【文章內容簡介】 減小，提高控制精度；當Td偏大時，超調量σp較大，調解時間較長。當Td偏小時，超調量σp也較大，調解時間ts也較長。只有合適時，可以得到比較滿意的過程。 PID控制器參數設定及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器有4個主要的參數Ts、Kp、Ti和Td需要整定，參數整定效果的影響非常大。在整定參數時首先應把握住PID參數與系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能之間的關系。在PID這三種控制作用中，比例部分與誤差信號在時間上是一致的，具有調節(jié)及時的特點，比例系統(tǒng)Kp越大，比例調節(jié)作用越強，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度越高。但是對于大多數系統(tǒng)，Kp過大會使系統(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前誤差的大小和誤差的歷史情況有關系，只要誤差不為0，控制器輸出就會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，積分部分才不會發(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，因此很少單獨使用。積分時間常數Ti增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的進度減慢。誤差變化的速度反映了被控量變化的趨勢，微分部分根據它提前給出較大的調節(jié)作用。它較比例調節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預測的特點。微分時間常數Td增大時，可能會使超調量減小，動態(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)值時可能上升慢。選取采樣周期Ts時，應使它遠小于系統(tǒng)階躍響應的純滯后時間或上升時間。為使采樣值能及時反映模擬量的變化，Ts越小越好。但是Ts太小會增加CPU的運算速度，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驗數據溫度一般Ts=20s。（1）結構簡單，容易實現，使用方便PID控制器的結構典型，程序設計簡單，計算工作量較小，各參數有明確的物理意義，參數調整方便，容易實現多回路控制、串級控制等復雜的控制。（2）有較強的靈活性和適應性根據被控對象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進的控制方式，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。隨著智能控制技術的發(fā)展，PID控制與神經網絡控制等現代控制方法結合，可以實現PID控制器的參數自整定，使PID控制器具有經久不衰的生命力。 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的含義相當直觀，其明顯地表明該軟件的2個顯著功能：simu（仿真）與link（連接），亦即可以利用鼠標器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真或線形化分析?？垢蓴_能力（1）為了保護電路的性能，電阻全部選用精密電阻，電容選用高阻抗優(yōu)質電容，并且進行篩選配套。要求印制電路板的絕緣質量要好，布線安排要合理。實踐證明，布線的安排對電路的性能影響是明顯的。（2）采用屏蔽技術、隔離技術和接地技術。以金屬材料例如鐵制的封閉金屬盒具有電磁屏蔽功能?？墒蛊帘魏袃鹊碾娐访馐芡饨绺蓴_電場、磁場的影響。在控制電路中設置了光電隔離電路，可以防止強電和弱電共地對單片機的干擾。將數字地、模擬地分開，最后在電源板一點共地，可有效的防止A/D輸入對單片機產生的共摸干擾。（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，使橋路有一個很穩(wěn)定的電流。（4）微機系統(tǒng)應用中供電系統(tǒng)抗干擾是很重要的。我們要在交流電源進入處采用了隔離變壓器，并采用電源濾波技術。（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存儲器使用技巧；④實時診斷技術；⑤數字濾波技術。東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析3 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析對于電阻爐溫度控制，采用了適用于工業(yè)控制的8051單片機組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的被測參數是電阻爐的溫度，由單片機PID運算得出的控制量去控制晶閘管的導通和關斷，以便切斷或接通加熱電源，調整電工功率，從而控制電阻爐的溫度穩(wěn)定在設定值上。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 在實際中，運用的PID控制，即所謂的為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，或者是控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術較方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。例如設計一個PID控制系統(tǒng)框圖，運用純滯后環(huán)節(jié)，設置溫度為1400度。當只有比例（P）控制時，我們在MATLAB上可以設計出只有P的控制框圖，框圖如下：圖31 比例的控制框圖將此圖進行仿真（以上比例（P）的設定數據，可以在實驗中反復調試，最終當P為20時，根據實驗仿真出來的圖形得出此時系統(tǒng)的溫度設定相對穩(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單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。由圖我們不難發(fā)現這個問題。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的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 我們可以用仿真實驗來說明這個問題。