畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）—工業(yè)控制器參數(shù)工程整定算法及仿真分析

1、工業(yè)控制器參數(shù)工程整定算法及仿真分析摘 要PID參數(shù)整定就是設(shè)置和調(diào)整PID參數(shù)，使得控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿(mǎn)意的質(zhì)量指標(biāo)?？刂破鲄?shù)整定的要求，就是通過(guò)選擇合適的控制器參數(shù)(,),使過(guò)渡過(guò)程滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制生產(chǎn)?？刂破鲄?shù)整定方法很多，總的可分為理論計(jì)算和工程整定法兩種。論文在較為全面地對(duì)PID控制器參數(shù)整定方法的現(xiàn)狀分析研究的基礎(chǔ)上，按照簡(jiǎn)單、易用、直觀(guān)的參數(shù)整定原則及切實(shí)改善系統(tǒng)控制性能的參數(shù)整定目的，針對(duì)工程整定算法響應(yīng)曲線(xiàn)法以及其應(yīng)用的可行性進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要的工作和結(jié)果概括如下：將利用MATLAB工具自動(dòng)仿真求出特征參數(shù),和，然后利用Z-N階躍整定公式自動(dòng)整定，整定出PID

2、控制器的三個(gè)參數(shù),，之后引入增量式控制算法形成閉合回路，使結(jié)果呈現(xiàn)出4：1衰減曲線(xiàn)。最后在分析其抗干擾性。通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了響應(yīng)曲線(xiàn)法的整定效果比經(jīng)驗(yàn)法的整定效果好，且方法方便，有更廣泛的應(yīng)用范圍。本文針對(duì)二階對(duì)象和二階加純滯后對(duì)象進(jìn)行了仿真研究，將這種方法與經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明響應(yīng)曲線(xiàn)整定算法優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)法，其抗干擾能力較好。關(guān)鍵詞：PID控制器；整定算法；抗干擾性；仿真 PID PID, - - . , (,), - ， . , . PID , , - , , - , : - MATLAB 、 , Z-N , PID , - - , , . . , , . , - , , . : PID

3、; ; ; 目 錄摘要III第1章引言11. 1 PID參數(shù)整定的意義11. 2 PID參數(shù)整定技術(shù)的研究現(xiàn)狀11. 3 PID參數(shù)整定的存在問(wèn)題與展望2第2章常用控制器參數(shù)整定算法42. 1 PID參數(shù)整定的一些準(zhǔn)則42. 2 臨界比例度法52. 3 衰減振蕩法62. 4基于繼電器型反饋的極限環(huán)法62. 5 模式識(shí)別法72. 6 最優(yōu)整定8第3章PID控制器參數(shù)工程整定方法設(shè)計(jì)103. 1 設(shè)計(jì)思想103. 2 方塊圖103. 3 詳細(xì)設(shè)計(jì)123.3.1 被控對(duì)象的選擇123.3.2 整定算法的設(shè)計(jì)133.3.3 特征參數(shù)的實(shí)現(xiàn)153.3.4 數(shù)值計(jì)算173.3.5 PID參數(shù)整定的性能指標(biāo)

4、183. 4 仿真中控制器參數(shù)的求取203.4.1 增量式控制算法的采用213.4.2 采樣周期T的選擇223. 5 程序流程圖23第4章仿真分析25第5章結(jié)論35參考文獻(xiàn)36謝辭38附錄39第1章 引 言1.1 PID參數(shù)整定的意義PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、參數(shù)物理意義明確、理論分析體系完整、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程控制，尤其在可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式仍然是PID控制方式，即使是在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，在諸多控制策略中，PID控制仍占有相當(dāng)重要的地位。在PID控制中，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題便是PID參數(shù)的整定。傳統(tǒng)的方

5、法是在獲取對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來(lái)確定PID參數(shù)。只要對(duì)象數(shù)學(xué)模型精確，且是非時(shí)變的，其整定的參數(shù)可以固定不變，控制效果一般能滿(mǎn)足要求。然而在實(shí)際的工業(yè)過(guò)程控制中，許多被控過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜，具有高度非線(xiàn)性、時(shí)變不確定性、大延遲等特點(diǎn)，在噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響下，過(guò)程參數(shù)、甚至模型結(jié)構(gòu)，均會(huì)發(fā)生變化，即難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。在工業(yè)控制實(shí)際中，針對(duì)那些非線(xiàn)性、大時(shí)變、大延遲等控制對(duì)象，不僅要求PID參數(shù)的整定不依賴(lài)于對(duì)象數(shù)學(xué)模型，而且要求PID參數(shù)能在線(xiàn)調(diào)整，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求。因此，尋求PID參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜工況和高指標(biāo)性能的控制要求，具有十分重大的工程實(shí)踐意義

6、。1.2 PID參數(shù)整定技術(shù)的研究現(xiàn)狀隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，尤其是隨著現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等)研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑。近年來(lái)，出現(xiàn)了許多新型PID控制器及各種PID參數(shù)整定技術(shù)，其對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制的適應(yīng)性和控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)PID控制。自適應(yīng)PID控制吸收了自適應(yīng)控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。它有自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制器參數(shù)、能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化等一系列優(yōu)點(diǎn);同時(shí)，它又有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、為現(xiàn)場(chǎng)工作人員和設(shè)計(jì)工程師們所熟悉的優(yōu)點(diǎn)。因此，它是目前

