【文章內(nèi)容簡介】 應(yīng)的組建模型后，將相應(yīng)的圖標放在仿真系統(tǒng)的創(chuàng)建界面內(nèi)就可以實現(xiàn)功能仿真和運行。通過圖塊方式，分層設(shè)計流程，將主要的精力放在設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)上，而不必將大量的精力放在算法的實現(xiàn)上，幾乎可以做到不輸一行代碼就完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。因此，從分析研究的角度上看，Simulink 模型可以讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，也可以讓用戶清楚地了解到系統(tǒng)各組件、各子系統(tǒng)、各分系統(tǒng)之間的信息交互。 [6] 動 控 制 原 理 和 新 型 PID 控 制 設(shè) 計 理 念 自動控制原理的系統(tǒng)分析 自動控制原理概述自動控制就是在沒有人直接操作的情況下，通過控制器使一個裝置或過程（統(tǒng)稱為控制對象）自動的按照給定的規(guī)律運行，使被控變量能按照給定的規(guī)律變化。系統(tǒng)是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件）的組合，它們互相作用、互相依存，并能完成一定的任務(wù)。能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可以稱為自動控制系統(tǒng)。自動控制原理是以自動控制的基本原理和分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的基本方法?？刂评碚摪ń?jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論主要是以傳遞函數(shù)為工具和基礎(chǔ)，以頻域法和根軌跡法為核心，研究單輸入、單輸出一類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題?，F(xiàn)代控制理論從 1960 開始得到迅速發(fā)展。它以狀態(tài)空間方法作為標志和基礎(chǔ)，研究多變量、多輸入、多輸出、定常數(shù)或變參數(shù)、線性或非線性一類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。 [1] 控制系統(tǒng)的組成和性能要求控制系統(tǒng)中控制對象以外的元部件統(tǒng)稱為控制元件。由于控制對象的不同，控制系統(tǒng)也是各種各樣的。但是根據(jù)控制元件在系統(tǒng)中的功能和作用，可將控制元件分成 4 大類。 （如圖 212）(圖 212 控制系統(tǒng)的典型功能框圖)當控制系統(tǒng)受到各種干擾（擾動）或人為要求給定值（參考輸入）改變時，被控量就會發(fā)生變化，偏離給定值。通過系統(tǒng)的自動控制作用，經(jīng)過一段的過渡過程，被控量又恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)值或穩(wěn)定到一個新的給定值。這時系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)過渡到一個新的平衡狀態(tài)，我們把被控量在變化中的過渡過程稱為動態(tài)過程（即隨時間而變的過程） ，而把被控量處于平衡狀態(tài)時稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。對控制系統(tǒng)最基本的要求是必須穩(wěn)定，具體穩(wěn)態(tài)誤差可以多大，要根據(jù)具體的生產(chǎn)過程的要求而定。對于一個好的控制系統(tǒng)來說，我們希望控制系統(tǒng)的動態(tài)過程不僅是穩(wěn)定的，穩(wěn)態(tài)誤差越小越好，過渡過程時間（又稱調(diào)整時間）越短越好，振蕩幅度越小越好，衰減得越快越好。綜上所述，對于一個控制系統(tǒng)的性能要求可以概括為三個方面：穩(wěn)定性、快速性和準確性。（1）穩(wěn)定性（穩(wěn)） 一個控制系統(tǒng)的最基本的要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能工作的。如何判斷系統(tǒng)是穩(wěn)定的，有很多科學(xué)家發(fā)明的穩(wěn)定判據(jù)（如勞斯穩(wěn)定判據(jù)、赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)、李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)和伯德定理等）（2）快速性（快）在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望控制過程（過渡過程）進行得越快越好，但是有矛盾，如果要求過渡過程時間很短，可能使動態(tài)誤差（偏差）過大。合理的設(shè)計應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。（3）準確性（準）即要求動態(tài)誤差（偏差）和穩(wěn)態(tài)誤差（偏差）都越小越好。當與快速性有矛盾時，應(yīng)兼顧兩方面的要求。 [7] 控制系統(tǒng)分析方法(1) 控制系統(tǒng)的時域分析時域分析法是根據(jù)自動控制系統(tǒng)微分方程，用拉普拉斯變換來求解動態(tài)響應(yīng)的過程曲線。