【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 使系統(tǒng)性能得到改善。 不完全微分 PID 的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中圖 13是將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上。可以有效抑制干擾信號(hào)的影響，改善系統(tǒng)性能。 帶死區(qū)的數(shù)字 PID 算法 在許多實(shí)際的控制系統(tǒng)中，并不要求被控量十分精確地與設(shè)定值相等，完全無(wú)差，而是容許偏差在 一定范圍內(nèi)變化。在這種情況下，計(jì)算機(jī)控制中為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，以消除由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)或閥門的頻繁動(dòng)作所引起的系統(tǒng)振蕩，有時(shí)采用所謂帶死區(qū)的 PID 算法，也稱帶不靈敏區(qū)的算法。該算法是在原 PID算法的前面增加一個(gè)不靈敏區(qū)的非線性環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即 死區(qū) B是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，其大小一般應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)被控量穩(wěn)態(tài)精度的要E(S) 1pDfKTsTs?piKTspK()Us圖 13 不完全微分 PID 結(jié)構(gòu) () 1 pDffK T sGs Ts? ?( ) | ( ) |() 0 | ( ) |e k e k Bpk e k B??? ? ??華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 求以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定。 需要指出的是，死區(qū)是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，不能像線性環(huán)節(jié)一樣隨便移到 PID控制器的后面，對(duì)控制量輸出設(shè)定一個(gè)死區(qū)，這樣做的效果是完全不同的。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有時(shí)為了延長(zhǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或 閥門使用壽命，有一種錯(cuò)誤的做法，即不按設(shè)計(jì)規(guī)范的要求片面地增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)或閥門的回程誤差（簡(jiǎn)稱回差），希望能避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)或閥門頻繁動(dòng)作，這就相當(dāng)于將死區(qū)移到了 PID 控制器后面，這樣有時(shí)會(huì)得到適得其反的效果。 使用在 PID 前面帶有死區(qū)的算法，在一定程度上可以抑制由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在回差而可能產(chǎn)生的控制量來(lái)回振蕩現(xiàn)象。 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行處理、高度的容錯(cuò)性和魯棒性、自組織學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)處理等特點(diǎn)，可構(gòu)造有效地用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)的只能控制器。 單神經(jīng)元控制器繼承了常規(guī) PID 控 制器的簡(jiǎn)單、實(shí)用、易于在 DCS 系統(tǒng)中通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)整參數(shù)少，易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，控制品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID控制器。實(shí)用經(jīng)典的神經(jīng)元智能控制器算法如圖 14： 圖 16中 1( ) ( )x k e k? ，表示系統(tǒng)誤差 2 ( ) ( ) ( 1)x k e k e k? ? ? ，表示一階差分 3 ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )x k e k e k e k? ? ? ? ? ，表示誤差積累 本文主要內(nèi)容 首先，本文介紹了 PID的改進(jìn)方法目前的研究現(xiàn)狀，介 紹了各種常用方法的圖 14 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 模型，結(jié)構(gòu)，并著重闡述了積分分離算法，抗飽和積分算法，微分項(xiàng)的改進(jìn)算法，帶死區(qū)的數(shù)字 PID 算法，這四種方法的結(jié)構(gòu)和具體算法過(guò)程。 然后以四種方法為基礎(chǔ)，在 VC 平臺(tái)上使用 C 語(yǔ)言編寫改進(jìn)程序，其中選用具有滯后特性的熱工被控對(duì)象并仿真最終結(jié)果。仿真結(jié)果表明 : 對(duì)于不同的要求不同的改進(jìn)程序會(huì)有更好更穩(wěn)定的仿真結(jié)果相比較常規(guī) PID。 本論文的章節(jié)安排 第一章 緒論 簡(jiǎn)單論述了選題的意義和重要性以及 PID 改進(jìn)算法的研究現(xiàn)狀，并闡述了論文的理論依據(jù)，說(shuō)明了本論文所采用算法的可行性和必要性。最 后介紹了本文所作的主要工作和文章的結(jié)構(gòu)安排。 第二章 PID 改進(jìn)控制算法設(shè)計(jì) 在各種常用的 PID改進(jìn)算法中著重選取四種改進(jìn)控制算法，繪制程序流程圖，展示明確的判斷運(yùn)算過(guò)程。 