7、過(guò)程控制的一種理想的自動(dòng)化裝置，也是人們競(jìng)相研究PID參數(shù)自整定技術(shù)發(fā)展的方向。專(zhuān)家自適應(yīng)PID控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，并以智能的方式利用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)PID控制器;模糊自適應(yīng)PID控制的實(shí)質(zhì)，是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把控制規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳整定;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制是以一種簡(jiǎn)單計(jì)算、處理單元(即模仿人腦神經(jīng)元)為節(jié)點(diǎn)，采用某種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性網(wǎng)絡(luò)(可以用來(lái)描述任意非線(xiàn)性系統(tǒng))

8、，構(gòu)成具有PID控制作用的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器;基于遺傳算法整定的PID控制，是采用模擬自然界遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論，而形成的一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化方法整定PID參數(shù)，近年來(lái)，這種基于遺傳算法整定的PID控制在控制中的應(yīng)用日益增多。1.3 PID參數(shù)整定的存在問(wèn)題與展望PID控制算法是迄今為止最通用的控制策略。如依據(jù)算法的復(fù)雜性、靈活性及使用的過(guò)程知識(shí)量的不同，有許多不同的方法來(lái)確定合適的控制器參數(shù)。一個(gè)好的整定方法應(yīng)該基于合理地考慮以下特性的折衷:負(fù)載千擾衰減，測(cè)量噪聲效果，過(guò)程變化的魯棒性，設(shè)定值變化的響應(yīng)，所需模型，計(jì)算要求等。我們需要簡(jiǎn)單、直觀(guān)、易用的方法，它

9、們需要較少的信息，并能夠給出合適的性能。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。從目前 PID參數(shù)整定方法的應(yīng)用來(lái)看，我們可以得到以下兩點(diǎn)啟示;(1)將魯棒控制思想引入PID參數(shù)整定，可以使所設(shè)計(jì)的PID控制器適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中不確定性變化的能力增強(qiáng)。PID控制器本身就具有一定的魯棒性，但在用于實(shí)際過(guò)程控制時(shí)還存在一些問(wèn)題，主要有兩點(diǎn):一是控制器適應(yīng)不確定性變化的能力不夠強(qiáng)，難以適應(yīng)大范圍的不確定性變化;二是在不確定性范圍內(nèi)系統(tǒng)性沒(méi)有綜合考慮，一致性差。(2)運(yùn)用綜合智能系統(tǒng)理論與PID參數(shù)整定方法結(jié)合開(kāi)發(fā)多模態(tài)控制器是今后新型控制器發(fā)展的方向。運(yùn)用AI(人工智能

10、)，NN(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，F(xiàn)L(模糊邏輯)，EC(進(jìn)化計(jì)算)，C MAC(小腦模型)等原理與傳統(tǒng)PID控制器融合可以開(kāi)發(fā)各種性能的先進(jìn)控制器，如模糊控制器與PID控制器構(gòu)成的雙模態(tài)控制器就是其中的典型，模糊控制器仿人作用完成粗調(diào)，使系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)點(diǎn);PID控制器完成細(xì)調(diào)，克服穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近的小幅值振蕩。第2章 常用控制器參數(shù)整定算法PID參數(shù)的最優(yōu)整定是在一定的控制目標(biāo)私被控過(guò)程已經(jīng)確定的情況下，為使過(guò)程控制系統(tǒng)的某些被控量的暫態(tài)性能滿(mǎn)足規(guī)定的性能準(zhǔn)則，達(dá)到PID參數(shù)值之間的最優(yōu)組合。PID控制器中、，三個(gè)參數(shù)的不同組合，直接決定PID控制器的控制效果。為了得到更好的控制效果，使被控對(duì)象工作在較好的

11、狀態(tài)，必須對(duì)其參數(shù)進(jìn)行有效的整定。2.1 PID參數(shù)整定的一些準(zhǔn)則PID參數(shù)整定就是設(shè)置和調(diào)整PID參數(shù)，使控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到滿(mǎn)意的品質(zhì)。理想PID控制算式如式：設(shè)廣義對(duì)象：(2.1)其廣義對(duì)象特性可歸結(jié)為，T和三個(gè)參數(shù)值。根據(jù),和,對(duì)過(guò)程品質(zhì)的影響，可以歸納如下整定準(zhǔn)則:(1)廣義對(duì)象穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)總增益為，,在其他條件相同時(shí)，大時(shí)，則應(yīng)選擇小一些; 小時(shí)，則Kp應(yīng)選擇大一些。(2)廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。越大系統(tǒng)越不穩(wěn)定，因此應(yīng)選小些。同時(shí)和應(yīng)選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值，常取=2，=0.5。(3)PID作用。首先按純比例作用進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試，選定的值，在此基礎(chǔ)上再引入和。對(duì)積分作用應(yīng)盡量發(fā)揮

12、它消除余差的功能，縮小它不利于穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。引入積分作用后，應(yīng)比單純比例時(shí)減小10%左右。而微分作用引入是為了解決過(guò)渡過(guò)程滯后對(duì)品質(zhì)的不利影響，但它對(duì)純滯后是無(wú)能為力的。過(guò)小，效果不顯著; 過(guò)大，會(huì)有較大相位超前，但幅值比也增加較多，反而會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。引入D作用后，可比純比例作用時(shí)增加一些。對(duì)于含有高頻噪聲的過(guò)程，不宜引入D作用，否則高頻分量放大得太厲害，對(duì)過(guò)程控制品質(zhì)不利。(4)衰減比n的選取。常取衰減比n=4:l。2.2臨界比例度法臨界比例度法又稱(chēng)ZieglerNichos方法(ZN法)。早在1942年已提出,是目前應(yīng)用較為廣泛的一種工程整定方法，其特點(diǎn)是直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定

