【文章內容簡介】 業(yè)控制器中的兩種控制思想——自整定和自適應，為智能 PID 控制的發(fā)展奠定了基礎。他認為自整定控制器和自適應控制器能視為一個有經(jīng)驗的儀表工程師的整定經(jīng)驗的自動化，在文［3］中繼續(xù)闡述了這種思想,認為自整定調節(jié)器包含從實驗中提取過程動態(tài)特性的方法及控制設計方法，并可能決定何時使用 PI 或 PID 控制，即自整定調節(jié)器應具有推理能力。自適應 PID 的應用途徑的不斷擴大使得對其整定方法的應用研究變得日益重要。目前，在眾多的整定方法中，主要有兩種方法在實際工業(yè)過程中應用較好，一種是由?？怂共_（Foxboro）公司推出的基于模式識別的參數(shù)整定方法（基于規(guī)則） ，另一種是基于繼電反饋的參數(shù)整定方法（基于模型）.前者主要應用于 Foxboro的單回路 EXACT 控制器及其分散控制系統(tǒng) I/A Series 的 PIDE 功能塊，其原理基于Bristol 在模式識別方面的早期工作 ［11］ 。后者的應用實例較多，這類控制器現(xiàn)在包括自整定、 PID 控制器的使用，顯著改進了它的性能，它們被統(tǒng)稱為自適應智能控制技術。 ［4］自適應技術中最主要的是自整定。按工作機理劃分，自整定方法能被分為兩類：基于模型的自整定方法和基于規(guī)則的自整定方法。 ［4］在基于模型的自整定方法中，可以通過暫態(tài)響應實驗、參數(shù)估計及頻率響應實驗來獲得過程模型。在基于規(guī)則的自整定方法中，不用獲得過程實驗模型，整定基于類似有經(jīng)驗的操作者手動整定的規(guī)則。為了滿足不同系統(tǒng)的要求，針對多變量和非線形的系統(tǒng)還分別采用了多變量 PID 參數(shù)整定方法和非線性 PID 參數(shù)整定方法。PID 、靈活性及使用的過程知識量。一個好的整定方法應該基于合理地考慮以下特性的折衷：負載干擾衰減，測量噪聲效果，過程變化的魯棒性，設定值變化的響應，所需模型，、直觀、易用的方法，它們需要較少的信息，并能夠給出合適的性能。我們也需要那些盡管需要更多的信息及計算量，但能給出較好性能的較復雜的方法。從目前 PID 參數(shù)整定方法的研究和應用現(xiàn)狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內研究和實踐的重點。 ［4］　?、賹τ趩屋斎雴屋敵霰豢貙ο?，需要研究針對不穩(wěn)定對象或被控過程存在較大干擾情況下的 PID 參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進一步增強，使用最少量的過程信息及較簡單的操作就能較好地完成整定。②對于多入多出被控對象，需要研究針對具有顯著耦合的多變量過程的多變量 PID參數(shù)整定方法，進一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗信息量，使其易于在線整定。 ［4］　　③智能 PID 控制技術有待進一步研究，將自適應、自整定和增益計劃設定有機結合，使其具有自動診斷功能；結合專家經(jīng)驗知識、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對原有 PID 控制器設計思想及整定方法進行改進；將預測控制、模糊控制和 PID 控制相結合，進一步提高控制系統(tǒng)性能，都是智能 PID 控制發(fā)展的極有前途的方向。 ［4］Matrix Laboratory(縮寫為 Mat lab)軟件包，是一種功能強、效率高、便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括:一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序，并將應用程序和圖形集于便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的 Mat lab 語言表述形式和其數(shù)學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進行高效率和富有創(chuàng)造性的計算，同時提供了與其它高級語言的接口，是科學研究和工程應用必備的工具。目前，在控制界、圖像信號處理、生物醫(yī)學工程等領域得到廣泛的應用。本論文設計中 PID 參數(shù)的整定用到的是 Mat lab 中的 SIMULINK,它是一個強大的軟件包 ，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學模型的推導工作。用 SIMULINK 對設計好的系統(tǒng)進行仿真，可以預知效果，檢驗設計的正確性，為設計人員提供參考。其仿真結果是否可用，取決于數(shù)學模型正確與否，因此要注意模型的合理及輸入系統(tǒng)的參數(shù)值要準確。 ［8］第二章 控制系統(tǒng)及 PID 調節(jié) 控制系統(tǒng)構成對控制對象的工作狀態(tài)能進行自動控制的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)，一般由控制器與控制對象組成，控制方式可分為連續(xù)控制與反饋控制，即一般所稱，開回路與閉回路控制。連續(xù)控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有任何影響，也就是說，控制端與控制對象為單向作用，這樣的系統(tǒng)亦稱開回路系統(tǒng)。