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正文內(nèi)容

基于labview的pid控制器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-24 23:15 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ew的特點(diǎn)及選用該軟件進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)的原因,然后對labview的工具模塊、控制模塊、函數(shù)模塊進(jìn)行了講解,最后列出了運(yùn)用labview軟件編程的流程與方法,并學(xué)會(huì)對所編VI進(jìn)行運(yùn)行于調(diào)試,學(xué)會(huì)改正程序中的錯(cuò)誤,為下兩章設(shè)計(jì)控制器做準(zhǔn)備。3 PID算法及基本知識 模擬PID控制器 模擬PID控制器的基本原理在模擬控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差: ()將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量,對受控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為: ()或者寫成常見的傳遞函數(shù)形式如下: ()式中,為比例增益,為積分時(shí)間常數(shù),為微分時(shí)間常數(shù)。式()和式()是我們在各種文獻(xiàn)中最經(jīng)??吹降腜ID控制器的兩種表達(dá)形式。各種控制作用(即比例作用、積分作用和微分作用)的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚,相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的控制效果好壞,以下將介紹這三個(gè)參數(shù)對控制性能的影響。: 比例積分微分被控對象e(t)——給定值++u(t)y(t) 模擬PID控制系統(tǒng)的原理圖 PID控制器參數(shù)對控制性能的影響比例作用對控制性能的影響 比例增益的引入是為了及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)作用立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當(dāng)比例增益大的時(shí)候,PID控制器可以加快調(diào)節(jié),但是過大的比例增益會(huì)使調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)量,從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在某些嚴(yán)重的情況下,甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,:圖 比例控制的系統(tǒng)響應(yīng)圖積分作用對控制性能的影響 積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的無差度,以保證實(shí)現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)的系統(tǒng)輸出和誤差量保持為常值Uo和Eo,則由式(3.2)可知,只有當(dāng)且僅當(dāng)動(dòng)態(tài)誤差e(t)=0時(shí),控制器的輸出才為常數(shù)。因此,從原理上看,只要控制系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差,積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用,直至無差,積分作用就停止,此時(shí)積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決予積分時(shí)聞常數(shù)的大小,越小,積分作用越強(qiáng),反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際中,積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI控制器或者PID控制器,: 比例積分控制系統(tǒng)的響應(yīng)(=1)微分作用對控制性能的影響 微分作用的引入,主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律,預(yù)見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言,微分作用能在偏差還沒有形成之前,就己經(jīng)消除偏差。因此,微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間的大小,越大,微分作用越強(qiáng),反之則越弱。在微分作用合適的情況下,系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。從濾波器的角度看,微分作用相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器,因此它對噪聲干擾有放大作用,而這是我們在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)不希望看到的。所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié),否則會(huì)對控制系統(tǒng)抗千擾產(chǎn)生不利的影響。此外,微分作用反映的是變化率,當(dāng)偏差沒有變化時(shí),微分作用的輸出為零。 比例積分微分控制的響應(yīng)(=1,=1)微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律,預(yù)見偏差變化的趨勢,因此能產(chǎn)生超前的控制作用。直觀而言,微分作用能在偏差還沒有形成之前,就己經(jīng)消除偏差。因此,微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。PD控制器的結(jié)構(gòu)為: ()的泰勒級數(shù)為: ,則 ()控制信號與時(shí)刻以后的偏差成比例。另外。 微分的預(yù)測作用 數(shù)字PID控制算法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在控制工程中,用計(jì)算機(jī)PID控制算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制器,組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)??梢造`活的改變PID參數(shù),同時(shí)可以改變控制策略來達(dá)到控制目的。這是模擬PID控制器中所無法實(shí)現(xiàn)的。這里所說的控制策略是數(shù)字PID的改進(jìn)算法,如積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和帶死區(qū)的PID控制算法等。在各個(gè)控制階段采取各種控制方法,以此來獲得控制目標(biāo)。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。