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關(guān)鍵詞：溫度控制；模糊控制；控制算法；MATLAB仿真

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.264

1 pid控制

（1）PID的理論可行性。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

通常情況下，一個(gè)完整的PID控制器是由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。比例調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)地對系統(tǒng)中的實(shí)際值與給定值之間的偏差e（t）作出反應(yīng)，可有針對性減小偏差；積分調(diào)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差；微分調(diào)節(jié)用于反應(yīng)系統(tǒng)偏差的瞬時(shí)變化趨勢，可以有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2 模糊PID控制

（1）模糊控制的基本原理。模糊控制是一種基于模糊邏輯的算法，其原理是，在控制過程中，對被控對象的狀態(tài)進(jìn)行模糊化，變?yōu)橛萌祟愓Z言描述的模糊量，之后根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)制定的語言控制規(guī)則，再通過模糊推理，得到輸出控制量的模糊值，最后在解模糊化模塊中將控制量的模糊值轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器能夠執(zhí)行的精確控制量，在控制中發(fā)揮作用。

模糊控制器由模糊化模塊、知識庫、模糊推理模塊、解模糊化模塊4個(gè)部分組成。

（2）模糊自整定PID控制。模糊控制具有2個(gè)極明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先模糊控制可以依靠人們在生產(chǎn)實(shí)踐中的控制經(jīng)驗(yàn)，這種情況下完成控制任務(wù)就不用去建立被控對象的精確模型；其次，模糊控制的穩(wěn)定性強(qiáng)，響應(yīng)速度快、超調(diào)量小，適用于控制具有滯后性的系統(tǒng)。其缺點(diǎn)也是顯而易見的，總結(jié)模糊控制規(guī)則比較困難，一旦規(guī)則建立不能在線更改，另外由于模糊控制器沒有積分環(huán)節(jié)，因此穩(wěn)態(tài)精度不高。

因此，采用模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，運(yùn)用模糊自整定PID參數(shù)的方法進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，從而快速、精確地完成控制任務(wù)。模糊控制器根據(jù)輸入量e和ec進(jìn)行模糊推理，輸出精確的PID控制參數(shù)KP、KI和KD，再由PID控制器對溫室溫度進(jìn)行控制。

3 模糊PID控制在溫控中的效果

試驗(yàn)中分別采取常規(guī)PID控制和模糊自整定PID控制兩種方法，并分別記錄下了最終的控制效果。統(tǒng)計(jì)溫度計(jì)顯示的數(shù)據(jù)，每30秒記錄一次，并根據(jù)這一數(shù)據(jù)繪制出了控制效果圖。

圖2的（a）和（b）分別是設(shè)定溫度為30℃時(shí)的常規(guī)PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖，通過分析發(fā)現(xiàn)，模糊自整定PID控制可以有效改善了常規(guī)PID控制的超調(diào)過大的問題，最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間也有所縮短，并且最終結(jié)果滿足誤差在±2℃范圍以內(nèi)的要求。

圖3的（a）和（b）分別是設(shè)定溫度為80℃時(shí)的PID和模糊自整定PID控制的溫控效果圖。通過比較圖（a）和（b）可以看出，后者比常規(guī)PID控制的曲線顯得圓滑，不那么突兀，超調(diào)量比PID控制要小，動(dòng)態(tài)特性也相對較好。同時(shí)由于絕緣油與室溫的溫差較大，散熱效果較好，降溫所需時(shí)間明顯減少。

4 結(jié)論

通過仿真分析，利用模糊自整定的PID控制進(jìn)行溫度控制與常規(guī)的PID控制相比，具有更好的魯棒性和可靠性。它可以有效地實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物發(fā)酵過程中對溫度的精準(zhǔn)控制，具有非常重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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【關(guān)鍵詞】PID控制 過程控制 原理 應(yīng)用

自PID控制誕生以來，在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，已經(jīng)成為使用最廣泛的控制器，隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)科技不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)也不斷改進(jìn)，電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)PID控制器在過程控制的系統(tǒng)內(nèi)，幾乎有著壟斷的地位，如今還是基本控制的方式之一，因?yàn)槠淠軌蜻m應(yīng)大部分工業(yè)控制的要求，所以應(yīng)用的范圍依然廣闊。

1 PID控制原理

PID控制的原理非常簡單，就是借助負(fù)反饋部分獲得系統(tǒng)誤差，接著對不同環(huán)節(jié)控制的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，把誤差降低到零，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制的要求。一般來說，按照過程控制系統(tǒng)內(nèi)控制的方法與執(zhí)行的機(jī)構(gòu)不同，其算法可以分成速度、增量和位置三種型號，在實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，轉(zhuǎn)速控制、液體的位置和閥門的開度變化就是與這些不同的類型相對應(yīng)。

2 PID控制的環(huán)節(jié)

2.1 比例環(huán)節(jié)（P調(diào)節(jié)）

PID控制器輸出的信號和偏差的信號之間是正比的關(guān)系，換句話說，只要存在偏差，其輸出信號就立即和偏差有正比變化，所以P調(diào)節(jié)反應(yīng)的速度會很快。這種調(diào)節(jié)方式能夠?qū)ο到y(tǒng)目前變化進(jìn)行及時(shí)的反映，但是無法徹底消除整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存在地偏差，所以實(shí)際進(jìn)行控制的過程中，如果只使用比例調(diào)節(jié)，系統(tǒng)就會出現(xiàn)殘差，Kp變大，系統(tǒng)的偏差會隨之降低，但是實(shí)際上，Kp如果太大，就可能使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。

2.2 積分環(huán)節(jié)（I調(diào)節(jié)）

控制器輸出和偏差的存在時(shí)間也有一定關(guān)系，事實(shí)上，輸出和偏差存在時(shí)間積分，呈線性聯(lián)系，如果系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，控制器就需要隨之作出調(diào)節(jié)，直到整個(gè)系統(tǒng)輸出和輸入量相同，控制器輸出才可以保持不變。I調(diào)節(jié)的作用就是去除整個(gè)系統(tǒng)的偏差，提高其無偏差的精度。從基本的運(yùn)算過程看，積分的時(shí)間大小對積分的作用強(qiáng)弱有決定性，積分的時(shí)間越久，積分的作用也就越弱，造成系統(tǒng)超調(diào)量增大，積分的作用如果越強(qiáng)，反而可能造成系統(tǒng)的動(dòng)蕩。

2.3 微分環(huán)節(jié)（D調(diào)節(jié)）

這一調(diào)節(jié)方式主要是按照偏差變化的速度對其進(jìn)行控制，只要出現(xiàn)變化的趨勢，這一環(huán)節(jié)就能夠做出相應(yīng)的反應(yīng)，然后在輸出量與設(shè)定值的偏離更遠(yuǎn)前，引入適當(dāng)修正的信號，提高系統(tǒng)控制的速度，進(jìn)而降低控制所需時(shí)間。D調(diào)節(jié)主要用于降低超調(diào)量，對被控制對象的輸出振蕩進(jìn)行控制，減少系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的特性，但是如果TD太大，就會使其對干擾信號進(jìn)行抑制的能力降低。

