【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 減小，提高控制精度；當(dāng)Td偏大時(shí)，超調(diào)量σp較大，調(diào)解時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)Td偏小時(shí)，超調(diào)量σp也較大，調(diào)解時(shí)間ts也較長(zhǎng)。只有合適時(shí)，可以得到比較滿意的過程。 PID控制器參數(shù)設(shè)定及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器有4個(gè)主要的參數(shù)Ts、Kp、Ti和Td需要整定，參數(shù)整定效果的影響非常大。在整定參數(shù)時(shí)首先應(yīng)把握住PID參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能之間的關(guān)系。在PID這三種控制作用中，比例部分與誤差信號(hào)在時(shí)間上是一致的，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)，比例系統(tǒng)Kp越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度越高。但是對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，Kp過大會(huì)使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。控制器中的積分作用與當(dāng)前誤差的大小和誤差的歷史情況有關(guān)系，只要誤差不為0，控制器輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，積分部分才不會(huì)發(fā)生變化，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動(dòng)作緩慢，可以給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不良影響，因此很少單獨(dú)使用。積分時(shí)間常數(shù)Ti增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的進(jìn)度減慢。誤差變化的速度反映了被控量變化的趨勢(shì)，微分部分根據(jù)它提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。它較比例調(diào)節(jié)更為及時(shí)，所以微分部分具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)Td增大時(shí)，可能會(huì)使超調(diào)量減小，動(dòng)態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)可能上升慢。選取采樣周期Ts時(shí)，應(yīng)使它遠(yuǎn)小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時(shí)間或上升時(shí)間。為使采樣值能及時(shí)反映模擬量的變化，Ts越小越好。但是Ts太小會(huì)增加CPU的運(yùn)算速度，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不宜將TS取得過小，在過程控制中采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)溫度一般Ts=20s。（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，使用方便PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量較小，各參數(shù)有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級(jí)控制等復(fù)雜的控制。（2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式，例如Pi、Pd、帶死區(qū)的PID、被控量微分PID、積分分離PID和變速積分PID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。 52 電加熱爐積分分離PID控制的仿真研究MATLAB/SIMULINK環(huán)境是一種系統(tǒng)仿真工具軟件，其使用可大大提高系統(tǒng)仿真和CAD的效率和可靠性。SIMULINK的含義相當(dāng)直觀，其明顯地表明該軟件的2個(gè)顯著功能：simu（仿真）與link（連接），亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真或線形化分析?？垢蓴_能力（1）為了保護(hù)電路的性能，電阻全部選用精密電阻，電容選用高阻抗優(yōu)質(zhì)電容，并且進(jìn)行篩選配套。要求印制電路板的絕緣質(zhì)量要好，布線安排要合理。實(shí)踐證明，布線的安排對(duì)電路的性能影響是明顯的。（2）采用屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)。以金屬材料例如鐵制的封閉金屬盒具有電磁屏蔽功能?？墒蛊帘魏袃?nèi)的電路免受外界干擾電場(chǎng)、磁場(chǎng)的影響。在控制電路中設(shè)置了光電隔離電路，可以防止強(qiáng)電和弱電共地對(duì)單片機(jī)的干擾。將數(shù)字地、模擬地分開，最后在電源板一點(diǎn)共地，可有效的防止A/D輸入對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的共摸干擾。（3）電橋電源采用專用橋頭電源變壓器，整流后用大電容濾波，使橋路有一個(gè)很穩(wěn)定的電流。（4）微機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中供電系統(tǒng)抗干擾是很重要的。我們要在交流電源進(jìn)入處采用了隔離變壓器，并采用電源濾波技術(shù)。（5）采用軟件濾波法，提高軟件的可靠性。①程序高速循環(huán)法；②輸出反饋、表決和周期刷新；③存儲(chǔ)器使用技巧；④實(shí)時(shí)診斷技術(shù)；⑤數(shù)字濾波技術(shù)。東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)圖及分析3 控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)圖及分析對(duì)于電阻爐溫度控制，采用了適用于工業(yè)控制的8051單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的被測(cè)參數(shù)是電阻爐的溫度，由單片機(jī)PID運(yùn)算得出的控制量去控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以便切斷或接通加熱電源，調(diào)整電工功率，從而控制電阻爐的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。