13、，而不需要進(jìn)行對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)。它是通過(guò)整定，使被控變量過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)等幅振蕩，首先將控制器的積分作用和微分作用全部除去，從而得到臨界比例度和和臨界振蕩周期值，然后由和值，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的各最佳參數(shù)值。具體整定步驟如下：(1)待系統(tǒng)從手動(dòng)切入自動(dòng)投運(yùn)準(zhǔn)備完畢后,即投入自動(dòng)運(yùn)行。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，置控制器的,，在純比例作用下，加一個(gè)干擾作用，使比例度由大到小做逐漸改變，觀(guān)察記錄曲線(xiàn)，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩曲線(xiàn)，并記錄下此時(shí)的臨界比例度和和臨界振蕩周期值。(2)按照經(jīng)驗(yàn)整定公式來(lái)確定P1D控制器的最佳參數(shù)值。整定公式：=0.6； =0.5； =0.125(2.2)(3)把比例度放在比計(jì)算值稍

14、大一些的數(shù)值上，再把置于計(jì)算值上。如果需要加微分作用，再把計(jì)算出的值加入，最后把比例度放在計(jì)算值上，觀(guān)察一下曲線(xiàn)變化情況。如果必要，可作微小的調(diào)整。特點(diǎn)：這種方法是以得到4：1的衰減，并且有合適的超調(diào)量(或最大偏差)為目標(biāo)的；應(yīng)用時(shí)簡(jiǎn)單方便，易掌握和判斷觀(guān)察得特點(diǎn)，但在整定過(guò)程中隱含著產(chǎn)生等幅震蕩的危險(xiǎn)性，甚至有可能是系統(tǒng)毀壞。2.3衰減振蕩法在一些不允許或不能得到等幅振蕩的地方，可考慮采用修正方法衰減振蕩法。與上面方法的區(qū)別是：在純比例下獲取N：1振蕩曲線(xiàn)作為依據(jù)，而不是臨界等幅振蕩。具體方法如下：(1)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，先置控制器作純比例控制，選定某一放大的比例度數(shù)值。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變?cè)O(shè)

15、定值或生產(chǎn)負(fù)荷加入階躍干擾，觀(guān)察被控變量變化過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)的衰減比，然后從大到小組逐漸改變比例度，直至曲線(xiàn)出現(xiàn)4：1衰減振蕩過(guò)程，計(jì)下此時(shí)的比例度和曲線(xiàn)上衰減周期的數(shù)值。(2)按照經(jīng)驗(yàn)整定公式來(lái)確定P1D控制器的最佳參數(shù)值。整定公式：=0.8； =1.2或0.3； =0.4或0。1（2.3）特點(diǎn)：此方法是對(duì)臨界比例度法的改進(jìn)，二者的特點(diǎn)相似，此方法的缺點(diǎn)是有時(shí)衰減比讀不清楚。2.4基于繼電器型反饋的極限環(huán)法1984年，Astrom和Hagglund提出了在繼電反饋下觀(guān)測(cè)過(guò)程的極限環(huán)振蕩自整定方法。它的基本思想是，在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài)：測(cè)試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)。在測(cè)試模態(tài)下，由一個(gè)繼電非線(xiàn)性環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)

16、試系統(tǒng)的振蕩頻率和增益；在調(diào)節(jié)模態(tài)下，有系統(tǒng)的特征參數(shù)首先得到PID控制器，然后，由此控制器對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果系統(tǒng)的測(cè)試發(fā)生變化，則需要重新進(jìn)入測(cè)試模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成之后，再回到調(diào)節(jié)模態(tài)進(jìn)行控制。在自整定調(diào)節(jié)期間，繼電控制使過(guò)程產(chǎn)生極限環(huán)振蕩，由振蕩曲線(xiàn)可以得到動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的特征參數(shù)和，再利用Z-N整定公式計(jì)算PID參數(shù)。調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)切換到PID控制。系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩的條件是: (2.4) (2.5)特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單、可靠，需要預(yù)先設(shè)定的參數(shù)就是繼電特性的參數(shù)。完全在閉環(huán)條件下完成，因此對(duì)擾動(dòng)不靈敏，由于振蕩幅度可控，因此應(yīng)用于大多數(shù)工業(yè)中。缺點(diǎn)：振蕩幅值不定，從理論上講

17、幅值的大小取決于振蕩時(shí)的初始條件，操作者的不慎有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生較大幅值的振蕩，對(duì)正常生產(chǎn)造成較大影響。由于系統(tǒng)本身存在的非線(xiàn)性，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生幾個(gè)振蕩點(diǎn)，無(wú)法獲得整定所需信息。2.5模式識(shí)別法布里斯托提出用模式識(shí)別法實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自整定方法，它引入超調(diào)量、衰減比和振蕩周期作為模式的狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的整定。它由三個(gè)部分組成：一是確定理想模式的狀態(tài)變量，建立模式狀態(tài)變量表達(dá)式；二是在線(xiàn)辨識(shí)能表達(dá)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特征值，即狀態(tài)變量；三是根據(jù)實(shí)際模式和理想模式的差異，按照一定規(guī)律調(diào)整PID參數(shù)。基于模式識(shí)別的自整定PID算法對(duì)參數(shù)的整定過(guò)程類(lèi)似人工整定PID參數(shù)的過(guò)程:“看曲線(xiàn)，整參數(shù)”。其