以上調(diào)節(jié)的方式互相獨(dú)立，但對于大部分控制的系統(tǒng)，要想獲得較好控制的性能，往往需要三種方式合理搭配，進(jìn)而獲得平穩(wěn)、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)的性能，取得較好控制的效果。

3 PID控制應(yīng)用的實(shí)例

以某個(gè)恒壓噴灌系統(tǒng)為例，主要部分為傳感器、控制的單元和低壓電器以及水泵機(jī)組等，不同部分互相連接形成閉環(huán)的控制體系，主要的功能是借助恒壓控制單元，使變頻器能夠控制1臺水泵，或者使用循環(huán)方式使其控制2臺水泵，進(jìn)而使管網(wǎng)的水壓保持恒壓，或者在恒壓附近保持波動(dòng)目的，還要能對運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

基本實(shí)現(xiàn)的步驟為：第一，要給PID控制器預(yù)設(shè)合適目標(biāo)的壓力值，這種壓力值設(shè)定時(shí)，要按照噴灌的管網(wǎng)要求水壓和相關(guān)操作的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，如果傳感器接收到管道內(nèi)實(shí)際的水壓，就由壓力變送器把它轉(zhuǎn)變成（4-20）mA模擬的電流信號，然后反饋到PID控制器，PID控制器在按照設(shè)定好的壓力值與實(shí)際的壓力值之間的偏差，對需要調(diào)節(jié)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；然后對變頻器輸出的頻率進(jìn)行改動(dòng)，進(jìn)而對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用水量和供水量之間形成動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，保持水壓恒定，具體的調(diào)節(jié)程序如下：

（1）穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。如果用水需求數(shù)量和供水的數(shù)量是相等的，對壓力進(jìn)行反饋的信號就和目標(biāo)的壓力信號相等，此時(shí)偏差是零，控制的增量也是零，換句話說，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，變頻器輸出的頻率保持不變，水泵轉(zhuǎn)速也不變，整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

（2） 如果用水量擴(kuò)大，也就是用水的需求增加，這時(shí)用水量會超過供水量，水壓就會下降，對壓力進(jìn)行反饋的信號減少，這時(shí)偏差會小于零，輸出控制的增量則大于零，就要增加變頻器輸出的頻率，使水泵的轉(zhuǎn)速不斷提升，進(jìn)而增加其供水量，直到其形成平衡的狀態(tài)，增加壓力，使之在設(shè)定數(shù)值附近或者到達(dá)設(shè)定的數(shù)值，進(jìn)而使供需之間保持平衡。這種過程是動(dòng)態(tài)不斷平衡的過程，在到達(dá)平衡的狀態(tài)前，各個(gè)環(huán)節(jié)都處于不斷的變化中，直到形成新的平衡。

（3） 如果用水量降低，也就是用水的需求降低，這時(shí)，供水量就會超過用水量，造成水壓的上升，對壓力進(jìn)行反饋的信號增大，偏差就會大于零，PID控制器輸出控制的增量則小于零，就要對變頻器輸出的頻率進(jìn)行降低，同時(shí)還要減少水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使供水的能力得到減少，降低供水?dāng)?shù)量，以便形成新的平衡狀態(tài)，恢復(fù)原來的壓力，保持供需之間的平衡。

（4） PID控制器的優(yōu)點(diǎn)以及適用性。PID控制器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是從其本質(zhì)來看，就是智能化和魯棒性，這里對其內(nèi)?？刂七M(jìn)行介紹。內(nèi)模的控制器可能不會使用PID控制，按照被控制對象不同的特性，也可以采取其他的控制如PD控制，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明，如果對象純滯后的時(shí)間和時(shí)間的常數(shù)比T超過0.6，使用PID控制輸出品質(zhì)可能會比使用P控制輸出的品質(zhì)差，但是如果其接近T，或者大于T時(shí)，這時(shí)就可以使用內(nèi)?？刂啤?/p>

4 結(jié)語

綜上所述，PID控制在工業(yè)的控制中具有重要的意義，其使用過程非常便利，具有很高的靈活性，應(yīng)用的范圍非常廣泛，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中還有一些局限性。所以需要加大研究力度，不斷對其進(jìn)行改進(jìn)和完善，可以加大和外國先進(jìn)技術(shù)的交流與溝通，取長補(bǔ)短，根據(jù)我國實(shí)際情況，切實(shí)發(fā)揮其調(diào)節(jié)的作用，促進(jìn)我國工業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

李劉川（1995-），男，河北省人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院大學(xué)本科學(xué)生。主要研究方向?yàn)闇y控技術(shù)與儀器。

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關(guān)鍵字:模糊PID控制;汽包水位;自適應(yīng)控制

中圖分類號:G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5851-03

Strategy Analysis of Drum Level Fuzzy PID Control

LIU Shu-min1, ZHANG Xiao-hui1, XU Xu-juan2

(1.Nanchang Department, Jiangxi University of Technology, Nanchang 330001, China; 2.Jiangxi Province District Schools, Nanchang 330002, China)

Abstract: With the development of control theory and technology,there are many complex control systems used in water level control that based on classical control theory and modern control theory. Conventional PID control and fuzzy control combined composite control has been widely used in boiler water level control, These different combinations will produce different control, This article analyzes the various features of fuzzy PID control method effects.

Key words: fuzzy PID control; drum water level; adaptive control

鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備,對蒸汽鍋爐而言,維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。鍋爐汽包水位的控制一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型問題。隨著控制理論及技術(shù)的發(fā)展,已有很多基于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的控制系統(tǒng)應(yīng)用于汽包水位控制。鑒于汽包水位對象的復(fù)雜性,其數(shù)學(xué)模型往往較難獲得,使得采用常規(guī)控制方法難以獲得較好的控制效果。作為智能控制領(lǐng)域的模糊控制理論,由于其無需知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型,對于許多無法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)往往能獲得較好的控制效果,因此受到用戶的青睞。但其靜態(tài)特性較差,這將限制了它的使用。但若將常規(guī)PID控制和模糊控制結(jié)合起來,將能發(fā)揮各自的優(yōu)勢,產(chǎn)生較好的控制效果。本文將結(jié)合模糊PID控制的不同組合方式,通過MATLAB仿真,分析其控制效果及特征。在仿真過程中,將以供汽量為120t/h鍋爐為分析對象,加入階躍蒸汽擾動(dòng),蒸汽流量與水位的傳遞函數(shù)G(S)為:

(1)

1 模糊PID開關(guān)切換控制

1.1 方案設(shè)計(jì)

模糊PID開關(guān)切換控制器以誤差e為切換依據(jù):當(dāng)e小于e0時(shí)采用PID控制,而當(dāng)e大于e0時(shí)采用模糊控制。二者的切換依據(jù)由事先給定的標(biāo)準(zhǔn)偏差e0自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

汽包水位的模糊PID開關(guān)切換控制器中,模糊控制部分采用二維模糊控制器,由于汽包水位容易受到蒸汽的擾動(dòng),引入微分作用會影響其品質(zhì)因數(shù),故PID控制器部分僅采用PI控制。但去掉微分作用會影響控制的動(dòng)態(tài)特性,超調(diào)量增加,為提高響應(yīng)速度,可適當(dāng)提高積分系數(shù)Ki,其值可取0.09。另外,采用該控制器時(shí),控制效果受切換條件e0影響較大,為得到較為合適的e0,本文對e0分別取值0.15及0.25進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果如圖2所示。

