【正文】 躍響應(yīng) (1)當 |e(t)|≥emax時，系統(tǒng)誤差很大，處于 III 區(qū)，無論運動在哪個階段，為保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，采用 BangBang 控制，即控制器按正向或負向最大輸出，以最快速度減小系統(tǒng)誤差。 圖 22 分區(qū)控制 以典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為例，分析在各階段適時改變 PID 參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響。 分區(qū)控制算法通過檢測系統(tǒng)誤差所處的區(qū)閾，采取不同的控制策略 [5]。 專家整定 PID 控制器，把人的判斷技巧與推理能力參與到控制系統(tǒng)設(shè)計中去。 專家 PID 控制是在常規(guī) PID 控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)專家及操作人員的實際經(jīng)驗，針對 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 具有大滯后、時變、非線性 系統(tǒng)而提出的控制方法。盡管己有許多方法來提高經(jīng)典控制系統(tǒng)處理不確定性問題的能力，如魯棒控制、自適應(yīng)控制等，但是它們?nèi)匀浑y以應(yīng)用到工業(yè)過程中 .這是因為傳統(tǒng)先進控制系統(tǒng)采用的是純粹的分析結(jié)構(gòu)、線性和時不變約束等，而且難以被用戶理解。 專家 PID 控制原理 專家控制系統(tǒng)是智能控制的主要內(nèi)容之一，建立在控制理論和人工智能技術(shù)基礎(chǔ)之上，為工業(yè)自動化控制的系統(tǒng)設(shè)計提供了新的方法。首先，它具備自學習、自適應(yīng)、自組織的能力，能夠自動辨識被控過程參數(shù)、自動整定控制參數(shù)、能夠適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化；其次，它又具有常規(guī) PID 控制器結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高、為現(xiàn)場工程設(shè)計人員所熟悉等特點。 近年來，智能控制無論是理論上還是應(yīng)用技術(shù)上均得到了長足的發(fā)展，隨之不斷涌現(xiàn)將智能控制方法和常規(guī) PID 控制方法融合在一起的新方法，形成了許多形式的智能PID 控制器。這就要求在 PID 控制中，不僅 PID 參數(shù)的整定不依賴于對象數(shù)學模型，并且 PID 參數(shù)能夠在線調(diào)整，以滿足實時控制的要求。但是在實際的應(yīng)用中，許多被控過程機理復雜，具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有近 90%的回路在應(yīng)用 PID 控制策略。不同智能技術(shù)的整合往往可以構(gòu)成更好的智能 PID 控制器 [6]。 根據(jù)智能技術(shù)的類別可將當前的 PID控制分為 3類 :基于模糊邏輯的智能 PID控制器 。智能控制可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域，如智能交通管理系統(tǒng)，大規(guī)模集成化制造系統(tǒng)等。為了使控制系統(tǒng)實現(xiàn)一定的智能，必須應(yīng)用人的經(jīng)驗知識、技巧和直覺推理等能力，并把他們系統(tǒng)化、理論化。 專家 PID 控制器 智能 PID 控制概述 概括的講，智能控制就是擬人智能的控制，也就是說，所設(shè)計的控制系統(tǒng)不僅能自動地處理數(shù)據(jù)、信息，而且能處理知識，具有推理、判斷、決 策等能力，是人工智能、計算機技術(shù)與控制理論相結(jié)合的控制。 積分分離 PID 控制應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的位置實時控制，可使控制過程的靜態(tài)、動態(tài)性能指標較為理想。能實現(xiàn)精確的變頻調(diào)速閉環(huán)控制 ,調(diào)節(jié)質(zhì)量好。該控制器具有很好的動靜態(tài)性能，是一種行之有效的控制器。 積分分離 PID 的主要用途 積分分離 PID 控制，在系統(tǒng)誤差較大時，取消積分環(huán)節(jié)；當誤差較小時，引入積分環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標較為理想。 積分分離控制算法可表示為： 式中： e(k)是 k 時刻調(diào)節(jié)器的輸入與輸出的偏差量； Kp 是比例系數(shù)； Ki 是積分系數(shù)；Kd 是微分系數(shù)； T 為采樣周期； b 為積分項的開關(guān)系數(shù)， 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 錯誤 !未找到引用源。 積分分離控制基本思想是：當被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn) 定性降低，超調(diào)量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。 