【正文】 0 頁 第四章 硬件選型及電路 設(shè)備選型 單片機(jī) PIC16F877A PIC16F877A 是美國微芯公司（ Microchip）所生產(chǎn)研發(fā)的新產(chǎn)品，屬于 PICmicro 系列單片微機(jī)，可以做到在線邊緣和在線調(diào)試。 ki=。 %更新輸出量 圖 積分分離 PID 的 u(k)的值 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 17 頁 圖 普通 PID 的 u(k)的值 圖 和圖 分別為積分分離 PID 和普通 PID 的 u(k 的值 ) 分別采用不同 PID 控制時(shí)，階躍式跟蹤結(jié)果見下圖 圖 積分分離 PID 信號跟蹤 (M=1) 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 18 頁 圖 采用普通 PID 階躍跟蹤 (M=2) 由上面的仿真效果可知，用了積分分離控制的系統(tǒng)，其控制效果有明顯的改善， 積分分離 PID 控制器的 simulink 仿真 下面是積分分離 PID 控制對一個(gè)簡單環(huán)節(jié)進(jìn)行的仿真，傳遞函數(shù)為： 系統(tǒng)的 simulink 仿真圖如下圖 圖 積分分離 PID 控制 simulink 仿真程序圖 160se)s(100s??G 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 19 頁 通過經(jīng)驗(yàn)法設(shè)置 PID 參數(shù)為： Kp=， ki=， kd=3。y_2=y_1。u_1=u(k)。u_3=u_2。 end u_5=u_4。 if u(k)=110 %對控制量進(jìn)行限幅 u(k)=110。 u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)error_1)/ts+beta*ki*ei。 ki=。 end M=2 采用普通 PID 控制 elseif M==2 %采用普通 PID 控制 beta=。abs(error(k))=20 beta=。abs(error(k))=30 beta=。abs(error(k))=40 beta=。 ei=ei+error(k)*ts。 積分分離程序 rin(k)=40。)。 [num,den]=tfdata(dsys,39。zoh39。,100)。 %延時(shí)程序 sys=tf([1],[60,1],39。 close all。 MATLAB 語言的特點(diǎn)如下： (1)MATLAB 語言的簡潔緊湊，編程效率高 (2)界面友好，用戶使用方便 (3)MATLAB 圖形功能強(qiáng)大 (4)程序設(shè)計(jì)自由度大，可移植性好 (5)擴(kuò)充能力強(qiáng) (6)MATLAB 龐大的模塊集 (7)MATLAB 強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能 積分分離 PID 控制器的 M 文件仿真 對于溫度控制系統(tǒng)，經(jīng)過分析，精簡數(shù)學(xué)模型， 被控對象 可以看做是一個(gè)一階的純滯后系統(tǒng)，這里用的對象是： 采樣時(shí)間為 20s，延遲時(shí)間為 5 個(gè)采樣時(shí)間，即 100s，被控對象離散化為： y(k)=den(2)y(k1)+mum(2)u(k5) 公式 31 當(dāng) M=1 時(shí)，是積分分離 PID 控制，這里采用的是分段式積分分離的方式，即采用不同的積分強(qiáng)度，對應(yīng)的是不同的誤差絕對值。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 14 頁 第三章 積分分離 PID 控制在 MATLAB 上的實(shí)現(xiàn) 簡介 美國 Mathworks 公司研究開發(fā)了 “Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室） ”，來解決面對一些大量運(yùn)算，尤其是涉及到矩陣運(yùn)算時(shí)編程和調(diào)試難等困難；經(jīng)過不斷的發(fā)展和擴(kuò)充，公司于 1984 年推出了 MATLAB 正式版； 1992 年推出了 版，到目前為止，MATLAB 的應(yīng)用范圍越來越廣 MATLAB 編程跟人類進(jìn)行計(jì)算的表達(dá)方式和思維方法是一致的，所以用 MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算非常的方便。 (3)保持積分時(shí)間不變，更改比例度 δ，觀察過度過程有沒有改善，如果得到改善，繼續(xù)更改比例度，若沒有得到改善則反方向修改比例度，直到得到滿意的結(jié)果。 (2)將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 置于某一個(gè)特定的值，積分 作用的引入會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性相應(yīng)下降，將系統(tǒng)的比例度 δ 增大，增大的值通常為純比例作用的 倍。 （ 2）積分時(shí)間 iT 越大，積分作用越微弱，過渡過程越平緩，穩(wěn)態(tài)誤差消除的也越慢；反之，過渡過程振蕩的越劇烈，穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 13 頁 （ 3）微分時(shí)間 dT 越大，微分作用越微弱，過渡過程趨向穩(wěn)定，最大偏差越??