【正文】 的結(jié)構(gòu)還不完美，普遍存在積分飽和、過渡時間 與超調(diào)量之間矛盾大等缺點(diǎn)。諸如最優(yōu) PID 制（ Optimal PID）、預(yù)估 PID 控制 (Prective PID)、自適應(yīng) PID 控制(adaptive PID)、自校正 PID 控制（ selftiming PID）、模糊 PID 控制（ Fuzzy PID）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制（ neural PID）、非線性 PID 控制 (Nonlinear PID)等高級控制策略來調(diào)整 PID 參數(shù)。一方面，各種 新的控制思想不斷被應(yīng)用于 PID 控制器的設(shè)計(jì)之中或者是使用新的控制思想設(shè)計(jì)出具有 PID 結(jié)構(gòu)的新控制器， PID 控制技術(shù)被注入了新的活力。 第三個階段 :1942 年以后至現(xiàn)在 在 1942 年和 1943 年，泰勒儀器公司的 Zeiger 和 Nichols 等人分別在開環(huán)和閉環(huán)的情況下，用實(shí)驗(yàn)的方法分別研究了比例、積分和微分這三部分在控制中的作用，首次提出了 PD 控制器參數(shù)整定的問題，隨后有許多公司和專家投入到這方面的研究。調(diào)節(jié)方式類似于 BangBang 繼電控制，精度比較低控制器的形式是 P和 PI。下面簡單地回顧 PID 控制器的發(fā)展歷史： 第一個階段：十七世紀(jì)中葉至二十世紀(jì)二十年代 機(jī)器工業(yè)的發(fā)展，對控制提出了要求。即使到了計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的時代，由于被控對象輸出信息的獲取目前主要是“位置信息” 、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高階的信息無法或很難測量，在此情況下，高維、復(fù)雜控制只能在計(jì)算方法上利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，而在實(shí)際應(yīng)用中，在不能或難以獲得高階信息的條件下， PID 控制器仍是應(yīng)用的主要方法 [1][3]。而 PID 控制的結(jié)構(gòu)正是適合于這種對 象的控制要求。PID控制能被廣泛應(yīng)用和發(fā)展，根本原因在于這種控制方法滿足實(shí)際控制的應(yīng)用需求和具備應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的條件。另外一篇有關(guān)加 拿大造紙廠的統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明典型的造紙廠一般有多個控制回路，其中 97%以上是 PID 控制。 國際上有一些研究文章陳述了當(dāng)前工業(yè)控制的狀況，如日本電子測量儀表制造協(xié)會的一份調(diào)查報(bào)告表明 90%以上的控制回路是采用 PID 控制策略。 第 1 頁 共 34 頁 1 引言 課題研究背景 PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)的簡單但卻有效的控制算法。由于其算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， PID 控制策略被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。王偉等在 PD整定方法綜述中也提到在全世界過程控制中用的 84%仍是純 PD 控制器，若改進(jìn)型包括在內(nèi)則超過 90%。可見，在實(shí)際生產(chǎn)過程控制中，常規(guī) PID 控制最為常用，因此，可以將 PID 控制器看成自動控制的“面包與黃油”。 在計(jì)算機(jī)技術(shù)沒有發(fā)展的條件下，大量需求的控制對象是一些較為簡單的單輸入單輸出線性系統(tǒng)，而且對這些對象的自動控制要求是保攀輸出變量為要求的恒值，消除或減少輸出變量與給定值之誤差、誤差速度等。另一方面， PID 控制結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，用一般電子線路、電氣機(jī)械裝置很容易實(shí)現(xiàn)，在無計(jì)算機(jī)條件下，這種 PID 控制比其他復(fù)雜控制方法具有可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)先條件。 總而言之， PID 控制器歷史悠久，生命力旺盛，并 以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中發(fā)揮巨大作用。反饋的方法首先被提出，在研究氣動和電動記錄儀的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了比例和積分作用，它們的主要的調(diào)節(jié)對象是火爐的溫度 第 2 頁 共 34 頁 和蒸汽機(jī)的閥門位置等。 第二個階段：二十世紀(jì)二十年代至四十年代 1953 年，泰勒儀器公司的發(fā)現(xiàn)了微分作用，微分作用的發(fā)現(xiàn)具有重要的意義， 它能直觀地實(shí)現(xiàn)對慢系統(tǒng)的控制，對該 系統(tǒng)的動態(tài)性能能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)，與先期提出的比例和積分作用成為主要的調(diào)節(jié)部件。