【文章內(nèi)容簡介】 ，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)展而來的，它適合于在單機片機上實現(xiàn)。PID控制算法是按誤差的比例，積分、微分進行控制的，其參數(shù)可以在現(xiàn)場在線整定，由于軟件設(shè)計的靈活性，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)測未來。PID控制能解決許多控制問題，尤其是在動態(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，許多先進的控制方法不斷推出，但 PID控制方法以其結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。據(jù)日本電氣計量器工業(yè)會先進控制動向調(diào)查委員會統(tǒng)計，在日本有91%的控制回路采用的是PID控制。在美國，據(jù)控制工程雜志估計，有90%以上的工業(yè)控制采用的是PID控制。而在我國，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：在我國過程控制工業(yè)中需要約50萬個智能的PID控制器。PID控制的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式幾個階段，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)的模擬控制無法比擬的優(yōu)點，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，對象的復雜程度不斷加深，尤其對于大滯后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時或隨機干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學模型或模型非常粗糙，加之，人們對控制品質(zhì)的要求日益提高，基本PID控制方法的缺陷逐漸暴露出來。對于時變對象和非線性系統(tǒng)，基本的PID控制更是顯得無能為力。因此，基本PID控制的應(yīng)用受到很大限制和挑戰(zhàn)。人們在對PID控制方法應(yīng)用的同時，也對其控制算法進行了各種改進，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30年代提出并實現(xiàn)的控制機理。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是積分時間常數(shù)；TD是微分時間常數(shù)。從式（33）可知，控制器的輸出由三個部分組成：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，具有控制及時的特點?？刂谱饔玫膹娙跞Q于Kp的大小。如果只用比例控制，系統(tǒng)穩(wěn)定時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過大會使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)變壞，引起被控量振蕩導致系統(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)達到穩(wěn)定。積分作用加人可以消除系統(tǒng)靜差。積分時間Ti小，積分速度快，積分作用強。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。對溫度參量等滯后較大的對象，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，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)和動態(tài)方面改善了控制器的品質(zhì)。某時刻改變r(t)或y(t)，作為控制器輸人信號的偏差值e(t)是階躍信號，作為控制器輸出信號的u(t)是對e(t)的響應(yīng)信號。在階躍信號作用下，首先是比例和微分作用，使控制器控制作用加強；然后再進行積分，直到最后消除靜差為止。即這個過渡過程是快速并平穩(wěn)，然后準確跟蹤。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重要組成部分，整個控制器的功能主要由控制算法來實現(xiàn)。由于計算機技術(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算法的表達式為： （34）式中： ─調(diào)節(jié)器的輸出信號； ─調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差； ─調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ─調(diào)節(jié)器的積分時間； ─調(diào)節(jié)器的微分時間。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此必須對式（34）進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項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次采樣時的偏差值；E(k1) ─ 第k1次采樣時的偏差值；k ─ 采樣序號，k=0，1，2，…；P(k)─ 第k次采樣時調(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，要計算第k次輸出值，只需知道，，即可，比用式（37）計算要簡單得多。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構(gòu)是采用步進電機或多圈電位器進行控制的，所以，只要給一個增量信號即可。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，僅在計算方法上有所變化。但增量式PID 控制算法具有如下優(yōu)點：（1）增量式PID控制算法僅與最近幾次采樣偏差有關(guān)，無需進行累加，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，因而誤差動作小。（3）增量式PID控制算法，由于利用了執(zhí)行機構(gòu)的記憶作用，易于實現(xiàn)手動自動控制的無擾動切換，切換時易于實現(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)來說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間常數(shù)，在大多數(shù)使用情況下，采樣周期與系統(tǒng)的時間常數(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)整定方法來進行整定。 按簡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，但簡單易行的方法還是簡易工程法。此法的優(yōu)點在于，整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學模型。1．擴充臨界比例度法擴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）選擇一個足夠短的采樣周期，具體的說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的1/10以下。（2） 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。這時，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，將DDC的控制效果與模擬控制的控制效果相比較。控制效果的評價函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 （311）實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，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；，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．擴充響應(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中也可以用擴充響應(yīng)曲線法代替擴充臨界比例度法。用擴充曲線法整定、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；然后，突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。（2）用記錄儀記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線。（3） 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ、被控對象時間常數(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，選擇一個控制度，查表即可求得控制器的、和采樣周期T。控制度控制規(guī)律TKpTiTdPIPIDPIPIDPIPIDPIPID以上兩種方法適用于被控對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)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以不用被控對象的模型參數(shù)，直接根據(jù)輸出的偏差進行調(diào)節(jié)。該算法由于其簡單實用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。但是當被控對象比較復雜時，便難以取得滿意的控制效果。現(xiàn)代控制理論為控制復雜系統(tǒng)提供了新的思路。采用該理論進行控制時，需要提供準確的數(shù)學模型。盡管數(shù)值計算與計算機技術(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，而求解這些參數(shù)時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。對于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時一個有實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻很好。操作人員恰恰是利用了人腦的特點，通過對外界事物進行識別與判決，使看來不經(jīng)意的模糊手動操作達到精確控制的目的。他以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)，用語言規(guī)則表示方法和先進的計算機技術(shù)，由模糊推理進行判決的一種高級控制策略。，在以后的二十多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。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)，并在實際應(yīng)用中取得明顯的經(jīng)濟效益。之后，模糊控制在許多國家如美國、西歐、中國、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國際控制理論學術(shù)界的關(guān)注。1984年，國際模糊系統(tǒng)學會成立。1985年，召開了第一屆國際模糊系統(tǒng)學會的學術(shù)交流會，各國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)像一股強勁的風浪席卷世界各地【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、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一類計算機數(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，對難以建立數(shù)學模型的對象實施的一種控制方法。其基本思想是在被控對象的模糊模型的基礎(chǔ)上，用機器去模擬人對系統(tǒng)控制的一種方法。 模糊