該仿真圖中,虛線為|e0|取0.15的仿真結(jié)果,實(shí)線為|e0|取0.25的仿真結(jié)果。分析上圖可發(fā)現(xiàn):|e0|取較大值時(shí)的響應(yīng)速度相對較快,但相應(yīng)動(dòng)態(tài)偏差也較大;而|e0|取較小值時(shí)的響應(yīng)速度相應(yīng)較快,但其動(dòng)態(tài)偏差較小,因此應(yīng)權(quán)衡考慮e0取值。與此同時(shí),二者在臨界值|e0|附近均產(chǎn)生較大振蕩,這也是該控制器的弊端所在。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,和常規(guī)PI控制相比,本控制器在|e0|取值合適時(shí)可明顯減小虛假水位現(xiàn)象及動(dòng)態(tài)偏差,但由于其在|e0|附近易產(chǎn)生振蕩,會增加響應(yīng)時(shí)間,同時(shí)使切換開關(guān)頻繁動(dòng)作,影響控制器的壽命。若e0取值較大或較小,都會相應(yīng)影響動(dòng)態(tài)偏差及相應(yīng)速度。因此,采用模糊PID開關(guān)切換控制器的控制效果并不十分理想,考慮到其結(jié)果較為簡單,可應(yīng)用于要求不高場合。

2 混合型模糊PID控制器

2.1 方案設(shè)計(jì)

混合型模糊PID控制器由常規(guī)PID控制器和二維模糊控制器并聯(lián)而成,如圖3所示?？刂破鬏敵霾糠钟沙Ｒ?guī)PID控制器和二維模糊控制器的輸出求和疊加而成,此組合方式可組成無差控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

由結(jié)構(gòu)框圖可知,模糊控制部分采用二維模糊控制器,PID部分采用PI控制。仿真時(shí)各參數(shù)經(jīng)尋優(yōu)取Ki=0.15,Kp=6,Ke=6,Kec=120,仿真結(jié)果如圖4。

由圖分析可知,在設(shè)定水位的作用下,5%響應(yīng)時(shí)間為120S,最大超調(diào)量為4mm左右,虛假水位在10%蒸汽擾動(dòng)下變化范圍為(-3.7mm,+5.0mm),相應(yīng)響應(yīng)時(shí)間為114S。

分析表明,與常規(guī)PI控制及簡單模糊控制相比而言:本控制器的動(dòng)態(tài)誤差較小、響應(yīng)速度較快、無靜差。它既有模糊控制響應(yīng)速度快的特性,又有PI控制無穩(wěn)態(tài)誤差的特點(diǎn),因此,該控制器對汽包水位的控制效果較為理想。

考慮到該控制器結(jié)構(gòu)簡單,控制效果好等特點(diǎn),因此屬于較為理想的模糊PID控制器。

3 自適應(yīng)模糊PID控制

3.1 方案設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊PID控制即根據(jù)偏差e和偏差變化率ec的變化,利用模糊推理方法在線不斷修改PID控制的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd。其中,Kp為比例系數(shù),Ki為積分作用系數(shù),Kd為微分作用系數(shù)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

由經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié)出以下規(guī)律:當(dāng)e較大時(shí)應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd,同時(shí)令Ki=0;當(dāng)e適中時(shí)應(yīng)取較小的Kp,適當(dāng)?shù)腒d和Ki;當(dāng)e較小時(shí)應(yīng)取較大的Kp和Ki,Kd的取值要恰當(dāng),以避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩。

依據(jù)此規(guī)律可制定PID控制器各參數(shù)模糊調(diào)整規(guī)則庫,如表1、表2、表3所示。

表1 Kp調(diào)整模糊規(guī)律庫 表2 Ki調(diào)整模糊規(guī)律庫 表3 Kd調(diào)整模糊規(guī)律庫

3.2 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)及其仿真

模糊PID控制算法采用下式:

(2)

式中Kp′、Ki′、Kd′分別為PID控制器的比例、積分、微分參數(shù);Kp、Ki、Kd為其設(shè)定初始值;ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊推理后的調(diào)整值。仿真時(shí),采用PI控制方式,誤差因子Ke和誤差變化因子Kec分別取1.5取和12,模糊推理后的ΔKp、Δki分別取5、0.3,初始值Kp取10,Ki取0.15,仿真結(jié)果如圖6所示。

由結(jié)果分析可知,系統(tǒng)最大超調(diào)量為8.8mm水柱,5%響應(yīng)時(shí)間為48.0S,在10%蒸汽擾動(dòng)作用下,5%響應(yīng)時(shí)間為110S。在設(shè)定值及干擾作用下均無靜差;與常規(guī)PI控制相比,雖然虛假水位及動(dòng)態(tài)偏差的控制效果提高較小,同時(shí)動(dòng)態(tài)偏差改善也較少,但響應(yīng)時(shí)間有大幅提高,表現(xiàn)出較好的響應(yīng)速度,同時(shí)在穩(wěn)態(tài)均無靜差。

3.3 基于誤差積分的自適應(yīng)模糊PID控制

基于誤差積分的自適應(yīng)模糊PID控制即以誤差e及其積分ei為輸入變量,同時(shí),以一維模糊控制器為輸出調(diào)整參數(shù)的改進(jìn)型模糊PID控制方式。

1)方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)框圖由圖7所示,該控制器采用PI控制方式,由兩個(gè)模糊控制器并聯(lián)組成,分別完成在線調(diào)整比例系數(shù)Kp及積分系數(shù)Ki的功能。

2)確定整定規(guī)則

根據(jù)系數(shù)Kp及Ki的作用及特點(diǎn),可確定系統(tǒng)中模糊PI控制器參數(shù)的整定規(guī)則:

|e|取值較大時(shí),為使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快,可取較大的Kp值;當(dāng)|e|取值中等時(shí),為使超調(diào)量較小,可取較小的Kp值;當(dāng)|e|較小且接近e0時(shí),為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能并減小余差,可使Kp稍大些。

同理,當(dāng)|ei|取值較大時(shí),為防止積分飽和現(xiàn)象出現(xiàn),Ki值應(yīng)小些;當(dāng)|ei|取值較大且接近于零時(shí),為防止靜態(tài)誤差,Ki應(yīng)適當(dāng)大些。相應(yīng)模糊規(guī)則見表4。

3)仿真結(jié)果

根據(jù)上述控制器的設(shè)計(jì),可得相應(yīng)仿真參數(shù): Kp′=7,Ki′=0.009,控制器II的量化因子Kei=68,比例因子Kui=0.05;控制器I的量化因子Ke=12,比例因子Kup=3,仿真結(jié)果如圖8所示。

由結(jié)果可知,系統(tǒng)最大超調(diào)為8.5mm水柱,5%的響應(yīng)時(shí)間為42秒,在蒸汽干擾下5%的響應(yīng)時(shí)間為165秒。系統(tǒng)無論在設(shè)定值還是在干擾的作用下均無靜差,與以上所述的自適應(yīng)模糊控制相比,無論在響應(yīng)速度動(dòng)態(tài)誤差還是對虛假水位的控制效果上均有明顯提高。因此,該類型的自適應(yīng)模糊PID控制是較為理想的模糊PID控制方式,其應(yīng)用范圍較為廣泛。

