【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(jì)。針對(duì)塑料焊接機(jī)溫度控制對(duì)象的特點(diǎn)，本文的控制算法采用PID控制，運(yùn)用SMITH預(yù)估算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在工程實(shí)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(wèn)世至今已有近70年歷史，對(duì)控制對(duì)向的數(shù)學(xué)模型和加入PID算法之后的系統(tǒng)進(jìn)行SIMULINK仿真，觀測(cè)其階躍響應(yīng)曲線。通過(guò)SIMULINK仿真后求出了P、I、D三個(gè)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(yùn)行。氣設(shè)備的自動(dòng)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)374 系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn) 被控對(duì)向的數(shù)學(xué)模型本設(shè)計(jì)用單片機(jī)做無(wú)觸點(diǎn)主控單元,完成對(duì)溫度的采集，檢測(cè)，控制的要求。控制對(duì)象為電加熱板，輸入為加在電爐兩端的電壓信號(hào)，輸出為電爐內(nèi)的溫度。 本系統(tǒng)的塑料焊接機(jī)溫度控制對(duì)象是具有慣性、純時(shí)延的對(duì)象，并且由于本系統(tǒng)為基于單片機(jī)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(dú)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(diǎn)和溫度變量的特點(diǎn)，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(duì)方進(jìn)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(guò)程中被廣泛采用的一種控制方法，它以其簡(jiǎn)單可靠、魯棒性較強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)以及穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差等優(yōu)點(diǎn)而普遍應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過(guò)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(jìn)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(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，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(shí)現(xiàn)38過(guò)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不是簡(jiǎn)單地把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)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(guò)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(shí)間常數(shù)；Td一一微分時(shí)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(guò)渡過(guò)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(shí)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(guò)渡時(shí)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(huì)不斷增加。只有在偏差 e (t) =0 時(shí)，它的積分才會(huì)為一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)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(shí)間 Ti 對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng) TI 較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需的時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng) Ti 較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)。這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中有可能產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需的時(shí)間較短。 dteKpT)(微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間 TD 決定，反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。TD 越大，則它抑制。e(t)變化的作用越強(qiáng)，TD 越小，它反抗。e(t)變化的作用越弱。它對(duì)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(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)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(shí)刻 k 時(shí)的輸出值；e (k)一一采樣時(shí)刻 k 時(shí)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(shí)現(xiàn)40e (k1)一一采樣時(shí)刻 k1 時(shí)的偏差值。式(()中的輸出量為全量輸出。它對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如可控硅)每次采樣時(shí)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(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) e (k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 u (k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u (k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)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(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量△u (k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。增量式控制雖然只是算法上做了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)不少優(yōu)點(diǎn)。 (I)由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小。 (2)手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)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(guò)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?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差。溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管為執(zhí)行機(jī)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(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)41動(dòng)閥門作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。對(duì)于 PID 參數(shù)，一般可采用 ZieglerNichols 方法、擴(kuò)充臨界比例法或經(jīng)驗(yàn)試湊法(直接通過(guò)調(diào)試 PID 控制算法取經(jīng)驗(yàn)值)，離線地找到一組合適的參數(shù)價(jià) 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(jī)械、熱工、化工等工業(yè)過(guò)程控制中，對(duì)于具有線性特性的確定的被控對(duì)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(yùn)行，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)工作人員和設(shè)計(jì)工程師們所熟悉等優(yōu)點(diǎn)，在控制理論與自動(dòng)化技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，仍有其強(qiáng)大的生命力。 但在實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制中，許多被控過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜，具有非線性、慢時(shí)變、純滯后等特點(diǎn)。在噪聲、負(fù)載擾動(dòng)和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過(guò)程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會(huì)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(guò)一定的范圍時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)明顯變差，致使 PID 控制難以發(fā)揮作用而無(wú)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(wèn)題，如在線辨識(shí)過(guò)程模型，根據(jù)辨識(shí)模型來(lái)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(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過(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山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)42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：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)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(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；(3)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)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對(duì)于溫度系統(tǒng)：P（%）2060，I（分）310，D（分） 對(duì)于流量系統(tǒng)：P（%）40100，I（分） 對(duì)于壓力系統(tǒng)：P（%）3070，I（分） 對(duì)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(shí)現(xiàn)43曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)；動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)；理想曲線兩個(gè)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(huì)低。根據(jù)臨界比例法，先給系統(tǒng)加一個(gè)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(yàn)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(guò)程中，被控對(duì)象一般都有純滯后特性，而且對(duì)象的純滯后很大。此外，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不易準(zhǔn)確知道，其參數(shù)隨時(shí)間有漂移。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，上述不確定性因素會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，處理起來(lái)比較麻煩。這類系統(tǒng)一般要求沒(méi)有超調(diào)量或很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時(shí)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(duì)模型的純滯后予以補(bǔ)償，以此來(lái)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(shí)現(xiàn)44小純滯后系統(tǒng)的超調(diào)和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 Smith 預(yù)估控制概述及其補(bǔ)償原理 被控對(duì)象的純滯后時(shí)間使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，如果滯后時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了改善系統(tǒng)性能，國(guó)內(nèi)外作過(guò)大量的研究工作，最常用的方法是純滯后補(bǔ)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(lái)的，這是一個(gè)時(shí)滯預(yù)估補(bǔ)償算法。它的基本原理是通過(guò)估計(jì)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，用一個(gè)預(yù)估模型進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到一個(gè)沒(méi)有時(shí)滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制尤如沒(méi)有時(shí)滯環(huán)節(jié)。補(bǔ)償器的傳遞函數(shù) Gg(s)為： ())1)(2esGp?則，補(bǔ)償后的傳遞函數(shù)變?yōu)?D’(s)，既 ()))()(39。 2ssDs??? 經(jīng)補(bǔ)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(bǔ)償后，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式中不圖 SMITH 補(bǔ)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(shí)現(xiàn)45再含有純滯后項(xiàng)，說(shuō)明純滯后被消除了，只是它的輸出響應(yīng)位移了一個(gè)純滯后時(shí)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(shí)部分從過(guò)程傳函的閉環(huán)部分中分離出來(lái)，與傳統(tǒng)的 PID 控制相比，Smith 預(yù)估控制使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，過(guò)渡過(guò)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(diǎn)就是太過(guò)依賴精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)估計(jì)模型和實(shí)際對(duì)象有誤差時(shí)，控制品質(zhì)會(huì)顯著惡化，甚至發(fā)散。而且對(duì)于外部擾動(dòng)也非常敏感，魯棒性較差。所以，在運(yùn)用 SMITH 時(shí)一定要保證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。 數(shù)字 PID 算法的實(shí)現(xiàn)及程序流程 數(shù)字 PID 控制算法實(shí)現(xiàn)