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pid控制范文第1篇

Abstract： This paper analyzed the dynamical model of the inverted pendulum based on the study of system structure of the pendulum. And the linear model around the balance point was derived via linearization. Based on the analysis of the factors impacting the balance of the inverted pendulum， a fuzzy pid control strategy is proposed. The control strategy consists of three loops. Through theoretical analysis and experimental adjustment， optimized parameters of the three-loop controllers were gained in this paper. Finally， the performance of the fuzzy PID controllers were evaluated through Matlab simulation and hardware-in-the-loop experiments.

關(guān)鍵詞： 倒立擺；模糊PID；硬件在環(huán)；

Key words： inverted pendulum；fuzzy PID；hardware-in-the-loop

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2012）32-0202-03

0 引言

倒立擺是一個(gè)典型的不穩(wěn)定系統(tǒng)，同時(shí)又具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特性，是自動(dòng)控制理論中的典型被控對(duì)象。它深刻揭示了自然界一種基本規(guī)律，即一個(gè)自然不穩(wěn)定的被控對(duì)象，運(yùn)用控制手段可使之具有一定的穩(wěn)定性和良好的性能。許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過(guò)倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來(lái)。

倒立擺的研究始于二十世紀(jì)50年代，麻省理工學(xué)院（MIT）的控制論專(zhuān)家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計(jì)出一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備。隨后，倒立擺又發(fā)展出多種形式：二級(jí)、多級(jí)、旋轉(zhuǎn)等。關(guān)于倒立擺的研究?jī)?nèi)容可以歸結(jié)為兩個(gè)問(wèn)題：一是如何使得倒立擺從初始位置快速地達(dá)到工作位置的起擺控制；二是在工作平衡點(diǎn)的穩(wěn)定控制問(wèn)題。所謂起擺控制是指對(duì)倒立擺施加周期性的擾動(dòng)，使擺桿從處于自然垂的穩(wěn)定狀態(tài)迅速過(guò)渡到處于垂直向上一定偏角范圍內(nèi)的倒立狀態(tài)。當(dāng)前，倒立擺的起擺控制規(guī)律主要是基于能量的控制。文獻(xiàn)[1]采用能量反饋的方法來(lái)完成倒立擺的起擺控制，成功地實(shí)現(xiàn)了真實(shí)直線一級(jí)倒立擺的起擺控制。在工作平衡點(diǎn)的穩(wěn)定控制規(guī)律主要集中在最優(yōu)控制、智能控制以及與經(jīng)典控制相結(jié)合等方面。最優(yōu)控制時(shí)現(xiàn)代控制中發(fā)展較早的重要組成部分，而利用變分法建立起來(lái)的無(wú)約束最優(yōu)控制原理，對(duì)于尋求二次型性能指標(biāo)線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制是很適用的，因此很多學(xué)者將線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器（LQR）應(yīng)用于倒立擺系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定控制[2]。由于倒立擺的非線性，很多學(xué)者嘗試著將新興的智能控制算法應(yīng)用到倒立擺的穩(wěn)定控制中[3，4]。

然而作為經(jīng)典控制算法的PID卻沒(méi)有在學(xué)者們的倒立擺研究中得到廣泛的應(yīng)用。這是由于倒立擺并不是一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)，使用經(jīng)典控制算法很難做到角度和位置的雙重控制。事實(shí)上，由于PID易于實(shí)現(xiàn)、反應(yīng)快、可靠且魯棒性好，在實(shí)際工程應(yīng)用中，它仍然占有極大比重。因此，PID在倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用研究有著重大意義。

本文在以往文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將模糊控制與PID相結(jié)合，利用模糊PID實(shí)現(xiàn)倒立擺的多變量控制，拓寬了PID的應(yīng)用領(lǐng)域，并通過(guò)Matlab仿真和硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

1 倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件組成

倒立擺系統(tǒng)硬件部分由倒立擺本體、計(jì)算機(jī)（含運(yùn)動(dòng)控制卡）、電控箱（包括交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡的接口板、直流電源等）三大部分構(gòu)成。倒立擺系統(tǒng)的本體由被控對(duì)象（小車(chē)和擺桿）、傳感器（角度傳感器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（松下伺服電機(jī)及其傳動(dòng)裝置）組成（如圖1所示）。