（數據的設置，可以經過反復調試，根據仿真圖來設定）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，系統(tǒng)的超調量還是很高， 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(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，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”“積分”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+積分+微分(PID)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(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測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調節(jié)電加熱爐的加熱功率，以實現對爐溫的控制。例如我們也可以運用仿真實驗來說明問題，還是以以上實驗為例?？刂葡到y(tǒng)的框圖如下：圖35 PID系統(tǒng)控制框圖以上數據的調試，是根據實驗中仿真系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能進行調試的。當最終確定為以上數據時，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)性能確實是逐步得到改善。但是對于以上的仿真圖，我們也發(fā)現系統(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，這就要求我們在系統(tǒng)的設置上采用一種更好的控制方案，這里選用史密斯預估補償方案。設計的史密斯預估補償控制框圖如圖29：37 史密斯預估補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史密斯預估補償控制仿真圖由仿真圖我們可以發(fā)現，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了很大的改善。因此說，經過預估補償后，閉環(huán)控制方程中已消去了，也就是消除了時滯對控制品質的不利的影響。對于隨動控制系統(tǒng)，控制過程僅在時間上推遲了時間t ，這樣，系統(tǒng)的過度過程狀態(tài)與品質和無時滯的完全相同。對于定值控制系統(tǒng)，控制作用要比擾動滯后一個t 時間，所以控制效果不及歲動控制系統(tǒng)那樣明顯。史密斯預估補償器的應用近年才日益普遍。主要原因是物理實現問題。但隨著電子計算機應用，特別是DCS系統(tǒng)中事實跟尾方便。這種補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)。史密斯預估補償器對大時滯過程盡可能提供很好的控制質量，但遺憾的是，其控制質量對模型誤差十分敏感，特別是時滯時間和增益誤差。所以對非線形嚴重或時變增益的過程，這種對非線性史密斯預估補償器是不太適用的[7]。 占空比函數設定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)的關系式為 （33） （34） （35）設電源導通周期為20ms，則在一個周期內加熱的時間Ton=αT。在加熱的過程中，當溫度達到設置的溫度時，根據占空比我們可以求算出在一個周期內加熱的時間。這樣避免了能源的浪費，更重要的是避免了加熱中溫度不能達到設定值。由以上的公式，我們可以研究出一個這樣的結論，在10到10之間，表31 由U（k）和占空比得出加熱時間u(k)109876543210a1Ton2019181716151413121110 1234567891009876543210由以上的表格我們可以看出， U(k)與加熱時間是成反比，U(k)越高，則加熱的時間越短。則在實際電加熱爐控制系統(tǒng)中，我們可以根據實際情況設置的數據運算出占空比，然后根據占空比計算出加熱時間。東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 　　　　　　　　　　　 結論 　　　　結論 本文所設計的電加熱爐是通過調節(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?？刂坪眠@一參數能較好地保證溫度的穩(wěn)定。這里以電加熱爐為被控對象，通過對電加熱爐對象的特性的分析來確定電加熱爐系統(tǒng)的構成及控制方案，建立了電加熱爐數學模型，同時應用PID控制算法來實現電加熱爐的溫度控制。而對于系統(tǒng)采用積分分離PID智能控制，可以達到理想的控制效果：控制方案合理，穩(wěn)定精度高，超調量小。結構簡單，調試方便，抗干擾性強。能夠實時顯示當前溫度，便于監(jiān)控。當然對于普通的PID算法，也存在著局限性。一般來說所有的工業(yè)控制對象都具有時滯的對象。衡量過程（對象）時滯的大小通常采用過程時滯t和過程等效時間常數T之比t/T。它們之比越大越不容易控制，當t/。對于大時滯系統(tǒng)能夠采用PID控制規(guī)律，如果要求不高，則可以差強人意，如果希望有良好的控制品質，就難于滿足。對于這些問題，我們可以嘗試運用史密斯預估方案。運用這個方案，主要一個原因就是消除了時滯對控制品質不利的影響。確實史密斯預估補償器對大時滯過程盡管提供了很好的控制質量，但是其控制質量對模型誤差十分敏感，特別是時滯時間和增益誤差。所以說對于非線性嚴重或時變增益的過程，這種線性史密斯預估器是不太適用的。此外在設計中也應用了占空比，應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，因為電加熱爐的溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調節(jié)的，如果能夠知道任何溫度時的占空比，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控制，應用微機進行自動控制，不但可以節(jié)省人力，而且精確度遠遠高于人類手工控制溫度 。以上是我在此次畢業(yè)設計中的設計小結！東華理工學院畢業(yè)設計（論文） 　　　　　　　　　 致謝 　　　　東華理工學院畢業(yè)設計（論文）