【正文】 Dwyer, Handbook of PI and PID controller tuning rules, New Jersey, World Scientific, c2022:125129.[10] 李言俊, ,2022,1619.[11] Bristol E simple adaptive system for industrial control. Instrumentation Technology, 1967(June), 156159.[12] ,中國自動(dòng)化網(wǎng).[13] (自然科學(xué)版) 2022,22(4),4042.[14] PID 控制及 MATLAB ,2022 年 10 月,214218.[15] 控制器 :. 臺(tái)中市:滄海書局出版社 ,2022,6874.[16] 陶永華. 新型 PID :電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書,2022 年 2 版,131140.[17] Aniruddha Datta, MingTzu Ho, and Shankar P. Bhattacharyya, Structure and synthesis of PID controllers, New York, 2022, 7581.。在此，我向陳俊東老師表示衷心的感謝，向論文答辯組的各位老師表示衷心的感謝。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我得到了陳俊東老師的悉心指導(dǎo)和幫助?？偟恼f來，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，我在各方面都有了很大的進(jìn)步。在這次設(shè)計(jì)過程中，我明顯感覺到自己在許多方面存在不足，譬如，對(duì) Word 的熟練使用，對(duì) MATLAB 軟件的應(yīng)用，對(duì) PID 控制器的認(rèn)識(shí)等等。這些不僅僅鞏固了我以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，而且使我接觸了許多以前沒接觸過的新知識(shí)，大大地?cái)U(kuò)寬了我的知識(shí)面。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我的任務(wù)是完成基于 MATLAB 的溫控系統(tǒng) PID 控制器設(shè)計(jì)。從拿到設(shè)計(jì)題目到最后成設(shè)計(jì)并定稿，其間經(jīng)歷了翻閱相關(guān)資料、熟悉基礎(chǔ)知識(shí)、學(xué)習(xí) MATLAB 軟件的使用，到開始寫論文以及最后的修改和裝訂成冊(cè)這幾個(gè)階段。以上幾章的知識(shí)是控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在接下來的第五章里面便結(jié)合油冷卻機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用以上幾章的知識(shí)進(jìn)行 PID 控制器的參數(shù)整定及設(shè)計(jì)。第二章簡單介紹了控制系統(tǒng)和 PID 調(diào)節(jié)之后，在第三章中介紹了一種重要的求系統(tǒng)傳遞函數(shù)的方法——系統(tǒng)辨識(shí)法，這是借助 MATLAB 進(jìn)行 PID 參數(shù)整定的前提。所以本文重要的是來介紹 PID 參數(shù)整定的方法。PID 控制中一個(gè)至關(guān)重要的問題，就是控制器三參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間）的整定。PID 調(diào)節(jié)器從問世至今已歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)，在這幾十年中，人們?yōu)樗陌l(fā)展和推廣做出了巨大的努力，使之成為工業(yè)過程控制中主要的和可靠的技術(shù)工具。在計(jì)算機(jī)做完仿真操作之后，接著要實(shí)際配線，將所求的 PID 值輸入到 PID 控制器，讓機(jī)器實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn) [16]。PID 修正調(diào)整結(jié)果大體為：P=I=400D=120圖 511 PID 值修正前后系統(tǒng)響應(yīng)曲線對(duì)比圖系統(tǒng)干擾：因?yàn)橄到y(tǒng)中負(fù)載隨時(shí)在變化，系統(tǒng)中負(fù)載突然變動(dòng)，也能馬上追上設(shè)定值。