【文章內(nèi)容簡介】 ，這種智能PID的優(yōu)點(diǎn)就是控制器的三個(gè)參數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整,一般對PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整部分采用的算法是模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)等。目前市面上出售的許多可編程控制器(PLC)產(chǎn)品，一般都具有PID控制功能，在一些PC系統(tǒng)中也具備這樣的功能，通過介紹可知PID控制器帶來了控制領(lǐng)域的重要變革，彰顯了強(qiáng)大的生命力。但是在實(shí)際的工業(yè)場合有很多復(fù)雜的控制系統(tǒng)，比如有些大時(shí)滯、大慣性環(huán)節(jié)的存在，這個(gè)時(shí)候PID控制器的不足之處顯露無遺，如果以一組整定參數(shù)去調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)顯然不行，我們所熟悉的PID控制器能調(diào)節(jié)的很好的都是線性系統(tǒng)，被控對象的模型可以掌握的系統(tǒng)，所以單純的依靠PID控制器去調(diào)節(jié)一些時(shí)滯、慣性環(huán)節(jié)很大的系統(tǒng)是不可取的。由此驗(yàn)證了每種控制方法都有它的不足之處，PID控制也不例外?！mith預(yù)估器　Smith預(yù)估原理Smith預(yù)估控制是瑞典科學(xué)家Smith于1957年提出的一種解決時(shí)滯系統(tǒng)控制問題的預(yù)估控制方法，其控制基本思路是預(yù)先估計(jì)出過程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制，使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作，以此來減小超調(diào)量與加速調(diào)節(jié)過程Smith 預(yù)估控制的基本原理是: 引入一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)與被控對象并聯(lián)，用來補(bǔ)償被控對象中的純滯后部分，該環(huán)節(jié)稱為預(yù)估器。當(dāng)被控對象的傳遞函數(shù)為時(shí)，預(yù)估器的傳遞函數(shù)為。圖24為補(bǔ)償后的系統(tǒng)框圖,補(bǔ)償后的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為: (29)上式中， 在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由拉普拉斯變換位移定理, 只是將控制作用在時(shí)間軸上推移了一段時(shí)間τ，控制系統(tǒng)的過渡過程及性能指標(biāo)都與對象特性為G(s)時(shí)完全相同。D(s) r(t) +e(t)u(t)y(t)++圖24 帶Smith 預(yù)估器的系統(tǒng)框圖　基于Smith預(yù)估的數(shù)字PID控制器將Smith 預(yù)估器和PID 控制器結(jié)合，具有較強(qiáng)的魯棒性，能克服系統(tǒng)模型不確定性和外部干擾的影響。Smith 預(yù)估器能夠估計(jì)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并對其進(jìn)行補(bǔ)償，使得被延遲了的被控變量能夠超前反映到PID 控制器，通過整定PID 控制器參數(shù)，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。將Smith 預(yù)估器和PID 控制器數(shù)字化，可以構(gòu)成如圖25所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。R(s) +D(z) Y(z)ZOHT +T T T 圖25 結(jié)合Smith 預(yù)估器與PID控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖圖25中，ZOH 為零階保持器，其傳遞函數(shù)為: (210)并且有: τ = NT ( N 為正整數(shù)，T為采樣周期) 。D( z) 為PID 控制器， 為Smith預(yù)估器。 為被控對象的傳遞函數(shù)， 為廣義被控對象的傳遞函數(shù)。第三章　　控制系統(tǒng)MATLAB仿真　MATLAB系統(tǒng)概述　MATLAB簡介 MATLAB名字由MATrix和LABoratory兩詞的前三個(gè)字母組合而成，由MathWorks公司開發(fā)。MATLAB的內(nèi)核采用C語言編寫，除具有的數(shù)值計(jì)算功能外，還具備了數(shù)據(jù)圖視等功能。