【正文】 法，并結合實驗室實驗裝置，取流量為被控對象，分別建立了流量控制系統(tǒng)的積分分離式PID 控制器及專家 PID 控制器，通過對比研究，分別指出了兩種控制器的特點及存在問題。 專家控制是智能控制的一個分支，是先進控制的一種。本文的目的是用兩種 PID 算法來實現(xiàn) PID 控制在快速系統(tǒng)中的仿真及應用。 根據偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進行控制（簡稱 PID 控制），是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制算法。實際上，任何一個有效的控制設計都需要包含人的經驗知識、判斷技巧和直覺推理能力。在專家整定 PID 控制系統(tǒng)中， PID 參數的整定工作由專家系統(tǒng)實現(xiàn)，控制信號仍然由 PID 控制器給出，專家系統(tǒng)只是間接地影響控制過程。且專家控制器具有進入穩(wěn)定狀態(tài)快的特點；采用專家 PID 控制器對具有非線性、時變性和分布參數等特性的對象能夠得到較好的控制效果。積分分離 PID 控制基本思路是，當被控量與設定值偏差較大時候，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調量增大；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。另外無論是神經網絡還是模糊控制直接應用于快速時變對象、非線性對象、大滯后對象與多干涉擾動對象都還存在著很多困難。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 3 頁 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 現(xiàn)代控制工程基本圍繞下面兩個問題進行：設計時對被控對象及其環(huán)境的信息要求越來越少和能在變化了的環(huán)境或未知環(huán)境下工作這對以精確數學模型為基礎的經典控制理論和自適應控制技術來說，目前是一個難以逾越的障礙以研究不確定性問題為目的的人工智能（ AI）的發(fā)展正在逐步解決上述問題。專家智能控制系統(tǒng) (EICS)能很好解決現(xiàn)代控制工程提出的問題，因為它避開了裝置的數學模型。盡管裝置在信號傳送方式、計算運算方式、元器件等方面都發(fā)生了巨大的變化，然而核心的控制模式或控制算式卻始終以PID 為主， PID 控制的研究歷史最悠久，在過程控制中，應用最廣泛，獲得的成效也很大，這同 PID 本質的魯棒性、本質的優(yōu)化結構模式與本質的智能化特色密切相關。其中，后兩個方面在模糊集理論、神經網絡、遺傳算法、混沌集理論等研究的推動下，可以說已經到了白熾化。國際著名的自動 化儀表廠商都十分注意 PID 功能的應用，如 20 世紀 70 年代至 80 年代中期，從 DCS 的 PID 組態(tài)，擴大各種 PID 控制功能（如抗積分飽和、疊加邏輯狀態(tài)等）到推出自整定 PID 控制器（如日本東芝公司的Fuji Micer 自整定調節(jié)器、美國 Foxboro 公司的 Exact 自整定調節(jié)器、日本橫河電機株式會社的 YS80 專家自整定調節(jié)器）。國外著名 DCS 公司還都紛紛將仿人智能控制作為軟件植入系統(tǒng)裝置，從而使智能控制進入了商品化與實用化。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 4 頁 近年來人工智能的迅速發(fā)展為控制理論及應用開辟了嶄新的道路，人工智能和控制理論的結合產生了智能控制。 在理論研究特 別在應用方面，國內與國外差距明顯。而國內重復研究的多，創(chuàng)造性研究的少；停留于仿真成果的多，能夠在工程上應用的少，尤其是運行時問較長的智能 PID 控制器可以說微乎其微。 智能 PID 控制方法將智能控制與傳統(tǒng) PID 控制結合起來，可以很好地控制復雜的非線性系統(tǒng)，兼 顧了各種方法的優(yōu)點。 目前，專家 PID 廣泛應用于自動化儀表、工業(yè)控制、動力裝置控制等各個領域。 近年來，人們普遍認為 :基于知識和經驗的專家系統(tǒng)、基于模糊邏輯推理于計算的模糊控制、基于人工神經網絡的神經網絡控制及以上方法的交叉與融合，將是今后的研究熱點。設計積分分離的 PID 控制器，專家 PID 控制器，并以快速系統(tǒng)為例，在 MATLAB 上分別使用這兩種控制器對系統(tǒng)進行設計及仿真。 （ 1）、先對本課題所涉及的專家 PID 控制與積分分離 PID 控制的原理與控制算法進行了介紹； （ 2）、選一任意快速系統(tǒng)為被控對象，運用 MATLAB 工具對兩種 PID 控制算法進行 simulink 程序設計及仿真。在此，對專家 PID 控制中的一些規(guī)則設置進行了分析，并將專家 PID 控制與積分分離 PID 控制算法相對比，研究了兩種 PID 控制的抗擾性、穩(wěn)定性及控制精度。