本文的控制算法采用的是普通的PID控制算法： 積分分離PID控制算法PID控制系統(tǒng)的原理和特點(diǎn) 在實(shí)際中，運(yùn)用的PID控制，即所謂的為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。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)，或者是控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)較方便。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(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。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)算出控制量進(jìn)行控制的。例如設(shè)計(jì)一個(gè)PID控制系統(tǒng)框圖，運(yùn)用純滯后環(huán)節(jié)，設(shè)置溫度為1400度。當(dāng)只有比例（P）控制時(shí)，我們?cè)贛ATLAB上可以設(shè)計(jì)出只有P的控制框圖，框圖如下：圖31 比例的控制框圖將此圖進(jìn)行仿真（以上比例（P）的設(shè)定數(shù)據(jù)，可以在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)調(diào)試，最終當(dāng)P為20時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真出來的圖形得出此時(shí)系統(tǒng)的溫度設(shè)定相對(duì)穩(wěn)定）。得出的仿真圖如下：圖32 比例仿真圖比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(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）。由圖我們不難發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題。則須采用積分（I）控制積分（I）控制 。在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(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(jiǎn)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)誤差取決于時(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。 我們可以用仿真實(shí)驗(yàn)來說明這個(gè)問題。（數(shù)據(jù)的設(shè)置，可以經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，根據(jù)仿真圖來設(shè)定）圖33 PI控制系統(tǒng)框圖由以上的控制系統(tǒng)框圖，我們可以得出的仿陣圖如下：圖34 PI仿真圖由以上的仿真圖，我們可以得出與只有P時(shí)相比，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能有所緩和，但是由圖我們也不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的超調(diào)量還是很高， 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(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組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”“積分”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(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制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)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+積分+微分(PID)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。通常，電加熱爐溫度控制采用偏差控制法，偏差控制的原理是先求出實(shí)測(cè)爐溫對(duì)所需爐溫的偏差值，然后對(duì)偏差值處理而獲得控制信號(hào)去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。例如我們也可以運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)來說明問題，還是以以上實(shí)驗(yàn)為例?？刂葡到y(tǒng)的框圖如下：圖35 PID系統(tǒng)控制框圖以上數(shù)據(jù)的調(diào)試，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)中仿真系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)試的。當(dāng)最終確定為以上數(shù)據(jù)時(shí)，我們得出的控制系統(tǒng)的仿真圖如下：圖36 PID系統(tǒng)仿真圖由以上三組仿真出來的圖形，我們可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能確實(shí)是逐步得到改善。但是對(duì)于以上的仿真圖，我們也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能在最后即使得到了逐步的改善，但是最終系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能也不是很好，這就要求我們?cè)谙到y(tǒng)的設(shè)置上采用一種更好的控制方案，這里選用史密斯預(yù)估補(bǔ)償方案。設(shè)計(jì)的史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制框圖如圖29：37 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制框圖由以上的控制框圖，我們可以得出以下的仿真圖圖38史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制仿真圖由仿真圖我們可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了很大的改善。