模糊自适应PID控制器及Simulink仿真(本科论文 毕业论文)

模糊自适应PID控制器及Simulink仿真(本科 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 毕业论文) 模糊自适应PID控制器及Simulink仿真 作 者 姓 名 专 业 电气工程及其自动化 指导教师姓名 专业技术职务 讲 师 山东轻工业学院本科毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (论文)原创性声明 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导教师的指导下独立研究、撰写的成果。设计(论文)中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计(论文)中加以说明，除此之外，本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计(论文)作者签名: 2012年6月6日 山东轻工业学院关于毕业设计(论文)使用授权的说明 本毕业设计(论文)作者完全了解学校有关保留、使用毕业设计(论文)的规定，即:学校有权保留、送交设计(论文)的复印件，允许设计(论文)被查阅和借阅，学校可以公布设计(论文)的全部或部分内容，可以采用影印、扫描等复制手段保存本设计(论文)。 指导教师签名: 毕业设计(论文)作者签名: 年 月 日 2012年6月6日 目 录 摘 要 .............................................. 1 ABSTRACT ............................................ 1 第一章 绪论 .................................... 1 1.1 PID控制器的发展与应用................................. 1 1.2 PID控制器 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 设置中存在的问题 ........................ 2 1.3模糊自适应PID控制器发展研究现状 ...................... 2 1.4 本文的主要工作 ........................................ 4 第二章 PID控制原理简介 .......................... 4 2.1引言 .................................................. 4 2.2 PID控制原理 ........................................... 5 2.3 PID控制器系统概述..................................... 5 2.3.1比例控制(P) ......................................... 7 2.3.2 积分调节(I) ......................................... 7 2.3.3微分调节(D) ......................................... 9 第三章 PID控制器应用技术简介 ................... 10 3.1数字PID控制算法原理 ................................. 11 3.2位置式PDI控制算法 ................................... 11 3.3 控制规律的选择 ....................................... 12 3.4 PID控制器的参数整定.................................. 13 第四章 模糊PID控制器及系统仿真 ................. 13 4.1模糊自适应PID控制系统 ............................... 13 4.2 常规PID和模糊自适应PID控制系统的仿真比较 ........... 14 4.3常规PID控制系统仿真 ................................. 14 4.4模糊自适应PID控制系统仿真 ........................... 16 4.5二者的比较 ........................................... 18 第五章 总结 .................................... 20参考文献 .......................................... 22 致 谢 ............................................ 23 4 *******大学2012届本科生毕业设计(论文) 摘 要 随着工业生产的发展～于20世纪30年代～美国开始使用PID功调节器～它比直接作用式调节器具有更好的控制效果～因而很快得到了工业界的认可。至今～在所有生产过程控制中～大部分的回路仍采用结构简单、鲁棒性强的PID控制或改进型PID控制策略。PID控制作为一种经典的控制方法～几乎遍及了整个工业自动化领域～是实际工业生产过程正常运行的基本保证;控制器的性能直接关系到生产过程的平稳高效运行以及产品的最终质量～因此控制系统的设计主要体现在控制器参数的整定上。随着计算机技术的飞跃发展和人工智能技术渗透到自动控制领域～近年来出现了各种实用的PID控制器参数整定方法。 PID控制算法作为最通用的控制方法～对它的参数整定有许多方法;对于不同的控制要求、不同的系统先验知识～考虑用不同的方法;这些算法既要考虑到收敛性、直观、简单易用～还要综合负载干扰、过程变化的影响～并能根据尽可能少的信息和计算量～给出较好的结果。 论文在较为全面地对PID控制器参数自整定方法的现状分析研究的基础上～针对基于继电器反馈和最小二乘的自整定方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: 为克服一自由度PID控制器无法兼顾目标跟踪和外扰抑制的缺点～结合二自由度控制器的结构和基于幅值最优化的控制器参数整定方法～并通过分析得到控制器参数求解公式～实现了二自由度PID控制器参数整定和二自由度Pl控制器参数整定。与常规控制方法相比～该方法得到的控制器具有更好的闭环响应性能～并且由于二自由度系数的半固定性～在整定PID控制器参数之前就可以确定～因此～对控制器参数的求解难度无影响。 针对一类一阶大时滞不稳定特殊对象～普通的PID控制器很难满足要求～甚至不能实现系统的稳定。基于首先引入内环状态反馈～以改善对象动态特性的思想～采用双环控制结构～先将对象状态反馈镇定～然后按照内模控制原理设计外环的控制器。只要选择适当的可调参数兄的值～通过该方法得到的PID控制器对不稳定对象具有较好控制效果及鲁棒性。 通过仿真比较研究～对于连续对象～综合得到几种较好的基于继电器反馈的控制器参数整定方法～对离散采样数据采用基于最小二乘模型辨识的参数整定方沪书尸摘要法～提出并设计基于Matlab/simulink仿真工具的PID控制器参数整定仿真应用软件。