典型的動態(tài)過程有單位階躍響應(yīng)、單位斜坡響應(yīng)、單位加速度響應(yīng)、單位沖激響應(yīng)等。時域分析的另一個目的是求解響應(yīng)的性能指標。通常將控制系統(tǒng)跟蹤或復(fù)現(xiàn)階段輸入信號響應(yīng)的指標作為系統(tǒng)控制性能的指標。階躍響應(yīng)的一般性能指標有：峰值時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間及穩(wěn)態(tài)誤差。在 MATLAB 中實現(xiàn)時域分析有兩種方法，一是 MATLAB 的函數(shù)指令方式，如求取連續(xù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)函數(shù)step(),單位沖激函數(shù) impulse(),零輸入響應(yīng)函數(shù) initial()等；另一種是在Simulink 窗口菜單操作方式下進行時域仿真。(2) 控制系統(tǒng)的頻域分析控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析研究控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。當建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，就可以采用各種方法分析系統(tǒng)的運動模態(tài)。在經(jīng)典控制理論中，常用的工程分析方法有頻域分析法、根軌跡法。頻域分析法是應(yīng)用頻率特性研究控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法。這種方法可以直觀地表達出系統(tǒng)的頻率特性，而且分析方法比較簡單，物理概念比較明確。對于引入防止結(jié)構(gòu)諧振、抑制噪聲、改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和暫態(tài)性能等問題，都可以從系統(tǒng)的頻率特性上明確地看出其物理實質(zhì)和解決途徑。 新型 PID 控制設(shè)計思想的現(xiàn)代控制理論 最優(yōu)控制最優(yōu)控制理論是現(xiàn)代控制理論中的重要內(nèi)容，近幾十年的研究與應(yīng)用使最優(yōu)控制理論成為現(xiàn)代控制論中的一大分支。應(yīng)用最優(yōu)控制理論和方法可以在嚴密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上找出滿足一定性能優(yōu)化要求的系統(tǒng)最優(yōu)控制律，這種控制律可以是時間的顯式函數(shù)，也可以是系統(tǒng)狀態(tài)反饋或系統(tǒng)輸出反饋的反饋律。常用的最優(yōu)化求解方法有變分法、最大值原理以及動態(tài)規(guī)劃法等。最優(yōu)控制問題一般提法為：對于某個由動態(tài)方程描述的系統(tǒng)，在某初始和終端狀態(tài)條件下，從系統(tǒng)所允許的某控制系統(tǒng)集合中尋找一個控制，使得給定的系統(tǒng)的性能目標函數(shù)達到最優(yōu)。 魯棒控制控制系統(tǒng)的魯棒性研究是近年來現(xiàn)代控制理論研究的熱點和前沿課題。所謂“魯棒性”是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)、大?。﹨?shù)的擾動下，維持某些性能的特性。在設(shè)計控制系統(tǒng)前，需要對被研究對象進行建模，系統(tǒng)控制器的設(shè)計一般是理想模型情況下完成的。如果事先對系統(tǒng)的建模比較精確，換句話說，所建立的系統(tǒng)模型能夠完全反映實際系統(tǒng)的動態(tài)屬性，則按照該模型設(shè)計的控制器在實際環(huán)境中仍然可以保證它的穩(wěn)定性。然而在實際工程應(yīng)用中，許多系統(tǒng)存在外界干擾和系統(tǒng)參數(shù)擾動等不穩(wěn)定性因素，有些系統(tǒng)還存在沒有或無法進行數(shù)學(xué)建模的部分，在設(shè)計過程中希望所設(shè)計的控制器即使在這些不確定性因素的影響下仍然可以使得系統(tǒng)保持穩(wěn)定，也就是說，所設(shè)計的控制系統(tǒng)具有一定的魯棒性。魯棒多變量反饋控制的設(shè)計問題可以簡單地描述為系統(tǒng)設(shè)計控制規(guī)律使系統(tǒng)在環(huán)境或系統(tǒng)本身的不確定性影響下仍然具有指定容許誤差范圍內(nèi)的系統(tǒng)響應(yīng)和系統(tǒng)誤差。 [16] 智能控制現(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀性、穩(wěn)定性，以及許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。但是，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，形成了復(fù)雜大系統(tǒng)，導(dǎo)致了控制對象、控制器及控制任務(wù)和目的日益復(fù)雜化，從而導(dǎo)致現(xiàn)代控制理論的成果很少在實際中得到應(yīng)用。第三代控制理論，即智能控制理論就是在這樣的背景下提出來的，它是人工智能和自動控制交叉的產(chǎn)物，是當今自動控制科學(xué)的出路之一。 “智能控制”概念是美國普度大學(xué)電氣工程系的美籍華人傅京孫教授于 1970 年提出的。智能控制是指驅(qū)動智能及其自動地實現(xiàn)其目標的過程。也就是說，智能控制是一類無需人的直接干預(yù)就能獨立地驅(qū)動智能及其實現(xiàn)其目標的自動控制。智能控制的基礎(chǔ)是人工智能、控制論、運籌學(xué)和信息論等學(xué)科的交叉。 PID 設(shè)計與實現(xiàn)自從計算機進入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機模擬計算機調(diào)節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實現(xiàn) PID 控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使得 PID 控制更加靈活。數(shù)字 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種最普通采用的控制方法，在機電、冶金、機械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。將偏差的比例(Proportion)、積分（Integrator） 、微分（Derivative）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 基于單片機優(yōu)化的 PID 控制系統(tǒng)“實驗箱”功能分析（圖 31 單片機 PID 控制實驗箱系統(tǒng)框圖）（1） 實現(xiàn) PC 計算機與單片機“實驗箱” （如圖 3－1）的程序指令通訊，采用串口COM(RS232)或并口 EPP。RS232:是個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的異步傳輸標準接口。通常 RS232 接口以 9 個引腳 (DB9) 或是 25 個引腳 (DB25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組 RS232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。EPP 口（EnhancedParallelPort，增強并行口）: 目的是在外部設(shè)備間進行雙向通信，在輸入輸出數(shù)據(jù)時表現(xiàn)得很出色。如果在使用外置式驅(qū)動器（例如活動硬盤） ，一般來說要將其連接在使用 EPP 功能的并行口上，才能獲得良好的性能。ECP（Extended Capabilities Ports, 擴 展 功 能 端 口）：以一種壓縮的技術(shù)方式來雙向傳輸數(shù)據(jù)，其傳輸速度可達 2MB/s，這種壓縮的方式在向打印機傳送圖形數(shù)據(jù)時顯得特別有效。單片機接收（程序控制/數(shù)據(jù)）信令，經(jīng) DAC(數(shù)/模)轉(zhuǎn)換輸出 R(s)，作為誤差比較器的參考輸入指令信號。（2） 經(jīng)實驗箱輸出信號 C(s)被控變量，作為單位負反饋 y=C(s)信號與參考輸入信號 R（s）相加，產(chǎn)生偏差信號 e(s)=R(s)C(s） 。（3） 在單回路控制系統(tǒng)中，由于輸入、系統(tǒng)本身固有、擾動作用等因素使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元將來自測量元件（變送器）測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、微分(PID)運算，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、也為及其他工藝參數(shù)的自動控制。根據(jù)實驗箱具體對象（數(shù)學(xué)模型） ，合理優(yōu)化 PID（kp,ki,kd）參數(shù)算法程序設(shè)計從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，提升響應(yīng)速度，增加相位裕度，有利于加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能指標。（4） 執(zhí)行元件直接帶動控制對象，直接改變被控變量。例如：機電控制系統(tǒng)中的各種電動機，液動控制系統(tǒng)中的液壓馬達，溫度控制系統(tǒng)中的加熱器等，執(zhí)行元件有時也被歸入控制對象中。（5） 對實驗箱中的“執(zhí)行元件/控制對象”以及測量元件的數(shù)學(xué)建模和功能仿真，根據(jù)傳遞函數(shù)，穩(wěn)態(tài)誤差、以及動態(tài)性能指標，對控制系統(tǒng)的基本要求 3 個方面：穩(wěn)定性、準確性（穩(wěn)態(tài)精度） 、快速性和平穩(wěn)性（動態(tài)性能）給出客觀評價。當系統(tǒng)由于自身元件老化等物理狀態(tài)所引起的不穩(wěn)定因素，根據(jù)實際需求，采用復(fù)合型控制方法，設(shè)計增加相應(yīng)的補償網(wǎng)絡(luò)，在不改變系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，減少和消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高響應(yīng)速度、加強整個系統(tǒng)的信號跟蹤能力和抗干擾能力。