；但是如果微分時(shí)間 dT 過大，會以此增加過渡過程的波動程度 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的具體步驟是： (1)將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 置于最大，微分時(shí)間 dT 放到最小，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例度 δ。經(jīng)驗(yàn)法可以理解為通過經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一組控制器參數(shù)，然后讓系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，等系統(tǒng)穩(wěn)定下來，進(jìn)行系統(tǒng)的階躍擾動試驗(yàn)，觀察控制過度過程；如果控制過程是想要的結(jié)果，則修改之前的控制器參數(shù)，重新進(jìn)行階躍擾動試驗(yàn)；重復(fù)進(jìn) 行上述試驗(yàn)，直到控制過度過程滿意為止。因此，我們還要在工程現(xiàn)場對其進(jìn)行調(diào)試和修正。但是，無論是衰減曲線法還是臨界比例度法，所確定的控制器整定參數(shù)都 是初步的。尤 其是對于一些干擾比較頻繁地控制系統(tǒng)。 試驗(yàn)過渡過程出現(xiàn)振蕩的時(shí)間比較短，而且是衰減振蕩，以此，衰減曲線法對多數(shù)過程適用。記錄下 4:1(或 10:1)的 δs 、 sT （或 rT ） ，如圖所示。并重復(fù)試驗(yàn)，直到過渡過程曲線出現(xiàn) 4:1 的衰減過程（如圖）。 (2)待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，對設(shè)定值作階躍變化，觀察控制過程系統(tǒng)的響應(yīng)。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁 二、衰減曲線法 衰減曲線法與臨界比例度法類似，此法不需要出現(xiàn)等幅振蕩的過程，它 是利用比例作用下產(chǎn)生的 4:1 衰減振蕩 (ψ=)過程時(shí)的 δs 及衰減振蕩周期 sT ，或 10:1 衰減振蕩(ψ=)過程時(shí)的 δs 及輸出響應(yīng)的峰值時(shí)間 rT ，根據(jù)下表的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出 δ、 iT 和 dT 。在有無自衡特性的過程中，按此法整定的參數(shù)會是系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大或偏小。 圖 系統(tǒng)的臨界振蕩過程 需要指出，如果 工藝方面不允許反復(fù)進(jìn)行振蕩實(shí)驗(yàn)，這種方法就不能應(yīng)用，像鍋爐給水系統(tǒng)等；對于某些時(shí)間常數(shù)較大的過程，采用比例調(diào)劑規(guī)律不會出現(xiàn)等幅振蕩，故也不能應(yīng)用此法 這種方法只適用于二階以上的高階對象，或一階加純滯后的對象。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁 (2)使系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個(gè)階躍變化，并逐漸減小比例度 ? ，直到系統(tǒng)進(jìn)入下圖的等幅振蕩狀態(tài)。這種控制方法不需要測試過程中的動態(tài)特性，簡單、使用方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 工程整定法 工程整定法又有臨界比例度法、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法。 理想曲線兩個(gè)波，前高后低 4比 1 。 動差大來波動慢。 曲線波動周期長，積分時(shí)間再加長 。 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 。 先是比例后積分，最后再把微分加 。這種方法，方便、簡單、容易掌握，因此在工程中 得到廣泛的應(yīng)用。以此最終很少應(yīng)用的工程實(shí)踐中。理論計(jì)算方法主要是依靠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)先給定各環(huán)節(jié)的傳遞環(huán)節(jié)，即預(yù)先給定誤差積分準(zhǔn)則，再通過計(jì)算得出整定參數(shù)。 控制系統(tǒng)整定的任務(wù)就是根據(jù)控制對象的特性及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇最 佳的控制器參開始 初始化 采入 r（ t）及 v（ t） ） 計(jì)算偏差值 error error(k)≦ε PID 控制 PD 控制 控制器的輸出 參數(shù)更新 返回 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁 數(shù)及其他儀表參數(shù)，使得控制過度過程具有最為滿意的品質(zhì)指標(biāo)。 根據(jù)積分分離式 PID 控制算法得到其程序框圖，見圖 ???????????)(0)(1ke r r orke r r or 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁 圖 積分分離 PID 控制算法程序圖 PID 整定方法 一個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量取決于控制方案、干擾的形式和大小、對象特性以及控制器參數(shù)的整定等各種因素。 