介绍了PID整定控制器的应用框架、辅助设计与仿真软件的功能、特点～并给出了仿真实例。 最后是对论文的综述和展望。 关键词:模糊PID控制器 参数自整定 Matlab 自适应PID控制 时滞系统 参数整定继电反馈 幅值最优化 不稳定 ABSTRACT With the development of industrial production in the 1930s, the United States began using the - 1 - PID power regulator, it has better control effect than the direct-acting regulator, and thus soon be recognized by the industry. So far, all the production process control, most of the loop is still a simple structure and robustness of PID control or improved PID control strategy. PID control as a classical control methods, almost throughout the entire industrial automation sector, the basic guarantee for the normal operation of the actual industrial production process; controller performance is directly related to the production process smooth and efficient operation, and the final product quality, and therefore control The system design is mainly reflected in the controller parameter tuning. With the rapid development of computer technology and artificial intelligence techniques to infiltrate the field of automatic control in recent years, a variety of practical PID controller parameter tuning. PID control algorithm as the most common control method, its parameter tuning There are many ways; for the different control requirements, consider the use of different methods for different systems a priori knowledge; these algorithms it is necessary to take into account the convergence, intuitive, simple use, but also integrated load disturbance, the process of change, and can give good results for as little as possible information and computation, Paper on the basis of the study more fully the status quo analysis of self-tuning method of PID controller parameters for the self-tuning based on relay feedback, and the least squares method and the feasibility of its application-related research, the main work and The results are summarized as follows: In order to overcome a degree of freedom PID controller can not take into account the shortcomings of target tracking and external disturbance rejection, combined with two degrees of freedom controller structure and amplitude-based optimal controller parameters tuning method, the controller parameters by analyzing the formula to solve two degree of freedom PID controller tuning and two degrees of freedom Pl controller parameter tuning. Compared with the conventional control method, this method controller has better performance of the closed-loop response, and two degree of freedom coefficient of semi-fixed, before tuning PID controller parameters can be determined, therefore, the controller parameters solving difficulty. Special object for a class of first order delay unstable ordinary PID controller is difficult to meet the requirements, can not even achieve the stability of the system. Based on the inner state feedback was first introduced, in order to improve the dynamic characteristics of the object thought, using the dual-loop control structure, the first object state feedback stabilization, in accordance with the principle of internal model control design of the outer ring