智能pid算法在液位控制系統(tǒng)中的應用畢業(yè)論文-文庫吧
2025-04-23 09:29 本頁面
【正文】 和微分規(guī)則控制的調(diào)節(jié)器。這樣的控制就是 PID 控制， PID 控制器從開始上市到現(xiàn)在也已經(jīng)有了將近 70多年的歷史，它的優(yōu)點主要有結(jié)構(gòu)比較簡易，穩(wěn)定性能好且調(diào)整起來簡單，它成為了現(xiàn)代工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID控制原理 PID控制是基于反饋的原理，反饋原理包括三個主要的部 分： 1:測量，測量最重要的就是對變量的觀察，將變量與預定的目標相比較，根據(jù)它們之間的誤差值來修正系統(tǒng)的響應。 2：比較，就是比較變量現(xiàn)在的狀態(tài)與預定的目標狀態(tài)之間的差距，通過比較才能更好的控制系統(tǒng)。 3：執(zhí)行，根據(jù)最后的響應反饋到開始的變量值，是大是小，從而可以對 PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)，達到更好的系統(tǒng)響應效果。 PID 控制在生產(chǎn)中得到了很好的運用，即使是后來發(fā)展起來的智能 PID 控制也是在常規(guī)PID 控制基礎(chǔ)上的，研究好 PID 控制具有重要的意義 [3]。 PID 控制具體起來可以拆分為 P 控制， I控制和 D控制，下面就簡單 的分析下這三種控制： 1： P 控制： P 控制即為比例控制，它按照比例反應的偏差，當系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時，比例控制就產(chǎn)生作用，通過比例增大，可以減小系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，但比例增大的過大就會導致系統(tǒng)上下震蕩，出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況。 2： I 控制： I 控制即為積分控制，在一個自控系統(tǒng)中，如果當系統(tǒng)響應進入到穩(wěn)定狀態(tài) 4 時，系統(tǒng)還存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么就可以用積分項來減小穩(wěn)態(tài)誤差， 積分作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無誤差的程度，其整體效果依賴于積分時間常數(shù)的大小，積分時間常數(shù)小強度大，反之則小 。 3： D控制： D控制即為微分控制，微分的功能是影響系統(tǒng)偏 差信號的變化率，簡而言之，就是當系統(tǒng)還沒有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差時，系統(tǒng)的誤差就被微分功能消除了， 這是可預見的效果，能顯著提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。同時，在適當?shù)臈l件下使用不同的功能，它還可以降低系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。 這三種控制都是不能單獨控制的，單獨控制對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是起不了良好的作用的，只有當其中兩者聯(lián)合起來，才能達到預期的優(yōu)化系統(tǒng)的效果。 常規(guī) PID控制結(jié)構(gòu)圖 常規(guī) PID控制主要控制的是由控制器，執(zhí)行器件，被控對象以及反饋檢測元件組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 1閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 在上面的結(jié)構(gòu)圖中，其中控制器是此閉環(huán)系統(tǒng)的中樞，它決定著系統(tǒng)的優(yōu)劣性，它的控制算法也決定了閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制特點與控制性能，在傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)中一般選用常規(guī) PID來調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 常規(guī) PID控制算法 傳統(tǒng) PID 控制算法是一種線性控制算法， 它根據(jù)給定值 )(tr 與實際輸出值 )(tc 的差形成控制偏差 ，控制偏差用 )(te 表示如下： )()()( tctrte ?? （ 21） 將偏差 )(te 的比例 )(P 積分 )(I 和微分 )(D 經(jīng)過 線性組合 的方式形 成 系統(tǒng)的控制變量 ，對被控制 目標 進行控制 ?？