18、實(shí)質(zhì)是將PID控制器與被控對(duì)象相連組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，觀(guān)察該系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值階躍響應(yīng)或擾動(dòng)響應(yīng)，將實(shí)測(cè)的響應(yīng)模式與理想的響應(yīng)模式相比較，決定如何整定PM參數(shù)。在正常情況下，給定值與測(cè)量值十分接近，自整定算法處于“靜止”狀態(tài)，不作參數(shù)的修正工作。當(dāng)由于擾動(dòng)或設(shè)定值變化引起控制偏差幅度超過(guò)整定閩值(設(shè)為兩倍的噪聲帶)時(shí)，算法啟動(dòng)，并開(kāi)始監(jiān)視響應(yīng)曲線(xiàn)。當(dāng)控制器處于等待第一個(gè)峰值時(shí)，稱(chēng)為“檢測(cè)1”狀態(tài)，一旦峰值發(fā)生，控制器存儲(chǔ)其幅度，并且計(jì)時(shí)器記錄周期。在搜索第二個(gè)峰值前，控制器對(duì)第一個(gè)峰值進(jìn)行核實(shí)，這時(shí)處于“檢驗(yàn)1”狀態(tài)。在核實(shí)中如果一個(gè)新的更大的極值出現(xiàn)，則重新啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。一旦峰值I被確認(rèn)，控制器將用同

19、樣的方法探測(cè)、檢驗(yàn)峰值2和峰值3。儲(chǔ)存前三個(gè)峰值El，E2，E3以及其出現(xiàn)的時(shí)間tl，t2 ，t3，根據(jù)所存儲(chǔ)的峰值的信息計(jì)算超調(diào)量(OVR)，衰減率(DMP)和振蕩周期(OSC)，超調(diào)量 衰減比 振蕩周期 2.6 最優(yōu)整定隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論的發(fā)展，PID參數(shù)的整定方法發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了一些基于計(jì)算機(jī)的PID參數(shù)最優(yōu)整定方法。最優(yōu)控制理論的應(yīng)用，加上計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，賦予了PID參數(shù)優(yōu)化這樣的多變量最優(yōu)化問(wèn)題新的生命力，PID控制器的最優(yōu)化整定方法是針對(duì)特定的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用諸如最速下降法等各種數(shù)值解法按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。常用的性能指標(biāo)除ISE， IAE， I

20、STE， ITAE， IST2E等指標(biāo)外，還有改進(jìn)ITAE指標(biāo)，對(duì)階躍響應(yīng)過(guò)程中不同響應(yīng)階段區(qū)別對(duì)待，不同階段的誤差賦予不同的權(quán)重，以獲得更佳的控制品質(zhì);加權(quán)二次型性能指標(biāo)，主要用于多變量系統(tǒng)的最優(yōu)化。目前還有一種基于偏差積分指標(biāo)最小準(zhǔn)則的工程實(shí)用參數(shù)整定法，它根據(jù)被控劉象的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，求取被控對(duì)象的等效純遲時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過(guò)程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計(jì)算得出一系列參數(shù)。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際過(guò)程特性，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算最優(yōu)PID參數(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)整定方法來(lái)說(shuō)，數(shù)值最優(yōu)化方法有著明顯的優(yōu)越性，優(yōu)化的結(jié)果比較精確，控制效果比較好。但運(yùn)用數(shù)值最優(yōu)化方法必須建立較精確的

21、數(shù)學(xué)模型，且對(duì)模型的要求比較嚴(yán)格，一般要求在解空間連續(xù)可導(dǎo);此外，從某種意義上說(shuō)，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋優(yōu)的方法，易陷入局部最小;而且某種數(shù)值解法通常只對(duì)某一類(lèi)問(wèn)題適用，對(duì)于不同的系統(tǒng)，需要根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇合適的方法。第3章 PID控制器參數(shù)工程整定方法設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)思想在當(dāng)今的過(guò)程工業(yè)中存在著許多并非良好整定的控制回路。其部分原因是由于缺乏相關(guān)的知識(shí)或是對(duì)過(guò)程缺乏了解。但另一個(gè)很重要的原因就是時(shí)間效率問(wèn)題，對(duì)過(guò)程進(jìn)行辨識(shí)并計(jì)算新的控制器參數(shù)往往是非常消耗時(shí)間的。而且針對(duì)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)意味著要消耗生產(chǎn)時(shí)間和原材料。因而我們一般非常希望能縮短試驗(yàn)的時(shí)間以便于把對(duì)生產(chǎn)的影響降到最低。設(shè)置