E(z)e(k)U(z)u(k) 數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)圖 位置式PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量,因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中必須對模擬PID控制器的表達(dá)式 ()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,現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代替連續(xù)時(shí)間t,以和式代替積分,以增量代替微分,作如下近似變換(為書寫方便,將kT簡化表示成k): (): ()還可以表示為 ()式中,T是采樣周期,必須使T足夠小,才能保證系統(tǒng)有一定的精度,e(k)為第k次采樣時(shí)的偏差值;e(k1)為第k1次采樣時(shí)的偏差值;k為采樣序號,k=0,1,2,3…;u(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。 為積分系數(shù)。為微分系數(shù),式()為位置式PID控制算法。:開始KIe(j)+A→A設(shè)置初始參數(shù)Kp, Ti ,Td, T采入r(k),y(k)Kp e(k)→A計(jì)算偏差e(k)KD[e(k) e(k1)]+A返回e(k)→e(k1)輸出A,即u(k) 位置式PID控制算法的程序框圖這種算法的缺點(diǎn)是,由于全量輸出,所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān),計(jì)算時(shí)要對e(k)進(jìn)行累加,計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。而且,因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置,如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障,u(k)的大幅度變化,會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化,這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的,在某些場合,還可能造成重大的生產(chǎn)事故,因而產(chǎn)生了增量式PID算法。 增量式PID控制算法 所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u(k)。由式()導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推原理可得 ()用()式減去()式得到: () 其中:,式()為增量式PID控制算法??梢钥闯觯捎谝话阌?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T,一旦確定了,和,只要使用前后三次測量值的偏差,即可由()求出控制增量。增量型算法與位置型算法相比具有如下優(yōu)點(diǎn): 由于計(jì)算機(jī)輸出增量,所以誤動(dòng)作影響小,必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉; 在位置型控制算法中,由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí),必須先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門的原始開度,才能保證手動(dòng)到自動(dòng)無擾動(dòng)切換,這將給程序設(shè)計(jì)帶來困難而增量設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān),與閥門的原來位置無關(guān),因而增量算法易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。 不產(chǎn)生積分失控,所以容易獲得較高的調(diào)節(jié)品質(zhì)。增量控制因其特有的優(yōu)點(diǎn)已得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種控制也有其不足之處: 積分截?cái)嘈?yīng)大,有靜態(tài)誤差。 溢出的影響較大。開始計(jì)算機(jī)控制參數(shù)A,B,C設(shè)初值e(k1)=e(k2)=0本次采樣輸入y(k)A/D被控對象D/A為下一時(shí)刻做準(zhǔn)備e(k1)→e(k2),e(k)→e(k1)輸出△u(k)計(jì)算控制增量△u(k)=Ae(k)+Be(k1)+Ce(k2)計(jì)算偏差e(k)=r(k)y(k)采樣時(shí)刻準(zhǔn)備好了嗎?YN 增量式PID控制算法的程序框圖 PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn) PID控制器的優(yōu)點(diǎn)PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:原理簡單、實(shí)現(xiàn)方便,是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器??刂破鬟m用于多種截然不同的對象,算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。 PID控制器的缺點(diǎn)在很多情況下其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感,這反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。主要表現(xiàn)在:算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO(simple input simple output單輸入單輸出)最小相位系統(tǒng)。在處理大時(shí)滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時(shí),需要通過多個(gè)PID控制器或與其它控制器的組合,才能得到較好的控制效果。結(jié)構(gòu)的簡單性同時(shí)決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn),閉環(huán)特性從根本上是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。出于同樣原因,決定了常規(guī)PID控制器無法同時(shí)滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。 控制系統(tǒng)的分類及性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類很多,在此我們只討論開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出(被控制量)塒控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量送叫束以形成任何閉環(huán)網(wǎng)路。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。