【導(dǎo)讀】dde\matlab\simulink. 一PIDcontroller

　　

【正文】 ID 控制器 比例積分微分控制器（ PID 調(diào)節(jié)器）是一個(gè)控制環(huán)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)里的反饋機(jī)制。 PID 控制器通過調(diào)節(jié)給定值與測(cè)量值之間的偏差，給出正確的調(diào)整，從而有規(guī)律地糾正控制過程。 PID 控制器算法涉及到三個(gè)部分：比例，積分，微分。比例控制是對(duì)當(dāng)前偏差的反應(yīng)，積分控制是基 于新近錯(cuò)誤總數(shù)的反應(yīng)，而微分控制則是基于錯(cuò)誤變化率的反應(yīng)。這三種控制的結(jié)合可用來調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)，例如調(diào)節(jié)閥的位置，或者加熱系統(tǒng)的電源調(diào)節(jié)。根據(jù)具體的工藝要求，通過 PID 控制器的參數(shù)整定，從而提供調(diào)節(jié)作用。控制器的響應(yīng)可以被認(rèn)為是對(duì)系統(tǒng)偏差的響應(yīng)。注意一點(diǎn)的是， PID算法不一定就是系統(tǒng)或系統(tǒng)穩(wěn)定性的最佳控制。 一些應(yīng)用可能只需要運(yùn)用一到兩種方法來提供適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)控制。這是通過把不想要的控制輸出置零取得。在控制系統(tǒng)中存在 P,PI,PD,PID 調(diào)節(jié)器。 PI 調(diào)節(jié)器很普遍，因?yàn)槲⒎挚刂茖?duì)測(cè)量噪音非常敏感。積分作用的缺乏可 以防止系統(tǒng)根據(jù)控制目標(biāo)而達(dá)到它的目標(biāo)值。 一個(gè)關(guān)于控制環(huán)類似的例子就是保持水在理想溫度，涉及到兩個(gè)過程，冷、熱水的混合。人可以憑觸覺估測(cè)水的溫度?；诖怂麄?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)控制行為：用冷水龍頭調(diào)整過程。重復(fù)這個(gè)過程，調(diào)節(jié)熱水流直到溫度處于期望的穩(wěn)定值。 感覺水溫就是對(duì)過程值或變量的測(cè)量。期望得到的溫度稱為給定值?？刂破鞯妮敵鰧?duì)象和過程的輸入對(duì)象稱為控制參數(shù)。測(cè)量值與給定值之間的差就是偏差值，太高、太低或正常。作為一個(gè)控制器，在確定溫度給定值后，就可以粗略決定改變閥門位置多少，以及怎樣改變偏差值。首次 估計(jì)即是 PID 控制器的比例度的確定。當(dāng)它幾乎正確時(shí)， PID 控制器的積分作用就是起著逐漸調(diào)整溫度的作用。微分作用就是根據(jù)水溫變得更熱、更冷，以及變化速率來決定什么時(shí)候、怎樣調(diào)整那些閥門。當(dāng)偏差小時(shí)而做了一個(gè)大變動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)大的調(diào)整控制器，會(huì)導(dǎo)致超調(diào)。如果控制器反復(fù)進(jìn)行大的變動(dòng)并且反復(fù)越過給定值的改變，控制環(huán)將會(huì)不穩(wěn)定。輸出值將在期望值或常量周圍擺動(dòng)，甚至破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。人不會(huì)這樣做，因?yàn)槲覀兪怯兄腔鄣目刂迫藛T，可以從歷史經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，但 PID 控制器沒有學(xué)習(xí)能力，必須正確的設(shè)定。為有效的控制系統(tǒng)選擇正確的參數(shù) 被稱為整定控制器。 如果控制器在零偏差從穩(wěn)定開始，然后進(jìn)一步的變化將導(dǎo)致其它一些影響過程的能測(cè)量、不能測(cè)量值的變化，并且作用于偏差值上。除主過程以外，其他的對(duì)擾動(dòng)有影響的過程可以用來抑制擾動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)值的改變。供給水溫的變化就構(gòu)成了對(duì)過程的一個(gè)擾動(dòng)。 理論上，控制器能用來控制可測(cè)量對(duì)象，以及可以影響偏差的輸出、輸入標(biāo)準(zhǔn)值的所有過程參數(shù)?？刂破髟诠I(yè)中被用來調(diào)節(jié)溫度，壓力，流速，化學(xué)組成，速度以及其它任何存在可測(cè)量的對(duì)象。汽車游覽控制就是一個(gè)自動(dòng)化的過程控制的例子。 控制器理論 注釋：這部分描述 PID控制器理想平行或非相互作用的形式。關(guān)于其他形式，請(qǐng)看“其它的表達(dá)式和 PID 形式”這部分。 