【正文】 過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；其次僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；再次在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。32 PID 控制回路的運(yùn)行在PID控制回路投入運(yùn)行時(shí)，首先可以把它設(shè)置在手動(dòng)狀態(tài)下，這時(shí)設(shè)定值會(huì)自動(dòng)跟蹤測(cè)量值，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)后，再把它切換到自動(dòng)狀態(tài)下，這樣可以避免系統(tǒng)頻繁動(dòng)作而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖 前饋控制系統(tǒng)復(fù)雜回路的控制：前饋控制系統(tǒng)：通常的反饋控制系統(tǒng)中，對(duì)干擾造成一定后果，才能反饋過(guò)來(lái)產(chǎn)生抑制干擾的控制作用，因而產(chǎn)生滯后控制的不良后果。為了克服這種滯后的不良控制，用計(jì)算機(jī)接受干擾信號(hào)后，在還沒有產(chǎn)生后果之前插入一個(gè)前饋控制作用，使其剛好在干擾點(diǎn)上完全抵消干擾對(duì)控制變量的影響,因而又名為擾動(dòng)補(bǔ)償控制。純延遲補(bǔ)償控制系統(tǒng)：在實(shí)際的控制過(guò)程中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量裝置的延遲，系統(tǒng)有可能是一個(gè)純滯后過(guò)程，如對(duì)于溫度的控制其延遲時(shí)間可能多達(dá)10多分鐘。這種滯后性質(zhì)常引起被控對(duì)象產(chǎn)生超調(diào)或振蕩，造成系統(tǒng)不容易達(dá)到穩(wěn)定過(guò)程。因此，可以在控制過(guò)程中并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來(lái)補(bǔ)償被控對(duì)象的滯后部分，這樣可以使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程。33五、 倒立擺的 PID 控制器設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié) PID 控制器的設(shè)計(jì)首先，對(duì)于倒立擺系統(tǒng)輸出量為擺桿的角度，它的平衡位置為垂直向上。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 倒立擺系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖中KD（s）是控制器傳遞函數(shù)，G（s）是被控對(duì)象傳遞函數(shù)?？紤]到輸入r（S）=0，結(jié)構(gòu)圖可以很容易的變換成：圖 倒立擺系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)的輸出為： ()???????? sFnumPIDdenPIusdenIusGksy???11其中，NUM——被控對(duì)象傳遞函數(shù)的分子項(xiàng) den——被控對(duì)象傳遞函數(shù)的分母項(xiàng) numpid ——PID控制器傳遞函數(shù)的分子項(xiàng) 34denpid ——PID控制器傳遞函數(shù)的分母項(xiàng) 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是： ()?????denumsqbglsqmlMsqlIbslU???????23242其中, ???22llImPID控制器的傳遞函數(shù)為: ()??2sKsKsKDIpDIP????需仔細(xì)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以得到滿意的控制效果。 前面的討論只考慮了擺桿角度，那么，在我們施加控制的過(guò)程中，小車位置如何變化呢考慮小車位置，得到改進(jìn)的系統(tǒng)框圖如下：圖 改進(jìn)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中，G是擺桿傳遞函數(shù)，G是小車傳遞函數(shù)。由于輸入信號(hào)，所以可以把結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換成：圖 改進(jìn)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中，反饋環(huán)代表我們前面設(shè)計(jì)的控制器。 小車位置輸出為：35 ()????????sFdenPIDumsFGKDsX1212????其中， 分別代表被控對(duì)象1和被控對(duì)象2傳遞函數(shù)的分子和21,denumn分母。和代表PID控制器傳遞函數(shù)的分子和分母。下面我們來(lái)求，根據(jù)前面的推導(dǎo)： ()????sglIsX??????????2可以推出小車位置的傳遞函數(shù)為： ()其中, ??????22mllIMmq???可以看出，小車的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化成： ()??????sFnuPIDkdenPIDusX12?根據(jù)建模結(jié)果仔細(xì)計(jì)算并尋找合適的理論P(yáng)ID控制參數(shù)。進(jìn)入matlab mand窗口，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),仔細(xì)檢查系統(tǒng)硬件連接。通過(guò)調(diào)整參數(shù)可以控制擺桿豎直向上，此時(shí)可能需用手輕輕扶一下擺桿，以避免小車“撞墻”。 如果控制效果不理想，調(diào)整控制器參數(shù)，直到獲得較好的控制效果 [9]。 PID 控制器設(shè)計(jì) MATLAB 仿真仿真中倒立擺的參數(shù)為：M 小車質(zhì)量 Kg 、m 擺桿質(zhì)量 Kg 、b 小車摩擦系數(shù) 0 .1N/m/sec 、 l 擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度 、I 擺桿慣量 kg*m*m 、T 采樣頻率 。我們?cè)O(shè)計(jì)的技術(shù)要求：設(shè)計(jì)PID控制器，使得當(dāng)在小車上施加1N的脈沖信號(hào)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)為：????sqbglsqlslIbsUsG?23242236。圖 PID 系統(tǒng)控制器 MATLAB 仿真37圖 求兩個(gè)多項(xiàng)式之和函數(shù) 圖 PID 控制脈沖響應(yīng)仿真曲線38圖 PID 系統(tǒng) MATLAB 仿真系數(shù)結(jié)果對(duì)仿真曲線的分析：經(jīng)過(guò)模擬仿真，由圖可以看出曲線在2秒之內(nèi)就進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)39設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是關(guān)于倒立擺系統(tǒng)的PID控制設(shè)計(jì)，其中涉及了關(guān)于自動(dòng)控制方面的很多知識(shí)，尤其是PID控制。也有關(guān)于數(shù)學(xué)建摸方面的知識(shí)以及MATLAB軟件的應(yīng)用。此次課程設(shè)計(jì)任務(wù)是建立倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在系統(tǒng)內(nèi)加一個(gè)PID控制器，使其構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，并進(jìn)行MATLAB仿真，給出實(shí)際控制曲線和控制器參數(shù)并進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)指標(biāo)為。經(jīng)過(guò)假設(shè)忽略了一些次要的因素后，但仿真出來(lái)的結(jié)果還有一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。即仿真是一個(gè)不穩(wěn)定的曲線，因此要在開環(huán)系統(tǒng)中要加一個(gè)反饋，即加入一個(gè)PID控制，使系統(tǒng)穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)PID控制器時(shí)，給小車上施加1N的脈沖信號(hào)。滿足其兩個(gè)指標(biāo)后，系統(tǒng)在很短的時(shí)間里穩(wěn)定下來(lái)，因此在這次課程設(shè)計(jì)中，倒立擺系統(tǒng)在PID控制器作用下才穩(wěn)定。通過(guò)模擬仿真，證明此次的 Kdpi,的取值比較合理，能使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的相應(yīng)指標(biāo)，應(yīng)該說(shuō)此次設(shè)計(jì)是成功的！40參考文獻(xiàn)[1][M].北京：高等教育出版社， [2][M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [3]（第四版）[M].北京：科學(xué)出版社， [4][M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[5]夏德鈐，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[6] 環(huán)境下直線單級(jí)倒立擺系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)[R].重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,[7]劉金琨. 先進(jìn) PID 控制及其 MATLAB 仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社， [8] PID 控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[9] Katsuhiko [M].北京：電子工業(yè)出版社，[10][M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,[11] CAD[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,41畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日 　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 42學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日43注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300 字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬(wàn)字。：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它