因此說，經(jīng)過預(yù)估補(bǔ)償后，閉環(huán)控制方程中已消去了，也就是消除了時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)的不利的影響。對(duì)于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，控制過程僅在時(shí)間上推遲了時(shí)間t ，這樣，系統(tǒng)的過度過程狀態(tài)與品質(zhì)和無時(shí)滯的完全相同。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，控制作用要比擾動(dòng)滯后一個(gè)t 時(shí)間，所以控制效果不及歲動(dòng)控制系統(tǒng)那樣明顯。史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的應(yīng)用近年才日益普遍。主要原因是物理實(shí)現(xiàn)問題。但隨著電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用，特別是DCS系統(tǒng)中事實(shí)跟尾方便。這種補(bǔ)償器不僅可用于單輸入單輸出系統(tǒng)，也可用于多輸入多輸出系統(tǒng)。史密斯預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)大時(shí)滯過程盡可能提供很好的控制質(zhì)量，但遺憾的是，其控制質(zhì)量對(duì)模型誤差十分敏感，特別是時(shí)滯時(shí)間和增益誤差。所以對(duì)非線形嚴(yán)重或時(shí)變?cè)鲆娴倪^程，這種對(duì)非線性史密斯預(yù)估補(bǔ)償器是不太適用的[7]。 占空比函數(shù)設(shè)定U(k)變化量是從10到10，占空比α為0%到100%，則得到變化量k的值： （31） （32）則α與U(k)的關(guān)系式為 （33） （34） （35）設(shè)電源導(dǎo)通周期為20ms，則在一個(gè)周期內(nèi)加熱的時(shí)間Ton=αT。在加熱的過程中，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)置的溫度時(shí)，根據(jù)占空比我們可以求算出在一個(gè)周期內(nèi)加熱的時(shí)間。這樣避免了能源的浪費(fèi)，更重要的是避免了加熱中溫度不能達(dá)到設(shè)定值。由以上的公式，我們可以研究出一個(gè)這樣的結(jié)論，在10到10之間，表31 由U（k）和占空比得出加熱時(shí)間u(k)109876543210a1Ton2019181716151413121110 1234567891009876543210由以上的表格我們可以看出， U(k)與加熱時(shí)間是成反比，U(k)越高，則加熱的時(shí)間越短。則在實(shí)際電加熱爐控制系統(tǒng)中，我們可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置的數(shù)據(jù)運(yùn)算出占空比，然后根據(jù)占空比計(jì)算出加熱時(shí)間。東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 　　　　　　　　　　　 結(jié)論 　　　　結(jié)論 本文所設(shè)計(jì)的電加熱爐是通過調(diào)節(jié)輸入電壓從而來控制輸出溫度的。電壓是控制好電加熱爐溫度的重要參數(shù)?？刂坪眠@一參數(shù)能較好地保證溫度的穩(wěn)定。這里以電加熱爐為被控對(duì)象，通過對(duì)電加熱爐對(duì)象的特性的分析來確定電加熱爐系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方案，建立了電加熱爐數(shù)學(xué)模型，同時(shí)應(yīng)用PID控制算法來實(shí)現(xiàn)電加熱爐的溫度控制。而對(duì)于系統(tǒng)采用積分分離PID智能控制，可以達(dá)到理想的控制效果：控制方案合理，穩(wěn)定精度高，超調(diào)量小。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，抗干擾性強(qiáng)。能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前溫度，便于監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)于普通的PID算法，也存在著局限性。一般來說所有的工業(yè)控制對(duì)象都具有時(shí)滯的對(duì)象。衡量過程（對(duì)象）時(shí)滯的大小通常采用過程時(shí)滯t和過程等效時(shí)間常數(shù)T之比t/T。它們之比越大越不容易控制，當(dāng)t/。對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)能夠采用PID控制規(guī)律，如果要求不高，則可以差強(qiáng)人意，如果希望有良好的控制品質(zhì)，就難于滿足。對(duì)于這些問題，我們可以嘗試運(yùn)用史密斯預(yù)估方案。運(yùn)用這個(gè)方案，主要一個(gè)原因就是消除了時(shí)滯對(duì)控制品質(zhì)不利的影響。確實(shí)史密斯預(yù)估補(bǔ)償器對(duì)大時(shí)滯過程盡管提供了很好的控制質(zhì)量，但是其控制質(zhì)量對(duì)模型誤差十分敏感，特別是時(shí)滯時(shí)間和增益誤差。所以說對(duì)于非線性嚴(yán)重或時(shí)變?cè)鲆娴倪^程，這種線性史密斯預(yù)估器是不太適用的。此外在設(shè)計(jì)中也應(yīng)用了占空比，應(yīng)用占空比的主要原因是為了可以更好的控制電加熱爐的溫度，因?yàn)殡娂訜釥t的溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，如果能夠知道任何溫度時(shí)的占空比，則不但可以正確的控制溫度在一定的范圍，而且還可以節(jié)省能源。此外最重要的是在溫度控制過程中采用了微機(jī)控制，應(yīng)用微機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，不但可以節(jié)省人力，而且精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類手工控制溫度 。以上是我在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)小結(jié)！東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 　　　　　　　　　 致謝 　　　　東華理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）