倒立擺系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、倒立擺本體（包括擺桿、小車(chē)、伺服電機(jī)、光電碼盤(pán)）幾大部分組成了圖2所示的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

光電碼盤(pán)1將小車(chē)的位移、速度信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制卡，而光電碼盤(pán)2將擺桿的位置、速度信號(hào)反饋回控制卡。計(jì)算機(jī)從運(yùn)動(dòng)控制卡中讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車(chē)向哪個(gè)方向移動(dòng)、移動(dòng)速度、加速度等），并由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)[桿平衡。

2 倒立擺的數(shù)學(xué)建模

2.1 倒立擺的動(dòng)力學(xué)方程 在忽略了空氣流動(dòng)和各種摩擦之后，可將倒立擺系統(tǒng)抽象成導(dǎo)軌、小車(chē)和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)（如圖3所示）。

pid控制范文第2篇

關(guān)鍵詞:倒立擺、數(shù)學(xué)模型、PID

Abstract: inverted pendulum system is nonlinear, strong coupling, many variables and natural not stable system. This paper to control method is the most commonly used in PID control algorithm is studied, the fuzzy PID control the control law, and to make the simulation.

Keywords: inverted pendulum, mathematical model and PID

中圖分類(lèi)號(hào)：G623.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1、倒立擺系統(tǒng)簡(jiǎn)介

倒立擺是典型的高階非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)。小車(chē)可以自由地在限定的軌道上左右移動(dòng)，小車(chē)上的倒立擺一端被絞鏈在小車(chē)頂部，另一端可以在小車(chē)軌道所在的垂直平面上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，控制目的是通過(guò)電機(jī)推動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，使倒立擺平衡并保持小車(chē)不和軌道兩端相撞（圖1為單級(jí)倒立擺的模型本論文的研究對(duì)象）。在此基礎(chǔ)上，在擺桿的另一端再絞連擺桿，可以組成二級(jí)、三級(jí)倒立擺系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)多用途的綜合性實(shí)驗(yàn)裝置，它和火箭的飛行及機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)有許多相似之處，其原理可用于控制火箭穩(wěn)定發(fā)射，且對(duì)揭示定性定量轉(zhuǎn)換規(guī)律和策略具普遍意義。

圖1單級(jí)倒立擺原理結(jié)構(gòu)圖

2、控制方法中的典范―PID

PID控制是眾多控制方法中應(yīng)用最為廣泛也是最為容易被人們所掌握的一種控制方法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制技術(shù)的不斷成熟，傳統(tǒng)的PID控制已被人們注入了先進(jìn)的控制思想。使得PID控制方法不斷豐富，控制性能不斷加強(qiáng)。

目前工程上應(yīng)用的PID控制方法主要有：一般PID控制、自適應(yīng)PID控制、模糊PID控制。下面對(duì)他們的控制思想和特點(diǎn)略作介紹。

2.1一般PID控制

PID控制是由反饋系統(tǒng)偏差的比例(P)、積分(I),微分(D)的線性組合構(gòu)成的反饋控制律。由于它具有原理簡(jiǎn)單、直觀易懂、易于工程實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，多年以來(lái)它一直是工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)控制算法。早期的PID控制是由氣動(dòng)或液動(dòng)、電動(dòng)硬件儀表實(shí)現(xiàn)的模擬PID控制器。二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展和應(yīng)用普及，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID控制不僅簡(jiǎn)單地將PID控制規(guī)律數(shù)字化，而且可以進(jìn)一步利用計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能，開(kāi)發(fā)出多種不同形式的PID控制算法，使得PID控制的功能和實(shí)用性更強(qiáng)，更能滿足工業(yè)過(guò)程提出的各種各樣的控制要求。PID控制雖然屬于經(jīng)典控制，但是至今仍然在工業(yè)過(guò)程控制中發(fā)揮著重要作用，今后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字PID控制一定還會(huì)有新的發(fā)展和進(jìn)步。理想模擬P功控制器的輸出方程式為:

2-1

式中，Kp為比例系數(shù)，Kp比例度互為倒數(shù)關(guān)系，Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間；U(t)為PID控制器的輸出控制量；e(t)為PID控制器輸入的系統(tǒng)偏差量。后面第將做進(jìn)一步的說(shuō)明。

2.2自適應(yīng)PID控制

2.2.1 自適應(yīng)控制的概念

自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它能夠認(rèn)識(shí)環(huán)境條件的變化，并自動(dòng)校正控制動(dòng)作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果。

2.2.2 功能及特點(diǎn)

作為較為完善的自適應(yīng)控制應(yīng)具有以下三個(gè)方面的功能：(1)系統(tǒng)本身可以不斷地檢測(cè)和處理信息，了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)；(2)進(jìn)行性能準(zhǔn)則優(yōu)化，產(chǎn)生自適應(yīng)控制規(guī)律；(3)調(diào)整可調(diào)環(huán)節(jié)（控制器），使整個(gè)系統(tǒng)始終自動(dòng)運(yùn)行在最優(yōu)或次最優(yōu)工作狀態(tài)。

自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制的重要組成部分，它同一般反饋控制相比具有如下突出特點(diǎn)：(1)一般反饋控制主要用于確定性對(duì)象或事先確知的對(duì)象，而自適應(yīng)控制主要研究不確定對(duì)象或事先難以確知的對(duì)象；(2)一般反饋控制具有強(qiáng)烈抗干擾能力，即它能夠消除狀態(tài)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差，而自適應(yīng)控制因?yàn)橛斜孀R(shí)對(duì)象和在線修改參數(shù)的能力，因而不僅能夠消除狀態(tài)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差，而且還能夠消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)引起的系統(tǒng)誤差；(3)一般反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須事先掌握描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型及其環(huán)境變化狀況，而自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)則很少依賴數(shù)學(xué)模型全部，僅需要較少的驗(yàn)前知識(shí)，但必須設(shè)計(jì)出一套自適算法，因而將更多的依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；(4)自適應(yīng)控制是更復(fù)雜的反饋控制，它在一般反饋控制的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)控制機(jī)構(gòu)或辨識(shí)器，還附加了一個(gè)可調(diào)系統(tǒng)。

2.3 模糊PID控制

模糊PID既繼承了PID的特點(diǎn)又加進(jìn)了模糊控制的思想。因此他綜合了PID和模糊控制的特點(diǎn)，優(yōu)越性十分明顯。下面對(duì)模糊控制略作說(shuō)明。

2.3.1 模糊控制的基本概念

為了更清楚地說(shuō)明模糊控制的思想，我們首先看幾個(gè)基本概念。

（1） 論 域

我們都知道，具有某種特定屬性的對(duì)象的全體，稱為集合。所謂論域，就是指我們所研究的事物的范圍或所研究的全部對(duì)象。論域中的事物稱為元素。論域中一部分元素組成的集合稱作子集。

（2） 隸屬函數(shù)

普通集合常用列舉法、表征法和特征函數(shù)方法表示。所謂特征函數(shù)，就是把屬于集合的元素的特征函數(shù)值定為1，把不屬于集合的元素的特征函數(shù)值定為0的表示方法。設(shè)有集合A，其特征函數(shù)記作，則

2-2

可見(jiàn)，對(duì)于普通集合而言，其特征函數(shù)只有兩個(gè)值:1或0，表示屬于或不屬于。模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人札德教授對(duì)模糊集合給出如下定義:設(shè)給定論域X,X到[0,1]閉區(qū)間上的任一映射都確定X的一個(gè)模糊子集

即

2-3

2.3.2 模糊控制的基本原理

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，其基本概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授查德(L.A.Zadeh)首先提出的。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，模糊控制理論及其應(yīng)用研究均取得重大成功。模糊控制的基本原理框圖如圖2-1所示，它的核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，其過(guò)程描述如下:微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E，一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e，再由e和模糊控制規(guī)R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u。

圖2模糊控制原理框圖

3、總結(jié)