of the controller. Select the appropriate value of the adjustable parameters brother, through the PID controller has better control effect of unstable objects and robustness. Through simulation studies for a continuous object, integrated several good controller tuning based on relay feedback, discrete sampling data based on least squares model identification parameter tuning side of Shanghai book dead Abstract method proposed design simulation tool based on Matlab / Simulink PID controller parameter tuning simulation software applications. PID tuning controller application framework that aided design and simulation software functions, characteristics, and gives a simulation example. Finally, the overview and outlook of the paper. - 2 - Key words: Fuzzy PID controller Parameter tuning Matlab Self-adaptive PID control Delay system Parameter tuning Least square internal Model control simulation optimal Unstable - 3 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 第一章 绪论 1.1 PID控制器的发展与应用 PID(Proportional lntegral Derivative)控制器是工业上广泛应用的一种实现自动控制的方法.在1939年，最早的PID控制器由Tayor Instrument公司的工程师们设计制造。在上世纪50年代，PID控制器从模拟气动方式转换到模拟电动方式，而最终在70年代微处理器发明后，发展成为微处理器数字控制器。 PID控制器在工业上的广泛应用有着以下几个原因: l)结构简单:PID控制器的.简单结构使其在硬件软件上都易于实现; 2)应用广泛:在工业应用过程中，人们已经积累了安装和维护PID控制器的大量经验。PID算好更是为很多工程师熟记。 3)易于获取:在市TD上有大量商品PID控制器，极易得到。而PID控制器的广泛应用和工业制造商的支持保证了在未来PID控制器也是容易得到的。 4)适用性好:只要通过调节控制器的3个参数就可以使一个控制器应用到不同的被控过程并表现出色。而通过考察控制器的内部原理可以证明PID控制器适用大部分的被控过程。更重要的是，人们发现对于一个没有非线性单元的被控过程，无法使用更复杂的控制器来提高控制能力。PID控制器给出相同控制能力的最简单的控制机构。 5)鲁棒性好:PID控制器保证了很多控制系统保持好的性能.PID因为其很好鲁棒性使控制系统更加稳定。 由于PID控制器的诸多优点，使得现在世界大部分工业生产线都采用PID控制器或者PDI控制规则。如在美国，95%的工业生产线是由PDI控制器控制的。而PID控制器的广泛应用使得业界众多标准会参照，至少会顾及PID控制上的便利。而在实现PDI控制中所积累的众多经验也是工业知识的一个巨大积累。如今，人们甚至可以不用过于关注控制对象的内部结构而只需要凭借经验公式和误差范围就可以实现对被控对象的良好控制。而技术人员的很多工作可以简化为对参数的微调和根据实际情况的所作的一些变换. 在工业控制中，PID控制是工业控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性:当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性，实现控制器参数的自动调整，可以采用模糊控制理论的方法。工业控制上的一条原则是在达到控制目的的同时，控制结构越简单越容易调P口控制公的今效估计节最好。所以很多看似复杂的装，其控制器的结构却极为简单。PID控制器因为其良好的通用性使其通过对3个参数的调整就能较好的实现控制目的(很多时候可能尽是其中的两个参数). - 1 - 模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并目仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止，现代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。本文将模糊控制和PID控制结合起来，应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定，实现PID参数的最佳调整，设计出参数模糊自整定PID控制器，并进行了Matlab/Simulink仿真。仿真结果表明，与常规PID控制系统相比，该设计获得了更优的鲁棒性和动、静态性及具有良好的自适应性。 1.2 PID控制器参数设置中存在的问题 控制工程的主要目的就是通过一些特殊的方法选择适当的控制器参数以优化被控系统的性能.以前的研究己经得出很多方法，如Ziegler-Nichols方法.但在设置参数的过程中往往会碰到一些实际问题: 1) PID控制可以通过多种方法实现，但是由于不同的算法会导致不同的参数，尽管这些参数在很多情况下是效果相同的; 2) 在实际过程应用中，很可能没有确定参数数值的直接方法。在这种情况下，只能使用模拟控制器，但是相关的读数可能会超出刻度范围甚至无法量化; 3) 对控制器的手动操作可能无法进行; 4) 其他的问题有饱和现象的存在.数字控制器还存在采样重叠失真的问题. 本文的主要目的是针对这些问题，试图找到一些优化算法来从软件上来解决或减少这问题在实际中的影响. 1.3模糊自适应PID控制器发展研究现状 随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性、滞后和时变现象。其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时和随机干扰;有的无法获得较精确的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型或模型非常粗糙。传统的PID(比例proportional，积分integral，微分derivative)控制器虽然以其结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器(据日本统计，当前工业上使用的控制中，PID控制约占91.3%，而现代控制理论的控制方式只有1.5%)，而且PID调节规律特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节品质取决于PID控制器各个参数的确定。