積分分離 PID 控制器 積分分離 PID 控制原理 在普通 PID 控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差。此外 ,微分反應(yīng)的是變化率 ,而當輸入沒有變化時 ,微分作用輸出為零。在微分時間選擇合適情況下 ,可以減少超調(diào) ,減少調(diào)節(jié)時間。 總之， 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率 ,具有預見性 ,能預見偏差變化的趨勢 ,因此能產(chǎn)生超前的控制作用 ,在偏差還沒有形成之前 ,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。 微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 (3)微分環(huán)節(jié)： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合 ,組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti 越小 ,積分作用就越強。 積分環(huán)節(jié)的作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,提高無差度。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差， 在控制器中必須引入“積分項”。 (2)積分環(huán)節(jié)： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，偏差一旦出現(xiàn)，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生作用來減小誤差。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。正確地整定 PID 數(shù)字控制器的參數(shù) Kp、 Ki、 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 Kd 是 PID 控制的關(guān)鍵。 (2 2) 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID 控制器，離散化后表示為： 錯誤 ! 未找到引用源。 圖 21 普通 PID 控制框圖 控制規(guī)律如下： 錯誤 ! 未找到引用源。 常規(guī) PID 控制是一種線性控制，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)，將偏差 e(t)的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控制對象進行控制。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控 制。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 6 頁 第二章 PID 控制器綜述 常規(guī) PID 控制器概述 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 文中還對控制系統(tǒng)數(shù)學建模的一般方法進行了介紹，以及針對本課題的數(shù)學建模方法的敘述。并對程序設(shè)計過程中的一些問題進行了分析； （ 3）、基于實驗設(shè)備，選流量為快速系 統(tǒng)被控對象，并用實驗階躍響應(yīng)曲線發(fā)建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型； （ 4）、用所設(shè)計的兩種 PID 控制算法的 simulink 程序，以流量控制系統(tǒng)為被控對象 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 5 頁 進行仿真。根據(jù)設(shè)計的研究順序，主要做了以下學習與研究。 本課題的主要 研究內(nèi)容 課題基本內(nèi)容為專家 PID 控制在快速系統(tǒng)中的仿真及應(yīng)用。并且隨著控制理論和計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和傳感器集成化程度的提高，專家智能PID 控制必將是極有發(fā)展前途的研究和應(yīng)用方向。隨著控制理論和計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和傳感器集成化程度的提高，智能 PID 控制必將是極有發(fā)展前途的研究和應(yīng)用方向。這一狀況需要廣大理論工作者和工程技術(shù)人員共同努力，盡快轉(zhuǎn)變這一局面。國外如日本、歐美等國家不但在理論研究方面走在前列，而且已經(jīng)有成功應(yīng)用的產(chǎn)品， Yokogawa 電氣和 Fuji 電氣的溫度控制器，它們把模糊邏輯與標準的 PID 控制集成在一起來抑制超調(diào)，取得了成功。通過對系統(tǒng)特征狀態(tài)的識別，構(gòu)造專家式智能 PID 控制器是一種行之有效的實現(xiàn)智能控制的方法。由于工業(yè)生產(chǎn)過程復雜，非線性、時變性、時滯性都很突出，客觀上對人工智能控制有要求，這就是可能潛在巨大的商機，也是智能控制倍受關(guān)注的原因之一 [3]。 