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2013-2014學(xué)年第2學(xué)期
課程設(shè)計(jì)
題 目: 數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名: 涂 發(fā)
學(xué)生學(xué)號: 201395082042
班 級: 2013級專升本班
指導(dǎo)教師: 孫 曉 娟
2014 年 6 月
專心---專注---專業(yè)
摘要
PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),是迄今為止最穩(wěn)定的控制方法。它所涉
2、及的參數(shù)物理意義明確,理論分析體系完整,并為工程界所熟悉,因而在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。從實(shí)際需要出發(fā),一種好的PID控制器參數(shù)整定方法,不僅可以減少操作人員的負(fù)擔(dān),還可以使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。因此,對PID控制器參數(shù)整定法的研究具有重要的實(shí)際意義。本文介紹了PID控制技術(shù)的發(fā)展歷史和研究進(jìn)展。分析了傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字PID控制算法,并對傳統(tǒng)的PID控制算法進(jìn)行微分項(xiàng)和積分項(xiàng)的改進(jìn),學(xué)習(xí)了幾種比較普遍運(yùn)用的方法,如不完全微分PID控制算法、微分先行、遇限消弱積分PID控制算法等。在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,提出了一種自整定參數(shù)的專家模糊PID控制算法,由仿真結(jié)果可以看到,這種參數(shù)自整定方法與一般控制
3、方法(抗積分飽和控制法)相比,在調(diào)節(jié)時(shí)間、抑制超調(diào)量、穩(wěn)定性都要好,可以在工業(yè)上推廣使用。
目錄
一﹑數(shù)字PID控制簡介
(1)PID簡介
目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí),控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入
4、輸出接口??刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(儀表)已經(jīng)很多,產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用,有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品,各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator),其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器,
5、能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC),還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等??删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制,而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連,如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器,如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列,它可以直接與ControlNet相連,利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。
(2)PID控制的基本原理和常用形式及數(shù)學(xué)模型
具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器,稱PID控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點(diǎn),其運(yùn)動(dòng)方程為:
(1-1)
相應(yīng)的傳遞函數(shù)為:
6、 (1-2)
PID控制的結(jié)構(gòu)圖為:
若,式(1-2)可以寫成:
由此可見,當(dāng)利用PID控制器進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí),除可使系統(tǒng)的型別提高一級外,還將提供兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)。與PI控制器相比,PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)外,還多提供一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn),從而在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面,具有更大的優(yōu)越性。因此,在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中,廣泛使用PID控制器。PID控制器各部分參數(shù)的選擇,在系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試中最后確定。通常,應(yīng)使積分部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能;而使微分部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段,以改善
7、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
二﹑數(shù)字PID算法的分析
PID控制器是一種基于偏差在“過去、現(xiàn)在和將來”信息估計(jì)的有效而簡單的控制算法。而采用 PID控制器的控制系統(tǒng)其控制品質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上取決于 PID控制器參數(shù)的整定。PID控制器參數(shù)整定,是指在控制器規(guī)律己經(jīng)確定為PID形式的情況下,通過調(diào)整PID控制器的參數(shù),使得由被控對象、控制器等組成的控制回路的動(dòng)態(tài)特性滿足期望的指標(biāo)要求,達(dá)到理想的控制目標(biāo)[6]。