然而，针对上述的复杂系统，如果使用常规的PID控制器，其PID参 - 2 - 数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到满意的控制效果。为此，近年来各种改进的PID控制器如自校正、自适应PID及智能控制器迅速发展起来。 模糊控制理论无论从理论方面还是应用方面都已经取得了很大的进展，但是与传统控制理论相比模糊控制理论仍然显得不够成熟。从上面的分析我们也可以看出模糊控制的主要缺点就是没有一个有效的分析和设计方法，仍然需要靠积累的专家经验。为了解决这个问题，很多专家学者正在尝试如何用常规控制中的理论来分析模糊控制系统。模糊控制技术的关键就在于模糊控制器的性能，然而大多数的模糊控制器在设计的时候都是以非解析方式建立的，所以在理论研究中解析方法是一个重要的方法。如何建立一套严格的解析方法是模糊控制今后的发展方向，也是将其与传统理论结合的基本保证。如果有了这个理论基础，就能够运用传统控制理论的方法来研究和解决模糊控制中的问题，同时用结合后的控制思想更好的解决控制问题。 因为控制技术的关键在于控制器的性能，所以一个控制器性能的好坏就决定了控制策略的好坏，而模糊控制器的优劣就决定了模糊控制的效果。目前的模糊控制器大多数都是模糊PID型，是传统控制与模糊控制的结合。所以模糊PD控制不仅是现在应用的范例也是将来技术发展的一个重要技术方向。PD控制器是目前为止应用最广泛的控制器，90%以上的控制系统使用的都是PID控制器。正如我们知道的，PID控制器包括三个环节:比例环节(P)、积分环节(I)、微分环节(D)，它们分别代表着控制器对系统过去、现在和将来信息的反映。所以PID控制基本上涵盖了系统的全部信息，也就是说一般的控制问题都是能够通过PID控制解决的。同时，传统的PID控制器设计又起来十分的简单，而且投入小。正是由于传统PID有着突出的优点，所以在实际的过程控制当中取得了主导地位。但是对于较复杂的过程来说(比如延迟、参数变化、非线性和多输入多输出系统)，传统PID的控制效果并不很好。所以，随着被控对象的复杂程度的增加，控制要求严格性的提高，越来越多的控制技术不断的产生和一种基于Simulink模型的模糊PDI控制器分析和设计完善。这些新的控制技术正在逐渐被应用到更宽的领域当中，但是基于PD控制原理的控制器仍是控制应用中不可或缺的。尤其是近10年来，又重新掀起了对PD控制技术的研究热潮，主要表现在许多学者对PID改进的新方法的提出，比如自调节和自适应PID。研究表明，这些改进后的控制器不仅可以解决简单的线性系统的控制问题，对复杂的、非线性的、高阶的、有延迟的系统的控制也有很好的效果。当然，模糊逻辑的PID控制器也是其中之一，它本质上是一种变增益或者自调节的PID。根据模糊推理输出量的物理含义，模糊PD有以下几个类型:直接控制量型、增益调度型、混合型。 - 3 - 1.4 本文的主要工作 考虑到本章第二节出现的问题，本文在参考前人工作基础上，选择了一些被证明了的优化算法，并且编程实现了这些算法。然后通过仿真使其能够在实际应用中得到实现。详细过程说明如下. 本文的主要目的是设计一个系统并且设定其PID控制器的参数，最后将其应用到一水力伺服系统中去.这个目的的实现工程因为两个因素而变得复杂化:第一是对于通过不同的PID控制算法所得出的不同参数，如何选择参数使其达到最优控制;第二是对于输入的参考信号，控制器中的比例和微分环节也有很多不同的方法去处理。 本文所有的实验工作都在一个数字控制器上进行，因为其所有参数都能明确的设置，并且这些参数能方便的去检验和确定，从而简化了二次计算的过程。当然，这些都是建立在模拟控制器技术发展和实现的基础上。确定控制器参数，即本文的结构，将按以下过程进行: 1)确定PID算法，并且保证该算法所得结果能够在实际中实现.这个工程包括很多观察工作，并且要求设计者从实际出发去考虑。比如参考点加权和积分器的卷尾现象(integrator wind-up)。 2)考虑模拟控制器如何数字化，具体是在系统辨识中将控制器的预估计误差和数字PIID控制器的类型相联系考虑。第五章将展示如何从系统辨识试验的结果反演模拟控制器的参数的过程。第六章则列出使用Matlab中的Simulink工具箱进行系统辨识的结果，并且还分析为什么ARX和ARMAX模型能够精确计算估计的参数。 3)对在数字控制器上所进行的实验做一个总结，并给出了控制器的系统框图. 第二章 PID控制原理简介 2.1引言 PID调节器从上世纪40年代问世以来，至今已有半个多世纪的历史，在这前几十年工业过程控制中，除在最简单的情况下可直接采用开关控制以外，PID控制一直是最主要的控制方式。随着工业生产自动控制的发展，由于人们的勤劳与智慧，为PID的发展和推广做出了巨大的贡献，使之成为工业过程控制中历史最悠久、生命力最顽强、应用最广泛的基本控制策略。就是在微处理技术迅速发展的今天，尤其随着电子计算机的诞生以及科学技术智能化的发展，涌现出各种新的控制方法，然而在生产过程控制中仍广泛应用PID控制或改变了形式的PID控制策略。以上足以说明PID控制在自动控制的发展过程当中，已 - 4 - 具有不可替代的地位，并仍将成为今后新型控制策略中，具有主导地位的必要组成部分。PID控制之所以在生产过程中普遍采用，主要由于它具有良好的控制性能、鲁棒性好、可靠性高;控制算法简单、使用方便、灵活等优点，下面将从其控制原理(2.2模拟控制系统和2.3数字控制系统)与应用技术(2.4控制规律的选择和2.5PID控制器的参数整定)两大方面进行介绍。 2.2 PID控制原理 PID控制是偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。在模拟控制系统中，常规模拟PID控制系统原理框图(如图2-1)所示。系统由模拟PID控 [22][23]制(虚框内部分)和被控对象组成。 如图2-1模拟PID控制系统原理图 PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差 公式(2-1) ，，，，，，et,rt,yt 将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为 t，Tdet，，1Dutetetdt，，，，，， 公式(2-2) ,，,,TdtI0， 其传递函数形式为 US1，， 公式(2-3) ，，GS,,K(1，，TS)PD，，ESTSI 式中 KP—比例系数 TI—积分时间常数 TD—微分时间常数 2.3 PID控制器系统概述 PID控制器系统原理框图如图2-2所示。将偏差的比例(KP)、积分(KI) - 5 - 和微分(KD)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，KP、KI和KD 3个参数的选取直接影响了控制效果。 