22、合適的控制器參數(shù)，是提高控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的主要因素。所謂控制器的參數(shù)整定，一般是指按確定的控制方案組成控制系統(tǒng)，求取使控制質(zhì)量達(dá)到最佳時(shí)的控制器各系數(shù)指，參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過(guò)改變控制器參數(shù)，使控制器特性和控制對(duì)象特性配合好從而改變系統(tǒng)的特性。本章將介紹一種響應(yīng)曲線(xiàn)法，此方法簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，容易掌握。它可以實(shí)現(xiàn)快速辨識(shí)，在開(kāi)環(huán)情況下對(duì)被控對(duì)象輸入階躍響應(yīng)，使輸出形成響應(yīng)曲線(xiàn)，待輸出響應(yīng)曲線(xiàn)達(dá)到穩(wěn)定后，在曲線(xiàn)上拐點(diǎn)最大處作一切線(xiàn)，之后求取、和，然后利用Z-N階躍整定表自動(dòng)整定，整定出控制器的三個(gè)參數(shù)，之后形成閉合回路，最后形成4：1衰減曲線(xiàn)。響應(yīng)曲線(xiàn)法的整定時(shí)間較常規(guī)整定法大大縮短，同時(shí)過(guò)程在

23、調(diào)節(jié)試驗(yàn)期間振蕩過(guò)程較少，比經(jīng)驗(yàn)整定方法有更廣泛的應(yīng)用范圍。3.2方塊圖本文的研究考慮對(duì)設(shè)定值的階躍響應(yīng)，測(cè)定階躍響應(yīng)曲線(xiàn)原理圖，如圖3.1圖3.1 測(cè)定階躍響應(yīng)曲線(xiàn)原理圖PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差(3.1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)作PID控制器。其控制規(guī)律為(3.2)或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式(3.3)式中 -比例系數(shù);-積分時(shí)間常數(shù);-微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器的比例系數(shù)增大，則控制器對(duì)偏差反應(yīng)靈敏；積分時(shí)間常數(shù)減小，則對(duì)偏差的積累量靈敏；微分時(shí)間常數(shù)增大，則對(duì)偏差的變化靈敏。因此，通過(guò)選擇，

24、可使控制量中的三個(gè)部分合理組合，從而達(dá)到控制的目的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1) 比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。(2) 積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)。越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。(3) 微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)3.3.1 被控對(duì)象的選擇用測(cè)試法建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，首先的問(wèn)題就是選定模型的結(jié)構(gòu)。工業(yè)生產(chǎn)中，雖然大多數(shù)過(guò)程的

25、動(dòng)態(tài)響應(yīng)是復(fù)雜的，它們卻常常可以近似地以一階、二階及一階、二階加純滯后特性之一來(lái)描述，即：以下設(shè)計(jì)的整定算法，我們選取為二階對(duì)象通過(guò)對(duì)它的仿真研究，得出一系列有關(guān)PID控制的結(jié)論。3.3.2整定算法的設(shè)計(jì)當(dāng)對(duì)象的輸入量作階躍變化時(shí)，其輸出量是隨時(shí)間而變化的曲線(xiàn)，則稱(chēng)為階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。響應(yīng)曲線(xiàn)法也稱(chēng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，這是一種根據(jù)廣義對(duì)象的時(shí)間特性來(lái)整定控制器參數(shù)的方法。它是基于過(guò)程的開(kāi)環(huán)特性即對(duì)象特性來(lái)整定PID參數(shù)的工程方法。在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)并處于穩(wěn)定的情況下，瞬間改變控制器的手操器，使其輸出產(chǎn)生一階躍變化，并同時(shí)記錄下被控變量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。其響應(yīng)曲線(xiàn)圖為：圖3.2 響應(yīng)曲線(xiàn)圖從響應(yīng)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)A（曲

26、線(xiàn)的2階導(dǎo)數(shù)=0）作一切線(xiàn)，分別交時(shí)間軸于B點(diǎn)以及最終穩(wěn)定值水平線(xiàn)于C點(diǎn)，在過(guò)C點(diǎn)引垂線(xiàn)交時(shí)間軸于D。這樣廣義對(duì)象的特性就可以用一個(gè)具體純滯后時(shí)間、時(shí)間常數(shù)為T(mén)的一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似。為干擾起始點(diǎn)至B點(diǎn)的距離，T為BD之間的距離。其中廣義對(duì)象靜態(tài)增益應(yīng)作因次化處理其關(guān)系式為：（3.4）參數(shù)整定公式為：表3.1響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)的公式控制規(guī)律響應(yīng)曲線(xiàn)法的特點(diǎn)：響應(yīng)曲線(xiàn)法是針對(duì)對(duì)象特性的估算方法，因此具有較好的控制效果，而且整定的速度較快，適用于絕大部分控制回路。特別是對(duì)于那些時(shí)間常數(shù)較大的“慢反應(yīng)過(guò)程”，此方法具有極佳的整定效果。但是分析曲線(xiàn)時(shí)取得對(duì)象特性比較困難，如拐點(diǎn)確定、切線(xiàn)的做法都比較麻煩

27、。由于實(shí)際中在不同的穩(wěn)態(tài)下對(duì)象的特性均有差異(非線(xiàn)性)，因此在不同條件下取得的模型參數(shù)不盡相同，因此對(duì)于非線(xiàn)性較強(qiáng)的對(duì)象需要找到一個(gè)近似線(xiàn)性較好，回路經(jīng)常工作的區(qū)間進(jìn)行參數(shù)整定。同時(shí)對(duì)于非自平衡對(duì)象，如具有純積分效果的液面控制，由于無(wú)法找到兩個(gè)同時(shí)存在的穩(wěn)態(tài)，因此很難通過(guò)此方法進(jìn)行參數(shù)整定。響應(yīng)曲線(xiàn)法的缺點(diǎn)：應(yīng)用于開(kāi)環(huán)，切線(xiàn)往往不易作得準(zhǔn)確，導(dǎo)致辨識(shí)精度較差，而且對(duì)于階躍響應(yīng)曲線(xiàn)比較不規(guī)則時(shí)，切線(xiàn)法所得數(shù)據(jù)是不可靠。3.3.3特征參數(shù)的實(shí)現(xiàn):被控對(duì)象的放大系數(shù)是一個(gè)靜態(tài)特性。靜態(tài)特性是指對(duì)象在階躍干擾輸入作用下，自衡對(duì)象輸出變化并達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值后，系統(tǒng)的輸出變化量與輸入變化量之間的關(guān)系。放大系數(shù)