一般的控制系統(tǒng)都為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有證反饋和負(fù)反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反,則稱為負(fù)反饋,若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)擋制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器,充當(dāng)反饋,人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做出各種正確的動(dòng)作。如果沒有眼睛,就沒有了反饋回路,也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)(控制器)、被控對象、:校正環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)被控對象放大環(huán)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定環(huán)節(jié)—控制器擾動(dòng)擾動(dòng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)討論控制器參數(shù)最佳整定時(shí),必須首先規(guī)定出評價(jià)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)。這些指標(biāo)主要包括動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和魯棒性能指標(biāo)。由于假設(shè)模型是真實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)近似描述,因此必然要求當(dāng)控制器應(yīng)用于過程模型時(shí)能保證穩(wěn)定性。所以,閉環(huán)系統(tǒng)的最低要求是標(biāo)稱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性一個(gè)控制系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件是它必須是穩(wěn)定的,對系統(tǒng)進(jìn)行各類品質(zhì)指標(biāo)的分析也必須在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下。所以在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候首先得考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。:G1(S)G2(S)—R(S)Y(S) 閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定則必有特征方程1+ G1(S) G2(S)=0所有的根都有負(fù)的實(shí)部,即系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)都在復(fù)平面的左半部分,這是在設(shè)計(jì)控制器時(shí)首先要考慮到的點(diǎn)。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 經(jīng)典控制理論將控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)劃分為動(dòng)態(tài)過程和靜態(tài)過程,動(dòng)態(tài)過程又稱過渡過程是指從輸入信號加入系統(tǒng)開始到系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之前的這段過程。靜態(tài)過程又稱穩(wěn)態(tài)過程是指時(shí)間趨向無窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)主要包括:負(fù)載擾動(dòng)響應(yīng)和設(shè)定值響應(yīng)性能指標(biāo)。反映負(fù)載擾動(dòng)和設(shè)定值響應(yīng)的性能指標(biāo)有兩類:以階躍響應(yīng)曲線的特征參數(shù)作為性能指標(biāo)和偏差積分性能指標(biāo)。(1)以階躍響應(yīng)曲線的特征參數(shù)作為性能指標(biāo):性能指標(biāo)主要有最大超調(diào)量δ%、上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、調(diào)節(jié)時(shí)間ts、延遲時(shí)間td和穩(wěn)態(tài)誤差ess等,: 單位階躍信號輸入時(shí)的響應(yīng)特性最大超調(diào)量δ%:響應(yīng)首次達(dá)到的峰值超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)為最大超調(diào)量。上升時(shí)間tr:響應(yīng)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。峰值時(shí)間tp:響應(yīng)第一次達(dá)到峰值時(shí)所需要的時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間ts:響應(yīng)與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的偏差達(dá)到允許范圍(一般取穩(wěn)態(tài)值的2%或5%)以后不再超過這個(gè)范圍所需的最短時(shí)間。延遲時(shí)間td:響應(yīng)第一次達(dá)到50%輸出穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。穩(wěn)態(tài)誤差ess:當(dāng)響應(yīng)時(shí)間趨向于無窮大時(shí),輸出響應(yīng)期望的理論值與實(shí)際值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。(2)誤差積分性能指標(biāo)上述單項(xiàng)指標(biāo)簡單明了,但是如何統(tǒng)籌考慮比較困難,因此人們用一個(gè)綜合性的指標(biāo)全面反映控制過程的品質(zhì)。常用的綜合性能指標(biāo)是誤差積分指標(biāo),它是過渡過程中被控變量偏離其新穩(wěn)態(tài)值的誤差沿時(shí)間軸的積分。這樣無論是誤差幅度和誤差存在的時(shí)間都與指標(biāo)有關(guān),因此它是一類綜合指標(biāo),希望它越小越好。其中常用魏的是平方誤差積分 ()由于通過ISE性能指標(biāo)可以將控制系統(tǒng)的問題轉(zhuǎn)化為比較純化的數(shù)學(xué)問題并得到完美的結(jié)果,因此這種性能指標(biāo)得到了廣泛的應(yīng)用。ISE的大小反映了系統(tǒng)在過渡過程中誤差的程度,著重用于抑制過渡過程中的大誤差。 PID控制器參數(shù)整 PID控制器參數(shù)整定的方法很多,在此介紹幾種常用的參數(shù)整定方法。 經(jīng)驗(yàn)試湊法經(jīng)驗(yàn)試湊法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將控制器的參數(shù)防在某一數(shù)值上,直接在閉環(huán)控制系統(tǒng)中通過改變設(shè)定值施加于干擾試驗(yàn)信號,在記錄儀觀察被控量的過渡過程曲線形狀,按規(guī)定的順序?qū)Ρ壤圈?、積分時(shí)間Ti、
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