【正文】 caculate()。 程序說明 完整程序見附錄， PID 算法程序?yàn)楦戒?1，仿真繪圖程序見附錄 2。這樣就可以避免積分飽和現(xiàn)象。實(shí)用經(jīng)典的神經(jīng)元智能控制器算法如圖 14： 圖 16中 1( ) ( )x k e k? ，表示系統(tǒng)誤差 2 ( ) ( ) ( 1)x k e k e k? ? ? ，表示一階差分 3 ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )x k e k e k e k? ? ? ? ? ，表示誤差積累 本文主要內(nèi)容 首先，本文介紹了 PID的改進(jìn)方法目前的研究現(xiàn)狀，介 紹了各種常用方法的圖 14 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 模型，結(jié)構(gòu)，并著重闡述了積分分離算法，抗飽和積分算法，微分項(xiàng)的改進(jìn)算法，帶死區(qū)的數(shù)字 PID 算法，這四種方法的結(jié)構(gòu)和具體算法過程。如果用一句通俗簡(jiǎn)單的話來總結(jié)積分分離算法和抗積分飽和算法的特點(diǎn)，就是“大偏差時(shí)不積分（積分分離算法），輸出超限時(shí)也不積分（抗飽和）”?？刂葡到y(tǒng)在運(yùn)行過程中，控制量輸出是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程（不Y b a c t β β PID PD PD 圖 12 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 是與當(dāng)前的控制量一一對(duì)應(yīng)的），有時(shí)會(huì)不可避 免地使控制輸出達(dá)到系統(tǒng)的限幅值。輸入的指令信號(hào)為階躍信號(hào)，誤差的初始化是通過時(shí)鐘功能實(shí)現(xiàn)的，從而在 M 函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了誤差的積分和微分。 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。 由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。本文羅列了常見的四種 PID 改進(jìn)方法，包括積分分離算法，抗積分飽和算法，微分項(xiàng)的改進(jìn)算法和帶死區(qū)的數(shù)字 PID 算法 ，這些控制算法的優(yōu)點(diǎn)是可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)變得穩(wěn)定，提高了控制系統(tǒng)的品質(zhì)，能在控制過程中設(shè)置輸出值的上下限，能在設(shè)定值變化時(shí)使控制作用的變化較為平緩，在使用帶死區(qū) PID 控制算法后，在一定程度上可以抑制由于執(zhí)行機(jī) 構(gòu)存在回差而可能產(chǎn)生的控制量來回振蕩現(xiàn)象。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。 隨著 PID控制器的日趨完善 ,上文中提到的在 PID 控制器中引用了許多 PID改進(jìn)算法，來彌補(bǔ) PID不能適應(yīng)較為復(fù)雜的控制環(huán)境。此時(shí)如果系統(tǒng)中加入了積分環(huán)節(jié)，則系統(tǒng)在積分環(huán)節(jié)的作用下逐漸減小靜態(tài)誤差，這樣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)，這樣的控制器也是不能滿足工業(yè)控制的需要的。當(dāng)偏差反向時(shí)，系統(tǒng)需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能使積分作用返回有效的正常值。 不完全微分算法 在 PID 控制中，微分信號(hào)的引入可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但也易引起高頻干擾，在誤差擾動(dòng)突變時(shí) 尤其顯出微分項(xiàng)的不是。 本論文的章節(jié)安排 第一章 緒論 簡(jiǎn)單論述了選題的意義和重要性以及 PID 改進(jìn)算法的研究現(xiàn)狀，并闡述了論文的理論依據(jù)，說明了本論文所采用算法的可行性和必要性。不完全微分 PID控制算法就是采用一個(gè)帶慣性的微分環(huán)節(jié)來克服常規(guī) PID控制的這一缺點(diǎn)。 int i。 C3 =(0Kp*T*(1+2*Td/T)/(T+Tf))。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 ，先在頭文件中定義一個(gè)類， PID 類，然后 申明 PIDjffl 為該類中的一個(gè)成員函數(shù)。在執(zhí)行完 PID計(jì)算程序后， Y[i]數(shù)組中存放的輸出值使用如下語句，寫入 文件。ps) 。 圖 310 帶死區(qū) 抗積分飽和算法 PID 階躍響應(yīng) 圖 311 不帶死區(qū)有小擾動(dòng)抗積分飽和算 法 PID 階躍響應(yīng) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 積分分離算法，超調(diào)量明顯減少。 int i。i100。 if(y[i]2*sensor()) y[i]=*sensor()。 printf( 加入控制對(duì)象經(jīng)過 PID 反 饋 調(diào) 節(jié) 后 的 輸出 %f\n,y[i])。:{ cout輸入需要設(shè)定的死區(qū)范圍值 (取絕對(duì)值 ):endl。 f=fopen(,w)。 /*積分時(shí)間 */ Td =。 } ///////////////////////////// 積 分 分 離 算 法 改 進(jìn) 計(jì) 算 過 程//////////////////////////// float PID::PIDjffl(float New, float Sp,float u,float du,float Beta) { static float e[3]={,}。 if(e[0]0amp。 } ///////////////////////// 帶 死 區(qū) 的 數(shù) 字 PID 算法/////////////////////////////// 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 float PID::PIDdsqsz(float New, float Sp,float u,float du,float d) { static float e[3]={,},p=,b=。 e[0]=SpNew。 //數(shù)據(jù)更新 // e[1]=e[0]。 e[0]=SpNew。 } Pid : // : PID 計(jì)算過程 . include 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 PID::PID() { initial()。 /////////////////////////////// 退出///////////////////////////////////// case39。 } break。 for(i=0。 for(i=0。139。 總之，本次論文雖然取得了一定成果，但在很多方面還只是探討性工作，在深度和廣度上還存在許多不足之處 ，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 被控對(duì)象 被控對(duì)象為一延遲對(duì)象，采樣時(shí)間為 20s，延遲時(shí)間為 4 個(gè)采樣時(shí)間，即為80s。i++) { fscanf(f,%f ,amp。 如果滿足偏差 e[0]小于等于輸入的設(shè)定 值，則繼續(xù) PID計(jì)算： 1 2 3 4( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k C u k C e k C e k C e k? ? ? ? ? ? ? ? ?； ( ) ( 1) ( )u k u k u k? ? ? ?； 如果當(dāng)偏差 e[0]大于輸入的設(shè)定值 Beta，則停止積分作用，采取 PD計(jì)算： 22C 代替 2C 1 2 2 3 4( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k C u k C e k C e k C e k? ? ? ? ? ? ? ? ?； ( ) ( 1) ( )u k u k u k? ? ? ?； 然后將 ()uk 返回至 中的數(shù)組 y[i]，并儲(chǔ)存。 return u。 /*微分時(shí)間 */ Tf =。所謂 C更具 優(yōu)勢(shì)對(duì)絕大多數(shù)程序員都是不成立的，因?yàn)槟阌梅?OOP 思想設(shè)計(jì)出的C程序，本身由于混亂維護(hù)造成的損失會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于封裝帶來的損失 現(xiàn)在已經(jīng)不是講那么細(xì)節(jié)的效率的時(shí)代了，對(duì)于幾個(gè)指令調(diào)用上的損失，往往會(huì)被人家忽略，人們更多的會(huì)關(guān)注項(xiàng)目的可重用性，可維護(hù)性和可讀性，這些C都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如 C++，所以選擇 C++和 VC++來編寫常見 PID 改進(jìn)的編程研究和仿真實(shí)現(xiàn)。 若 max()u k U? ，只累加負(fù)的誤差；若 min()u k U? ，只累加正的誤差。 單神經(jīng)元控制器繼承了常規(guī) PID 控 制器的簡(jiǎn)單、實(shí)用、易于在 DCS 系統(tǒng)中通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)整參數(shù)少，易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，控制品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID控制器。積分分離算法進(jìn)行分離的依據(jù)是PID 控制器 的輸入偏差 e ，而抗積分飽和算法的抗積分飽和依據(jù)是抗積分飽和算法系統(tǒng)最終的控制輸出 u。 抗積分飽和算法 雖然 PID控制系統(tǒng)是作為線性系統(tǒng)來分析處理的，但是某些情況下往往存在不可避免的非線性因素，如所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門以及 D/A轉(zhuǎn)換輸出都有限幅，具有上、下限的限制。為了驗(yàn)證算法存在的普遍缺陷 ，采用 Simulink 模塊與 M 函數(shù)相結(jié)合的形式，利用 ODE45的方法求解連續(xù)對(duì)象方程，主程序由 Simulink 模塊實(shí)現(xiàn)， PID 控制器由 M 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。這樣的 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 PID 控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器 已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的數(shù)華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 字 PID 常規(guī)控制，而引用了很多改進(jìn)算法 。 