【正文】 的。 在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 PID 控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了 PID 參數(shù)的重新整 定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的 PID 參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài) 確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計(jì)算 PID 參數(shù)。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及 MATLAB 簡(jiǎn)介 PID 控制中最重要的是對(duì)其參數(shù)的控制，所以當(dāng)今國(guó)內(nèi)外 PID 控制技術(shù)的研究主要是圍繞如何對(duì)其參數(shù)整定進(jìn)行的。 Astrom 在 1988 年美國(guó)控制會(huì)議（ ACC）上作的《面 向智能控制》 ［ 2］ 的大會(huì)報(bào)告概述了結(jié)合于新一代工業(yè)控制器中的兩種控制思想 ——自整定和自適應(yīng)，為智能 PID 控制的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自適應(yīng) PID 的應(yīng)用途徑的不斷擴(kuò)大使得對(duì)其整定方法的應(yīng)用研究變得日益重要。后者的應(yīng)用實(shí)例較多，這類控制器現(xiàn)在包括自整定、增益計(jì)劃設(shè)定及反饋和前饋增益的連續(xù)自適應(yīng)等功能 .這些技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了 PID 控制器的使用，顯著改進(jìn)了它的性能，它們被統(tǒng)稱為自適應(yīng)智能控制技術(shù)。按工作機(jī)理劃分，自整定方法能被分為兩類：基于模型的自整定方法和基于規(guī)則的自整定方法。 在基于規(guī)則的自整定方法中，不用獲得過(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，整定基于類似有?jīng)驗(yàn)的操作者手動(dòng)整定的規(guī)則。 PID 控制算法是迄今為止最通用的控制策略 .有許多不同的方法以確定合適的控制器青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 參數(shù) .這些方法區(qū)分于復(fù)雜性、靈活性及使用的過(guò) 程知識(shí)量。我們也需要那些盡管需要更多的信息及計(jì)算量，但能給出較好性能的較復(fù)雜的方法。 ［ 4］ ①對(duì)于單輸入單輸出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)不穩(wěn)定對(duì)象或被控過(guò)程存在較大干擾情況下的 PID 參數(shù)整定方法，使其在初始 化、抗干擾和魯棒性能方面進(jìn)一步增強(qiáng)，使用最少量的過(guò)程信息及較簡(jiǎn)單的操作就能較好地完成整定。 ［ 4］ ③智能 PID 控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計(jì)劃設(shè)定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動(dòng)診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對(duì)原有PID 控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)；將預(yù)測(cè)控制、模糊控制和 PID 控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制 系統(tǒng)性能，都是智能 PID 控制發(fā)展的極有前途的方向。其中包括 :一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序和圖形集于便于使用的集成環(huán)境中。目前，在控制界 、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。用 SIMULINK 對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以預(yù)知效果，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，為設(shè)計(jì)人員提供參考。 ［ 8］ 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第二章 控制系統(tǒng)及 PID 調(diào)節(jié) 控制系統(tǒng)構(gòu)成 對(duì)控制對(duì)象的工作狀態(tài)能進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般由 控制器與控制對(duì)象組成，控制方式可分為連續(xù)控制與 反 饋控制，即一般所稱，開回路與閉回路控制。 反饋 控制是指將所要求的設(shè)定值與系統(tǒng)的輸出值做比較，求其偏差量，利用這偏差量將系統(tǒng)輸出值使其與設(shè)定值調(diào)為一致。 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)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(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 比例、積分、微分 1. 比例 比較組件 控制器 被控對(duì)象 感測(cè)與轉(zhuǎn)換 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 R 1R 2V iV o 圖 22 比例電路 12)()( RRViVott ?? )(12)( tt ViRRVo ??? 公式（ 21） 2. 積分器 R 1V iV o1 / S C 圖 23 積分電路 SCRS C RRSCViVott 1111111)()( ??????? ViSCRVo t 11 1)( ??? dtViCRVo t ??? 1)( 1 公 式 （ 22） V oR 21 / S CV I 圖 24 微分電路 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3. 微分器 SCRSCRViVott22)()( 1 ???? )(2)( tt SViCRVo ?? dtdViCRVo t 2)( ?? (式 23) 實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制器。其控制器的輸出與輸入誤差訊號(hào)成比例關(guān)系。