【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)整定方法，使其在初始 化、抗干擾和魯棒性能方面進(jìn)一步增強(qiáng)，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(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)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(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信息量，使其易于在線整定。 ［ 4］ ③智能 PID 控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計(jì)劃設(shè)定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動(dòng)診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對(duì)原有PID 控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)；將預(yù)測控制、模糊控制和 PID 控制相結(jié)合，進(jìn)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(qiáng)、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括 :一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并將應(yīng)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(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的計(jì)算，同時(shí)提供了與其它高級(jí)語言的接口，是科學(xué)研究和工程應(yīng)用必備的工具。目前，在控制界 、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 本論文設(shè)計(jì)中 PID 參數(shù)的整定用到的是 Mat lab 中的 SIMULINK,它 是一個(gè)強(qiáng)大的軟件包 ，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)工作。用 SIMULINK 對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以預(yù)知效果，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，為設(shè)計(jì)人員提供參考。其仿真結(jié)果是否可用，取決于數(shù)學(xué)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(zhǔn)確。 ［ 8］ 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第二章 控制系統(tǒng)及 PID 調(diào)節(jié) 控制系統(tǒng)構(gòu)成 對(duì)控制對(duì)象的工作狀態(tài)能進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般由 控制器與控制對(duì)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(duì)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(duì)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(shè)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(shè)定值調(diào)為一致。 反饋 控制系統(tǒng)方塊圖一般如 圖 21 所示 ： 圖 21 反饋控制系統(tǒng)方塊圖 PID 控制 將感測與轉(zhuǎn)換器輸出的訊號(hào)與設(shè)定值做比較，用輸出信 號(hào)源 (210v 或 420mA)去控制最終控制組件。 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)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(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 60 年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)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(shí)候，便最適合用 PID 控制技術(shù)。 比例、積分、微分 1. 比例 比較組件 控制器 被控對(duì)象 感測與轉(zhuǎn)換 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 R 1R 2V iV o 圖 22 比例電路 12)()( RRViVott ?? )(12)( tt ViRRVo ??? 公式（ 21） 2. 積分器 R 1V iV o1 / S C 圖 23 積分電路 SCRS C RRSCViVott 1111111)()( ??????? ViSCRVo t 11 1)( ??? dtViCRVo t ??? 1)( 1 公 式 （ 22） V oR 21 / S CV I 圖 24 微分電路 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3. 微分器 SCRSCRViVott22)()( 1 ???? )(2)( tt SViCRVo ?? dtdViCRVo t 2)( ?? (式 23) 實(shí)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(jì)算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中如 公式（ 24）和（ 25） : u(t)=Kp(e(t)+Td dttde)( + ? dtteTi )(1 ) 公式 （ 24） U(s)=[ PK + ?SKi SKd ]E(s) 公式 （ 25） 公式中 U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換，pdd KKT ? ，iPKKTi? ，其中 PK 、 iK 、dK 分別為控制器 的比例、積分、微分系數(shù)［ 14］ 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(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(hào)的積分成正比關(guān)系。 對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)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，其變青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 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(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重地沖過頭。 所以對(duì)有較大慣性和（或）滯后的被控對(duì)象，比例 +微 分 (PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 ［ 12］ 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第三章 系統(tǒng)辨識(shí) 系統(tǒng)辨識(shí) (1) 所謂系統(tǒng)辨識(shí)即是在不知道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)特性辨識(shí)出來。 (2) 若 被控對(duì)象 的數(shù)學(xué)模式相當(dāng)線性 (linear)，且各項(xiàng)參數(shù)都可知道，則可用控制理論來 設(shè)計(jì) PID 控制器的系數(shù)大小。但實(shí)際的 被控對(duì)象 往往是非線性系統(tǒng)，且系統(tǒng)復(fù)雜，難以精確地用數(shù)學(xué)式表達(dá)。所以工業(yè)上設(shè)計(jì) PID 控制器時(shí)，常常使用實(shí)驗(yàn)方法而較少用理論來設(shè)計(jì)。調(diào)整 PID 控制器的方法中，最有名的是 ZieglerNichols 所提出的二個(gè)調(diào)整法則。這個(gè)調(diào)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(duì)象模型可以表示為 1)( ?? ?TsKesG Ls 公式（ 31） 在實(shí)際的過程控制系統(tǒng)中，有大量的對(duì)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(shí)驗(yàn)提取相應(yīng)的模型參數(shù) [5]。 (3) 將大小為 1 的階躍信號(hào)加到 被控對(duì)象如 圖 31 所示： 圖 31 將 階躍 信號(hào)加到 被控對(duì)象 對(duì)大多數(shù)的 被控對(duì)象 ，若輸入為階躍信號(hào)，則其輸出 c(t)大多 為 S 狀曲線，如下圖 32所示。這個(gè) S 狀曲線稱之為過程反應(yīng)曲線（ process reaction curve）。 L0 . 6 3 2 kkT ’T ”Tc ( t ) 圖 32被控對(duì)象的階躍響應(yīng)圖 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 (4) 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù) 空調(diào)方面： 圖 33空調(diào)系統(tǒng)示意圖 圖 34 空調(diào)系統(tǒng)方塊圖 由圖 33 及圖 34 可得知此系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)推導(dǎo)如下： QcQoQ ?? dtdTCRTQ ?? CSTRTQ ?? 11 ???? SRR CSRQT ? 公式（ 32） 系統(tǒng)特性圖 (1) 系統(tǒng)為制熱 使用最大信號(hào)去控制系統(tǒng)，直到穩(wěn)定之后，也就是熱到達(dá)無法再上升時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)特性就會(huì)出現(xiàn)，如下圖 35 所示： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 1 0 ℃5 0 ℃ 圖 35 系統(tǒng)制熱的特性圖 (2) 系統(tǒng)為制冷 使用最大信號(hào)去控制系統(tǒng)，直到穩(wěn)定之后，也就是冷到達(dá)無法再下降時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)特性就會(huì)出現(xiàn)，如下圖 36 所 示： 1 0 ℃3 0 ℃ 1 0 ℃3 0 ℃ 圖 36 系統(tǒng)制冷的特性圖 系統(tǒng)辨識(shí)方法 （ 1）一階系統(tǒng)帶有延遲特性 L0 . 6 3 2 kkaT ’T ”TC ( t ) 圖 37 一 階系統(tǒng)帶有延遲特性圖 此切線為最大斜率 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 一階系統(tǒng)1?TsK加一個(gè)傳遞 lse? 來近似 被控對(duì)象 ，則其近似轉(zhuǎn)移函數(shù)如 公式 33 所 示： 1)( ?? ?TsKesG Ls 公式（ 33） 其中 K、 T、 L 可由上圖 37 求得。 K： 穩(wěn)態(tài)時(shí)的大小。 T:時(shí)間常數(shù)。 ※注：系統(tǒng)越大，時(shí)間常數(shù)越大。 L： 延遲時(shí)間。 (2) K、 T、 L 的求法： K：如上 圖 所示， K 值相當(dāng)于 C(t)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的大小。 T 與 L：求 T 及 L 必須在 S 形狀曲線劃一條切線 (最大斜率 )，畫出切線之后， T 及 L 值 可以直接從圖上得知。 T 及 L 值與 C(t)及切線的關(guān)系如上 圖 37 所示。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第四章 PID 最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真 PID 參數(shù)整定法概述 參數(shù)整定方法 （ 1） Relay feedback ： 利用 Relay 的 onoff 控制方式，讓系統(tǒng)產(chǎn)生一定的周期震蕩，再用 ZieglerNichols 調(diào) 整法則去把 PID 值