为广泛的BP神经网络PID控制，并与普通PID控制进行了对比研究。 关键词：PID控制；不完全微分;智能控制；神经网络 Simulation Study on Digital PID Control AbstractPID control algorithm is the most widely methods used in process control. PID control
3、algorithm is simple and widely used， but its parameter setting method is multifarious. Matlab simulation can be easily realized PID parameters setting. This paper firstly introduces the principle of PID control algorithm, through the block diagram and formula MATLAB simulation of an ordinary increme
4、ntal PID control algorithm cause instability of the simulation system, and gives the figure of instability.Finally，the paper studies the BP neural network PID control which has a wide use in reality and then compared with ordinary PID control. Keywords: PID control； Incomplete differential； Intellig
5、ent control；Neural network 专心-专注-专业0、引 言在模拟控制系统中,系统的控制器是连续模拟环节,亦称模拟调节器.而在数字控制系统中,则用数字控制器来代替模拟调节器,其直接控制过程是首先通过对模拟量输入通道对控制参数进行采样,并将其转换成数字量,然后计算机按一定的控制算法进行运算处理,计算结果由模拟量输出通道输出,并通过执行机构去控制生产过程,已达到预期的效果.这里,计算机执行按某种算法编写的程序,实现对被控制对象的控制和调节,被称为数字控制器。有了模拟调节器,为什么还要用计算机来实现数字控制呢?这是因为：1、模拟调节器的调节能力有限,当控制规律较为复杂时,就难以甚
6、至无法实现.而数字控制器能实现复杂控制规律的控制。2、计算机具有分时控制能力,可实现多回路控制。3、数字控制器具有灵活性。控制规律可灵活多样，可用一台机计算机对不同的回路实现不同的控制方式，并且，修改控制参数或控制方式一般只改变控制程序即可，试用起来简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量1。4、采用计算机除实现PID数字控制外，还能实现监控、数字显示等其他功能。在微型计算机控制系统中，使用微型计算机做数字控制器的。下图为一种常用的微型计算机控制系统的原理图。输入R(t) 输出 C(t) 隗 微型计算机D/A被控对象 A/D 图0-1 微型计算机控制系统原理图生产过程中，在大多数情况下被
7、控对象具有连续的特性，而计算机特性是离散的，由此组成了一个既有连续部分又有离散部分的混合系统。对于这个系统，可以从两个不同的角度来看。一方面，由于被控对象、AD、微型计算机、DA构成的组合体的输入和输出都是模拟量，所以，该系统该系统可以看成连续变化的模拟系统，因而可以用拉氏变换来分析，系统可以画成图0-2的形式.其中为被控对象的传递函数，为校正装置的传递函数。另一方面，由于微型计算机与D/A、被控对象、A/D构成的组合体的输入和输出都是数字量，所以，这一系统又有离散系统的特性。因而也可以用Z变换来进行分析，系统可化成图0-3的形式。其中微机校正装置的脉冲传递函数,为零阶保持器的传递函数，和构成
8、了被控对象的广义传递函数。图0-2和图0-3提示了数字控制器的两种设计途径和两类设计方法。一种是在一定条件下，把计算机控制系统近似的看成模拟系统，用连续系统的理论来进行动态的分析和设计，在将设计的结果变成数字计算机的控制算法，这种方法被称为模拟化的设计方法，用连续系统的理论来进行动态的分析和设计，又称间接设计法。另一种方法是，把计算机控制系统经过适当的变换，变成纯粹的离散系统，用Z变换等工具进行分析设计。直接设计出控制算法，该方法为离散设计方法，又叫直接设法。 R（s） C(s) R（s） C（s） D（s） Gp（s） D（Z） H（s） Gp（s） 图0-2 作为连续控制系统的结构图 图0
9、-3 作为离散控制系统的结构图 模拟化设计方法的基础是，当系统的采样频率足够高时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，因而可以用采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，从而用s域的方法设计校正装置，再使用s域的离散化方法求的离散传递函数。设计的实质是讲一个模拟调节器离散化，用数字控制器取代模拟调节器，然后按一定的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器，从而确定计算机的控制算法。PID 控制算法是过程控制中应用最广泛的一种控制方法。这种控制算法在相当多的控制领域的应用中都取得了比较满意的效果，而由微机、单片机、DSP 等数字芯片实现的数字PID 控制算法， 由于其软件
10、系统的灵活性， 使算法得到了进一步的修正和完善。PID 控制算法的种类很多， 由于应用场合不同，对算法的要求也有所不同。 本文主要通过对主要 PID 算法存在的问题进行分析并对 PID 控制算法进行改进。文章首先介绍了 PID 控制算法的原理、框图和公式，通过 MATLAB 仿真出普通增量式 PID 控制算法引起系统输出不稳定的仿真图，并给出引起该系统不稳定的原因，最后文章简单介绍了现实中应用较多的神经网络PID控制并通MATLAB仿真出其控制效果，同时与普通增量式PID的控制效果作对比。 一、 PID控制简介按偏差的比例(Proportional)、积分（Integral）和微分（Deriv
11、ative）进行控制的调节器（简称PID调节器），是连续系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。它的结构简单，参数易于调整。实际运行经验及理论分析证明，运用PID调节器在对相当多的工业对象进行控制时能够取得满意的效果。随着计算机技术的发展，采用计算机系统来实现PID控制时，其系统灵活易修改完善的优点得以发挥，所以，PID数字控制器得到越来越广泛的应用。在模拟调节其中，PID控制算法的模拟表达式为 （1-1）式中，为调节器的输出信号；为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。其控制的简化框图如图R(t) PID u（t） 控制对象 C（s） 图1-1 P
12、ID控制系统简化框图 由于计算机系统是一种采样控制系统，他只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，为了使计算机能实现式（1-1），必须将其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。连续时间系统的离散化，即 （=0，1，2n）积分用累加近似求和得 （1-2）微分用一阶后向差分近似的 （1-3）式中，为采样周期；为系统第k次采样时刻的偏差值；为系统第次采样时刻的偏差值；为采样序号，=0，1，2。将式（1-2）和式（1-3）代入式（1-1），则可得到离散得PID表达式 （1-4）如果采样周期T取得足够小，该算是可以很好的逼近模拟PID算式，因而式被控过程与连续控制过程十分接近。由于式（1-
13、4）表示得控制算法提供了执行机构的位置，即其输出值与阀门开度的位置一一对应，所以，通常把式（1-4）称为PID的位置式控制算式或位置式PID控制算法。其控制原理图如图2-2所示 R（t） PID位置算法 被控对象 C（s） 图1-2 PID位置式控制原理图如果在式（1-4）中，令 Ki=（称为积分系数） KD= (称为微分系数)则 （1-5）此即为离散化的位置式PID控制算法的得编程表达式。当进行控制时，、可现分别求出并放在指定得内存单元中，则可实现式（1-4）.由式（1-4）可以看出，每次输出与过去所有状态均有关，要想计算u(k),不仅涉及和,且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，来推导较为简单的递推算式。为此，对式（1-4）作如下动作：考虑到第