KP 比例 u(t) r(t)c(t)e(t) KI被控对 积分 象xix象 / KD 微分 如图2-2 PID控制器系统原理 - 6 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 在经典PID控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差e(t)，并依据偏差情况，给出控制作用u(t)。对连续时间类型，PID控制方程的标准形式为， tdet1()utKetetdtT(),[()，()，] CD 公式(2-4) ,0TdtI 式中，u(t)为PID控制器的输出，与执行器的位置相对应;t为采样时间;KP为控制器的比例增益;e(t)为PID控制器的偏差输入，即给定值与测量值之差;TI为控制器的积分时间常数;TD为控制器的微分时间常数。 离散PID控制的形式为 kTekek()(1),,ukKekejT()[()()],，，,pD 公式(2-5) TT,0jI 式中，u(k)为第k次采样时控制器的输出;k为采样序号，k=0,1.2 …;e(k)为第k次采样时的偏差值;T为采样周期;e(k-1)为第(k-1)次采样时的偏差值。 离散PID控制算法有如下3类:位置算法、增量算法和速度算法。增量算法为相邻量词采样时刻所计算的位置之差，即 TTDK,KKKIP,DPTIT， 公式(2-6) 式中， 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，KP、K I、K,D对系统的作用如下。 (1)系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定、KP过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 ,u(k),u(k),u(k,1),K[e(k),e(k,1)]，Ke(k)，K[e(k),2e(k,1)，e(k,2)]PID (2)积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差。K I越大，系统的稳态误差消除越快，但K I过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调;若KI过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。 (3)微分作用系数K,D的作用是改善系统的动态特性。其作用要是能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 KP、K I、K,D与系统时间域性能指标之间的关系如表2-1所示。 参数名称 上升时间 超调亮 过渡过程静态误差 时间 KP 减少 增大 微小变化 减少 - 6 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) K I 减少 增大 增大 消除 K,D 微小变化 减小 减小 微小变化 如表2-1 KP 、K I、KD与系统时间域性能指标之间的关系 2.3.1比例控制(P) R2 Vi R1Vo 如图2-3 比例电路 VoR(t)2 公式(2-7) ,,ViR(t)1 R2 公式(2-8) Vo,,，Vi(t)(t)R1 在比例调节器中，调节器的输出信号u与偏差信号e成正比例，即 公式(2-9) 其中KP称为比例系数。比例调节即及时成比例地反映控制系统的偏差信号e，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 比例调节器的特点是简单、快速，对于具有自平衡性的控制对象可能产生静差(自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值);而对于带有滞后的系统，可能产生振荡，系统的动态特性也随之降低。 增大比例系数KP，可以加快响应速度，减小系统稳态误差，从而有利于提高控制精度。然而KP取的过大，系统开环增益也随之加大，一般将导致系统稳定性降低甚至激烈震荡(也有一些系统，其稳定性随KP增大反而变好[24]。此时，如果残差过大，则需要通过其它途径解决)。 减小比例系数KP，能使系统减少超调量，稳定裕度增大，却同时降低了系统的调节精度，导致过度过程时间延长。 根据系统控制过程中各个不同阶段对过渡过程的要求以及操作者的经验，通常在控制的初始阶段，适当的把KP放在较小的档次，以减小各物理量初始变化的冲击;在控制过程中期，适当加大KP，以提高快速性和动态精度，而到过渡过程的后期，为了避免产生大的超调和提高静态精度稳定性，又将KP调小。 - 7 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 2.3.2积分调节(I) 积分器 1/SC Vi R1Vo 如图2-4 积分电路 1 Vo111(t)SC 公式(2-10) ,,,,,,，ViRSCRCRS(t)111 11 公式(2-11) Vo,,，Vi()tCRS1 1 公式(2-12) Vo,,Vidt()t,CR1 R21/SC VI Vo 如图2-5微分电路 du dt在积分调节中，调节器的输出信号u的变化速度与偏差信号e。成正比， 即 公式(2-13) 或 公式(2-14) 式中TI称为积分时间常数。可见偏差一旦产生，控制信号不断增大，偏差 - 8 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 信号消失后，控制信号保持原值，显然，在已知TI为常数的情况下，控制信号为常数当且仅当e=O，即对于一个带积分作用的控制器而言，如果它能够使闭环系统达到内稳，并存在一个稳定状态，则此时对设定值r的跟踪必然是无静差的。 积分调节主要用于提高系统的抗干扰能力，消除静差，提高系统的无差度。积分调节的特点是，它相当于滞后校正环节，因此如相位滞后，使系统的稳定性变差。 积分作用虽然可以消除静差，但不能及时克服静差，偏差信号产生后有滞后现象，使调节过程缓慢，超调量变大，并可能产生振荡。 TI越大积分速度越慢，TI越小积分速度越快。即积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 增大积分作用即减小TI有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使超调过大，系统稳定性下降甚至引起振荡。 减小积分作用即增大TI，虽然有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，但又对系统消除静差不利。 在控制系统设计实践中，通常在调节过程的初期阶段，为防止由于某些因素引起的饱和非线性等影响而造成积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调量，积分作用应弱些，而取较大的TI;在响应过程的中期，为避免对系统动态稳定性造成影响，积分作用应适中;在过程后期，应以较小的TI值以减小系统静差，提高调节精度。 