【導讀】門狗和鍵盤LCD等為主要部件的硬件電路。了控制系統的軟件設計。針對塑料焊接機溫度控制對象的特點，本文的控制算法采用PID控制，運用SMITH預估算法對系統進行控制。在工程實際中，應用最為廣泛的。調節(jié)器控制規(guī)律便是PID控制。PID控制器問世至今已有近70年歷史，對控制對向的數學模型和加入PID算法之后的系統進行SIMULINK仿真，觀測其階躍響應曲線。通過SIMULINK仿真后求出了P、I、D三個參數，最終使系統穩(wěn)定，達到了我們的控制要求。設備加入到控制系統中，以完成數據的采集并控制輸出設備安全運行。氣設備的自動控制技術的發(fā)展奠定了良好的技術基礎。由于微控制器體積

　　

【正文】 a(0x0f)。send_instruc(addr+1)。send_data(0x0f)。}山東科技大學學士學位論文 系統的軟件設計36else{send_instruc(addr)。send_data(0x2d)。send_instruc(addr+1)。send_data(0x2d)。}} 本章小結 本章從主程序和分功能模塊兩方面詳細的介紹了本溫度控制系統的軟件部分，并且在一些模塊中列出了一些編程時的原程序，不方便列出的，便采用了流程圖的方式。下一章中，我們將詳細的介紹本系統的控制算法。山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現374 系統控制算法的實現 被控對向的數學模型本設計用單片機做無觸點主控單元,完成對溫度的采集，檢測，控制的要求?？刂茖ο鬄殡娂訜岚澹斎霝榧釉陔姞t兩端的電壓信號，輸出為電爐內的溫度。 本系統的塑料焊接機溫度控制對象是具有慣性、純時延的對象，并且由于本系統為基于單片機的控制系統，所有的控制算法都是數字算法，因此只單獨的使用一般的數字PID控制算法難以達到好的控制效果，因此我們采用了基于PID的Smith預估控制。根據系統的控制特點和溫度變量的特點，我們假設輸入和輸出的傳遞函數為下式： ()??eSSG2105???下面以此傳遞函數為被控對方進行數字PID控制。 PID控制理論 PID控制基本原理數字PID控制是工業(yè)生產過程中被廣泛采用的一種控制方法，它以其簡單可靠、魯棒性較強、容易實現以及穩(wěn)態(tài)無靜差等優(yōu)點而普遍應用于實際工業(yè)過程，即使現代技術飛速發(fā)展的今天，仍有大量的控制回路采用PID控制。根據偏差的比例（P） 、積分（I） 、微分（D）進行控制，是控制系統中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經驗和理論的分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到滿意的效果。不山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現38過，用計算機實現PID控制，不是簡單地把模擬PID控制規(guī)律數字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結合，使PID控制更加靈活，更能滿足生產過程提出的要求。PID控制器是一種比例、積分、微分并聯控制器。它是最廣泛應用的一種控制器。PID控制器的數學模型可以用下式表示： ()])()(1)([)(0dteTteitKptut???式中: e (t)一一調節(jié)器輸入函數，即給定量與反饋量(輸出量)的偏差； u (t)一一調節(jié)器輸出函數； Kp一一比例系數； Ti一一積分時間常數；Td一一微分時間常數；其原理框圖如下圖所示： 在 PID 控制器中，它的數學模型由比例、積分、微分三部分組成。這三部分分別是: Kpe(t)在比例部分，比例系數 Kp 越大，則過渡過程越短，控制結果的靜態(tài)圖 PID 原理框圖圖 輸出模塊電路圖山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現39偏差也越小。但 Kp 越大，也越容易產生振蕩。故而，比例系數 Kp 選擇必須適當，才能取得過渡時間少、靜差小而又穩(wěn)定的效果。 dteTiKpt?0)(從積分部分的數學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。只有在偏差 e (t) =0 時，它的積分才會為一個常數，控制作用才是一個不會增大的常數?？梢姡e分部分的作用可以消除系統的偏差。積分時間 Ti 對積分部分的作用影響極大。當 TI 較大時，則積分作用較弱，這時系統的過渡過程不易產生振蕩，但是消除偏差所需的時間較長。當 Ti 較小時，則積分作用較強。這時系統過渡過程中有可能產生振蕩，但消除偏差所需的時間較短。 dteKpT)(微分部分的作用強弱由微分時間 TD 決定，反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節(jié)時間。TD 越大，則它抑制。e(t)變化的作用越強，TD 越小，它反抗。e(t)變化的作用越弱。它對系統的穩(wěn)定有很大的影響。在以微處理器為硬件核心的控制系統中，由于是以采樣周期對輸入和輸出狀態(tài)進行實時采樣，故它是離散時間控制系統。在離散控制系統中，PID 控制器采用差分方程表示，有: ())]1()[)()([)(0?????keTdiekeKpuki式中:u (k)一一采樣時刻 k 時的輸出值；e (k)一一采樣時刻 k 時的偏差值；山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現40e (k1)一一采樣時刻 k1 時的偏差值。式(()中的輸出量為全量輸出。它對應于被控對象的執(zhí)行機構(如可控硅)每次采樣時刻應達到的位置。因此，式()被稱為 PID 的位置式，是 PID 控制規(guī)律的離散形式。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對 e (k)進行累加，計算機運算工作量大。而且因為計算機輸出的 u (k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如計算機出現故障，u (k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產事故，因而產生了增量式 PID 的控制算法。 ()????? )]2()1([)()1()( keKdkeikKpeku最后求得 為下式：? ())(2)()(0)(?keqkeqk 采用增量式算法時，計算機輸出的控制量△u (k)對應的是本次執(zhí)行機構位置的增量。增量式控制雖然只是算法上做了一點改進，卻帶來不少優(yōu)點。 (I)由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響較小。 (2)手動/自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。 (3)算式中不需要累加?？刂圃隽俊鱱 (k)的確定僅與最近幾次采樣有關，所以較容易通過加權而獲得比較好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之處:積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差。溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管為執(zhí)行機構或在控制精度要求高的系統中，可采用位置式算法，而在以步進電機或電山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現41動閥門作為執(zhí)行機構的系統中，則可采用增量控制算法。對于 PID 參數，一般可采用 ZieglerNichols 方法、擴充臨界比例法或經驗試湊法(直接通過調試 PID 控制算法取經驗值)，離線地找到一組合適的參數價 Kp、Ki, Kd，使系統基本接近最佳工況。 PID 控制的局限及解決方法 PID 控制器廣泛應用于冶金、機械、熱工、化工等工業(yè)過程控制中，對于具有線性特性的確定的被控對象，調試整定好 PID 控制器參數局、局、幾后，便可投入生產運行，具有結構簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、其控制原理與控制技術已完善成熟，且為現場工作人員和設計工程師們所熟悉等優(yōu)點，在控制理論與自動化技術飛躍發(fā)展的今天，仍有其強大的生命力。 但在實際工業(yè)過程控制中，許多被控過程機理較復雜，具有非線性、慢時變、純滯后等特點。在噪聲、負載擾動和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過程參數甚至模型結構均會發(fā)生變化。采用常規(guī) PID 控制器，以一組固定不變的 PID 參數去適應參數變化、干擾等眾多的變化因素，顯然難以獲得滿意的控制效果。當參數變化超過一定的范圍時，系統性能就會明顯變差，致使 PID 控制難以發(fā)揮作用而無法適用。為克服常規(guī) PID 控制的不足，提高其適應能力，一種途徑是改善 PID參數的自整定問題，如在線辨識過程模型，根據辨識模型來整定 PID 參數的自校正 PID 控制器。另一種途徑是尋找新的控制模式，如模糊控制、神經網絡控制等:第三種途徑是上述控制模式的組合，如模糊參數自整定 PID控制器、神經網絡智能 PID 控制。 PID 參數的整定PID 控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。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山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現42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 控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數。在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，然后根據調節(jié)效果修改。 對于溫度系統：P（%）2060，I（分）310，D（分） 對于流量系統：P（%）40100，I（分） 對于壓力系統：P（%）3070，I（分） 對于液位系統：P（%）2080，I（分）15 PID 參數整定順口溜參數整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現43曲線偏離回復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢。微分時間應加長；理想曲線兩個波，前高后低 4 比 1；一看二調多分析，調節(jié)質量不會低。根據臨界比例法，先給系統加一個階躍輸入，然后調整 Kp 值直到系統發(fā)生臨界振蕩，求得如下參數：Kp’==1/Kp=1/?然后根據下面的經驗表格求得 Kp,Ki,Kd:Kp Ki KdPID ? 2KpKp=Ki=Kd= SMITH 預估控制在電爐溫度控制等生產過程中，被控對象一般都有純滯后特性，而且對象的純滯后很大。此外，被控對象的數學模型不易準確知道，其參數隨時間有漂移。在控制系統設計時，上述不確定性因素會影響系統的動態(tài)特性，處理起來比較麻煩。這類系統一般要求沒有超調量或很小超調量，而調節(jié)時間則允許在較多的采樣周期內結束，顯然這類系統采用一般的 PID 控制，其效果往往不好。Smith 預估控制算法對模型的純滯后予以補償，以此來減山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現44小純滯后系統的超調和增強系統的穩(wěn)定性。 Smith 預估控制概述及其補償原理 被控對象的純滯后時間使系統的穩(wěn)定性下降，如果滯后時間較長，則會使系統不穩(wěn)定，為了改善系統性能，國內外作過大量的研究工作，最常用的方法是純滯后補償法，即 Smith 預估器。Smith 預估控制器最早是由 在 1958 年提出來的，這是一個時滯預估補償算法。它的基本原理是通過估計對象的動態(tài)特性，用一個預估模型進行補償，從而得到一個沒有時滯的被調節(jié)量反饋到控制器，使得整個系統的控制尤如沒有時滯環(huán)節(jié)。補償器的傳遞函數 Gg(s)為： ())1)(2esGp?則，補償后的傳遞函數變?yōu)?D’(s)，既 ()))()(39。 2ssDs??? 經補償后的系統閉環(huán)傳遞函數為 ()eessGpGpss 22)(1)(39。1)( ??? 從式()中可看出，經 Smith 補償后，閉環(huán)系統的特征方程式中不圖 SMITH 補償方框圖圖 輸出模塊電路圖山東科技大學學士學位論文 系統控制算法的實現45再含有純滯后項，說明純滯后被消除了，只是它的輸出響應位移了一個純滯后時間。 由上面的論述可看出，Smith 預估器的優(yōu)越性在于能將延時部分從過程傳函的閉環(huán)部分中分離出來，與傳統的 PID 控制相比，Smith 預估控制使系統的動作靈敏，過渡過程縮短，超調量減小，很好地改善了系統的性能。但是，Smith 預估法最大的缺點就是太過依賴精確的數學模型，當估計模型和實際對象有誤差時，控制品質會顯著惡化，甚至發(fā)散。而且對于外部擾動也非常敏感，魯棒性較差。所以，在運用 SMITH 時一定要保證數學模型的準確性。 數字 PID 算法的實現及程序流程 數字 PID 控制算法實現