4 結(jié)束語

通過相同條件下的仿真分析可知,各模糊PID控制的效果各異。其中,模糊PID開關(guān)切換控制結(jié)構(gòu)最為簡單,但其控制效果相對較差;混合型模糊PID控制結(jié)合了PI控制無穩(wěn)態(tài)誤差的特點(diǎn),又具有模糊控制響應(yīng)速度快的特性,對汽包水位的控制效果較為理想;普通自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜,但其有較好的響應(yīng)速度,同時(shí)在穩(wěn)態(tài)均無靜差;基于誤差積分的自適應(yīng)模糊PID控制作為普通模糊PID控制的升級,無論在響應(yīng)速度動(dòng)態(tài)誤差還是對虛假水位的控制效果上均有一定提高。

參考文獻(xiàn):

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篇4

關(guān)鍵詞：雙容水箱；液位控制；PID控制器

引言

PID 控制規(guī)律原理簡單并且易于實(shí)現(xiàn)，對沒有時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)極為有效。鑒于控制過程多樣、過程控制方案種類豐富，過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)：按照控制器類型分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還可分為DDC、DCS和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）：按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和完成的功能來分，有串級控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等；按其控制動(dòng)作規(guī)律來分，有比例控制、比例積分控制，比例、積分、微分控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)組成回路的情況來分，有單回路與多回路控制系統(tǒng)、開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)；按被控參數(shù)的數(shù)量可分為單變量和多變量控制系統(tǒng)等。

1.雙溶水箱特性

若用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實(shí)現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ和Ti選擇得合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動(dòng)態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。

3.結(jié)語

相對于 PID控制系統(tǒng)的研究，現(xiàn)在有許多先進(jìn)的控制，例如：模糊控制、智能控制和自動(dòng)學(xué)習(xí)控制等。所以，雙溶液位PID控制是一個(gè)對以后學(xué)習(xí)和研究更先進(jìn)控制打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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篇5

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)PID；姿態(tài)解算；X字飛行模式；風(fēng)力擺

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0253-03

Double Closed Loops PID Control Based on Wind Swing Control System

XU Guan-yu1，2， ZHOU Ye-fan1，2， HUANG Chong-peng1

（1.Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， China；2. Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

Abstract： This paper draws on the four axis aircraft double closed loops PID control algorithm to solve the exercise B in 2015 National College Student Electronic Design Contest ―― "wind swing control system". In the PID controller， the Euler angle is calculated by the attitude solution as the feedback， the angle as the outer loop， the angular velocity as the inner loop. Then according to the X word flight mode throttle output formula， the output of the double closed loops PID controller is fused to the motor， the output throttle to achieve attitude control. Experimental results show that the wind swing control system with double closed loops PID control effect of excellence have not only anti-interference ability but also rapid response.

Key words： double closed loops PID； attitude calculation； X flight mode； wind pendulum

2015年全大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽B題是“風(fēng)力擺控制系統(tǒng)”，題目要求風(fēng)力擺上的激光筆能畫出指定圖形。由于風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器與四軸飛行器十分類似，故借鑒四軸飛行器[1]，將雙閉環(huán)PID控制算法運(yùn)用到風(fēng)力擺控制系統(tǒng)上。

1 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)簡述

1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由支架、萬向節(jié)、細(xì)管、風(fēng)力擺、單片機(jī)五部分構(gòu)成。系統(tǒng)采用單臂梁結(jié)構(gòu)，懸掛臂固定一個(gè)萬向節(jié)。細(xì)管上方相連萬向節(jié)，細(xì)管下方連接風(fēng)力擺，細(xì)管自然狀態(tài)下垂直向下。單片機(jī)放置于支架上。

1.2 風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)及選型

風(fēng)力擺由風(fēng)機(jī)組、加速度陀螺儀傳感器、激光筆、支架構(gòu)成。如圖2所示，支架上風(fēng)機(jī)組由4個(gè)直流風(fēng)機(jī)構(gòu)成，呈十字型分布，并且螺旋槳產(chǎn)生的風(fēng)向內(nèi)吹，形成起擺動(dòng)力。加速度陀螺儀傳感器放置在支架平面上，能很好地檢測運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與直流風(fēng)機(jī)呈X字型分布。激光筆安裝在支架下方垂直向下。

2 PID控制

2.1 姿態(tài)解算

使用歐拉角來表征風(fēng)力擺在空間中的姿態(tài)，可由加速度陀螺儀傳感器解算所得。在本系統(tǒng)中，由于風(fēng)力擺固定在萬向節(jié)下的細(xì)桿上，故不會產(chǎn)生自旋的現(xiàn)象，即不會產(chǎn)生Z軸上的角度，無需考慮偏航角，僅考慮滾轉(zhuǎn)角、俯仰角即可[2]。

2.2 雙閉環(huán)PID控制

當(dāng)風(fēng)力擺正常運(yùn)行時(shí)，突遇外力干擾（如題述臺扇吹風(fēng)），使加速度傳感器采集數(shù)據(jù)失真，造成姿態(tài)解算出來的歐拉角錯(cuò)誤。如果只用角度單閉環(huán)控制，很難使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以加入角速度作為內(nèi)環(huán)，角速度由陀螺儀采集，采集值一般不受外界影響，抗干擾能力強(qiáng)，且角速度變化靈敏，當(dāng)受外界干擾時(shí)，回復(fù)迅速。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制，歐拉角作為反饋量，角度作為外環(huán)，角速度作為內(nèi)環(huán)，外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)輸入，經(jīng)積分限幅、輸出限幅得到PID輸出，并輸出到油門，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。其中，油門值即輸入電子調(diào)速器的PWM波占空比，用于修正風(fēng)機(jī)組各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)期的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角。

由位置式數(shù)字PID計(jì)算公式[3]，可得姿態(tài)PID控制公式：

[AngelPIDOut（t）=kpe（t）+kij=0te（j）T+kde（t）-e（t-1）T] （1）

[AngelRatePIDOut（t）=kp'e'（t）+ki'j=0te'（j）T+k'de'（t）-e'（t-1）T] （2）

式（1）為角度環(huán)PID計(jì)算公式，式（2）為角速度環(huán)PID計(jì)算公式。[AngelPIDOut（t）]為角度環(huán)PID輸出，[AngelRatePIDOut（t）]為角速度環(huán)PID輸出。[e（t）]=期望角度-實(shí)際角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-實(shí)際角速度。姿態(tài)PID控制流程如圖3。

2.3 油門輸出計(jì)算

上述對滾轉(zhuǎn)角、俯仰角的PID計(jì)算，實(shí)質(zhì)是用誤差計(jì)算力矩。接下來，根據(jù)直流風(fēng)機(jī)與加速度陀螺儀傳感器的擺放關(guān)系，推導(dǎo)出油門輸出公式，即用力矩控制油門。

如圖4所示，地理坐標(biāo)系采用東北天坐標(biāo)系，X向東，Y向北，Z指天。電機(jī)擺放為“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限對應(yīng)的電機(jī)為2、1、4、3號，4個(gè)電機(jī)的風(fēng)均向內(nèi)吹。

