【正文】 .......................................................26 程序的調(diào)試 ........................................................26第五章 總結(jié)與展望 ................................................................28第六章 參考文獻(xiàn) ..................................................................29第一章 緒論 串級 PID 控制的研究現(xiàn)狀及意義目前，控制及其控制器或智能控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn) PID 控制的 PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn) PID 控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與 ControlNet 相連，如 Rockwell 的 PLC5 等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet 相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)過程對自動(dòng)控制要求日益提高，單回路 PID 控制雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好等特點(diǎn)；但系統(tǒng)往往已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，尤其是在復(fù)雜的過程控制工業(yè)中顯得無能為力。而在常規(guī)串級控制系統(tǒng)中，由于串級 PID 控制系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量，對改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，因而在生產(chǎn)過程控制中，應(yīng)用變得越來越廣泛。 串級 PID 控制的主要作用串級 PID 控制在回路系統(tǒng)上增加了一個(gè)副回路，故使性能得到改善；首先，副被控變量檢測到擾動(dòng)的影響，并通過副回路的定值作用及時(shí)調(diào)節(jié)操縱變量，使副回路被控變量回復(fù)到副設(shè)定值，從而使擾動(dòng)對主被控變量的影響減少。即副環(huán)回路對擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，主環(huán)回路對擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。因此，串級控制系統(tǒng)能夠迅速克服進(jìn)入副環(huán)擾動(dòng)的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小，從而是液位快速的回到系統(tǒng)所給定要求的液位狀態(tài)。 用 MATLAB 進(jìn)行 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)MATLAB 具有強(qiáng)大、豐富的內(nèi)置函數(shù)，以及高度靈活的可編程性，特別適合數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果的圖形化顯示，所以用 MATLAB 進(jìn)行 PID 控制能夠數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果的圖形化顯示，能夠及實(shí)時(shí)掌握控制的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。從而方便觀察。故本課題選用MATLAB 進(jìn)行 PID 控制。第二章 硬件的設(shè)計(jì)本課題要求設(shè)計(jì)一個(gè) MATLAB 算法軟件編制的串級 PID 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)框圖如圖 所示；液位傳感器將檢測到的上下水箱液位信號通過單片機(jī)通訊接口傳送到計(jì)算機(jī)，使其與 PID 系統(tǒng)設(shè)定值比較，上位計(jì)算機(jī)調(diào)用 MATLAB 的 PID 算法程序，對偏差實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過與單片機(jī)的通訊接口，輸出去控制水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整上下水箱的進(jìn)水量，達(dá)到控制液位的目的，最終實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。上位機(jī)泵 / 電機(jī)上水箱下水箱液位 、 壓力 、流量檢測R S 2 3 2 V V V F圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方案當(dāng)采用單級 PID 控制時(shí)，由于系統(tǒng)遲延較大，在下水箱出現(xiàn)正偏差、降負(fù)荷的初級階段，上水箱中的水位值已經(jīng)開始下降，但下水箱中的水位繼續(xù)上升，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差；基于上述現(xiàn)象的存在，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)一種近似等幅振蕩狀態(tài)。因而系統(tǒng)不宜采用單級 PID 控制。經(jīng)分析，采用串級控制系統(tǒng)可以改善對象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率；對負(fù)荷的變化具有一定的自適應(yīng)力；適用于非線性對象。故采用串級控制方案，其控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。P I D 1下水槽磁力水泵P I D 2單片機(jī)單片機(jī) A 液位傳感器 2單片機(jī) A 液位傳感器 1上水槽圖 串級 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器特點(diǎn)及其選擇在工業(yè)控制領(lǐng)域中，常用的控制算法有多種，如比例積分微分控制（proportionintegralderivative,簡稱 PID，下同） 、串級 PID 控制、模糊控制FPID (FUZZY ，模糊控制) 控制。其中應(yīng)用最為廣泛的是 PID 控制器，也稱 PID 調(diào)節(jié)器。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一；至今仍有 90%左右的控制回路具有PID 結(jié)構(gòu)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID控制包括 PI 和 PD 控制，它的實(shí)質(zhì)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。 PID 控制器 比例積分積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)被控對象給定 e ( t )r ( t )u ( t )+++y ( t )圖 PID 控制系統(tǒng)原理框圖比例（P）控制純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快。由于比例調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，所以整定很方便。但這種調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有余差，且與比例度近似成正比。其傳遞函數(shù)為: （2()1CSPGK??1） 式中 Kp 為比例系數(shù)， 為比例帶。積分（PI）控制積分調(diào)節(jié)器由于加入了積分環(huán)節(jié)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 選擇的合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 ，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為: （22）式中 T1為積分時(shí)間。微分（PD）控制此調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。PD 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為: （23）式中 TD為微分時(shí)間。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器PID 是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。它由比例（P） 、積分（I） 、微分（D）三個(gè)環(huán)節(jié)組成，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成的偏差信號 e(t)，并將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控制對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： （201()()[()()]tp detutKetetTTi????4）式中，e(t)——控制器輸入信號，一般為輸入信號與反饋信號之差；u(t)——控制器輸出信號，一般為給予受控對象的控制信號；Kp——控制器放大系數(shù)；Ti——控制器積分時(shí)間常數(shù)；Td——控制器微分時(shí)間常數(shù)；簡單來說，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的主要控制作用如下：1）比例部分 比例作用的引入是為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。比例部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式：K pe(t).從比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，比例系數(shù) Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。K p越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此 Kp值不能取過大；如果 Kp取值較小則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，是系統(tǒng)、動(dòng)靜特性邊壞。故而比例系 Kp，選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間少、靜差小而又穩(wěn)定。2）積分部分 積分作用的引入主要是為了保證被控制量在穩(wěn)定時(shí)對設(shè)定值的靜差跟蹤。積分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為： 01()tedTi?從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。只有存在偏差 e(t)時(shí)，它的積分才會為一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會增大的常數(shù)?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏。積分時(shí)間常數(shù) Ti對積分部分的作用影響極大。當(dāng) Ti較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時(shí)間較長；當(dāng) Ti較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過渡過程中有可能會產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需要的時(shí)間較短。3）微分部分微分作用的引入主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度。微分作用使控制作用于被控制量，從而與偏差未來變化趨勢形成近似的比例關(guān)系。微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式： ()detT從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù) Td決定。T d越大，則它抑制 e(t)變化的作用越強(qiáng)；T d越小，則它反抗 e(t)變化的作用越弱。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。在以微分處理器為核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行差分方程表示： （20(){()()[()(1)]}kDpjTTukKekeeki??????5）其中，k采樣序號，k=0,1,2,…….；u(k) 第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k) 第 k 次采樣時(shí)刻的輸入的偏差值；e(k1) 第 (k1) 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI積分系數(shù) K I= ；pTiKD積分系數(shù) K D = 。pd為了避免在求取控制量時(shí)對偏差求和運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用增量式，如式（） 。 （21D()()()K[()(1)]pukekekek???AAA6）PID 突出特點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果