2.3.3微分调节(D) VoR(t)2 公式(2-15) ,,,,CRS21Vi(t) SC 公式(2-16) Vo,,CRSVi(t)2(t) dViVoCR 公式(2-17) ,,(t)2dt 实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入(误差)之间的关系在时域中如公式(2-18)和(2-19): 1de(t)u(t)=Kp(e(t)+Td+) 公式(2-18) e(t)dt,dtTi - 9 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) KiU(s)=[+]E(s) 公式(2-19) KSK，dPS KKPd公式中U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，,，其中Ti,T,dKKpi ,,14、、分别为控制器的比例、积分、微分系数 KKKidP 在微分调节器中，调节器的输出u与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，既 2-20) 公式( 其中TD称为微分时间常数。可见微分作用输出只与偏差变化有关，偏差无变化就无控制信号输出，所以不能消除静差。调节器中增加微分作用相当于使控制输出超前了TD时间，TD为零时，相当于没有微分作用。 微分调节的特点是，针对被控对象的大惯性改善动态特性，它能给出响应过程提前制动的减速信号，相当于其具有某种程度的预见性。它有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性。 上式为理想的微分作用，实际控制中r通常保持为某个特定值。某变化函数如阶跃信号等，在理论上是不可微的。虽然线性控制理论给出了理想情况的分析结果，实际中此时dr/dt表现为一个采样周期的尖脉冲。其本身不但已失去对实际控制的指导意义，而且造成控制输出的大范围跳变。影响现TD执行机构的有效使用寿命。所以实际应用中可根据情况设计相当于超前校正环节的控制器，实现微分作用。微分调节作用主要缺点是抗干扰能力差。 若增加微分作用，即增大TD，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但同时会使系统对于扰动敏感，抑制外干扰能力减弱，若TD过大还会使响应过程过分提前制动，而延长过度时间。 减小微分作用，即减小TD，调节过程的减速就会滞后，从而使超调量增加，系统响应变慢，稳定性变差。因此，对于时变且不确定系统，如热工过程，TD不应取定值，应适应被控对象时间常数而随机改变。 根据长期操作经验，在响应过程初期，适当加大微分作用以减小甚至避免超调;在响应过程中期，由于对TD的变化很敏感，因此TD应小些，且保持不变;在调节过程后期，TD要再小一些，从而减弱过程的制动作用，增加对扰动的抑制能力，使调节的初期因TD较大而导致的调节时间增长而得到补偿。 积分和微分调节作用通常与比例控制作用一起使用，实现不同的控制性能。 第三章 PID控制器应用技术简介 - 10 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 3.1数字PID控制算法原理 随着计算机的诞生与发展，传统的控制方式已经逐渐被数字控制方式所取代。在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机算法程序来实现的，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量 [24][25]式PID控制算法。 3.2位置式PDI控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此公式(3-1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换: 公式(3-1) 式中T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2… 显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即略去了T。将(3-1)代入(2-2)，可得离散的PID表达式为 公式(3-2) 或 公式(3-3) 式中 u(k)--第k次采样时刻的计算机输出值; e(k)--第k次采样时刻输入的偏差值; e(k-1)--第令(k-1)次采样时刻输入的偏差值; KTP TIKI--积分系数，KI= - 11 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) KTPDK,DTKD--微分系数， 由Z变换性质 公式(3-4) 得式(3-5)的Z变换式为 公式(3-5) (3-6)便可得到数字PID控制器的Z传递函数为 由式 公式(3-6) 数字PID控制器(如图3-1)所示。 如图3-1数字PID控制器的结构图 3.3 控制规律的选择 由以上论述可知，无论采用常规模拟调节器还是数字调节器均可实现PID调节，但为了得到满意的控制效果，有时需要在控制过程中根据对象特性和负荷情况，合理选择控制规律。尤其是数字PID控制器算法简单，控制参数整定方便，并且其参数KP、TI、TD和T相对独立，要求计算机运算工作量比较小。所以采用数字PID控制器在线修改控制方案就能轻而易举的达到选择不同控制规律的要求。具体可参考以下结论进行选择[25] : (1)对于一阶惯性的对象，负荷变化不大，工艺要求不高的系统，可采用比例控制。例如，用于压力、液位、串级副控回路等。 (2)对于一阶惯性与纯滞后串联的对象，负荷变化不大，要求控制精度较高的系统，可采用比例积分控制。例如，用于压力、流量、液位的控制。 (3)对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用比例积分微分控制。例如，用于过热蒸汽温度控制、PH值控制。 - 12 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) (4)当对象为高阶(二阶以上)惯性环节，又有纯滞后特性、负荷变化较大、控制性能要求也较高时，应采用串级控制、前馈一反馈、前馈一串级或纯滞后补偿控制。例如，用于原料气出口温度的串级控制。 3.4 PID控制器的参数整定 数字PID控制中一个至关重要的问题，就是控制器参数(比例系数、积分时 [26][27][28][29]间、微分时间和采样周期T)的整定。控制系统参数整定好坏，不但直接影响控制器的调节品质，而且还会影响到控制器的鲁棒性。自从产生PID控制以来，人们始终关注的重要问题之一，就是PID控制器参数整定问题。 第四章 模糊PID控制器及系统仿真 4.1模糊自适应PID控制系统 模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，让计算机把人的经验形式化、模型化，根据所取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并将其转化为精确量，作为馈送到被控对象(或过程)的控制作用。模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式，它是根据输入输出的个数、隶属函数及控制规则等决定的。日的是把人工操作控制过程表达成计算机能够接受，并便于计算的形式。模糊控制规则一般具有如下形式: If{ e = Ai and ec = Bi}then u= Ci ,i=1,2…,其中e,ec和u分别为误差变化和控制量的语言变量，而Ai、Bi、Ci为其相应论域上的语言值。 