假設(shè)電機(jī)提供的力矩與油門成正比，如果需要x軸的力矩，則油門值應(yīng)為：1、2電機(jī)正，3、4電機(jī)負(fù)，記作[1 1 -1 -1]。要增加X軸的力矩，油門需要變化的方向?yàn)閇dx=]1 1 -1 -1。引入x軸的力矩修正系數(shù)：[MOx]，則當(dāng)需要增加x軸[Δmox]力矩時(shí)，油門增量：

y軸同理。要增加y軸的力矩，油門需要變化的方向?yàn)閇dy=-1 1 1-1 ]。

力矩修正系數(shù)用于平衡各軸的響應(yīng)靈敏度，x、y軸的力矩由螺旋槳旋轉(zhuǎn)的合力提供，響應(yīng)靈敏，用PID控制器的輸出表示。把x、y軸的油門分量加起來就是任意軸的情況，最后經(jīng)過X字飛行模式油門輸出公式，計(jì)算出4個(gè)電機(jī)輸出油門：

3 主程序設(shè)計(jì)

如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先完成初始化，包括打開串口、初始化加速度陀螺儀傳感器。接著等待選擇模式，選擇對應(yīng)模式后，更新傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)模式內(nèi)置的參數(shù)調(diào)用PID控制器，計(jì)算四個(gè)電機(jī)所需的PWM波占空比，完成指定任務(wù)，不斷循環(huán)[4]。

4 測試

本次測試分別測試單環(huán)PID和雙環(huán)PID的波形，其余條件不變。PID控制更新周期T≈2ms，起始值為滾轉(zhuǎn)角50°、俯仰角0°，設(shè)定值為滾轉(zhuǎn)角10°、俯仰角0°。將風(fēng)力擺采集的滾轉(zhuǎn)角值通^串口線發(fā)送到PC機(jī)上，記錄數(shù)據(jù)并繪制圖形分析波形。上位機(jī)顯示單環(huán)PID與雙環(huán)PID的滾轉(zhuǎn)角波形如圖6所示，波形圖橫坐標(biāo)單位為20ms，縱坐標(biāo)單位為度。由圖6可知，雙環(huán)PID控制的風(fēng)力擺的滾轉(zhuǎn)角波形經(jīng)過很少的波震蕩后近似歸為設(shè)定值，系統(tǒng)能很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；而單環(huán)PID則需要較長時(shí)間。其他歐拉角測試結(jié)果類似。

5 結(jié)論

本文主要研究了基于風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)PID控制算法。在角度PID閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)環(huán)角速度環(huán)，不僅抗干擾能力強(qiáng)，而且反應(yīng)迅速，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

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篇6

【關(guān)鍵詞】 PID控制器 汽車速度的控制 MATLAB仿真

1 PID控制

PID按照測量變送器送來的信號與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號，并以預(yù)先設(shè)定的參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）進(jìn)行運(yùn)算，且將運(yùn)算結(jié)果送至執(zhí)行器。因而PID控制中一個(gè)至關(guān)重要的問題，就是控制器三參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）的整定。

PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般都是通過試湊法反復(fù)運(yùn)算才能確定，普遍存在計(jì)算量大的問題。我們使用了汽車的速度控制問題的闡明獲得的符合我們的設(shè)計(jì)規(guī)格的根軌跡方法。

PID控制器結(jié)構(gòu)和算法簡單，應(yīng)用廣泛，但參數(shù)整定方法復(fù)雜，通常用湊試法來確定。文中探討利用MATLAB實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定及仿真的方法。

2 PID控制器的原理與算法

圖1是典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在PID調(diào)節(jié)器作用下，對誤差信號分別進(jìn)行比例、積分、微分組合控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對象的輸入控制量。

PID控制算法的模擬表達(dá)式為

（式1-1）

相應(yīng)的傳遞函數(shù)為

（式1-2）

式1-2中為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制具有是3種單獨(dú)控制作用各自的優(yōu)點(diǎn)，它除可提供一個(gè)位于坐標(biāo)原點(diǎn)的極點(diǎn)外，還提供兩個(gè)零點(diǎn)，為全面提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能提供了條件。式1-2中稱為PID控制器的積分時(shí)間；稱為PID控制器的微分時(shí)間。實(shí)際PID控制器的傳遞函數(shù)其中微分作用項(xiàng)多了一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，這是因?yàn)閷?shí)際元件很難實(shí)現(xiàn)理想微分環(huán)節(jié)。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用這種控制器時(shí)，只要、、配合得當(dāng)?shù)玫胶玫目刂菩Ч?/p>

3 速度控制器的設(shè)計(jì)方法

汽車速度控制器的設(shè)計(jì)方法除了試湊法外，還有另一種是MATLAB對PID控制器參數(shù)的整定。

本文是主要利用MATLAB仿真對PID控制器參數(shù)整定，并同時(shí)證明了MATLAB仿真作用在PID控制器參數(shù)整定中的優(yōu)越性。由此證明了MATLAB仿真在控制系統(tǒng)的參數(shù)整定中有著一般試湊法不可比擬的優(yōu)勢。利用MATLAB程序?qū)?shí)際系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)進(jìn)行仿真，大大減少了試湊法中反復(fù)修改參數(shù)、反復(fù)試運(yùn)行的缺點(diǎn)，具有方便、快捷、省時(shí)、直觀的優(yōu)點(diǎn)。

（1）利用MATLAB對PID參數(shù)進(jìn)行整定和仿真，省去了傳統(tǒng)方法反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)試運(yùn)行，方便、快捷、省時(shí)、直觀。（2）增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差，但是過大會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，使穩(wěn)定性變壞；取值過小，會使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。（3）增大積分時(shí)間TI有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長；若TI過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。（4）增大微分時(shí)間TD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加。但TD不能過大，否則會使超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長；若TD過小，同樣超調(diào)量也增大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長。

4 PID控制器在汽車速度控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

控制器設(shè)計(jì)的最主要的問題是參數(shù)整定問題。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，先設(shè)定各個(gè)參數(shù)取值范圍，然后利用MATLAB程序分析各個(gè)參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)的變化對系統(tǒng)的影響。最后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值范圍和分析出的參數(shù)對系統(tǒng)的影響規(guī)律對PID參數(shù)取值，使參數(shù)配合達(dá)到良好的效果，最終使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求。下面討論汽車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中PID參量的變化對系統(tǒng)控制作用的影響。在討論一個(gè)參量的影響時(shí)，設(shè)其它參量為常數(shù)。

微分系數(shù)減小，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快；同時(shí)，超調(diào)量越大。是適當(dāng)增大微分系數(shù)可以減小超調(diào)，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。PID控制器比PI控制器的響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定。為了及時(shí)準(zhǔn)確控制汽車起動(dòng)時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)的性能要求，可以在其控制系統(tǒng)中加入PID控制，而PID控制器參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)要解決的主要問題。