刂菩盘?u(t)由 e(t)和其對時間的積分和微分產(chǎn)生： 控制器 執(zhí)行部件 被控對象 檢測元件 r(t) e(t) u(t) y(t) 5 ))()()(())()(()(0 dttdedttektekdttdeTdttektutipDp?????? （ 22） 且常規(guī) PID控制最理想的控制效果是 0)( ?te ，所以將上述兩式合起來寫成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 ： skskksTsTksE sUsG dipDIp ??????? 1)11()( )()( （ 23） 其中的 kp， ki和 kd就是 PID控制最重要的三個參數(shù) 。 其控制算法的方法示意圖如下圖 2： _ 圖 2 常規(guī) PID 控制算法 在圖中，傳統(tǒng) PID算法中， Kp,Ki和 Kd 三個參 數(shù)起著關(guān)鍵的控制作用，操作人員可以根據(jù)實際被控對象的線性特征對這三個參數(shù)加以控制，從而使實際的系統(tǒng)達到性能的最優(yōu)化。 PID控制廣泛使用在控制系統(tǒng)中，其突出的優(yōu)點是： 1，它的控制原理簡單，易于實現(xiàn)。 2：它的控制適用范圍廣泛，可以運用于各種領(lǐng)域的生產(chǎn)部門。 3：它具有魯棒性能強，穩(wěn)態(tài)無靜差等優(yōu)良特性。然而僅僅靠這三個參數(shù)的調(diào)整難以滿足現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中的系統(tǒng)的需求 [4]，比如液位控制系統(tǒng)中，如果單單使用常規(guī) PID控制 ,就難以控制其系統(tǒng)的大滯后性，且液位系統(tǒng)往往是非線性的，常規(guī) PID控制只可以控制線性的液位系統(tǒng)， 不能控制非線性系統(tǒng)。 1/s 被控對象 du/dt kp ki kd rin + + + yout + 6 3 智能 PID 控制及其現(xiàn)狀與發(fā)展 智能 PID控制 圖 3 智能 PID 控制原理圖 圖 3是一個智能 PID控制的原理圖，在進行了智能算法之后，系統(tǒng)獲得了它的系統(tǒng)誤差，誤差 的變化，系統(tǒng)的控制對象和輸出量之后， 為了使系統(tǒng)調(diào)整到最佳狀態(tài) ，再對 PID 控制參數(shù)進行及時的調(diào)整。目前，模糊 PID 智能控制，專家型 PID 控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的 PID 智能控制都屬于智能 PID控制范疇 [5]。 PID的現(xiàn)狀 目前，這大多數(shù)工業(yè)控制中多采用 PID 控制， PID 中的一個關(guān)鍵的問題就是要解決參數(shù)的整定，從 DESBOROUGH 和 MILLER 在一次調(diào)查報告中發(fā)現(xiàn)，有 11600 個具體 PID 控制功能的調(diào)節(jié)器應用于實際的工業(yè)生產(chǎn)中，其大部分的反饋回路采用了常規(guī) PID 控制算法，然而，只有 30%的調(diào)節(jié)器在工業(yè)生 產(chǎn)中得到了較好的應用，且性能達到了用戶的滿意，還有絕大多數(shù)卻沒能滿足工業(yè)中的實際需求，所以，這給研究控制理論帶來了極大地挑戰(zhàn)，人們于此就想基于傳統(tǒng) PID 控制重新開發(fā)出一種新的算法能夠應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中，并能夠發(fā)揮實際的作用，從而智能 PID 控制的理論就被漸漸的提了出來。 智能 PID的發(fā)展 智能 PID 控制是近年來的一個新的理論和技術(shù)，用于解決復雜的實際系統(tǒng)難以控制的弱點， 它 是基于 PID 控制 ，將控制系統(tǒng)的性能反映給 PID 參數(shù)的智能的機構(gòu)，它能夠使系統(tǒng)在運行過程中自動的對系統(tǒng)的 PID 參數(shù)進行修改， 從來滿足系統(tǒng)的現(xiàn)實要求，而不需要人為的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)，使系統(tǒng)具有了良好的抗干擾能力，又因為它擁有常規(guī) PID 控制的布局單一，魯棒機能強，較高的可靠性等優(yōu)點，因為這兩大方面，使智能 PID 控制成為現(xiàn)實工業(yè)控制系 7 統(tǒng)中一種更好的控制方法 [6]。 近年來，智能 PID 復合控制的發(fā)展，成為人們研究的熱點，其中的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的智能模糊控制系統(tǒng)成為發(fā)展的趨勢 。另外，利用
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