PID 控制是根據(jù)它的三個(gè)參數(shù)而命名的，三參數(shù)結(jié)合起來就形成控制參數(shù)。因此： Pout， Iout 和 Dout 是控制器的三個(gè)參數(shù)，下面分別予以確 定。 比例度 比例度是根據(jù)當(dāng)前的錯(cuò)誤值而做出的變動(dòng)。比例度可以通過恒定的 Kp 增加來調(diào)整，稱為比例增益。 比例度計(jì)算如下： Pout:比例度 Kp：比例系數(shù)，協(xié)調(diào)參數(shù)。 e:偏差 =SPPV t:時(shí)間或瞬時(shí)時(shí)間（當(dāng)前的） 一個(gè)高的比例增益產(chǎn)生于一 種輸出值的大的變化。如果比例增益太高，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。響應(yīng)地，一個(gè)小的調(diào)整產(chǎn)生于一小的輸出變化，而如果比例增益太低，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)振蕩作出反映時(shí)，控制作用可能太小。 缺少擾動(dòng)的情況下，純粹的比例控制不能完全解決問題，但是將保留從過程中獲得的具有比例增益的功能的穩(wěn)態(tài)偏差。盡管有穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償，理論和工業(yè)實(shí)踐都表明比例度在輸出控制中起到大部分的作用。 積分值 積分值的大小與偏差的大小及持續(xù)時(shí)間成正比。根據(jù)即時(shí)的超時(shí)的錯(cuò)誤改正，進(jìn)行積累補(bǔ)償。積累的誤差通過積分調(diào)節(jié)后再作用于輸出。對(duì)總的控制作用的積分大小由積分時(shí)間常數(shù) 來決定，即 Ki，積分值計(jì)算如下： Iout：積分值 Ki:積分時(shí)間常數(shù)，協(xié)調(diào)參數(shù) e:偏差 =SPPV ζ：積分時(shí)間 積分值加速面向設(shè)定值的過程運(yùn)動(dòng)并且消除殘余的只與控制器發(fā)生作用的穩(wěn)態(tài)偏差。然而，因?yàn)榉e分從過去的積累誤差作出反應(yīng)，引起當(dāng)前的值越過設(shè)定值（跨過設(shè)定值向其它方向改變）。想了解更多的關(guān)于積分和控制器穩(wěn)定度的知識(shí)，請(qǐng)參見關(guān)于環(huán)路調(diào)諧的部分。 微分值 過程偏差的變化率通過超時(shí)錯(cuò)誤的斜率來計(jì)算（即它第一個(gè)關(guān)于調(diào)節(jié)的微分），并增加由微分時(shí)間常數(shù) Kd 引起的變化的速率。對(duì)整個(gè)控制行為的微分作用的大小稱為微分值 Kd。 微分值計(jì)算如下： Dout:微分輸出值 Kd:微分時(shí)間常數(shù)，協(xié)調(diào)參數(shù) e:偏差 =SPPV t:時(shí)間或瞬時(shí)時(shí)間（當(dāng)前的） 微分作用減緩了控制器輸出的變化率，這種效果最接近于控制器的給定值。因此，微分控制用來降低由積分部分產(chǎn)生的因素并改進(jìn)控制器過程控制的穩(wěn)定度。但是，信號(hào)噪音對(duì)偏差值非常敏感，而且如果噪音和微分度足夠大的話，將使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。 摘要 三種參數(shù)控制的輸出值，比例，積分和微分綜合起來能夠計(jì)算出 PID調(diào)節(jié)器的輸出，計(jì)算控制器輸出時(shí)， PID 算法的最終形式 u(t)為： 協(xié)調(diào)參數(shù)分別是： Kp:比例增益 — 偏差愈大時(shí)， Kp 也愈大，比例期補(bǔ)償更大。過大的比例增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定乃至崩潰。 Ki:積分， Ki 越大時(shí)，穩(wěn)態(tài)偏差會(huì)更迅速地被消除。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，在瞬態(tài)響應(yīng)期間組合的任何誤差必須分開。 Kd：微分。 Kd 越大時(shí)，越容易超調(diào)，但是不同擾動(dòng) 區(qū)域的信號(hào)噪音的瞬態(tài)響應(yīng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 二 Matlab 介紹 基于 MATLAB 的環(huán)境非常適合快速原型和應(yīng)用開發(fā)。交互式的編程環(huán)境，內(nèi)置的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，工具箱，編輯和調(diào)試工具，和部署選項(xiàng)都 有助于降低您的整體開發(fā)時(shí)間。 通過使用內(nèi)置的數(shù)學(xué)函數(shù)和許多專門職能的工具箱內(nèi)所載， MATLAB 的可顯著降低所花費(fèi)的時(shí)間來開拓原型。