5 結(jié)語

通過汽車速度控制器的仿真設(shè)計(jì)可知，在傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器中，確定、、3個(gè)參數(shù)的值，是對系統(tǒng)進(jìn)行控制的關(guān)鍵。因此，控制最主要的問題是參數(shù)整定問題，在PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，若有理論方法確定PID參數(shù)當(dāng)然最為理想，但實(shí)際應(yīng)用中，利用MATLAB強(qiáng)大的仿真工具箱的功能，可以方便地解決參數(shù)整定問題。

參考文獻(xiàn)：

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篇7

【關(guān)鍵詞】PID;工業(yè)自動(dòng)控制

引言

當(dāng)前，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的逐漸提高，它已經(jīng)變成權(quán)衡各個(gè)行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)。并且控制理論的發(fā)展也歷經(jīng)了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論以及智能控制理論三個(gè)部分。當(dāng)前，已經(jīng)出現(xiàn)許多PID控制以及控制器或者智能控制器儀表，產(chǎn)品在工程當(dāng)中被大量使用，并廣受好評。

一、PID工作的原理

比例、積分和微分控制在工程當(dāng)中，是使用最為普遍的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，也稱之為PID控制和PID調(diào)節(jié)。PID控制器產(chǎn)生至今約有70年的歷程，它由于自身的結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能強(qiáng)、可靠、調(diào)節(jié)方便等因素成為了工業(yè)自動(dòng)控制的主要技術(shù)之一。一旦被控制對象的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)無法完全掌控，或者無法獲得精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)無法使用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)就一定要通過經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)解進(jìn)行判斷，此時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為便利。

二、選定PID被控參數(shù)

在控制方案設(shè)計(jì)中，選擇被控參數(shù)極為關(guān)鍵，面對穩(wěn)定生產(chǎn)、提升產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量起到了決定性的因素[1]。一旦沒有正確選擇被控參數(shù)，則不論構(gòu)成何種控制系統(tǒng)，選擇何種先進(jìn)過程檢測控制設(shè)備，都無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制成果。

由于對控制參數(shù)值變化的影響因素較多，并非一切影響因素都要進(jìn)行控制，因此，準(zhǔn)確選定被控參數(shù)尤為關(guān)鍵。選擇被控參數(shù)需要通過生產(chǎn)工藝的要求，不斷對生產(chǎn)工藝的過程進(jìn)行深入分析，要令參數(shù)不但可以對產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量以及安全生產(chǎn)起到?jīng)Q定性作用，還要較好的體現(xiàn)出工藝生產(chǎn)狀態(tài)的變化，而這些參數(shù)是無法通過人工控制得以實(shí)現(xiàn)的。

在真正的應(yīng)用當(dāng)中，PID參數(shù)的選擇并非唯一，也不是任意的，需要經(jīng)由過程的特殊性不斷進(jìn)行分析，才可以給出正確的選擇。

以下為選取被控參數(shù)的普遍原則：

首先，應(yīng)選擇出對產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、安全生產(chǎn)等有著決定性作用、能夠直接測量的工藝參數(shù)當(dāng)做被控參數(shù);

其次，如果無法通過直接參數(shù)作為被控參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)同直接參數(shù)具有線性單值函數(shù)對應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)當(dāng)做被控參數(shù);

再次，被控參數(shù)一定要具備充分的靈敏性;

最后，被控參數(shù)的抉擇，要考量工藝過程的合理性以及使用儀表的性能。

三、PID調(diào)節(jié)參數(shù)對自動(dòng)控制過程造成的影響

對于比例調(diào)節(jié)而言，隨著調(diào)節(jié)比例值的上升會令曲線的變化逐漸遲緩，也可以說，調(diào)節(jié)作用在持續(xù)降低。它的震蕩周期越久，衰減也就越嚴(yán)重。假如比例調(diào)節(jié)只是純比例作用，那么系統(tǒng)穩(wěn)定后的余差也會較大。反之，一旦比例值過小，震蕩周期也會隨之縮短，曲線波動(dòng)明顯，衰減比會向著小的方向變動(dòng)。

就積分調(diào)節(jié)來講，積分時(shí)間尤為重要，積分作用會隨著積分時(shí)間的延長而逐漸變?nèi)?，也會隨著積分時(shí)間的縮短逐漸變強(qiáng)[2]。在這個(gè)過程里，曲線震蕩越發(fā)明顯，系統(tǒng)震蕩周期逐漸降低?？墒?，一旦積分時(shí)間過短，曲線震蕩就會較為強(qiáng)烈，從而使得系統(tǒng)操作無法穩(wěn)定。如果積分時(shí)間過長，調(diào)節(jié)器就只能具有比例調(diào)節(jié)的功能。

對于微分調(diào)節(jié)來講，最為重要的是微分時(shí)間，微分調(diào)節(jié)作用隨著微分時(shí)間的延長而越發(fā)明顯，震蕩也會在這個(gè)時(shí)間里變得越發(fā)模糊，周期也會隨著縮短。可是，一旦微分時(shí)間過長，就會引發(fā)振幅過渡增大，因此會令調(diào)節(jié)器的作用過于模糊。

對于工業(yè)自動(dòng)控制而言，控制系統(tǒng)不會應(yīng)用到所有調(diào)節(jié)方式，在較多狀況里，只要其中的一到兩種就能夠達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)。從參數(shù)影響中能夠發(fā)現(xiàn)，一旦調(diào)節(jié)過程不用積分進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能夠在設(shè)定時(shí)將積分時(shí)間設(shè)定為無限大。一旦無需通過微分調(diào)節(jié)，就能夠?qū)⑽⒎謺r(shí)間改成零。同理，一旦不用執(zhí)行比例調(diào)節(jié)，就能夠?qū)ID回路增益改設(shè)成零。

四、設(shè)定PID調(diào)節(jié)最終參數(shù)

通常PID的調(diào)節(jié)作用想要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)態(tài)，就要對積分時(shí)間、微分時(shí)間乃至PID回路增益設(shè)定最佳值。在生產(chǎn)時(shí)間當(dāng)中使用了經(jīng)驗(yàn)整定法，這是由于現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)整定法是當(dāng)前應(yīng)用最強(qiáng)、最普遍的工程整定方式，在這個(gè)過程里，整定調(diào)節(jié)方式是比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)[3]。并且，在整個(gè)調(diào)節(jié)的過程當(dāng)中隨時(shí)對曲線的變動(dòng)進(jìn)行觀察，逐漸轉(zhuǎn)變參數(shù)取值，直到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求。

機(jī)體調(diào)節(jié)過程如下：先將積分調(diào)節(jié)以及微分調(diào)節(jié)項(xiàng)進(jìn)行關(guān)閉，也就是先將積分時(shí)間改成無限大，微分時(shí)間改成零。最初應(yīng)用的比例參數(shù)先通過過往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，通過過程變量值曲線的轉(zhuǎn)變，逐漸判斷控制比例的程度，直到減弱過程變量值成為原本的1/4，此時(shí)就能夠融入積分比例調(diào)節(jié)，對積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，積分時(shí)間的取值會逐漸降低，直到也實(shí)現(xiàn)了減弱過程的變量值為過去的1/4，如此就能夠引入微分調(diào)節(jié)。微分時(shí)間最初設(shè)定為積分時(shí)間的1/3至1/4，之后將控制比例度調(diào)節(jié)成原本的數(shù)值，微分時(shí)間的調(diào)節(jié)，是由小變大的，一直到曲線到達(dá)滿意值為限。

五、結(jié)束語

總而言之，文章通過對PID在工業(yè)控制中的工作原理以及參數(shù)，對控制過程的影響進(jìn)行了分析，在此后的工業(yè)自動(dòng)控制發(fā)展過程里，依舊會產(chǎn)生各種問題，這需要通過科研人員的不斷努力，對PID不斷進(jìn)行研究，以此來提升我國工業(yè)自動(dòng)化控制的能力，加快我國工業(yè)化迅猛發(fā)展的步伐。

參考文獻(xiàn)

[1]宗素蘭，章家?guī)r，尹成賀.模糊PID控制在溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010（08）：75-77.