反饋控制是指將所要求的設定值與系統(tǒng)的輸出值做比較，求其偏差量，利用這偏差量將系統(tǒng)輸出值使其與設定值調為一致。反饋控制系統(tǒng)方塊圖一般如圖 21 所示： 比較組件 控制器 被控對象感測與轉換圖 21 反饋控制系統(tǒng)方塊圖 PID 控制將感測與轉換器輸出的訊號與設定值做比較，用輸出信號源(210v 或 420mA)去控制最終控制組件。在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調節(jié)。PID 控制器問世至今已有近 60 年的歷史了，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術工具。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它設計技術難以使用，系統(tǒng)的控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時候，便最適合用 PID 控制技術。 比例、積分、微分1. 比例R 1R 2V iV o圖 22 比例電路12)(RViot??公式（21）)(12)(tti?2. 積分器R 1V iV o1 / S C圖 23 積分電路 SCRSRViot 111)( ?????ViCt1)(? 公式（22）dtiRVot???1)(V oR 21 / S CV I圖 24 微分電路3. 微分器 SCRViot 22)(1??)(2)(tti (式 23)dtCRVot2)(??實際中也有 PI 和 PD 控制器。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關系在時域中如公式（24）和（25） :u(t)=Kp(e(t)+Td + ) 公式（24）dte)(?dtTi(1U(s)=[ + ]E(s) 公式（25）PK?Si公式中 U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換， ， ，其中 、pdK?iPTPK、 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù) ［14］ iKd Ｐ、Ｉ、Ｄ控制比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差訊號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error） 。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的積分成正比關系。 對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項” 。積分項對誤差取關于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。 因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后(delay)的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前” ，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項” ，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重地沖過頭。 所以對有較大慣性和（或）滯后的被控對象，比例+微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。 ［12］ 第三章　系統(tǒng)辨識 系統(tǒng)辨識(1) 所謂系統(tǒng)辨識即是在不知道系統(tǒng)轉移函數(shù)時，根據(jù)系統(tǒng)特性辨識出來。(2) 若被控對象的數(shù)學模式相當線性(linear) ，且各項參數(shù)都可知道，則可用控制理論來設計 PID 控制器的系數(shù)大小。但實際的被控對象往往是非線性系統(tǒng)，且系統(tǒng)復雜，難以精確地用數(shù)學式表達。所以工業(yè)上設計 PID 控制器時，常常使用實驗方法而較少用理論來設計。調整 PID 控制器的方法中，最有名的是 ZieglerNichols 所提出的二個調整法則。這個調整法測是基于帶有延遲的一階傳遞函數(shù)模型提出的，這種對象模型可以表示為 1)(???TsKeGL 公式（31）在實際的過程控制系統(tǒng)中，有大量的對象模型可以近似的由這樣的一階模型來表示，如果不能物理的建立起系統(tǒng)的模型，我們還可以由實驗提取相應的模型參數(shù) [5]。(3) 將大小為 1 的階躍信號加到被控對象如圖 31 所示：圖 31 將階躍信號加到被控對象　對大多數(shù)的被控對象，若輸入為階躍信號，則其輸出 c(t)大多為 S 狀曲線，如下圖 32所示。這個 S 狀曲線稱之為過程反應曲線（ process reaction curve） 。L0 . 6 3 2 kkT ’T ”Tc ( t )圖 32 被控對象的階躍響應圖(4) 系統(tǒng)轉移函數(shù) 空調方面： 圖 33 空調系統(tǒng)示意圖圖 34 空調系統(tǒng)方塊圖由圖 33 及圖 34 可得知此系統(tǒng)的轉移函數(shù)推導如下： Qco?? dtTCRQ??S 公式（32）1?? 系統(tǒng)特性圖(1) 系統(tǒng)為制熱使用最大信號去控制系統(tǒng)，直到穩(wěn)定之后，也就是熱到達無法再上升時，此時系統(tǒng)特性就會出現(xiàn)，如下圖 35 所示：1 0