PID（比例 積分 微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 50多年歷史， 足以說明它的普遍性，所以 PID 控制器 現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。在了解 PID 改進(jìn)算法規(guī)律數(shù)字化的基礎(chǔ)上 使用面向?qū)ο蟮?C++語言在 VC++真界面，具有一定的人機(jī)交互界面。 首先， PID 應(yīng)用范圍廣。如積分分離算法、抗積分飽和算法、微分項(xiàng)的改進(jìn)算法、不完全微分算法、微分先行算法、帶死區(qū)的 PID控制、單神經(jīng)元自適應(yīng) PID控制、融合型智能 PID 控制器等。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外常用的 PID改進(jìn)方法有許多，本文著重編程仿真最常用，改動(dòng)簡(jiǎn)單，適應(yīng)范圍廣泛的四種改進(jìn)方法進(jìn)行說明。這一現(xiàn)象稱為積分飽和，積分飽和現(xiàn)象會(huì)使控制系統(tǒng)的品質(zhì)變差。若在控制算法中加人低通濾波器，則可使系統(tǒng)性能得到改善。最 后介紹了本文所作的主要工作和文章的結(jié)構(gòu)安排。它的控制結(jié)構(gòu)如圖 23所示。 char c。 圖 32PID 算法程序運(yùn)行界面 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 C4 =(Kp*Td/(T+Tf))。如下： float PID::PIDjffl(float New, float Sp,float u,float du,float Beta) { static float e[3]={,}。 FILE *f。 for (i = 0 。 抗積分飽和算法，可以避免控制量長(zhǎng)時(shí)間停留在包河區(qū)，防止系統(tǒng)超調(diào)。 char c。i++) { 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 a[i]=(,rin,x,z)。 printf( 加入控制對(duì)象經(jīng)過 PID 反 饋 調(diào) 節(jié) 后 的 輸出 %f\n,y[i])。 } break。 cindeath。 for(i=0。 /*微分時(shí)間 */ Tf =。 // Beta 為具體施工過程中的設(shè)定值 ,此處假設(shè)為 50 e[2]=e[1]。amp。 //b 為死區(qū)區(qū)間 ,設(shè)為 e[2]=e[1]。 /*數(shù)據(jù)更新 */ e[1]=e[0]。 e[2]=e[1]。 /*數(shù)據(jù)更新 */ e[1]=e[0]。pi)。}。 printf( 加入控制對(duì)象經(jīng)過 PID 反 饋 調(diào) 節(jié) 后 的 輸出 %f\n,y[i])。 rin=sensor()。 rin=sensor()。 switch(c) { ////////////////////// 常規(guī) PID 計(jì) 算 方 法//////////////////////////////////// case39。 ，需要學(xué)習(xí) MFC 或者 windows 下的 API 來進(jìn)行完善。 仿真結(jié)果比較及人機(jī)界面 PID算法輸出結(jié)果如圖 33： 34， 35， 36： 仿真結(jié)果現(xiàn)實(shí)，積分分離算法能有效減小系統(tǒng)的超調(diào)量，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，提高了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。iNUM。由人為輸入設(shè)定值 Beta，并賦給子程序，初始化數(shù)組 e[3]均為 0，然后在數(shù)組 e[3]中更新數(shù)據(jù)， e[0]等于輸入減去反饋回來的輸出。 /*PID 運(yùn) 算 */ u=u+du。 /*積分時(shí)間 */ Td =。 其次：從運(yùn)行角度上講，由于封裝引入的效率損失不一定比 C直接做差多少?？狗e分飽和算法 。 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行處理、高度的容錯(cuò)性和魯棒性、自組織學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)處理等特點(diǎn)，可構(gòu)造有效地用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)的只能控制器。 從形式上看，盡管積分分離算法和抗積分飽和算法都是通過停止積分作用實(shí)現(xiàn)的，但他們判斷停止積分的條件完全不同。 與普通 PID 算法相比，積分分離算法的優(yōu)點(diǎn)是可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，提高了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。 采用了 MATLAB/Simulink 對(duì)常用的 PID 控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真 [2]。目前， PID控制及其控制器或智能 PID 控制器已經(jīng)很多， 已不再是簡(jiǎn)單的機(jī)械控制，而已經(jīng)發(fā) 展到通過網(wǎng)絡(luò)或自身智能來控制被控對(duì)象。 這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，