篇8

關(guān)鍵詞: 擠壓機(jī);小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PID控制;并行控制

0 引言

擠壓機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),其動(dòng)態(tài)特性直接影響到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。目前擠壓機(jī)使用最廣泛的任然是常規(guī)的PID控制。主要是由于常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)簡單,且具有一定的魯棒性等特點(diǎn)[1]。但常規(guī)的PID控制,不但參數(shù)難以整定,而且還依賴于對象的精確數(shù)學(xué)模型,適應(yīng)性較差,對復(fù)雜過程不能保證其控制精度。本文根據(jù)擠壓機(jī)具有非線性、不確定性過程,采用了一種CMAC和PID并行控制的控制方法,用該種方法控制能得到更好的控制精度和更快的響應(yīng)速度。

1 CMAC的基本原理

CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Cerebellar Model Articulation Controller)

是J.S.Albus在1975年根據(jù)神經(jīng)生理學(xué)小腦皮層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出的一種模擬小腦功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。它是一種表達(dá)復(fù)雜非線性函數(shù)的表格查詢自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)算法改變表格的內(nèi)容,具有分類存儲的能力[2]。

CMAC的設(shè)計(jì)方法分為三步:

1)量化(概念映射)

在輸入層對N維輸入空間進(jìn)行劃分,每一輸入都降落到N維網(wǎng)格基的一個(gè)超立方體單元內(nèi)。中間層由若干個(gè)判斷區(qū)間構(gòu)成,對任意一個(gè)輸入只有少數(shù)幾個(gè)去見輸出為非零值,非零值區(qū)間的個(gè)數(shù)為范化參數(shù)c,它規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部影響網(wǎng)絡(luò)輸出的區(qū)域大小。

2)地址映射(實(shí)際映射)

采用除余數(shù)法,將輸入樣本映射至概念存儲器的地址,除以一個(gè)數(shù),得到的余數(shù)作為實(shí)際存儲器的地址值。即將概念存儲器中的c個(gè)單元映射至實(shí)際存儲器的c個(gè)地址。

3)CMAC的函數(shù)計(jì)算(CMAC輸出)

將輸入映射至實(shí)際存儲器的c個(gè)單元,每個(gè)單元中存放著相應(yīng)權(quán)值,CMAC的輸出為c個(gè)實(shí)際存儲器單元加權(quán)之和。

CMAC的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 CMAC與PID并行控制原理

本文采用的是CMAC前饋控制,CMAC與PID復(fù)合控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,該系統(tǒng)通過CMAC和PID的復(fù)合控制實(shí)現(xiàn)前饋反饋控制。其特點(diǎn)為:

1)小模型神經(jīng)控制器實(shí)現(xiàn)前饋控制,實(shí)現(xiàn)被控對象的逆動(dòng)態(tài)模型;

2)常規(guī)控制器實(shí)現(xiàn)反饋控制,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,且抑制擾動(dòng)。

復(fù)合控制算法步驟如下:

由圖3可以看出,與常規(guī)的PID控制相比,CMAC和PID并行控制輸出響應(yīng)更快,超調(diào)量小,加快了控制響應(yīng)速度,體現(xiàn)了CMAC控制特點(diǎn),響應(yīng)速度快,實(shí)時(shí)性好,魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。

由圖4可以看出,系統(tǒng)開始的時(shí)候由PD控制器進(jìn)行控制,通過CMAC的學(xué)習(xí),使得PD控制器的輸出 逐漸為0,CMAC控制的輸出 逐漸逼近控制器的總輸出。

4 總結(jié)

本文針對擠壓自動(dòng)加水、加酶制劑加工過程系統(tǒng)進(jìn)行CMAC和PID并行控制。仿真結(jié)果表明,引入CMAC控制器以后,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,而且輸出無超調(diào),提高了系統(tǒng)的跟蹤精度,改善了系統(tǒng)的品質(zhì),提高了控制的效果。

參考文獻(xiàn):

[1]王川川、趙錦成,基于CMAC與PID復(fù)合控制的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2009,26(11):170-171.

[2]劉大磊,道路模擬實(shí)驗(yàn)臺CMAC與PID復(fù)合控制仿真研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2009:50-51.

篇9

關(guān)鍵詞:溫度；PID參數(shù)；整定

引言

從事自動(dòng)控制專業(yè)的技術(shù)人員，都學(xué)習(xí)了PID的原理，如何將其應(yīng)用到具體的控制項(xiàng)目中去，就要靠實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)了。關(guān)鍵是計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)行處理和換算，實(shí)際操作時(shí)需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。本文以宜昌金三峽印務(wù)空調(diào)自控項(xiàng)目中溫度控制部分為例，講述PID的具體實(shí)現(xiàn)。

1 PID的相關(guān)知識

1.1 基本術(shù)語

（1） 直接算法和增量算法：直接算法是運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的直接計(jì)算法公式算出結(jié)果，得到的是當(dāng)前需要的控制量。增量算法是標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次運(yùn)算之差，得到的結(jié)果是增量，即在上一次控制量的基礎(chǔ)上需要增加（負(fù)值意味著減少）的控制量，對于空調(diào)溫度的控制就是需要增加(或減少)的加熱比例。兩種算法的基本控制方法、原理是完全一樣的。

（2） 基本偏差e(t)：表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。這是面對比例項(xiàng)P用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。

（3） 累計(jì)偏差∑e(t)：∑e(t)= e(t)+ e(t-1)+ e(t-2)+…+ e(1)，為每次測量值偏差總和，這是代數(shù)和，運(yùn)算時(shí)應(yīng)考慮它的正負(fù)符號，這是面對積分項(xiàng)I用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。

（4） 基本偏差的相對偏差e(t)- e(t-1)：用于考察當(dāng)前控制對象的變化趨勢，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面對微分項(xiàng)D用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。

（5）三個(gè)基本參數(shù)P、I、D：這是做好一個(gè)控制器的關(guān)鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對象需要選擇不同的數(shù)值，還需經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試才能獲得較好的效果。

（6） PID算法：PID控制器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差e為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，偏差e是給定值SP和過程變量PV的差。PID控制的原理基于下面的算式，輸出 是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)［1］。

（1）

其中，M(t)：PID回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)；Kc：PID回路的增益；e：PID回路的偏差 ；Minital：PID回路的輸出的初始值。

（7） 標(biāo)準(zhǔn)的直接計(jì)算法公式：

上一次的計(jì)算值：

兩式相減得到增量法計(jì)算公式：

[公式2]