在線調(diào)整法一樣，在此就不再詳解。由辨識(shí)出的傳遞函數(shù)為 ，以 MATLAB 算出延遲 190 )(???seG式，[num,den]=pade(190,1)num = den = 在 simulink 中繪出方塊圖 59 圖 59 simulink 中繪出的方塊圖讓 Relay 做 OnOff 動(dòng)作，將系統(tǒng)擾動(dòng)（OnOff 動(dòng)作，將以 177?！　　　=2700190=2510所以辨識(shí)出轉(zhuǎn)移函數(shù)為: )(???seG 油冷卻機(jī)系統(tǒng)的 PID 參數(shù)整定我們已經(jīng)運(yùn)用系統(tǒng)辨識(shí)法通過系統(tǒng)特性圖獲得了部分參數(shù)和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，我們只要再使用表 414 的 ZieglerNicholg 第二經(jīng)驗(yàn)法則，)(???seGPID 值。Step 3：最大切線斜率與系統(tǒng)特性曲線交點(diǎn)的時(shí)間為延遲時(shí)間。下面是油冷卻機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)特性求解圖： 圖 57 系統(tǒng)特性求解圖Step 1：系統(tǒng)的起始溫度及穩(wěn)定溫度差值即為Ｋ。在前面介紹了系統(tǒng)辨識(shí)和基于 MATLAB 進(jìn)行 PID 參數(shù)整定的幾種方法，現(xiàn)在就來設(shè)計(jì)油冷卻機(jī)系統(tǒng)中的 PID 控制器，也就是進(jìn)行 PID 參數(shù)的整定。 其后差動(dòng)放大器之輸出為 Vo=10(V2V1)=10(+T/)=T/10,如果現(xiàn)在室溫為 25℃,則輸出電壓為 。其后的非反向放大器 ,輸入電阻幾乎無限大,同時(shí)又放大 10 倍,使得運(yùn)算放大器輸出為 +T/100。PT100 溫度傳感器是一種以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測(cè)器,屬于正電阻系數(shù),其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：R=Ro(1+αT)其中 α=,Ro 為 100Ω(在 0℃的電阻值),T 為攝氏溫度Vo= 100(1+)=+T/1000 。冷媒循環(huán)系統(tǒng)即為一般常見之制冷循環(huán)，而油循環(huán)則是將油打出后經(jīng)過負(fù)載加熱，再與冷媒循環(huán)的蒸發(fā)器作熱交換，再流回油槽做冷卻用。由于本設(shè)計(jì)中PID 參數(shù)的整定主要是基于系統(tǒng)辨識(shí)及 ZieglerNichols 調(diào)整法則，所以在此不用波德圖法及根軌跡法。 所以 PID 控制器加入系統(tǒng)后往往先根據(jù) ZieglerNichols 第二個(gè)調(diào)整法則調(diào)整 PID值，然后再微調(diào) PID 值至合乎規(guī)格為止?！媳? 中，a 的解法可有以下 2 種：解一：如下圖 415 中可先觀察系統(tǒng)特性曲線圖，辨識(shí)出 a 值?！♂槍?duì)有轉(zhuǎn)移函數(shù)的 PID 調(diào)整方法　系統(tǒng)辨識(shí)法系統(tǒng)反饋方塊圖在上述無轉(zhuǎn)移函數(shù) PID 調(diào)整法則有在線調(diào)整法與 Relay feedback 調(diào)整法之外，也可利用系統(tǒng)辨識(shí)出的轉(zhuǎn)移函數(shù)在計(jì)算機(jī)仿真求出 PID 值，至于系統(tǒng)辨識(shí)轉(zhuǎn)移函數(shù)技巧在第三章已敘述過，接下來是要把辨識(shí)出來的轉(zhuǎn)移函數(shù)用在反饋控制圖，之后應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式 ZieglerNichols 第二個(gè)調(diào)整法求出 PID 值， ［13］ 如下表 414 所示。 （使在線調(diào)整時(shí)，不用看 a 求 KU） ，如下圖 412 所示。　在線調(diào)整法在計(jì)算機(jī)做仿真Step 1：以 MATLAB 里的 Simulink 繪出反饋方塊，如下圖 49 所示圖 49 反饋方塊圖PID 方塊圖內(nèi)為圖 410 PID 方塊圖Step 2：將 Td 調(diào)為 0，Ti 無限大，讓系統(tǒng)為 P 控制，如下圖 411 所示。