应用模糊推理的方法可实现对PID参数进行在线自整定，设计出参数模糊自整定PID控制器。仿真结果表明，该设计方法使控制系统的性能明显改善。 自适应模糊PID控制器是在PID算法的基础上，以误差e和误差变ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修 [3]改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构框图如图4-1所示 - 13 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 如图4-1 自适应模糊PID控制器结构框图 PID糊自整定是找出PID参数(KP、KI、KD)与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，从而使对象具有良好的动、静态性能，模糊控制的核心是总结工程设计人员的技术和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对3个参数KP、KI、KD,分别整定的模糊规则表。 4.2 常规PID和模糊自适应PID控制系统的仿真比较 利用MATLAB中的simulink工具箱和模糊逻辑工具箱可以对经典PID控制系统和模糊自适应PID控制系统进行仿真， 1G(S),(5s，1)(2s，1)(10s，1) 公式(4-1) 4.3常规PID控制系统仿真 在MATLAB中，构建PID控制系统仿真的模型如图4-2所示。利用稳定边界法、按以下步骤进行参数整定: 如图4-2 PID控制系统仿真模型 将积分、微分系数TI=inf ,TD=0，KP置较小的值，使系统投入稳定运行，若系统无法稳定运行，则选择其他的校正方式， 逐渐增大KP, 直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 此时临界振 - 14 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 荡增益KC临界振荡周期TC 。 K,0.6KT,0.5TT,0.125TPCDCIC按照经验公式: ，,。整定相应的PID参 数，然后进行仿真校验。 等幅振荡时: KC=12.8，TC=25-10=15 临界稳定法整定后参数: KP= 7.6800 ; Ti= 7.5 Td= 2 TTDK,KKKIP,DPTIT， 得到 KI=1,KD=15 等幅振荡如图4-3， 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 00102030405060708090100 如图4-3 系统等幅振荡图 临界振荡整定法整定后图形如下: - 15 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0102030405060708090100 如图4-4 传统PID控制系统仿真结果 4.4模糊自适应PID控制系统仿真 首先利用F IS图形窗口创建1个两输入(e、ec)和三输出(KP、KI、KD)的Mamdani推理的模糊控制器，如图4-5 设输入(e、ec)的论域值均为(-6,6)，输出(KP、KI、KD)的模糊论语为(-3,3)，取相应论域上的语言值为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)，而令所有输入、输出变量的隶属度函数均为trinf如图4-6，图4-7所示;4-8图为P ID控制的3个参数(KP、TI、TD)的模糊控制规则。 如图4-5模糊控制器窗口 - 16 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 图4-6 E、EC的模糊论域和隶属函数 图4-7 KP、KI、KD的模糊论域和隶属函数 - 17 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 如图4-8 模糊控制规则 然后构建模糊自适应PID控制系统的仿真模型，如图4-9所示，并且给出了 其相应部分的子系统的框图如图4-9和图4-10。最后的仿真结果如图4-11所示。 tClockyTo Workspace To Workspace1 KPE111StepKI5s+12s+110s+1ScopeTransfer FcnTransfer Fcn1Transfer Fcn2 ECdu/dtKD DerivativeSubsystem 如图4-9 模糊自适应PID系统结构图 Gain5 7.5GainGain3151E2KPdKAddProduct2Gain61signal1sGain1IntegratorsignalGain22Fuzzy Logic 252KI1dIAdd1ControllerECProduct1 Gain4 dD51.4Gain73KDProduct3Add214 1.2如图4-10 模糊自适应PID系统子系统结构图 1 0.8 0.6 0.4 0.2 00102030405060708090100 如图4-11 模糊自适应PID系统仿真结果 4.5二者的比较 通过上面的仿真，比较图5 PID控制系统的仿真和图12模糊PID控 制系统的仿真结果，可以看出，在对三阶线性系统的控制中，利用稳定边界法进 - 18 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 行参数整定的经典PID控制的超调量比模糊自适应PID控制的超调量要大，但模糊PID控制存在一定的稳态误差。模糊控制用模糊集合和模糊概念描述过程系统的动态特性，根据模糊集和模糊逻辑来做出控制决策，它在解决复杂控制问题方面有很大的潜力，可以动态地适应外界环境的变化。 - 19 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 第五章 总结 在各种工业控制器中，PID控制器以其简单而有效的特点占据主要的位置。在实际应用，如何得到更优的PID控制器参数一直是一个比较复杂的问题，因为很多情况都涉及到对工业背景的了解。PID控制器参数整定方法的不断发展，要求我们能够充分并尽可能少地利用系统的己知信息，得到控制效果更佳的PID控制器参数整定值和控制器本身的鲁棒性。 本文就5150系统中常用的PID控制器参数整定方法做了一定的阐述和研究，并针对5150系统，提出了两种实用的PID控制器参数整定方法。对文中所提出的这两种方法，分别用MATLAB/SIMULNIK工具箱和实验室现有的DCS水位控制系统做了仿真与实验，证明了方法的实用性和有效性。 本文所做的主要工作概括如下: (1)概述了PID控制器的结构、原理以及常用的几种PID控制器算法;进一步介绍了数字式PID控制器算法。 (2)简述了各种常用的经典PID控制算法，并利用MATLAB/SIMULNIK做了 一定的仿真研究，比较了各种PID控制算法的性能特点。 (3)针对5150系统，提出了两种实用的PID控制器参数整定算法，即基于任意相角裕度的PID控制器参数整定方法和基于曲线拟合的PID控制器参数整定方法。其中，第一种方法的优点除了使用中的实用性，更多地体现在设计PID控制系统时的自由度思想;第二种方法做的主要工作是数据处理上的一些改进。