除了綜合編輯和調(diào)試工具，提供了一個(gè)基于MATLAB 的性能 Profiler 來幫助您進(jìn)一步優(yōu)化你的代碼編程時(shí)在 MATLAB 。 構(gòu)建應(yīng)用程序在復(fù)雜算法和圖形是比以往更容 易與圖形用戶界面生成，指導(dǎo)。重新設(shè)計(jì)的指南在 MATLAB 6 以節(jié)省您的時(shí)間。它提供了所有的拖放界面選項(xiàng)，你應(yīng)該預(yù)料到，如文本框，單選按鈕，復(fù)選框，列表框，滑塊，彈出菜單，框架等。 當(dāng)您準(zhǔn)備好您的應(yīng)用程序部署， MathWorks 公司提供了一些不同的選擇，讓您可以轉(zhuǎn)換或您 MATLAB 的接口適用于其他環(huán)境，包括 C / C + +和網(wǎng)絡(luò)。 MATLAB是最有生產(chǎn)力的發(fā)展環(huán)境，用于創(chuàng)建科學(xué)和工程應(yīng)用，因?yàn)樗峁┝藦?qiáng)大的工具，每一步的過程中，以降低您的整體開發(fā)時(shí)間。 基于 MATLAB 174。是一個(gè)高性能 的語言技術(shù)計(jì)算。它綜合計(jì)算，可視化，并規(guī)劃在一個(gè)易于使用的環(huán)境問題和解決辦法是在熟悉的表達(dá)數(shù)學(xué)符號(hào)。典型用途包括： ? 數(shù)學(xué)和計(jì)算 ? 算法開發(fā) ? 數(shù)據(jù)采集 ? 建模，仿真，原型 ? 數(shù)據(jù)分析，探索，可視化 ? 科學(xué)和工程制圖 ? 應(yīng)用軟件開發(fā)，包括圖形用戶界面建設(shè) 三 DDE介紹 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 (DDE， Dynamic data exchange)是應(yīng)用程序之間實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的有效方法，它是不同應(yīng)用程序之間共享數(shù)據(jù)的一個(gè)協(xié)議。 DDE協(xié)議是一種開放的、 與語言無關(guān)的、基于消息的協(xié)議，它允許多個(gè)應(yīng)用程序以任何人為約定的格式交換數(shù)據(jù)或命令。它是應(yīng)用程序通過共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間通信的一種形式，也是不需要用戶干預(yù)的很好的數(shù)據(jù)交換方法。 DDE 應(yīng)用程序可以分為四種類型：客戶、服務(wù)器、客戶 /服務(wù)器和監(jiān)視器。會(huì)話是 DDE 的一個(gè)基本概念。 DDE 會(huì)話發(fā)生在客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序之間?？蛻糌?fù)責(zé)初始化與服務(wù)員的會(huì)話以及控制會(huì)話流，從服務(wù)器應(yīng)用程序請(qǐng)求數(shù)據(jù)或服務(wù)；服務(wù)器應(yīng)用程序響應(yīng)客戶應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)或服務(wù)請(qǐng)求?？蛻?/服務(wù)器應(yīng)用程序既是客戶應(yīng)用程序又是服務(wù)器應(yīng)用程序，它既可發(fā)出 請(qǐng)求又可提供信息。監(jiān)視器應(yīng)用程序用于調(diào)試目的。 DDE應(yīng)用程序可擁有多重迸發(fā)會(huì)話，一個(gè)服務(wù)應(yīng)用程序可同時(shí)有多個(gè)客戶應(yīng)用程序，一個(gè)客戶應(yīng)用程序也可向多個(gè)服務(wù)應(yīng)用程序請(qǐng)求數(shù)據(jù)，而且一個(gè)應(yīng)用程序能同時(shí)充當(dāng)客戶應(yīng)用程序和服務(wù)應(yīng)用程序，當(dāng)不需要服務(wù)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)或服務(wù)時(shí)，客戶將終止會(huì)話。 DDE 協(xié)議規(guī)定會(huì)話中的消息必須同步控制，但應(yīng)用程序可以在不同的會(huì)話之間異步切換。 DDE應(yīng)用程序采用三層識(shí)別系統(tǒng)：應(yīng)用程序名（ Application）、主題名 (Topic)和項(xiàng)目名 (Item)。