圖 47 系統(tǒng)震蕩特性曲線　Step 4：取得 Tu 及 a，帶入公式 31，計(jì)算出Ｋ u。１做模擬） ，如下圖 46 所示。表 44 ZieglerNichols 第一個(gè)調(diào)整法則建議 PID 調(diào)整值 ［9］ Relay feedback 在計(jì)算機(jī)做仿真　Step 1： 以 MATL AB 里的 Simulink 繪出反饋方塊，如下圖 45 所示?！♂槍?duì)無轉(zhuǎn)移函數(shù)的 PID 調(diào)整法在一般實(shí)際系統(tǒng)中，往往因?yàn)檫^程系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)要找出，之后再利用系統(tǒng)仿真找出PID 值，但是也有不需要找出轉(zhuǎn)移函數(shù)也可調(diào)出 PID 值的方法，以下一一介紹。 ［15］所以整理出來，調(diào) PID 值的方法有在線調(diào)整法、Relay feedback、波德圖法、根軌跡法。 [13] 調(diào)整方式PID 調(diào)整方式有轉(zhuǎn)移函數(shù) 無轉(zhuǎn)移函數(shù)系統(tǒng)辨識(shí)法波德圖根軌跡Relay feedback 在線調(diào)整圖 41 PID 調(diào)整方式如上描述之 PID 調(diào)整方式分為有轉(zhuǎn)函數(shù)和無轉(zhuǎn)移函數(shù)，一般系統(tǒng)因?yàn)椴恢D(zhuǎn)移函數(shù)，所以調(diào) PID 值都會(huì)從 Relay feedback 和在線調(diào)整去著手。跟軌跡：在 MATLAB 里的 Simulink 繪出反饋方塊圖。（2） 在線調(diào)整：實(shí)際系統(tǒng)中在 PID 控制器輸出電流信號(hào)裝設(shè)電流表，調(diào) P 值觀察電流表是否有一定的周期在動(dòng)作，利用 ZieglerNichols 把 PID 求出來，PID 值求法與Relay feedback 一樣。T 及 L 值與 C(t)及切線的關(guān)系如上圖 37 所示。(2) K、T、L 的求法：K：如上圖 所示，K 值相當(dāng)于 C(t)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的大小。※注：系統(tǒng)越大，時(shí)間常數(shù)越大。K：穩(wěn)態(tài)時(shí)的大小。這個(gè) S 狀曲線稱之為過程反應(yīng)曲線（ process reaction curve） 。這個(gè)調(diào)整法測(cè)是基于帶有延遲的一階傳遞函數(shù)模型提出的，這種對(duì)象模型可以表示為 1)(???TsKeGL 公式（31）在實(shí)際的過程控制系統(tǒng)中，有大量的對(duì)象模型可以近似的由這樣的一階模型來表示，如果不能物理的建立起系統(tǒng)的模型，我們還可以由實(shí)驗(yàn)提取相應(yīng)的模型參數(shù) [5]。所以工業(yè)上設(shè)計(jì) PID 控制器時(shí)，常常使用實(shí)驗(yàn)方法而較少用理論來設(shè)計(jì)。(2) 若被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模式相當(dāng)線性(linear) ，且各項(xiàng)參數(shù)都可知道，則可用控制理論來設(shè)計(jì) PID 控制器的系數(shù)大小。 所以對(duì)有較大慣性和（或）滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前” ，即在誤差接近零時(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error） 。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error） 。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計(jì)算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中如公式（24）和（25） :u(t)=Kp(e(t)+Td + ) 公式（24）dte)(?dtTi(1U(s)=[ + ]E(s) 公式（25）PK?Si公式中 U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換， ， ，其中 、pdK?iPTPK、 分別為控制器的