【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，其誤差為177?！?，%。 在200~0℃之間，其誤差為177。℃，%。 PID控制PID控制有模擬和數(shù)字兩種類型，數(shù)字PID控制是在模擬PID控制發(fā)展而來(lái)的，它適合于在單機(jī)片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。PID控制算法是按誤差的比例，積分、微分進(jìn)行控制的，其參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)在線整定，由于軟件設(shè)計(jì)的靈活性，一般可以得到較好的控制效果。 PID控制發(fā)展的現(xiàn)狀在工業(yè)過程控制中，PID控制是歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的一種控制方式。它是迄今為止最通用的控制方法。它提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分作用可以預(yù)測(cè)未來(lái)。PID控制能解決許多控制問題，尤其是在動(dòng)態(tài)過程是良性或者是性能要求不太高的情況下。PID控制不僅是分布式控制系統(tǒng)的重要組成部分，而且還嵌入在許多有特殊要求的控制系統(tǒng)中。在過程控制中，90%以上的控制回路采用PID類型的控制，因此，大多數(shù)反饋回路采用該方法或其較小的變形來(lái)控制。我們今天所熟知的PID控制產(chǎn)生并發(fā)展于1915～1940年期間。盡管1940年以來(lái)，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但 PID控制方法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中。據(jù)日本電氣計(jì)量器工業(yè)會(huì)先進(jìn)控制動(dòng)向調(diào)查委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，在日本有91%的控制回路采用的是PID控制。在美國(guó)，據(jù)控制工程雜志估計(jì)，有90%以上的工業(yè)控制采用的是PID控制。而在我國(guó)，現(xiàn)在PID控制方法的應(yīng)用就更加普遍。雖然隨著控制理論的發(fā)展和控制手段的更新，許多基于現(xiàn)代控制理論的新型控制方法不斷出現(xiàn)，但PID控制仍是最重要的控制方法。據(jù)估計(jì)：在我國(guó)過程控制工業(yè)中需要約50萬(wàn)個(gè)智能的PID控制器。PID控制的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正經(jīng)歷由模擬控制向著數(shù)字化、智能化控制的方向發(fā)展階段，這些數(shù)字化、智能化的控制有著傳統(tǒng)的模擬控制無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：可以靈活的改變控制參數(shù)；可以靈活的改變控制策略等【6】。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)象的復(fù)雜程度不斷加深，尤其對(duì)于大滯后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時(shí)或隨機(jī)干擾；有的無(wú)法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙，加之，人們對(duì)控制品質(zhì)的要求日益提高，基本PID控制方法的缺陷逐漸暴露出來(lái)。對(duì)于時(shí)變對(duì)象和非線性系統(tǒng)，基本的PID控制更是顯得無(wú)能為力。因此，基本PID控制的應(yīng)用受到很大限制和挑戰(zhàn)。人們?cè)趯?duì)PID控制方法應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)其控制算法進(jìn)行了各種改進(jìn)，例如：不完全微分PID算式、積分分離PID算式、變速積分PID算式和帶死區(qū)PID算式等。 PID的控制原理PID控制是20世紀(jì)30年代提出并實(shí)現(xiàn)的控制機(jī)理。其控制規(guī)律是： (33)u(t)是控制器的輸出；e(t)是控制器的輸入，是偏差值，即給定值r(t)與被控參數(shù)實(shí)際輸出y(t)的差值：e(t)=r(t)y(t)，Kp是比例系數(shù)；Ti是積分時(shí)間常數(shù)；TD是微分時(shí)間常數(shù)。從式（33）可知，控制器的輸出由三個(gè)部分組成：第一部分是比例控制部分，輸出u1(t)=Kpe(t)與輸入偏差e(t)成正比；只要偏差e(t)一出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控參數(shù)朝著減小偏差的方向變化，具有控制及時(shí)的特點(diǎn)。控制作用的強(qiáng)弱取決于Kp的大小。如果只用比例控制，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)要使控制器仍維持一定控制量輸出，必然存在靜差；加大Kp可以使靜差減小，Kp過大會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，引起被控量振蕩導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 第二部分是積分控制部分，輸出為,只要偏差e(t)不為0，它將通過累積作用影響控制量，以求減小偏差。偏差為0，控制作用不再變化，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。積分作用加人可以消除系統(tǒng)靜差。積分時(shí)間Ti小，積分速度快，積分作用強(qiáng)。增大Ti將減慢消除靜差的過程(降低響應(yīng)速度)。從而可以減小超調(diào)、提高穩(wěn)定性。對(duì)溫度參量等滯后較大的對(duì)象，宜選Ti大一些。 第三部分是微分控制部分，輸出為 ，輸出與偏差信號(hào)e (t)的變化速度成正比，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，便馬上產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，“超前”控制作用，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間作用明顯。偏差變化越快，u3(t)越大，反饋校正量越大。微分控制將有助于減小超調(diào)、克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。