整個論文將控制系統(tǒng)從對任意系統(tǒng)仿真到針對實際控制系統(tǒng)進行建模及仿真，做了流程性的講述。 PID 控制器以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用 PID 控制技術。 PID 控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。常規(guī) PID 控制見圖 21。 (2 1 ) 經拉氏變換，整理 成傳遞函數形式為： 錯誤 ! 未 找到引 用源。 (2 3) 其中： T 為采樣時間； Ti、 Td 分別為積分時間常數和微分時間常數； Kp、 Ki、 Kd分別為比例增益、積分增益和微分增益。 (1)比例環(huán)節(jié)： 比例控制是一種最簡單的控制方式。當僅有比例 控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。比例作用加大，可以提高系統(tǒng)的響應速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但比例作用過大會使動態(tài)性能變壞，超調增加，還會導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。因為有誤差 ,積分調節(jié)就進行 ,直至無差 ,積分調節(jié)停止 ,積分調節(jié)輸出一常值。反之 Ti 大則積分作用弱 ,加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 ,動態(tài)響 應變慢。積分作用有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差，但又會使系統(tǒng)過渡過程變長；同時，積分的作用太大會使系統(tǒng)的超調增加，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。微分作用適當增大有利于減 小超調，但會使調節(jié)時間增加；同時，微分作用會使系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，在誤差信號帶噪聲的情況下，還會起到放大噪聲的作用 [5]。因此 ,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用對噪聲干擾有放大作用 ,因此過強的加微分調節(jié) ,對系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨使用 ,需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結合 ,組成 PD 或 PID 控制器。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統(tǒng)輸出有很大偏差，會造成 PID 運算的積分積累，致使控制量超過了執(zhí)行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產過程中是絕對不允許的 [4]。其具體實現(xiàn)步驟如下： (1)根據實際情況，人為設定閾值 ε0； (2)當 |error(k)ε|，采用 PD 控制； (3)當 |error(k)≤ ε|，采用 PID 控制。 在實際編程當中，也可以對積分分離 PID 進行改進，采用分段積分分 離的方式，根據誤差絕對值的不同，采用不同的積分強度。積分分離 PID 控制充分發(fā)揮了 PID控制調節(jié)精度高的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的控制精度。 積分分離 PID 控制系統(tǒng)具有無震蕩、快速性好、控制精度高等優(yōu)點。積分分離 PID 控制算法的工程實踐性很強 ,要根據具體的系統(tǒng)特點來選 擇修正策略 ,在實際應用當中可根據誤差絕對值的不同采用不同的積分強度。 在溫度控制系統(tǒng)中，用積分分離方法控制效果較普通 PID 控制方法有很大的改進 !采用積分分離 PID 控制算法可使系統(tǒng)實現(xiàn)無超調控制保證器件不會因為過熱對試驗產生不好的影響。 我們認為，基于解決復雜系統(tǒng)控制問題的智能控制己不是一個學科所能解決的了的。 智能控制是目前正在迅速發(fā)展的一個領域，各種形式的智能控制系統(tǒng)、智能控制器不斷地被開發(fā)和利用。把它應用在 PID 控制方案中，僅是一個方面。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 10 頁 基于專家系統(tǒng)的智能 PID 控制器和基于神經網絡的智能 PID 控制器。 PID 控制具有結構簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高等優(yōu)點，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統(tǒng)。 