其中∑項(xiàng)的表示應(yīng)該是對e(t)從1到t全部總和。

1.2 三個(gè)基本參數(shù)P、I、D在實(shí)際控制中的作用：

（1） 比例調(diào)節(jié)作用：系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即按比例產(chǎn)生作用減少偏差。增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)量，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性下降。

（2） 積分調(diào)節(jié)作用：能使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。系統(tǒng)有誤差，積分調(diào)節(jié)就工作，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，輸出為常數(shù)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

（3） 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇恰當(dāng)?shù)那闆r下，可以減少超調(diào)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID調(diào)節(jié)器［2］。

1.3 具體應(yīng)用中數(shù)值量化處理的基本方法：

上面只是控制算法的數(shù)學(xué)計(jì)算，比較抽象，在具體的控制項(xiàng)目中怎樣對應(yīng)呢？也就是具體的量化問題。下面以宜昌金三峽印務(wù)空調(diào)溫度控制中加溫部分為例說明。

對于加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)電磁閥門開度或在一定時(shí)間循環(huán)周期內(nèi)的供電時(shí)間比例來實(shí)現(xiàn)，一般前者比較簡單，也是常用的方法。以調(diào)節(jié)電磁閥門開度為例：設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加溫周期，例如2分鐘，調(diào)節(jié)輸出，使電磁閥門開度恒定，在整個(gè)周期內(nèi)都加溫。根據(jù)計(jì)算結(jié)果讓電磁閥門開度在0-100%內(nèi)變化，比如計(jì)算所得在這個(gè)周期內(nèi)電磁閥門開度應(yīng)該打開到50%，兩分鐘以后再測量控制對象溫度，通過計(jì)算閥門開度應(yīng)該打開到49%，依此類推，閥門開度隨周期變化而更改，不斷地修正輸出量，以達(dá)到對溫度的有效控制。

為了便于處理，在控制程序內(nèi)部一般不用時(shí)分秒來計(jì)算，通常用一個(gè)定時(shí)器作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。相對于計(jì)算來說，控制周期比較大，可以對2分鐘進(jìn)行細(xì)分，例如對每分鐘進(jìn)行100等分，兩分鐘就是200等分，用于溫度控制，這樣的輸出比例變化已經(jīng)足夠細(xì)了，共有200個(gè)輸出等級。取200等分的另一個(gè)好處是，對應(yīng)于PLC剛好可以在一個(gè)字節(jié)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，程序簡單，運(yùn)算速度快。對于不同的加熱對象，例如熱慣性較大的加熱對象，可能2分鐘周期太短了，可以通過修改基本定時(shí)常數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)，而保持200等分不變。

PID的三個(gè)基本參數(shù)Kp、Ki、Kd，一般由試驗(yàn)確定，先根據(jù)工作對象初步設(shè)定，然后在實(shí)際運(yùn)行過程中進(jìn)行調(diào)整。為了達(dá)到比較好的控制效果，這三個(gè)參數(shù)一般不采用整數(shù)，但為了減少PLC的運(yùn)算量，通常采用2的整數(shù)倍放大的辦法確定這些參數(shù)，在運(yùn)算結(jié)果中再除以2的整數(shù)倍，因?yàn)镻LC運(yùn)算中可以用移位來完成，速度比較快，常用的是8倍或16倍放大，注意這三個(gè)參數(shù)必須采用相同的放大比例。編程的過程中從頭到尾要清楚參數(shù)是經(jīng)放大了的，不要忘記還原運(yùn)算結(jié)果。

篇10

關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)；PID算法；光耦合器MOC3041

0引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中，對溫度的檢測、控制有著非常重要的意義和廣泛的應(yīng)用。及時(shí)準(zhǔn)確地得到溫度信息并對其進(jìn)行適時(shí)的控制在許多工業(yè)場合中都是重要的環(huán)節(jié)。例如大型火力發(fā)電站鍋爐的溫度控制、石油煉油廠油溫的控制等。本文設(shè)計(jì)一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，基于PID算法，結(jié)合溫度采集、主機(jī)控制、溫度控制及顯示等外部設(shè)備，完成水溫的自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)介紹

通常來說，一般的溫度控制系統(tǒng)其主要構(gòu)成部分有以下幾部分：被控對象、溫度信號采集與轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、執(zhí)行模塊、主機(jī)控制模塊、按鍵等。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，控制算法不但結(jié)合經(jīng)典的PID控制算法的優(yōu)勢，還增加了死區(qū)控制、平均濾波、限幅消抖以及抗積分飽和等措施抑制非正常情況的發(fā)生。此外，控制算法還發(fā)揮了二維PID算法的優(yōu)點(diǎn)，加快了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1溫度信號的采集及AD轉(zhuǎn)換

本文采用數(shù)字類溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，DS18B20可直接將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可編程的分辨率為9～12位,采用獨(dú)特的單總線接口，只需要一條總線就可以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)成本。

2.2主機(jī)控制模塊

本文采用普通單片機(jī)AT89C52。AT89C52單片機(jī)片內(nèi)有8KB的EPROM和256B的RAM，程序通過串口下載，十分方便。在晶振頻率為12MHz的情況下，單指令僅需1us，完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.3顯示模塊

本文采用LM1602液晶顯示。LM1602液晶的市場價(jià)格便宜，可以與單片機(jī)直接連接，不需要增加額外的驅(qū)動(dòng)電路，它可以顯示所有的ASCII字符。另外可以同時(shí)顯示32個(gè)字符，電路設(shè)計(jì)簡單、軟件復(fù)雜度低、性價(jià)比高。

2.4溫度控制模塊

本文采用雙向晶閘管。市場上雙向晶閘管的種類很多，本設(shè)計(jì)中采用的雙向晶閘管BTA06價(jià)格便宜，配備以驅(qū)動(dòng)電路，可以使設(shè)計(jì)成本大大降低，另外，采用雙向晶閘管BTA06的硬件設(shè)計(jì)也較為簡單。

2.5單片機(jī)控制方式

2.5.1方案一

P控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。同時(shí)，由于水的溫度調(diào)節(jié)，可以等效于“純滯后＋一階慣性”，理論可推導(dǎo)其易產(chǎn)生振蕩。

2.5.2方案二

PI控制是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分作用，在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系，采用比例積分控制方式，只要有足夠長的響應(yīng)時(shí)間，理論上可以做到穩(wěn)態(tài)無靜差。

2.5.3方案三

PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，也就是在比例積分控制方式下，加入微分控制，在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。

將上述三種方案進(jìn)行比較，由于本設(shè)計(jì)要求無靜差，被控對象慣性較大，為了加快調(diào)節(jié)速度，采用方案三即PID算法作為控制算法。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件電路主要分為溫度信號采集與轉(zhuǎn)換模塊（傳感器DS18B20）、主機(jī)控制模塊（單片機(jī)AT89C52）、溫度控制模塊（雙向晶閘管BTA06）和液晶顯示模塊（LM1602液晶）等四部分。系統(tǒng)電路圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示：

圖2 軟件流程圖

5 結(jié)論

通過上述的分析進(jìn)行系統(tǒng)搭建，可以實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制，從而表明上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足工業(yè)要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽培訓(xùn)系列教程.電子工業(yè)出版社