經(jīng)過 50 多年的努力，特別是近年來隨著各種現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展， PID控制器的應(yīng)用并沒有被削弱，相反，新技術(shù)的出現(xiàn)對于 PID 控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。另一方面，某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的 PID 控制，從而刺激了PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展，使 PID控制器的調(diào)整方面取得了很多成果。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們面臨的被控對象越來越復(fù)雜，對于控制系統(tǒng)的精度性能和可靠性的要求越來越高，這對 PID控制技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但是 PID 控制技術(shù)并不會過時，它必將和先進(jìn)控制策略相結(jié)合向高精度、高性能、智能化的方向發(fā)展。所以改進(jìn)傳統(tǒng) PID 控制器也就成了人們研究的熱點(diǎn)。 第 3 頁 共 34 頁 PID 控制器基本原理 被 控 對 象比 例微 分積 分erv+_+++u 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 如圖 所示常規(guī) PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與際輸出值 c(t)的偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。 對控制性能的影響 (l)比例作用對控制性能的影響 比例作用的引入是為了及時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小偏差。 . (2)積分作用對 控制性能的影響 積分作用的引入是為了使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實(shí)現(xiàn) 第 4 頁 共 34 頁 對設(shè)定值的無靜差跟蹤。和E0，只有當(dāng)且僅當(dāng)動態(tài)誤差 e(t)=0 時，控制器的輸出才為常數(shù)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)的大小，積分時間常數(shù)越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。實(shí)際中，積分作用常 與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI控制器或者 PID 控制器。微分作用能反映系統(tǒng)偏差的變化律，預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分作用合 適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。所以我們不能一味地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。 控制規(guī)律的選擇 PID控制器參數(shù)整定的目的就是按照己定的控制系統(tǒng)，求得控制系統(tǒng)質(zhì)量最佳的調(diào)節(jié)性能。對于不同的對象，閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的不同要求，通常需要選擇不同的控制方法，控制器結(jié)構(gòu)等 。 數(shù)字 PID 控制技術(shù) 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和可靠性的不斷提高，計(jì)算機(jī)參與工業(yè)控制不僅成為現(xiàn)實(shí)，而且日益廣泛地深入到控制技術(shù)的各個領(lǐng)域。 數(shù)字 PID 控制器特點(diǎn) PID控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過程控制史得到了普遍的應(yīng)用。與模擬 PID 控制器相比數(shù)字 PD 控制器有以下優(yōu)點(diǎn)： (l)對于具有純滯后環(huán)節(jié)的控制對象。因此，盡管幾十年前人們就對純滯后補(bǔ)償控制進(jìn)行了研究并找出了控制規(guī)律，但用模擬調(diào)節(jié)器很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。 (2)采用常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器與數(shù)字調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)，但為了得到滿意的控制效果，有時需要 在控制過程中的一段時間內(nèi)進(jìn)行 H 控制，在一段時間內(nèi)進(jìn)行 PD控制，或需要在線改變 PID參數(shù)。 數(shù)字 PID 控制算法 模擬 PID 控制規(guī)律的離散化如表 ： 表 模擬 PID 離散化 模擬形式 離散化形式 第 6 頁 共 34 頁 )()()( tctrte ?? ( ) ( ) ( )e k r k c k?? dTtde)( ( ) ( 1)e k e kT?? ?t dtte0 )( 00( ) ( )kkiie i T T e i????? 數(shù)字 PID 控制算法在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種：位置式 PID 控制算法和增量式PID控制算法 [11][14]。離散的 PID表達(dá)式為： ? ? 00( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT???? ? ? ? ? ?????? （ ） 或 100 ()kk p k I j D k kju k e k e k e e u??? ? ? ? ?? （ ） 其中： k 采樣序列號 k=1， 2， 3； ()uk 為第 k次采樣時刻的計(jì)算機(jī)輸出值； ()ek 氣第 k次采樣時刻的輸入偏差值； ( 1)ek? 第 k1次采樣時刻的輸入偏差值； 這種算法的缺點(diǎn)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(jì)算時要對氣進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。 （ 2） 增量式 PID 控制算法 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量 (如驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) )時， .可由式 ()導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算法。 采用增量式算法時，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△ u(k)對應(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在算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，但卻帶來了不少優(yōu)點(diǎn)： ，所以誤動作時影響 小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)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，故依然能保持原值。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 。因此在選擇時不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可以采用位置式控制算法，而在以步進(jìn)電機(jī)或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用 增量式控制算法。選取采樣周期時，一般應(yīng)考慮下列幾個因素： 。 PID 參數(shù)的整定綜合考慮“選取采樣周期時，一般應(yīng)考慮下列幾個因素：要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 第 8 頁 共 34 頁 。 。 由上面分析可以知道，采樣周期受各種因素的影響，有些是相互矛盾的，必須視具體情況和主要的要求作出折中的選擇，在某些控制系統(tǒng)中， PID 調(diào)節(jié)控制過程是在定時中斷狀態(tài)下完成的。在不影響中斷服務(wù)程序運(yùn)行的情況下，可取采樣周期 T為小于 1的純滯后時間?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(shù)。下面是論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章 引言 主要介紹了課題的研究背景及 PID 控制的一些基礎(chǔ)知識與技術(shù)方法。 第三章 基于繼電反饋的 PID 參數(shù)整定方法及其改進(jìn) 主要研究了基于繼電反饋的 PID 參數(shù)整定方法及其改進(jìn)型，介紹了原理及實(shí)現(xiàn)，臨界信息的確定，多點(diǎn)頻率特性的獲取，交點(diǎn)頻率特性的識別和參數(shù)的整定。 第五章 總結(jié) 對本文的研究工作做出總體概括。同其它控制方法一樣，幾十年來， PID 控制的參數(shù)整定方法和技術(shù)也處于不斷發(fā)展中。根據(jù)發(fā)展階段的劃分，可分為常規(guī) PID 參數(shù)整定方法和智能 PID 參數(shù)整定方法；按照被控對象個數(shù)來劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法和多變量 PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)；按控制量的組合形式來劃分，可分為線性 PID 參數(shù)整定方法和非線性 PID 參數(shù)整定方法，前者適用于經(jīng)典 PID 調(diào)節(jié)器，后者適用于由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性 PID 控制器 [15][21]。一種是基于模式識別的參數(shù)整定方法 (基于規(guī)則 )，另一種是基于繼電器反饋的參數(shù)整定方法 (基于模型 )。 常規(guī) PID 參數(shù)整定方法隨著控制 理論的發(fā)展而不斷發(fā)展，其各種整定方法很多，并在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用。 ZieglerNichols 參數(shù)整定方法 該方法是為 Ziegier和 Nichols于 1942年提出的開環(huán)動態(tài)響應(yīng)中某些特征參數(shù)而進(jìn)行的 PID 參數(shù)整定，它是基于受控過程的開環(huán)動態(tài)響應(yīng)。 在實(shí)際過程控制系統(tǒng)中，有大量的對象模型可以近似地由這樣的一階模型來表示，如果無法建立對象模型，可以由實(shí)驗(yàn)提取其相應(yīng)特征參數(shù) K， T， L或 Kc、ω c (Kc為臨界振蕩增益，ω c為臨界振蕩角頻率 )。設(shè) u