第三章 程序設(shè)計(jì) 在 VC 平臺(tái)上，使用 C++語(yǔ)言，描述重要的程序中變量以及程序中重要語(yǔ)句的說(shuō)明。選用一個(gè)典型的熱工被控對(duì)象，具有一定的滯后特性，經(jīng)過(guò)四種改進(jìn)程序比較仿真結(jié)果。 最后是結(jié)論與展望 本部分總結(jié)了本論文的成果和不足，提出以后應(yīng)該注意和改進(jìn)的地方，并且總結(jié)在編寫程序過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題以及解決方法。 第 2 章 PID 改進(jìn)控制算 法設(shè)計(jì) 積分分離算法 積分分離控制基本思路是 :當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí) ,取消積分作用 ,以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低 ,超調(diào)量增大 。當(dāng)被控量接近給定值時(shí) ,引入積分控制 ,以便消除靜差 ,提高控制精度。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 : (1)根據(jù)具體系統(tǒng) ,人為設(shè)定閾值Δ 0； (2)當(dāng)時(shí) |e(k)|Δ ,采用 PD 控制 ； (3)當(dāng)時(shí) |e(k)|Δ ,采用 PID 控制 ； 積分分離控制算法可表示為 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 0( ( ) ( 1 ) )( ) ( ) ( )k dp i sj sk e k e ku k k e k k e j T T????? ? ?? 其中 sT 為采樣時(shí)間， ? 為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)： 1 | ( ) |0 | ( ) |ekek ?? ???? ? ?? 積分分離 PID 控制算法的程序框圖如圖 21所示 ： 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 抗積分飽和算法 當(dāng)系統(tǒng)存在一個(gè)方向的誤差時(shí)，由于積分的累加作用會(huì)使控制量一直增大，可能會(huì)使控制量達(dá)到執(zhí)行器的執(zhí)行閾值，如果此時(shí)誤差的方向發(fā)生改變，控制量會(huì)逐漸減小，控制量也會(huì)退出飽和區(qū)，執(zhí)行器也會(huì)在閾值內(nèi)執(zhí)行；如果此時(shí)誤差方向還是沒(méi)有改變，控制量會(huì)繼續(xù)增大但是執(zhí)行器會(huì)一直保持在閾值，此時(shí)控制量就進(jìn)入了飽和區(qū)。進(jìn)入飽和區(qū) 越深，退出飽和區(qū)時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，在飽和區(qū)時(shí)執(zhí)行器會(huì)一直在閾值位置，如果誤差發(fā)生反向，執(zhí)行器不會(huì)立刻有反應(yīng)，控制量會(huì)PID 控制算法 開(kāi)始 采樣輸入 r（ k） 輸出 y（ k） 計(jì) 算 誤 差 e(k)=r(k)y(k)??|e(k)|PD控制算法 計(jì)算控制量 u（ k） 輸出控制 Y N 圖 21 積分分離算法程序控制流程圖 數(shù)據(jù)更新 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 慢慢減小，等執(zhí)行器推出飽和區(qū)才會(huì)有反應(yīng)。這樣就會(huì)使控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差，控制性能變差。抗積分飽和算法 。 若 max()u k U? ，只累加負(fù)的誤差；若 min()u k U? ，只累加正的誤差。這樣就可以避免積分飽和現(xiàn)象。 下圖 22 為抗積分飽和算法在 PID 改進(jìn)過(guò)程中的程序框圖。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 不完全微分 PID 控制 Y PID 控制算法 開(kāi)始 采樣輸入 r（ k） 輸出 y（ k） 計(jì) 算 誤 差 e(k)=r(k)y(k)PD控制算法 計(jì)算控制量 u（ k） 輸出控制 N 圖 22 抗積分飽和算法程序控制流程圖 數(shù)據(jù)更新 m in m a x( ) ( ) a n d ( ) 0u k U u k Uek???（ || ）華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 當(dāng)信號(hào)突變時(shí)， PID 控制的微分項(xiàng)輸出的控制量可能比較大，尤其是階躍信號(hào)時(shí)，微分項(xiàng)急劇增加，容易引起調(diào)節(jié)過(guò)程的振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)下降。不完全微分 PID控制算法就是采用一個(gè)帶慣性的微分環(huán)節(jié)來(lái)克服常規(guī) PID控制的這一缺點(diǎn)。它的控制結(jié)構(gòu)如圖 23所示。 微分先行 PID 控制 微分先行 PID 控制是只對(duì)輸出量進(jìn)行微分，而對(duì)給定指令不起微分作用，因此它適合于給定指令頻繁升降的場(chǎng) 合，可以避免指令的改變導(dǎo)致超調(diào)過(guò)大。 它的控制結(jié)構(gòu)如圖 24 所示： 帶死區(qū)的數(shù)字 PID 算法 在計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動(dòng)作的過(guò)于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)的 PID 控制。 在控制精度要求不高、控制過(guò)程要求平穩(wěn)的場(chǎng)合，可以人為的設(shè)置 一個(gè)不靈敏區(qū) B，即帶死區(qū)的 PID 控制。 ( ) | ( ) |() 0 | ( ) |e k e k Bpk e k B??? ? ?? 