采用PID控制器，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方面改善了控制器的品質(zhì)。某時(shí)刻改變r(jià)(t)或y(t)，作為控制器輸人信號(hào)的偏差值e(t)是階躍信號(hào)，作為控制器輸出信號(hào)的u(t)是對(duì)e(t)的響應(yīng)信號(hào)。在階躍信號(hào)作用下，首先是比例和微分作用，使控制器控制作用加強(qiáng)；然后再進(jìn)行積分，直到最后消除靜差為止。即這個(gè)過渡過程是快速并平穩(wěn)，然后準(zhǔn)確跟蹤。PID控制器成為一種應(yīng)用廣泛的控制器。 PID的控制算法控制算法是控制器的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)控制器的功能主要由控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制正在逐漸取代模擬PID控制。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在模擬控制系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為： （34）式中： ─調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)； ─調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差； ─調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ─調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； ─調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此必須對(duì)式（34）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示： （35） （36）將式（35）和式（36）代入式（34），則可得到離散的PID表達(dá)式： （37）式中： △t=T ─ 采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E(k) ─第k次采樣時(shí)的偏差值；E(k1) ─ 第k1次采樣時(shí)的偏差值；k ─ 采樣序號(hào)，k=0，1，2，…；P(k)─ 第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。由于式（37）的輸出值與閥門開度的位置一一對(duì)應(yīng)，因此通常把式（37）稱為位置式PID控制算式。根據(jù)遞推原理，可寫出（k1）次的PID輸出表達(dá)式： （38）用式（37）減去式（38），可得： （39）式中：─積分系數(shù)； ─微分系數(shù)；由式（39）可知，要計(jì)算第k次輸出值，只需知道，，即可，比用式（37）計(jì)算要簡(jiǎn)單得多。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器進(jìn)行控制的，所以，只要給一個(gè)增量信號(hào)即可。因此，把式（37）和（38）相減，得到： （310）式（310）表示第次輸出的增量，等于第k次與第k1次調(diào)節(jié)器的輸出和差值，即在第（）次的基礎(chǔ)上增加（或減少）的量，所以式（310）叫做增量式PID控制算式。增量式PID與位置式PID控制算法，本質(zhì)上是一樣的，僅在計(jì)算方法上有所變化。但增量式PID 控制算法具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）增量式PID控制算法僅與最近幾次采樣偏差有關(guān)，無(wú)需進(jìn)行累加，因而不易產(chǎn)生積累誤差，控制效果好。（2）增量式PID控制算法只給出控制增量，因而誤差動(dòng)作小。（3）增量式PID控制算法，由于利用了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的記憶作用，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)控制的無(wú)擾動(dòng)切換，切換時(shí)易于實(shí)現(xiàn)平滑過渡。 PID控制的參數(shù)整定數(shù)字控制系統(tǒng)就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)是一種采樣控制系統(tǒng)。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都有較大的時(shí)間常數(shù)，在大多數(shù)使用情況下，采樣周期與系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相比往往要小得多，所以數(shù)字控制系統(tǒng)中數(shù)字控制的參數(shù)整定可以利用模擬控制的參數(shù)整定方法來(lái)進(jìn)行整定。 按簡(jiǎn)易工程整定法整定參數(shù)在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬控制的參數(shù)整定方法較多，但簡(jiǎn)單易行的方法還是簡(jiǎn)易工程法。此法的優(yōu)點(diǎn)在于，整定參數(shù)時(shí)不必依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。1．?dāng)U充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是以模擬控制中使用的臨界比例度法為基礎(chǔ)的一種PID數(shù)字控制參數(shù)的整定方法。用它整定、和的步驟如下：（1）選擇一個(gè)足夠短的采樣周期，具體的說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的1/10以下。（2） 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。這時(shí)，數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐漸減小比例度，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度及系統(tǒng)的振蕩周期。（3）選擇控制度。所謂控制度就是以模擬控制為基準(zhǔn)，將DDC的控制效果與模擬控制的控制效果相比較。控制效果的評(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 （311）實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。