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是 由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后 (delay)的組件，使力圖克服誤差的作用，其變青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 化總是落后于誤差的變化。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重地沖過(guò)頭。 ［ 12］ 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第三章 系統(tǒng)辨識(shí) 系統(tǒng)辨識(shí) (1) 所謂系統(tǒng)辨識(shí)即是在不知道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)特性辨識(shí)出來(lái)。但實(shí)際的 被控對(duì)象 往往是非線性系統(tǒng)，且系統(tǒng)復(fù)雜，難以精確地用數(shù)學(xué)式表達(dá)。調(diào)整 PID 控制器的方法中，最有名的是 ZieglerNichols 所提出的二個(gè)調(diào)整法則。 (3) 將大小為 1 的階躍信號(hào)加到 被控對(duì)象如 圖 31 所示： 圖 31 將 階躍 信號(hào)加到 被控對(duì)象 對(duì)大多數(shù)的 被控對(duì)象 ，若輸入為階躍信號(hào)，則其輸出 c(t)大多 為 S 狀曲線，如下圖 32所示。 L0 . 6 3 2 kkT ’T ”Tc ( t ) 圖 32被控對(duì)象的階躍響應(yīng)圖 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 (4) 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù) 空調(diào)方面： 圖 33空調(diào)系統(tǒng)示意圖 圖 34 空調(diào)系統(tǒng)方塊圖 由圖 33 及圖 34 可得知此系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)推導(dǎo)如下： QcQoQ ?? dtdTCRTQ ?? CSTRTQ ?? 11 ???? SRR CSRQT ? 公式（ 32） 系統(tǒng)特性圖 (1) 系統(tǒng)為制熱 使用最大信號(hào)去控制系統(tǒng)，直到穩(wěn)定之后，也就是熱到達(dá)無(wú)法再上升時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)特性就會(huì)出現(xiàn)，如下圖 35 所示： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 1 0 ℃5 0 ℃ 圖 35 系統(tǒng)制熱的特性圖 (2) 系統(tǒng)為制冷 使用最大信號(hào)去控制系統(tǒng)，直到穩(wěn)定之后，也就是冷到達(dá)無(wú)法再下降時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)特性就會(huì)出現(xiàn)，如下圖 36 所 示： 1 0 ℃3 0 ℃ 1 0 ℃3 0 ℃ 圖 36 系統(tǒng)制冷的特性圖 系統(tǒng)辨識(shí)方法 （ 1）一階系統(tǒng)帶有延遲特性 L0 . 6 3 2 kkaT ’T ”TC ( t ) 圖 37 一 階系統(tǒng)帶有延遲特性圖 此切線為最大斜率 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 一階系統(tǒng)1?TsK加一個(gè)傳遞 lse? 來(lái)近似 被控對(duì)象 ，則其近似轉(zhuǎn)移函數(shù)如 公式 33 所 示： 1)( ?? ?TsKesG Ls 公式（ 33） 其中 K、 T、 L 可由上圖 37 求得。 T:時(shí)間常數(shù)。 L： 延遲時(shí)間。 T 與 L：求 T 及 L 必須在 S 形狀曲線劃一條切線 (最大斜率 )，畫出切線之后， T 及 L 值 可以直接從圖上得知。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第四章 PID 最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真 PID 參數(shù)整定法概述 參數(shù)整定方法 （ 1） Relay feedback ： 利用 Relay 的 onoff 控制方式，讓系統(tǒng)產(chǎn)生一定的周期震蕩，再用 ZieglerNichols 調(diào) 整法則去把 PID 值求出來(lái)。 （ 3） 波德圖 amp。轉(zhuǎn)移函數(shù)在用系統(tǒng)辨識(shí)方法辨識(shí)出來(lái)，之后輸入指令算出 PID 值。波德圖及根軌跡則相反，一定要有轉(zhuǎn)移函數(shù)才能去求 PID 值，那這技巧就在于要用系統(tǒng)辨識(shí)方法，辨識(shí)出轉(zhuǎn)移函數(shù)出來(lái)，再用 MATLAB 里的 Simulink 畫出 反饋 方塊圖，調(diào)出 PID 值。前提是要由系統(tǒng)辨識(shí)出轉(zhuǎn)移函數(shù)才可以使用波德圖法和根軌跡法，如下圖 42 所示。 Relay feedback 調(diào)整法 圖 43 Relay feedback 調(diào)整法 如上圖 43 所示，將 PID 控制器改成 Relay，利用 Relay 的 OnOff 控制，將系統(tǒng)擾動(dòng)，可得到該系統(tǒng)于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的震蕩周期及臨界增益（ Tu 及Ｋ u），在用下表 44 的ZieglerNichols 第一個(gè)調(diào)整法則建議 PID 調(diào)整值 ，即可算出該系統(tǒng)之Ｋ p、 Ti、 Tv 之值。 圖 45 Simulink 繪出的反饋方塊圖 Step 2： 讓 Relay 做 OnOff 動(dòng)作，將系統(tǒng)擾動(dòng)（ OnOff 動(dòng)作，將以 177。 圖 46 Step 3： 即可得到系統(tǒng)的特性曲線，如下圖 47 所示。 以下為 Relay feedback 臨界震蕩增益求法 adKu ???4 公式（ 41） ａ：振幅大小 ｄ： 電壓值 在線調(diào)整法 圖 4－８ 在線調(diào)整法 示意圖 在不知道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)的情況下，以在線調(diào)整法，直接于 PID 控制器做調(diào)整，亦即 PID控制器里的 I 值與 D 值設(shè)為零，只調(diào) P 值讓系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，這時(shí)的 P 值為臨界震蕩增益Ｋv，之后震蕩周期也可算出來(lái)，只不過(guò)在線調(diào)整實(shí)務(wù)上與系統(tǒng)仿真差別在于在實(shí)務(wù)上處理比較麻煩，要在 PID 控制器輸出信號(hào)端在串接電流表，即可觀察所調(diào)出的 P 值是否會(huì)震蕩，雖然比較上一個(gè) Relay feedback 法是