圖 23 不完全微分 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 圖 24 微分先行 PID 控制結(jié)構(gòu)圖 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 只有不在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，才按 PID 算式計(jì)算控制量。其程序框圖如圖 25，結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。 開(kāi)始 采樣輸入 r（ k） 輸出 y（ k） 計(jì) 算 誤 差 e(k)=r(k)y(k)?B?|e(k)|計(jì)算控制量 u（ k） 輸出控制 Yes No 圖 25 帶死區(qū)的計(jì)算機(jī) PID 控制系統(tǒng)控制流程圖 數(shù)據(jù)更新 ( ) 0pk? ( ) ( )p k e k?華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第 3 章 程序設(shè) 計(jì) 研究現(xiàn)狀和開(kāi)發(fā)工具的選擇 PID 改進(jìn)的編程與仿真在 matlab 平臺(tái)已經(jīng)有較多的實(shí)例，但在實(shí)際應(yīng)用中，matlab 程序并沒(méi)有簡(jiǎn)單的可執(zhí)行程序應(yīng)用廣泛，所以選擇面向?qū)ο蟮?C++語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言， VC作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)編寫 PID 改進(jìn)的程序。為什么要懸在 C++和 VC，因?yàn)?matlab 有強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，而 VC具有高效率的優(yōu)點(diǎn)。 首先：用 C++開(kāi)發(fā)效率很高。由于 OOP，對(duì)象會(huì)自己管理自己，這樣避免了很多維護(hù)的麻煩，加快了開(kāi)發(fā)速度 。 其次：從運(yùn)行角度上講，由于封裝引入的效率損失不一定比 C直接做差多少。所謂 C更具 優(yōu)勢(shì)對(duì)絕大多數(shù)程序員都是不成立的，因?yàn)槟阌梅?OOP 思想設(shè)計(jì)出的C程序，本身由于混亂維護(hù)造成的損失會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于封裝帶來(lái)的損失 現(xiàn)在已經(jīng)不是講那么細(xì)節(jié)的效率的時(shí)代了，對(duì)于幾個(gè)指令調(diào)用上的損失，往往會(huì)被人家忽略，人們更多的會(huì)關(guān)注項(xiàng)目的可重用性，可維護(hù)性和可讀性，這些C都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如 C++，所以選擇 C++和 VC++來(lái)編寫常見(jiàn) PID 改進(jìn)的編程研究和仿真實(shí)現(xiàn)。 程序說(shuō)明 完整程序見(jiàn)附錄， PID 算法程序?yàn)楦戒?1，仿真繪圖程序見(jiàn)附錄 2。 ()rtB B PID ()ekT()pk()ukT 0()Hs ()Gs()yt? ?圖 26 帶死區(qū)的計(jì)算機(jī) PID 控制系統(tǒng) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 PID 算法程序說(shuō)明 完整代碼共包括 4 個(gè)模塊，如圖 31： PID 算法 主 程序 主程序 為人機(jī)界面的編寫，和算法選擇的過(guò)程。 主要變量有： float a[100],y[100],rin,x=0,z=0,b,um,us,death。 int i。 char c。 a[100],y[100]：為數(shù)組，用來(lái)儲(chǔ)存經(jīng)過(guò)每個(gè)周期 T 后更新的 PID模塊輸出和最終的 Y輸出。 rin：為輸入，程序中賦值給單位階躍輸入。 x,z：是初始化數(shù)據(jù)，是實(shí)際微分 PID控制算法中，設(shè)置 du 和 u的初值為 0。 Um， us：人機(jī)界面時(shí)輸入的抗積分飽和 算法需要的上下限幅值，然后需要帶入子函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 B：在進(jìn)行積分分離算法中需要設(shè)定的偏差 Beta 值。 其中包括 switch 進(jìn)行選擇控制方法，界面如圖 32，包括： PID 的控制算法 改進(jìn)算法 PID 算法 圖 31PID 算法程序結(jié)構(gòu) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 PID 計(jì)算算法過(guò)程程序 pid pid 主要負(fù)責(zé)用在 中選擇的功能，來(lái)計(jì)算單位階躍響應(yīng)，并返回值到 ，然后儲(chǔ)存在 a[i],y[i]數(shù)組 中。 主要變量有： void PID::initial() { Kp =55。 /*比例增益 55*/ T =。 /*采樣周期 */ Ti =。 /*積分時(shí)間 */ Td =。 /*微分時(shí)間 */ Tf =。 /*慣性時(shí)間 */ caculate()。 } void PID::caculate() { C1 =(Tf/(T+Tf))。 /*增量型 PID運(yùn)算系數(shù)有C1,C2,C3,C4*/ C2 =(Kp*T*(1+T/Ti+Td/T)/(T+Tf))。 C3 =(0Kp*T*(1+2*Td/T)/(T+Tf))。 圖 32PID 算法程序運(yùn)行界面 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 C4 =(Kp*Td/(T+Tf))。 C22=(Kp*T*(1+Td/T)/(T+Tf))。 //C22 為第二種方法積分分離方法中 ,PD 算法的系數(shù) C23=(Kp*T*(1+Td/T)/(T+Tf))。 //C23 為第三種方法抗積分飽和中