例如，就是指DDC與模擬控制效果相當(dāng)；，是指DDC比模擬控制效果差。（4）根據(jù)選定的控制度，、和的值。 按擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTdPI TKPID TK TKPI TKPID TKPI TKPID TK TKPIPID TK2．?dāng)U充響應(yīng)曲線法在模擬控制系統(tǒng)中可以用響應(yīng)曲線法代替臨界比例度法，因此在DDC中也可以用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法代替擴(kuò)充臨界比例度法。用擴(kuò)充曲線法整定、和的步驟如下：（1）斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作；將被調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來(lái)；然后，突然改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。（2）用記錄儀記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過程曲線。（3） 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間τ、被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)TΤ，以及它們的比值TΤ/τ。（4） 根據(jù)所求得的TΤ、τ和它們的比值TΤ/τ，選擇一個(gè)控制度，查表即可求得控制器的、和采樣周期T?？刂贫瓤刂埔?guī)律TKpTiTdPIPIDPIPIDPIPIDPIPID以上兩種方法適用于被控對(duì)象是一階慣性純滯后環(huán)節(jié)。第四章 模糊控制 模糊控制的發(fā)展控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制又包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制和仿人智能控制等。在古典控制理論中，應(yīng)用最成功的是比例積分微分(PID)控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的常規(guī)控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以不用被控對(duì)象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡(jiǎn)單實(shí)用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。但是當(dāng)被控對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，便難以取得滿意的控制效果?，F(xiàn)代控制理論為控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進(jìn)行控制時(shí)，需要提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。盡管數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為求解模型參數(shù)提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計(jì)，而求解這些參數(shù)時(shí)又往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應(yīng)用。對(duì)于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時(shí)一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員，手動(dòng)操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點(diǎn)，通過對(duì)外界事物進(jìn)行識(shí)別與判決，使看來(lái)不經(jīng)意的模糊手動(dòng)操作達(dá)到精確控制的目的。他以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級(jí)控制策略。，在以后的二十多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也越來(lái)越受到人們的重視。模糊控制較大規(guī)模的研究是從1980年開始的。1985年，模糊推理集成塊開始開發(fā)。1986年，在日本，基于模糊控制技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品及系統(tǒng)開始出現(xiàn)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。之后，模糊控制在許多國(guó)家如美國(guó)、西歐、中國(guó)、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國(guó)際控制理論學(xué)術(shù)界的關(guān)注。1984年，國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)成立。1985年，召開了第一屆國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)的學(xué)術(shù)交流會(huì)，各國(guó)相繼成立了模糊控制系統(tǒng)工程研究所，90年代起，世界上一些大公司開始了模糊產(chǎn)品的開發(fā)，模糊理論與應(yīng)用研究及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強(qiáng)勁的風(fēng)浪席卷世界各地【13】。到目前為止，模糊控制還沒有統(tǒng)一的定義。但從廣義上可將它定義為：模糊控制指的是以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一類計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法或者定義為基于模糊集合理論、模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制方法。其基本思想是在被控對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上，用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)控制的一種方法。 模糊