DCS 裝置，如 Honeywell 公司的 TDG3000、 PLC系統(tǒng)裝置、 OMRON 等都提供實現(xiàn)組態(tài)的多種編輯器，如 IEC1131 標準的 5 種編程語言：SFC（順序功能圖）、 FBD（功能塊圖） 、 LLD（梯形邏輯圖）、 IL（指令語句表）以及ST（結(jié)構(gòu)化文本）。 PID 控制方式經(jīng)歷了 60 多年的應(yīng)用考驗，已證明是一種很好的控制器模式，尤其引人注目的是近年來電氣傳動及機電控制等非自動化儀表傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，也都采用PID，可以說 PID 應(yīng)用領(lǐng)域已大為擴大。 PID的研究包括如下幾個方面： PID 最優(yōu)參數(shù)整定； PID 算式的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)；以 PID 為基礎(chǔ)的先進控制系統(tǒng)；自適應(yīng) PID；專家系統(tǒng)與智能 PID。 自動化儀表中的調(diào)節(jié)儀表，經(jīng)歷了基地式儀表、單元組合儀表或組裝儀表、 DDC工業(yè)控制機、 DCS 或 PLC 已發(fā)展至現(xiàn)場總線系統(tǒng)。近十年來， AI 的發(fā)展很迅速專家系統(tǒng) (ES)是 AI 中 最活躍的一個領(lǐng)域， ES 和智能控制所研究的問題都具有不確定性 .Astrom第一個將兩者結(jié)合，提出專家控制。因此，對智能控制系統(tǒng)的研究是極為重要的。 當前智能控制器在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用都比較單一，一般都起著代替控制系統(tǒng)中PID 控制器 的作用。 文中以流量系統(tǒng)為例，并設(shè)計積分分離 PID 控制器，與專家 PID 控制器相對比，來研究兩種算法的優(yōu)缺點。專家系統(tǒng)擁有整定專家的知識（調(diào)試規(guī)程），它可以根據(jù)控制過程提供的實時信息，自動地在線整定 PID參 數(shù)，改善控制性能。基于這一想法，本文根據(jù)專家系統(tǒng)控制原理，設(shè)計了一種專家整定 PID 控制器，試圖把人的判斷技巧與推理能力參與到控制系統(tǒng)設(shè)計中去。但 是，要想取得好的控制效果，必須離線或者在線整定 PID 控制器的參數(shù)，使之具有合理的數(shù)值。即：專家 PID 和積分分離式 PID。其實質(zhì)是利用專家經(jīng)驗來設(shè)計控制器，使控制器具有智能。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 2 頁 第一章 緒論 研究的目的和意義 目前，智能控制已廣泛地應(yīng)用于自然科學和社會科學的各個領(lǐng)域，如 :復雜的工業(yè)過程控制、機器人與機械手的控制、航天航空控 制、交通運輸控制等，尤其當被控對象模型包含有不確定性、時變、非線性、時滯、藕合等難以控制因素、采用其它控制理論難以設(shè)計出合適并符合要求的系統(tǒng)時，都有可能應(yīng)用智能控制理論獲得滿意的解決 [2]。專家智能自整定 PID 控制器是將專家控制與常規(guī) PID 控制相結(jié)合而具有的自整定、自學習等功能，可以用來描述復雜系統(tǒng)的特性，并通過學習和自組織得到相應(yīng)的控制策略。實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變等不確定性干擾，常規(guī) PID 控制器經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)整定不良、控制性能欠佳，且對運行工況的適應(yīng)性較差等情況 [2]。在 PID 控制中，一個至關(guān)重要的問題是 PID 參數(shù) (比例系數(shù)、積分時間、微分時間 )的整定。智能控制與常規(guī) PID 控制相結(jié)合，形成所謂智能 PID 控制，這種新型的控制方式已引起人們的普遍關(guān)注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。s knowledge, is the experience rich, is the effective knowledge by the proof. The paper mainly studies controller39。 關(guān)鍵詞 ： 專家 PID，專家系統(tǒng)，快速控制系統(tǒng)， simulink 仿真，積分分離 PID Expert PID control in fast system39。除此之外，對專家 PID 控制器中閾值對系統(tǒng)的影響以及專家 PID 控制系統(tǒng)自適應(yīng)能力進行了簡要分析。 （ 2）其次，文中還對建立數(shù)學模型的方法進行了介紹，并針對本課題和實驗設(shè)備，選取流量為被控對象，使用階躍響應(yīng)曲線法建立了流量系統(tǒng)的數(shù)學模型。作為專家系統(tǒng)的知識，是實踐經(jīng)驗豐富、被證明是有效的知識。 特此聲明。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文（設(shè)計）題目： 基于 MATLABD 的 專家 PID 控制 器 在快速系統(tǒng)中的仿真及應(yīng)用 學 院： 電氣工程學院 ＿ 專 業(yè)： ＿ 自動化 班 級： * 學 號：