1980年美國Cleve Moler博士研制的MATLAB語言從它一誕生就引起了控制界學(xué)者的注目，它的簡潔和高效對后來的控制理論以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)起到了巨大的推動(dòng)作用。MATLAB是以復(fù)數(shù)矩陣作為基本編程單元的一種程序設(shè)計(jì)語言，它提供了各種矩陣的運(yùn)算操作，并具有較強(qiáng)的繪圖功能。MATLAB在應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。在國際學(xué)術(shù)界，MATLAB已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。隨著新版本的不斷推出，MATLAB無論在界面上還是在內(nèi)容上都得到不斷完善，并擁有了很多應(yīng)用在控制領(lǐng)域的工具箱，MATLAB已經(jīng)成為當(dāng)今國際控制界應(yīng)用最廣也是最受人們喜愛的一種軟件環(huán)境。 MATLAB具有用法簡易、可靈活運(yùn)用的特點(diǎn)，利用其豐富的函數(shù)資源，可使編程人員從繁瑣的代碼中解脫出來。MATLAB用更直觀、更符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C語言和FORTRAN語言的冗長代碼，給用戶帶來的是最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。MATLAB語言的主要特點(diǎn)如下：1) 語言簡潔緊湊，使用方便靈活。MATLAB程序的書寫格式自由，數(shù)據(jù)的輸入、輸出語句簡潔，很短的代碼就可以完成其他語言要使用大量代碼才能完成的復(fù)雜工作。2) 數(shù)值算法穩(wěn)定可靠，庫函數(shù)十分豐富。MATLAB的一個(gè)最大特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，它提供了許多調(diào)用十分方便的數(shù)學(xué)計(jì)算函數(shù)，使人們可以隨意使用而不必考慮數(shù)值的穩(wěn)定性。3) 運(yùn)算符豐富。MATLAB是用C語言編寫的，所以MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多、一樣豐富的運(yùn)算符，而且還重載了一些運(yùn)算符，給他們賦予了新的含義。4) MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（if、for、while），又支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。5) 語法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。6) 程序的可移植性好。MATLAB程序幾乎不用修改就可以移植到其他的機(jī)型和操作系統(tǒng)中運(yùn)行。7) MATLAB的圖形功能強(qiáng)大，支持?jǐn)?shù)據(jù)的可視化操作，方便的顯示程序的運(yùn)行結(jié)果。8) 具有強(qiáng)大的工具箱。MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分有幾百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)，工具箱則是由各個(gè)領(lǐng)域的高水平專家編寫的，所以用戶不必編寫該領(lǐng)域的基礎(chǔ)程序就可以直接進(jìn)行更高層次的研究。9) 源程序的開放性、系統(tǒng)的可擴(kuò)充能力強(qiáng)。除了內(nèi)部函數(shù)外，所有的MATLAB核心文件和工具箱文件都提供了MATLAB源文件，用戶可通過對源文件的修改生成自己所需要的工具箱。10) MATLAB是解釋執(zhí)行語言。MATLAB程序不用編譯生成可執(zhí)行文件就可以運(yùn)行，解釋執(zhí)行時(shí)程序的執(zhí)行速度慢，效率比C等高級語言低，而且無法脫離MATLAB環(huán)境運(yùn)行MATLAB程序，這是MATLAB的缺點(diǎn)。但是MATLAB的編程效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的高級語言，這使人們可以把大量的時(shí)間花費(fèi)在對控制系統(tǒng)的算法研究上，而不是浪費(fèi)在大量的代碼上。　MATLAB集成環(huán)境的組成 MATLAB是一個(gè)軟件平臺，而不僅僅是一門語言，下面簡單介紹它的組成。 1)MATLAB語言。2)MATLAB工作環(huán)境。包括程序編輯器、變量查看器、系統(tǒng)仿真器。 3)MATLAB圖形系統(tǒng)。用MATLAB的圖形句柄，可以實(shí)現(xiàn)二維、三維數(shù)據(jù)的可視化、圖像處理，也可以完全或局部修改圖形窗口，還可以方便地設(shè)計(jì)圖形界面。4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫。5)MATLAB ，它提供了MATLAB和C語言、FORTRAN語言之間的接口程序庫，使用戶可以在C、FORTRAN程序里調(diào)用MATLAB程序?！imulink仿真基礎(chǔ) 作為MATLAB的重要組成部分，Simulink具有相對獨(dú)立的功能和使用方法，它是對基于信號流圖的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、建模和分析的軟件包，它不但支持連續(xù)、線性系統(tǒng)的仿真，而且也支持離散、非線性系統(tǒng)的仿真。Simulink提供了對系統(tǒng)信號流圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺，通過Simulink模塊庫建立系統(tǒng)的仿真模型，可直觀、方便地對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真?！imulink的基本操作運(yùn)行Simulink有三種方式：1） 在MATLAB的命令窗口直接鍵入“Simulink”并回車；2） 單擊MATLAB工具條上的Simulink圖標(biāo)；3） 在MATLAB菜單上選File→New→Model。運(yùn)行后會(huì)顯示如圖31所示的Simulink模塊庫瀏覽器，單擊工具條左邊建立新模型的快捷方式，則顯示如圖32所示的新建模型窗口，在模型窗口中用戶可通過選擇模塊庫中的仿真模塊，建立自己的仿真模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。圖31 Simulink模塊庫瀏覽器圖32 新建模型窗口 打開simulink模塊庫窗口的方法非常簡單，以連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（continuous）為例，在Simulink模塊庫瀏覽窗口中選中Simulink，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，這時(shí)會(huì)在鼠標(biāo)指針的位置彈出一行上下文菜單，用鼠標(biāo)左鍵單擊open the‘Simulink’Library項(xiàng)，出現(xiàn)Simulink基本庫窗口，并選擇continuous模塊庫的圖標(biāo)雙擊即可進(jìn)入連續(xù)系統(tǒng)模塊庫，并選擇相應(yīng)的模塊圖標(biāo)拖至編輯窗口?！∠到y(tǒng)仿真及參數(shù)設(shè)置在Simulink中建立起系統(tǒng)模型框圖后，運(yùn)行菜單Simulation→Starti就可以用Simulink對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真了。一般在仿真運(yùn)行前需要對仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行菜單Simulation→Parameters完成設(shè)置，如圖33所示。圖33 Solver設(shè)置（Solver）在Solver里需要設(shè)置仿真起始和終止時(shí)間、選擇合適的解法（Solver），并指定參數(shù)、設(shè)置一些輸出選擇。(1) 設(shè)置起始時(shí)間和終止時(shí)間（Simulation time）選擇菜單Simulation→Start time設(shè)置起始時(shí)間，而選擇菜單Stop time設(shè)置終止時(shí)間，單位為“s”。(2)算法設(shè)置（Solver options） 1)算法類型設(shè)置：仿真的主要過程一般是求解常微分方程組，選擇菜單Solver options→Type用來選擇仿真算法的類型是變化的還是固定的。變步長解法可以在仿真過程中根據(jù)要求調(diào)整運(yùn)算步長，在采用變步長解法時(shí)，應(yīng)該先指定一個(gè)容許誤差限（Relative tolerance 或 Absolute tolerance）,使得當(dāng)誤差超過誤差限時(shí)自動(dòng)修正仿真步長：最大步長=（終止時(shí)間起始時(shí)間）/50.選取定步長解法時(shí)，通過選擇菜單Mode→MultiTasking、SingTasking和auto來選擇模型類型，其中多任務(wù)模型指模型中的有些模塊具有不同的采樣速率，并對模塊間的采樣速率傳遞進(jìn)行檢測。單一任務(wù)模型的各個(gè)模塊采樣速率是相同的，不檢測采樣速率的傳遞，auto則根據(jù)模型中模塊的采樣速率是否相同決定采用單一任務(wù)模型還是多任務(wù)模型。(3)設(shè)置輸出選項(xiàng)對同樣的信號，選擇不同的輸出選項(xiàng)，則得到輸出設(shè)備上的信號是不完全一樣的。要根據(jù)需要選擇合適的輸出選項(xiàng)以達(dá)到滿意的輸出效果。工作空間設(shè)置窗口可以設(shè)置Simulink和當(dāng)前工作空間的數(shù)據(jù)輸入、輸出。