28、與被控變量受干擾作用后的變化過(guò)程無(wú)關(guān)，是不隨時(shí)間變化的，放大系數(shù)越大，在相同輸入變化量作用下，輸出變化量也越大，即輸入對(duì)輸出的影響越大，被控對(duì)象的自身穩(wěn)定性越差，被控變量對(duì)這個(gè)輸入量的變化就越靈敏。反之，越小，則被控對(duì)象自身穩(wěn)定性越好。:時(shí)間常數(shù)是用來(lái)表征被控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。表示對(duì)象受擾動(dòng)作用后，被控變量變化達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的速度的快慢。時(shí)間常數(shù)越大，表示被控對(duì)象的被控變量變化越慢，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間也就越大。:時(shí)滯是指純滯后時(shí)間，也就是指輸出變量的變化落后于輸入變量變化的時(shí)間。滯后時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)有很大影響。一般認(rèn)為滯后時(shí)間的存在對(duì)控制系統(tǒng)是不利的。滯后時(shí)間也是反映對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)

29、。以二階等容慣性對(duì)象為例，求取特征參數(shù)。其傳遞函數(shù)為:(3.5)加入階躍擾動(dòng)，其階躍響應(yīng)為： (3.6)式中： 式（3.6）可寫(xiě)成(3.7)式（3.7）的一階二階導(dǎo)數(shù)為: (3.8)在拐點(diǎn)處有: (3.9)拐點(diǎn)A的坐標(biāo)為 ，(3.10)切線(xiàn)方程為(3.11)將（3.8）（3.9）（3.10）代入式（3.11）中，并整理得(3.12)當(dāng)時(shí)，可得截距 （3.13）當(dāng)時(shí)，可得 (3.14)切線(xiàn)與響應(yīng)曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)值延長(zhǎng)線(xiàn)相交于C點(diǎn)，則為 (3.15)所以可得到， (3.16)3.3.4數(shù)值計(jì)算離散開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，數(shù)字控制器輸出為離散的控制信號(hào)，經(jīng)零階保持器后，加到被控對(duì)象。則零階保持器加對(duì)象的開(kāi)環(huán)脈沖傳遞

30、函數(shù)可寫(xiě)作(3.17)即(3.18)對(duì)上式求去Z變換，可得到當(dāng)離散控制量為時(shí)，離散輸出的遞推差分方程表達(dá)式。通常為書(shū)寫(xiě)方便，將離散采樣控制周期省略，記為，為。離散輸出的遞推差分表達(dá)式如下： (3.19)選取被控對(duì)象為二階模型：其中： 為放大倍數(shù)；，為時(shí)間常數(shù)。 其推導(dǎo)過(guò)程為：(3.20)其中 ， 取Z變換得： T為采樣時(shí)間 (3.21)整理得：(3.22)可轉(zhuǎn)換為：(3.23)此部分將用于仿真中，將給定模型離散化。3.3.5PID參數(shù)整定的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制的要求來(lái)制定。這種要求可概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。衡量參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個(gè)明確的統(tǒng)一反映控制

31、系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)，如要求最大動(dòng)態(tài)偏差盡可能小、調(diào)節(jié)時(shí)間最短、調(diào)節(jié)過(guò)程系統(tǒng)輸出的誤差積分值最小等。然而，改變控制器參數(shù)可以使某些指標(biāo)得到改善，而同時(shí)又會(huì)使其它的指標(biāo)惡化。此外，不同生產(chǎn)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求也不一樣，因此參數(shù)整定時(shí)性能指標(biāo)的選擇有一定靈活性。作為系統(tǒng)整定的性能指標(biāo)，它必須能綜合反映系統(tǒng)控制質(zhì)量，而同時(shí)又要便于分析和計(jì)算。圖3.3 性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)單項(xiàng)性能指標(biāo)基于系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)的某些特征，是利用響應(yīng)曲線(xiàn)上的一些點(diǎn)的指標(biāo)。這類(lèi)指標(biāo)簡(jiǎn)單、直觀(guān)、意義明確，但它們往往只是比較籠統(tǒng)的概念，難以準(zhǔn)確衡量。常用的單項(xiàng)性能指標(biāo)有:衰減率、最大動(dòng)態(tài)偏差、超調(diào)量、殘余偏差、調(diào)節(jié)時(shí)間或振蕩頻率。(