PID 控制中一個關鍵的問題便是 PID 參數的整定。在噪聲、負載擾動等因素的影響下，過程參數甚至模型結構均會隨 時間和工作環(huán)境的變化而變化。智能控制 (IntelligentControl)是一門新興的理論和技術，它是傳統(tǒng)控制發(fā)展的高級階段，主要用來解決那些傳統(tǒng)方法難以解決的控制對象參數在大范圍變化的問題，其思想是解決 PID 參數在線調整問題的有效途徑。它吸收了智能控制與常規(guī) PID 控制兩者的優(yōu)點。正是這兩大優(yōu)勢，使得智能 PID 控制成為眾多過程控制的一種較理想的控制裝置。 與一般的經典控制系統(tǒng)相比，專 家控制系統(tǒng)的基本特性，是基于知識的結構和處理不確定性問題的能力。通過引入專家系統(tǒng)技術，使系統(tǒng)具有靈活性、可靠性和處理不確定信息的能力 :可以進行預測、診斷錯誤、給出補救方案，并且監(jiān)視其執(zhí)行，以保證控制性能。其主要特點是分區(qū)進行不同算法的調節(jié)，它既有 BangBang 控制（最優(yōu)控制）的快速性，又有遲滯控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在專家整定 PID 控制系統(tǒng)中， PID 參數的整定工作由專家系統(tǒng)實現(xiàn)，控制信號仍然由 PID控制器給出，專家系統(tǒng)只是間接地影響控制過程。 如圖 22 所示。典型二階系統(tǒng)的階躍響應如圖 23 所示。 (2)當 emid≤|e(t)|emax時，系統(tǒng)誤差仍較大，處于 II 區(qū)，仍需實施較強的控制作用，以便誤差絕對值迅速減小，但由于進入這個區(qū)閾的初始角速度很大，采用減速度的控制策略來使系統(tǒng)平滑地進入 I 區(qū)。將系統(tǒng)響應的一個周期按誤差 e 和誤差變化率 e ① 在 AB 階段， e0， e為保證系統(tǒng)有較快的響應速度，比例增益參數在初始段應較大，但為了減小超調量，期望當誤差 e 逐漸減小時，比例增益也隨之減小，這樣就使得系統(tǒng)速度逐漸減小，不至于產生大的超調，微分增益參數應由小逐漸增大，這樣可使系統(tǒng)在不影響響應速度的前提下抑制超調。 0，即 誤差 e 向增大的方向變化，比例增益參數逐漸增大，繼續(xù)增大微分增益參數，從而增大反向控制作用，減小超調。 ③ 在 CD 階段， e0， e ④ 在 DE 階段， e0， e 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 13 頁 總之， 專家 PID 控制的思想就是 以誤差 e 和誤差變化率 e 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 14 頁 第三章 專家 PID 控制及積分分離 PID 控制 在 MATLAB 上的實現(xiàn) MATLAB 簡介 MATLAB 簡介 MATLAB 是一個集數值計算、符號分析、圖象顯示、文字處理于一體的大型集成化軟件 .它最初由美國的 CleveMoler 博士所研制 .其目的是為線性代數等課程中的矩陣運算提供一種方便可行的實驗手段 .經過十幾年的市場競爭和發(fā)展， MATLAB 已發(fā)展成為在自動控制、 生物醫(yī)學工程、信號分析處理、語言處理、圖像信號處理、雷達工程、統(tǒng)計分析、計算機技術、金融界和數學界等各行各業(yè)中都有極其廣泛應用的數學軟件 . 歸納起來， MATLAB 具有以下幾個特點：易學、適用范圍廣、功能強、開放性強、網絡資源豐富 . 由于 MATLAB 的強大功能，它能使使用者從繁重的計算工作中解脫出來，把精力集中于研究、設計以及基本理論的理解上，所以， MATLAB 已成為在校大學生、碩士生、博士生所熱衷的基本數學軟件 . MATLAB 語言的特點如下 [7]： (1)MATLAB 語言的簡潔高效性使編程效率高 (2)用戶 使用方便 (3)MATLAB 語言的科學運算功能 (4)語句簡單，內涵豐富 (5)高效方便的矩陣和數組運算 (6)擴充能力強，交互性好 (7)移植性和開放性很好 (8)MATLAB 語言方便的繪圖功能 (9)MATLAB 龐大的工具箱與模塊集 (10)MATLAB 強大的動態(tài)系統(tǒng)仿真功能 SIMULINK 介紹及建模方法 Simulink的功能遠不止微分方程的求解，它提供了各種可用于控制系統(tǒng)仿真的模塊，支持一般的控制系統(tǒng)仿真，此外，還提供了各種工程應用中可能使用的模塊，如電機系統(tǒng)、機構系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的 模塊集，直接進行建模與仿真研究。 SIMULIVK 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。 SIMULINK 的主要優(yōu)點如下 [7]： (1)適應面廣。 (2)結構和流程清晰。 (3)仿真精