應(yīng)用程序名（又稱服務(wù)名）位于層次結(jié)構(gòu)的頂層 ，由服務(wù)應(yīng)用程序注冊(cè)，用于指出特定的 DDE 服務(wù)器應(yīng)用程序名，客戶應(yīng)用程序想要與服務(wù)器應(yīng)用程序建立會(huì)話時(shí)必須指明應(yīng)用程序名這個(gè)字符串標(biāo)識(shí)；主題名在每次會(huì)話中是唯一的，用以識(shí)別邏輯數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的字符串，是數(shù)據(jù)的總分類，它定義了服務(wù)器應(yīng)用程序會(huì)話的主題內(nèi)容，服務(wù)器應(yīng)用程序可支持一個(gè)或多個(gè)主題名；項(xiàng)目名用于標(biāo)識(shí)交換數(shù)據(jù)單位的字符串，進(jìn)一步確定了會(huì)話的詳細(xì)信息，每個(gè)主題名可擁有一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目名。例如：對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)接口應(yīng)用程序，將它支持的數(shù)據(jù)庫(kù)的名字作為主題名，而將各種 SQL 命令作為項(xiàng)目名，由于服務(wù)器應(yīng)用程序可支持一個(gè)或 多個(gè)主題名，并且每個(gè)主題名可擁有一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目名；所以，當(dāng)要改變或重新構(gòu)造一次會(huì)話時(shí)，只需改變主題名或項(xiàng)目名即可。 四 力控介紹 力控是北京三維力控科技有限公司的產(chǎn)品，由監(jiān)控組態(tài)軟件、控制策略軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、 Web 門戶工具等產(chǎn)品組成。這些產(chǎn)品不是孤立的，力控是一個(gè)應(yīng)用規(guī)?？梢宰杂缮炜s的體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)力控系統(tǒng)及其各個(gè)產(chǎn)品都是由一些組件程序按照一定的方式組合而成的。因此本指南沒有專門針對(duì)具體的產(chǎn)品分別介紹使用方法，而是介紹所有產(chǎn)品的共同使用方法。力控組態(tài)軟件是一個(gè)既可以運(yùn)行在 Windows98/2020/NT 環(huán)境，又可以運(yùn)行于 Windows CE、 DOS 等嵌入式環(huán)境的控制功能軟件模塊。它采用功能框圖的方式為用戶提供組態(tài)界面，具備與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形界面系統(tǒng)通訊的功能。 力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，縮短了自動(dòng)化工程師的系統(tǒng)集成的時(shí)間，大大的提高了集成效率。 力控監(jiān)控 組態(tài)軟件是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)，它能同時(shí)和國(guó)內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可以達(dá)到集中管理和監(jiān)控的目的，同時(shí)還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實(shí)現(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)來進(jìn)行集成。 在力控的控制策略生成器中，一個(gè)應(yīng)用程序中可以有很多控制策略，但只能有一個(gè)主策略。主策略首先被執(zhí)行，主策略可以調(diào)用其他策略。策略嵌套最多為 4級(jí)，即 0~3 級(jí)，在這 4 級(jí)中， 0級(jí)最高， 3 級(jí)最低。高級(jí)策略可以調(diào)用低級(jí)策略，而低級(jí)策略不可以調(diào)用高級(jí)策 略。除 3級(jí)最多可以有 127 個(gè)策略外，其他 3個(gè)級(jí)別分別最多可以有 255 個(gè)策略。 控制策略由一些基本功能塊組成，一個(gè)功能塊代表一種操作、算法或變量。功能塊是策略的基本執(zhí)行元素，類似一個(gè) 集成電路 塊，有若干個(gè)輸入和輸出，每一個(gè)輸 入和輸出管腳都有唯一的名稱。 力控的控制策略是在控制策略生成器中編輯生成的，在控制策略存盤時(shí)自動(dòng)對(duì)策略進(jìn)行編譯，同時(shí)檢查語法錯(cuò)誤，編譯也可以手動(dòng)進(jìn)行?？刂撇呗灾g也可以調(diào)用，如果 A策略被 B策略調(diào)用，則稱 A是 B的子策略。一個(gè)功能塊可以被反復(fù)調(diào)用，每次調(diào)用時(shí)被自動(dòng)賦予一個(gè)名字。功能塊的執(zhí)行順序和它在屏幕上的位置相關(guān)，位置靠左上方的功能塊優(yōu)先執(zhí)行，按照先左后右、先上后下的順序執(zhí)行。 力控控制策略生成器的基本功能塊分為 5 類：變量功能塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算功能塊、程序控制功能塊、 邏輯 功能塊和 控制算法 功能塊。