32、1)衰減率 由圖可以看出，第一、第二兩個(gè)周期的振幅與的比值充分反映了振蕩衰減的程度，稱(chēng)為衰減率，即。衰減率表示曲線(xiàn)每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后的衰減快慢，一般用表示。為了保證系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度，在實(shí)際過(guò)程控制中一般要求衰減率為75%到95%這樣，大約經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期以后就趨于穩(wěn)態(tài)，看不出振蕩了。(2)動(dòng)態(tài)偏差 干擾發(fā)生后，在設(shè)定值階躍響應(yīng)中，被控量偏離穩(wěn)定值或設(shè)定值的最大偏差稱(chēng)為動(dòng)態(tài)偏差。它是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性的一種衡量指標(biāo)。見(jiàn)圖中第一波峰。過(guò)渡過(guò)程到達(dá)此峰值的時(shí)刻稱(chēng)為峰值時(shí)間。如果動(dòng)態(tài)偏差比較大，峰值時(shí)間又較長(zhǎng)，這樣的系統(tǒng)是不允許的。最大動(dòng)態(tài)偏差占被調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為超調(diào)量。(3)殘余偏差指過(guò)渡

33、過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量新的穩(wěn)態(tài)值與新設(shè)定值之間的差值。殘余偏差是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。(4)調(diào)整時(shí)間系統(tǒng)受到擾動(dòng)后平衡狀態(tài)被迫壞，經(jīng)控制器作用后，被控量返回到允許的范圍之內(nèi)。通常在穩(wěn)定值的5%以?xún)?nèi)，到達(dá)新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷時(shí)間，稱(chēng)為調(diào)整時(shí)間，也稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間或穩(wěn)定時(shí)間。對(duì)于過(guò)阻尼系統(tǒng)，一般以響應(yīng)曲線(xiàn)由穩(wěn)定值的上升到穩(wěn)態(tài)值%所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間。其中一般為10或5，一般取90或95，對(duì)于欠阻尼的系統(tǒng)，一般從0算起，上升到100%所經(jīng)歷的時(shí)間為上升時(shí)間。響應(yīng)曲線(xiàn)第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%的時(shí)間稱(chēng)為延遲時(shí)間。響應(yīng)曲線(xiàn)達(dá)到第一個(gè)峰值的時(shí)間稱(chēng)為峰值時(shí)間。調(diào)整時(shí)間是衡量控制系統(tǒng)快速性的一個(gè)指標(biāo)。3.

34、4仿真中控制器參數(shù)的求取(1)首先將任意給定對(duì)象進(jìn)行Z變換，轉(zhuǎn)化為差分方程的形式。(2)在開(kāi)環(huán)的情況下，對(duì)對(duì)象輸入單位階躍響應(yīng)，根據(jù)已知給定的采樣時(shí)間和采樣次數(shù)k進(jìn)行采樣，形成離散的輸出穩(wěn)定響應(yīng)曲線(xiàn)y(t)。(3)離散響應(yīng)曲線(xiàn)y(t)形成后，把每次采樣的y(k)值進(jìn)行相減，找出兩次連續(xù)采樣時(shí)刻y(t)的最大值及對(duì)應(yīng)的這兩點(diǎn)采樣時(shí)間k，k+1。此點(diǎn)即為響應(yīng)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)。(4)找到兩點(diǎn)差值y之后，以此段距離向上移動(dòng)并交于響應(yīng)曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)值的最大值于B點(diǎn)，次數(shù)設(shè)為T(mén)1，同理以此段距離向下移動(dòng)交于響應(yīng)曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)值的最小值于A點(diǎn)的次數(shù)設(shè)為T(mén)2，時(shí)間T=T1+T2。(5)A點(diǎn)到y(tǒng)軸的時(shí)間為。(6)為輸入的階躍值。

35、(7)代入控制器參數(shù)整定公式即可求出。3.4.1 增量式控制算法的采用模擬式PID控制算法為：(3.24)式中，和分別是模擬式控制器的比例增益（放大倍數(shù)）、積分時(shí)間和微分時(shí)間，是模擬控制器的輸出，是測(cè)量值與給定值的差值，即偏差值。因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)，對(duì)式需進(jìn)行離散化，若令 (3.25)(3.26)式中，為計(jì)算機(jī)采樣周期，將式（3.25）和式（3.26）代入式（3.24），這樣可得第k-1和第k采樣時(shí)刻的數(shù)字PID控制算式輸出為 (3.27)將兩式相減，可得(3.28)進(jìn)一步整理可得: (3.29)式中和分別表示積分和微分系數(shù)。此式的特點(diǎn)是比例、積分和微分作用相互獨(dú)立。3.4.2 采樣周

36、期T的選擇在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T是一個(gè)比較重要的因素，采樣周期T的長(zhǎng)短會(huì)影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，因此采樣周期的選取應(yīng)與數(shù)字式PID參數(shù)的整定綜合考慮。從信號(hào)的保真度來(lái)考慮，采樣周期T不宜太長(zhǎng)，從控制性能來(lái)考慮，采樣周期T應(yīng)盡可能地短。但是，采樣頻率越高，對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度要求越快，存儲(chǔ)器容量要求越大，計(jì)算機(jī)的工作量隨之增加。而且當(dāng)采樣頻率高到一定程度，對(duì)系統(tǒng)性能的改善已經(jīng)不顯著了。3.5程序流程圖圖3.4 參數(shù)整定算法仿真程序框圖第4章 仿真分析在整個(gè)仿真過(guò)程中，參數(shù)的選取是十分重要的，它直接決定了仿真效果的好壞，下面先簡(jiǎn)單介紹一下對(duì)PID數(shù)字控制器參數(shù)的整定方法。本次仿真所使用的是響應(yīng)曲線(xiàn)法