圖 積分分離 PID 控制原理圖 實(shí)現(xiàn)其功能的詳細(xì)步驟如下： a) 根據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定閾值 ε0； b) 當(dāng) | error ( k) | ε 時(shí)，采用 PD 控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；（ error 為控制偏差） c) 當(dāng) | error ( k) | ≤ε 時(shí)，采用 PID 控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。 在普通的 PID 控制中引入積分環(huán)節(jié)是為了消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，從而提高控制系統(tǒng)的精度。參數(shù)整定的技術(shù)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、自適應(yīng)控制等；控制結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有積分分離、抗 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁 積分飽和、微分先行等。當(dāng)微分時(shí)間 Td 偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長；當(dāng) Td偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長只有合適時(shí)，可以得到比較滿意的過渡過程。積分作用的強(qiáng)入弱有時(shí)間常數(shù) Ti 決定， Ti 越大，積分作用越弱。如果積分時(shí)間 Ti 太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定， Ti 偏小，振蕩次數(shù)較多；如果 Ti 太大，又會減少對系統(tǒng)性能的影響，只有當(dāng) Ti 合適 時(shí)，過渡特性比較理想。 （ 2）積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)：主要的作用是消除靜差，保證被控量在穩(wěn)態(tài)時(shí)對設(shè)定值的無靜差跟蹤，提高系統(tǒng)的無差度。當(dāng) KP 太大時(shí)，系統(tǒng)會 趨于不穩(wěn)定，若 KP 太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。 PID 的控制規(guī)律為 ])()(1)([)(0 dttdeTdtteTteKtu DtIp ??? ? 公式 21 寫成傳遞函數(shù)的形式為 ? ? ? ?? ? ???????? ???? sTsTksE sUsG Dp111 公式 22 式中 KP：比例系數(shù) TI：積分時(shí)間常數(shù) TD：微分時(shí)間常數(shù) 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 6 頁 （ 1）比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即開始控制，使偏差向減小的趨勢變化。原理圖見下圖 : 圖 PID 控制原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，如圖 所示，系統(tǒng)由控制器和被控對象組成。 圖 控制器原理圖 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 5 頁 第二章 PID 控制器 PID 控制原理 在控制系統(tǒng)中，最常用最基礎(chǔ)的控制規(guī)律是 PID 控制。單片機(jī)的接口信號是數(shù)字信號，要想用單片機(jī)獲取溫度等非電信號的信息，必須使用溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號輸出。 課題整體方案 控制方案如圖 所示，整個(gè)系統(tǒng)由控制核心（即 控制器，本設(shè)計(jì)中控制其選 PIC單片機(jī)）、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路、測量變送環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)器（即熱電偶冷卻器）組成。而在設(shè)計(jì)過程中，可以把所學(xué)的東西用于實(shí)踐，進(jìn)一步升華理論知識。 設(shè)計(jì)的目的、意義和主要內(nèi)容 目的： 掌握自動控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真、單片機(jī)原理及應(yīng)用、Matlab 控制系統(tǒng)仿真、 C 語言程序設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)知識。 （ 3）先進(jìn)控制理論對 PID 的促進(jìn)作用，將自整定、自適應(yīng)有機(jī)結(jié)合。 （ 1）對單 輸入單輸出的被控對象，為使其抗干擾性和魯棒性方面進(jìn)一步