【導(dǎo)讀】門狗和鍵盤LCD等為主要部件的硬件電路。了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)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(yù)估算法對系統(tǒng)進行控制。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的。調(diào)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(shù)學(xué)模型和加入PID算法之后的系統(tǒng)進行SIMULINK仿真，觀測其階躍響應(yīng)曲線。通過SIMULINK仿真后求出了P、I、D三個參數(shù)，最終使系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到了我們的控制要求。設(shè)備加入到控制系統(tǒng)中，以完成數(shù)據(jù)的采集并控制輸出設(shè)備安全運行。氣設(shè)備的自動控制技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的軟件設(shè)計36else{send_instruc(addr)。send_data(0x2d)。send_instruc(addr+1)。send_data(0x2d)。}} 本章小結(jié) 本章從主程序和分功能模塊兩方面詳細(xì)的介紹了本溫度控制系統(tǒng)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(xì)的介紹本系統(tǒng)的控制算法。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)374 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn) 被控對向的數(shù)學(xué)模型本設(shè)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。控制對象為電加熱板，輸入為加在電爐兩端的電壓信號，輸出為電爐內(nèi)的溫度。 本系統(tǒng)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(tǒng)為基于單片機的控制系統(tǒng)，所有的控制算法都是數(shù)字算法，因此只單獨的使用一般的數(shù)字PID控制算法難以達(dá)到好的控制效果，因此我們采用了基于PID的Smith預(yù)估控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制特點和溫度變量的特點，我們假設(shè)輸入和輸出的傳遞函數(shù)為下式： ()??eSSG2105???下面以此傳遞函數(shù)為被控對方進行數(shù)字PID控制。 PID控制理論 PID控制基本原理數(shù)字PID控制是工業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)以及穩(wěn)態(tài)無靜差等優(yōu)點而普遍應(yīng)用于實際工業(yè)過程，即使現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展的今天，仍有大量的控制回路采用PID控制。根據(jù)偏差的比例（P） 、積分（I） 、微分（D）進行控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經(jīng)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)38過，用計算機實現(xiàn)PID控制，不是簡單地把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更加靈活，更能滿足生產(chǎn)過程提出的要求。PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： ()])()(1)([)(0dteTteitKptut???式中: e (t)一一調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與反饋量(輸出量)的偏差； u (t)一一調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)； Kp一一比例系數(shù)； Ti一一積分時間常數(shù)；Td一一微分時間常數(shù)；其原理框圖如下圖所示： 在 PID 控制器中，它的數(shù)學(xué)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(shù) Kp 越大，則過渡過程越短，控制結(jié)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)39偏差也越小。但 Kp 越大，也越容易產(chǎn)生振蕩。故而，比例系數(shù) Kp 選擇必須適當(dāng)，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(shù)學(xué)表達(dá)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(shù)，控制作用才是一個不會增大的常數(shù)?？梢姡e分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。積分時間 Ti 對積分部分的作用影響極大。當(dāng) TI 較大時，則積分作用較弱，這時系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需的時間較長。當(dāng) Ti 較小時，則積分作用較強。這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)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(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。在離散控制系統(tǒng)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)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(yīng)于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)(如可控硅)每次采樣時刻應(yīng)達(dá)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(guān)，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(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u (k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)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(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)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(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)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(guān)，所以較容易通過加權(quán)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(yīng)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(rèn)為在以晶閘管為執(zhí)行機構(gòu)或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置式算法，而在以步進電機或電山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)41動閥門作為執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。對于 PID 參數(shù)，一般可采用 ZieglerNichols 方法、擴充臨界比例法或經(jīng)驗試湊法(直接通過調(diào)試 PID 控制算法取經(jīng)驗值)，離線地找到一組合適的參數(shù)價 Kp、Ki, Kd，使系統(tǒng)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(yīng)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(diào)試整定好 PID 控制器參數(shù)局、局、幾后，便可投入生產(chǎn)運行，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、其控制原理與控制技術(shù)已完善成熟，且為現(xiàn)場工作人員和設(shè)計工程師們所熟悉等優(yōu)點，在控制理論與自動化技術(shù)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(fù)雜，具有非線性、慢時變、純滯后等特點。在噪聲、負(fù)載擾動和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)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(shù)去適應(yīng)參數(shù)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(dāng)參數(shù)變化超過一定的范圍時，系統(tǒng)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(yīng)能力，一種途徑是改善 PID參數(shù)的自整定問題，如在線辨識過程模型，根據(jù)辨識模型來整定 PID 參數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等:第三種途徑是上述控制模式的組合，如模糊參數(shù)自整定 PID控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能 PID 控制。 PID 參數(shù)的整定PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)42控制器參數(shù)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(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗，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，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時的比例放大系數(shù)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(shù)。在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對于溫度系統(tǒng)：P（%）2060，I（分）310，D（分） 對于流量系統(tǒng)：P（%）40100，I（分） 對于壓力系統(tǒng)：P（%）3070，I（分） 對于液位系統(tǒng)：P（%）2080，I（分）15 PID 參數(shù)整定順口溜參數(shù)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)43曲線偏離回復(fù)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(yīng)加長；理想曲線兩個波，前高后低 4 比 1；一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。根據(jù)臨界比例法，先給系統(tǒng)加一個階躍輸入，然后調(diào)整 Kp 值直到系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩，求得如下參數(shù)：Kp’==1/Kp=1/?然后根據(jù)下面的經(jīng)驗表格求得 Kp,Ki,Kd:Kp Ki KdPID ? 2KpKp=Ki=Kd= SMITH 預(yù)估控制在電爐溫度控制等生產(chǎn)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(shù)學(xué)模型不易準(zhǔn)確知道，其參數(shù)隨時間有漂移。在控制系統(tǒng)設(shè)計時，上述不確定性因素會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，處理起來比較麻煩。這類系統(tǒng)一般要求沒有超調(diào)量或很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時間則允許在較多的采樣周期內(nèi)結(jié)束，顯然這類系統(tǒng)采用一般的 PID 控制，其效果往往不好。Smith 預(yù)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)44小純滯后系統(tǒng)的超調(diào)和增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 Smith 預(yù)估控制概述及其補償原理 被控對象的純滯后時間使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，如果滯后時間較長，則會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了改善系統(tǒng)性能，國內(nèi)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(yù)估器。Smith 預(yù)估控制器最早是由 在 1958 年提出來的，這是一個時滯預(yù)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(yù)估模型進行補償，從而得到一個沒有時滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器，使得整個系統(tǒng)的控制尤如沒有時滯環(huán)節(jié)。補償器的傳遞函數(shù) Gg(s)為： ())1)(2esGp?則，補償后的傳遞函數(shù)變?yōu)?D’(s)，既 ()))()(39。 2ssDs??? 經(jīng)補償后的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ()eessGpGpss 22)(1)(39。1)( ??? 從式()中可看出，經(jīng) Smith 補償后，閉環(huán)系統(tǒng)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實現(xiàn)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(yīng)位移了一個純滯后時間。 由上面的論述可看出，Smith 預(yù)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(tǒng)的 PID 控制相比，Smith 預(yù)估控制使系統(tǒng)的動作靈敏，過渡過程縮短，超調(diào)量減小，很好地改善了系統(tǒng)的性能。但是，Smith 預(yù)估法最大的缺點就是太過依賴精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)估計模型和實際對象有誤差時，控制品質(zhì)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(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。 數(shù)字 PID 算法的實現(xiàn)及程序流程 數(shù)字 PID 控制算法實現(xiàn)