37、。這種方法的基本程序是先根據(jù)運(yùn)行確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后人為地加入擾動(dòng)(如改變調(diào)節(jié)器的給定值)，觀(guān)察控制器輸出的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。仿真實(shí)例1：傳遞函數(shù)：給定值：圖4.1響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖4.2響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)加入干擾時(shí)的仿真曲線(xiàn)(a)圖4.3改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)(b)圖4.4改變給定值加干擾時(shí)的仿真曲線(xiàn)(a)圖4.5響應(yīng)曲線(xiàn)法整定改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)（b）圖4.6經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)(a)圖4.7響應(yīng)曲線(xiàn)法整定改變給定值時(shí)仿真曲線(xiàn)(b)圖4.8經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖4.9 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖4.10經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)加

38、干擾時(shí)的仿真曲線(xiàn)小結(jié)：用響應(yīng)曲線(xiàn)法整定出來(lái)的PID曲線(xiàn)振蕩次數(shù)較少，幅度小，最后趨近去穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，調(diào)整時(shí)間快，衰減比趨于4：1，而用經(jīng)驗(yàn)算法整定出來(lái)的PID響應(yīng)曲線(xiàn)震蕩次數(shù)較高，振蕩幅度較大，。趨近于穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)整時(shí)間較緩慢，但最后還是穩(wěn)定了。加入干擾之后，輸出曲線(xiàn)圖發(fā)生了明顯的變化，但圖4.10比圖4.2振蕩的幅度較大，波動(dòng)次數(shù)較多。同樣的時(shí)間圖4.2趨近于穩(wěn)定的時(shí)間比圖4.10快?？煽闯鰣D4.2的抗干擾能力比圖4.10較好，加入階躍信號(hào)之后振蕩幅度增大。當(dāng)改變輸入信號(hào)的幅度時(shí)，改變了輸出曲線(xiàn)的波形，當(dāng)輸入階躍幅度較大時(shí)，輸出波形振蕩次數(shù)多，但可以達(dá)到穩(wěn)定?？刂菩Ч^好。仿真實(shí)例

39、2：傳遞函數(shù)：給定值：圖4.11響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖4.12 響應(yīng)曲線(xiàn)法整定參數(shù)加入干擾時(shí)的仿真曲線(xiàn)(a)圖4.13改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)(b)圖4.14改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)(c)圖4.15改變給定值時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖4.16經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖4.17經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)加干擾時(shí)的仿真曲線(xiàn)小結(jié)：用響應(yīng)曲線(xiàn)法整定出來(lái)的PID曲線(xiàn)振蕩次數(shù)較少，幅度小，趨近于穩(wěn)定快，響應(yīng)速度快，調(diào)整時(shí)間快，而用經(jīng)驗(yàn)算法整定出來(lái)的PID響應(yīng)曲線(xiàn)震蕩次數(shù)較高，振蕩幅度較大，。趨近于穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)整時(shí)間較緩慢，但最后還是穩(wěn)定了。加入較大干擾之后，輸出曲線(xiàn)圖發(fā)生了明顯的變化。加入階躍信號(hào)之后振蕩幅度增大。

40、當(dāng)改變輸入信號(hào)的幅度時(shí)，改變了輸出曲線(xiàn)的波形，當(dāng)輸入階躍幅度較大時(shí)，輸出波形振蕩次數(shù)多，但可以達(dá)到穩(wěn)定。控制效果較好。第5章 結(jié)論工程整定方法由于不具有良好的自適應(yīng)性，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)比較煩瑣，且在某些情況下，當(dāng)外界擾動(dòng)影響控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變化時(shí)，用人工整定是不及時(shí)的，有時(shí)甚至是不可能的。在眾多的控制器整定方法中，響應(yīng)曲線(xiàn)法不需受控對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)，且整定算法簡(jiǎn)單。對(duì)于擾動(dòng)要求較小的控制對(duì)象。通過(guò)選擇自整定控制參數(shù)、和，使得控制對(duì)象的臨界振蕩的幅度控制在允許的范圍之內(nèi)。由單回路系統(tǒng)的仿真研究曲線(xiàn)可以看出，響應(yīng)曲線(xiàn)整定算法所得到控制器參數(shù)中，積分時(shí)間常數(shù)偏小，使得過(guò)程的階躍響應(yīng)的過(guò)調(diào)量較大,響應(yīng)曲線(xiàn)

41、法具有較好的控制效果，而且整定的速度較快，適用于絕大部分控制回路。將其與經(jīng)驗(yàn)法參數(shù)整定進(jìn)行比較，還有將其參數(shù)進(jìn)行修改，觀(guān)察仿真結(jié)果的變化情況。結(jié)果表明響應(yīng)曲線(xiàn)法整定出的PID控制器的控制性能好于經(jīng)驗(yàn)法整定出的PID控制器的控制性能，并且受外界干擾和參數(shù)的變化影響不太大，具有一定的魯棒性。與其它先進(jìn)算法相比，本文的控制算法還存在許多問(wèn)題，如應(yīng)用于開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)，輸出的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)不夠準(zhǔn)確，切線(xiàn)往往不易作得準(zhǔn)確很難準(zhǔn)確求出控制器的最佳參數(shù)。參考文獻(xiàn)1 邵惠鶴.工業(yè)過(guò)程高級(jí)控制M.上海:上海交通大學(xué)出版社.19972 王偉,張晶濤,柴天佑.PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述J.自動(dòng)化學(xué)報(bào).2000.26(3):3

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