最后，仿真和实验证明了这两种方法的有效性。从现有的PID控制器参数整定方法来看，笔者认为以下三个方面将来可能成为PID控制器参数整定方法研究的突破点。 (1)新的建模手段以及新的模型标准对PID控制器参数整定方法的促进作用。新的模型辨识技术会推动人们对PID控制器参数整定的概念的更深刻的理解，使得能利用更少的系统信息得到更有效的PID控制器参数及其优化值。 (2)先进控制理论对PID控制器参数整定研究的促进作用。例如神经网络权值的在线学习有望摆脱PID控制器参数整定对模型的依赖。 (3)在对传统PID控制技术继承和发扬的基础上产生的新的PID控制技术，例如本文第二章所述的二自由度PID控制器和非线性PID控制器，都会使人们从新的角度看待PID控制器参数整定，从而衍生出更有效的参数整定算法。无论如何，PID控制器参数整定算法仍然是。个值得研究和思考的问题，限于能力和时间，以上的看法只是笔者在学习和研究过程中体会到的一家之言，未免存在不足甚至不合理的地方，欢迎大家提出来共同讨论、学习。 本文在分析了低频振荡原理和传统电力系统稳定器原理的基础上，建立了用 - 20 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 于研究低频振荡的电力系统模型，针对传统电力系统稳定器动态品质和自适应性较差的缺点。采用一种新的控制理论——神经网络控制，进行电力系统稳定器的设计。总结本文工作，我有以下收获: 目前关于PID控制器参数整定的基本方法有离散模型的控制器参数整定、基于Nyquist曲线的控制器参数整定和基于传递函数模型的控制器参数整定。把常规PID控制和模糊控制理论相结合，可以发挥一者的特点和优势，以期实现更好的控制效果。 在SIMULINK下设计不同结构的模糊PID控制器,在利用FIS编辑模糊控制器的过程中，可以设置不同的论域和语言值，不同形式的隶属度函数及选取根据实际经验和分析而得出的不同情况下的模糊规则表。如何选择变量的合适的隶属度函数、论域和语言值、模糊规则表及控制器的结构，来实现对系统在超调量、上升时间、过渡时间及稳定性等方面的最优控制，是要做的工作。 在设计模糊控制器时可以使用示波器观察系统的各个参数的变化，了解系统的结构。然后整定系统参数 如图5-1所示: Gain5Scope6Scope10 Scope77.5GainScope1Gain3 511Scope9EKP2dKAddProduct2Gain6 1signal1s Gain1IntegratorsignalGain22KIFuzzy Logic 2251dIController ECProduct1Scope Gain4Scope8dD53 Gain7KDProduct314 Scope2Scope5 Scope3Scope4 如图5-1 观察系统的参数变化 - 21 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 参考文献 [1] 陶永华等，新型PID控制及应用[M],北京:机械工业出版社，1998 [2] 许力，智能控制与智能系统[M]，北京机械工业出版社，2006 [3] 詹运洲,城市客运交通政策研究及交通结构优化,北京人民交通出版社 [4] 陆化普,城市交通现代化管理,北京人民交通出版 [5] 郑祖武，李康,，徐吉谦等,现代城市交通,北京人民交通出版社 [6] 张化光，何希勤，等(模糊自适应控制理论及其应用[M](北京:北京航空航天大学出 版社，2002 [7] 冯冬青, 谢宋和. 模糊智能控制[M ]. 北京: 化学工业出版社, 1998. [8] 方一鸣. 基于MATLAB 的模糊控制系统仿真[J]. 自动化与仪器仪表, 2000, [9] 瞿刚，一种智能鲁捧控制算法，房凉与弃制，1989 [10] 张卫东，PID控制器自整定技术的发展，2002年世界启梦制大尝尹澎君茄昔，2002 [11] 王新，PID调节器的参数整定和正确使用，又究甘必工户动必，1992 [12] 张化光，何希勤，等(模糊自适应控制理论及其应用[M](北京:北京航空航天大学出 版社，2002 [13] 李钟慎，MATLAB环境下设计PID控制器(1)，福窟愈、2001 [14] 范咏峰，李平，浅析PID参数整定，2002 [15] 蔡友学，秦钟，数字PID控制及其参数整定，2003 [16] 郭光明，王秀华，数字PID的设计与调试，，2001，vol.7，No4:69一7- [17] Hsu YY. Tuning of Power System Stabilizer Using an Artificial Neural Network. IEEE Trans. on Energy Conversion[J]. Vol.6,No.4.Dec.1991,612-619 [18] Hiroyuki Mori, Yoshihito Tamaru. An Artificial Neural-Net Based Technique for Power System Dynamic Stability with the Kohonen Model, Trans. on Power System[J].Vol.7 No.2, May 1992 [19] Chang, Liew. AHybrid Model for Transient Stability Evaluation of Interconnected Longitudinal Power Systems Using Neural Network/Pattern Recognition Approach. IEEE Trans. on Power Systems[J].Vol.9, No.1, May 1994 [20] Sun Zengqi. Intelligent Control Theory andTechnology [M]. Beijing: Tsinghua University Press,2000, 11 [21] Tao Yonghua a new type of PID control and its application 1 Beijing: Mechanical Industry Press,1998, 1 [22] ROCKETS auxiliary fuzzy system design and other MATLAB1Xi\u0026#39;an:Xidian University Press,2002 - 22 - 山东轻工业学院2012届本科生毕业设计(论文) 致 谢 本论文的研究工作是在***老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、开题、任务书的下达及研究方法到论文撰写的整个过程，刘老师都亲临指导，提出意见并指正，他为此付出了大量的心血和精力，给予了我细致的关怀和莫大的鼓舞。在一个多月的毕业设计中，刘老师渊博的学识、严谨的治学态度以及认真负责的工作作风一直激励着我奋发向前，并将使我终身受益。在此谨向刘老师致以深深的敬意和衷心的感谢。同时，也感谢教研室的全体老师和同学们的热心帮助，特别是田成志同学的大力协作，在此一并表示衷心的感谢。 最后，要感谢父母及家人，在他们默默的支持和关心下，才使我得以最终顺利地完成学业。 - 23 -