通過設(shè)置，可以從工作空間輸入數(shù)據(jù)、初始化狀態(tài)模塊，也可以把仿真結(jié)果、狀態(tài)變量、時(shí)間數(shù)據(jù)保存到當(dāng)前工作空間。(1)從工作空間讀入數(shù)據(jù)Simulink通過設(shè)置模型的輸入端口，實(shí)現(xiàn)在仿真過程中從工作空間讀入數(shù)據(jù)，常用的輸入端口模塊為信號與系統(tǒng)模塊庫中的In1模塊。設(shè)置的方法是選中input前的復(fù)選框，并在后面的編輯框鍵入輸入數(shù)據(jù)的變量名，并可以用命令窗口或M文件編輯器輸入數(shù)據(jù)。Simulink根據(jù)輸入端口參數(shù)中設(shè)置的采樣時(shí)間讀取輸入數(shù)據(jù)。(2)保存數(shù)據(jù)到工作空間可以選擇保存的選項(xiàng)有：時(shí)間、端口數(shù)出、狀態(tài)、最終狀態(tài)。選中選項(xiàng)前面的復(fù)選框并在選項(xiàng)后面的編輯框輸入變量名，就會(huì)把相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存到指定的變量中。常用的輸出模塊為信號與系統(tǒng)模塊庫中的Out1模塊和輸出方式庫中的To Workspace模塊。(3)初始化狀態(tài)模塊 狀態(tài)化模塊初始化的方法有兩種：使用模塊本身的參數(shù)設(shè)置和從工作空間讀入。用于初始化狀態(tài)變化中的元素個(gè)數(shù)要和狀態(tài)模塊數(shù)目一致，而且當(dāng)從空間載入數(shù)據(jù)時(shí)，模塊本身的參數(shù)設(shè)置初始值無效。第四章　　電加熱管溫度控制系統(tǒng)的Smith預(yù)估算法仿真　硬件結(jié)構(gòu)　系統(tǒng)硬件構(gòu)成 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電加熱管、測量元件和變送器。圖41為本實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖?？刂破鱀/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象A/D變送器測量元件r(t) +e(t)y(t)圖41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 控制器由控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，D/A 和A/D的功能由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為PWM變換器，被控對象為電加熱管（可等效為一階純滯后對象），測量元件為熱電阻，變送器將熱電阻的輸出信號轉(zhuǎn)換為0~10V的電壓信號，數(shù)據(jù)采集卡采用研華的PCI1711板卡，具有16通道的模擬量/數(shù)字量輸入，16通道數(shù)字量輸出。2通道模擬量輸出，采樣頻率最高可達(dá)100KHz。數(shù)據(jù)采集卡插在控制計(jì)算機(jī)的板卡上，通過信號線連接至被控平臺的相應(yīng)信號端。圖42 計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備圖 圖43 電加熱管　電加熱管對象特性的測取 響應(yīng)曲線法是工業(yè)過程中較為常用的系統(tǒng)辨識的方法。使被控過程的控制輸入產(chǎn)生一個(gè)階躍變化，將被控量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線記錄下來，再根據(jù)記錄的響應(yīng)曲線來求取過程輸出與輸入之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中采用階躍響應(yīng)曲線法測取電加熱管的對象特性。給定電加熱管一個(gè)初始電壓，待電加熱管的溫度穩(wěn)定在某一個(gè)固定溫度點(diǎn)時(shí)，使電加熱管的控制輸入突然產(chǎn)生一個(gè)階躍變化，測得結(jié)果如圖43所示階躍響應(yīng)曲線。圖43 電加熱管的階躍響應(yīng)曲線　軟件調(diào)試 　史密斯（Smith）預(yù)估控制 經(jīng)典的PID控制理論經(jīng)過多年的發(fā)展在工業(yè)方面受到了廣泛的應(yīng)用，但是經(jīng)典的PID控制在系統(tǒng)具有較大純滯后時(shí)其控制效果并不理想。所以在經(jīng)典的PID控制基礎(chǔ)上再加上Smith控制器，在對具有大純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)起到了非常好的作用。 由于被控對象為電加熱管，可將其等效為一階純滯后對象， 圖41為具有純滯后的對象進(jìn)行傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)，設(shè)對象特性為： （41）R(s) + Y(s)+ D(s)+圖41 常規(guī)PID控制系統(tǒng)