在對(duì)其研析中。得出了幾條PID參數(shù)的整定規(guī)律：

（1）增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。

（2）增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。

（3）增大微分時(shí)間有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。

在測(cè)試時(shí)，可以參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響超勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例，后微分，再微分的整定步驟。即先整定比例部分，將比例參數(shù)，由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

4、參考文獻(xiàn)

[1]自動(dòng)控制原理宋麗蓉 主編 機(jī)械工業(yè)出版社

[2]新型PID控制及應(yīng)用陶永華 尹怡欣 葛蘆生編著機(jī)械工業(yè)出版社

[3]應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)高東杰 譚杰 林紅權(quán)編著國(guó)防工業(yè)出版社

pid控制范文第3篇

關(guān)鍵詞： 螺旋槳； 模糊PID控制； 電液比例閥； Matlab仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34；TM571.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）03?0165?03

0 引 言

電液比例閥系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于精度要求高的機(jī)械加工等行業(yè)，其傳統(tǒng)的控制方式大多采用常規(guī)的PID控制技術(shù)，它具有簡(jiǎn)單、可靠、參數(shù)整定方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于電液比例閥系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，因而在控制性能要求高的場(chǎng)合往往不能滿足。其主要原因是電液比例系統(tǒng)在流體動(dòng)力學(xué)及電磁轉(zhuǎn)換方面具有特殊性，是復(fù)雜的非線性高階系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難[1]。

因此，如何使PID控制更好的應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制，并具有較好的智能性，是個(gè)值得研究的問(wèn)題。基于以上原因，如果將基于規(guī)則的模糊控制用于PID控制器的設(shè)計(jì)，一方面可使PID控制器具有模糊控制的功能，又可使模糊控制具有確定的控制結(jié)構(gòu)，從而使所設(shè)計(jì)的控制器具有兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)對(duì)方的不足，達(dá)到既提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求，從而確保良好的設(shè)備控制效果。

1 電液比例閥的模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

螺旋槳電液比例閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率Ec對(duì)參數(shù)自調(diào)整的要求[2]。利用模糊控制規(guī)則對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID系統(tǒng)[3]。如圖2所示。

在本系統(tǒng)中模糊控制器將是設(shè)計(jì)的核心，因?yàn)樗暮脡膶⒅苯佑绊懙終I，KD和KP的選取，從而影響到系統(tǒng)的控制精度。

1.2 各變量隸屬函數(shù)的確定

由文獻(xiàn)[4]可知，根據(jù)PID參數(shù)自整定原則，用于PID參數(shù)控制的模糊控制器采用二輸入三輸出的模糊控制器。以E和Ec為輸入語(yǔ)言變量，以KI，KD和KP為輸出語(yǔ)言變量。輸入語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均取為“負(fù)大”（NB）、“負(fù)中”（NM）、“負(fù)小”（NS）、“零”（ZO）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB）七種。輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均取為“零”（ZO）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB）四種。將偏差E和偏差變化率Ec量化到（-3，3）的區(qū)域，輸出量化到（0，3）的區(qū)域內(nèi)，隸屬函數(shù)曲線如圖3，圖4所示。

1.3 模糊規(guī)則

由于控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數(shù)的選擇是否合理，通常不同的偏差E和偏差變化率Ec對(duì)PID控制器參數(shù)KP，KI，KD的整定要求不同。根據(jù)已有的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及參數(shù)KI，KP和KD對(duì)系統(tǒng)的輸出特性的影響關(guān)系，歸納出在一般情況下，不同的和時(shí)，被控過(guò)程對(duì)參數(shù)KI，KP和KD的自調(diào)整規(guī)則如下[5]：

（1）當(dāng)[E]較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)該取較大的KP。但為了避免由于開(kāi)始時(shí)的偏差[E]的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的KD，同時(shí)為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)產(chǎn)生積分飽和應(yīng)對(duì)積分作用加以限制通常取KI=0。

（2）當(dāng)偏差[E]處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)取得小些。這時(shí)， KD的取值對(duì)系統(tǒng)影響較大，取值要大小適中以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

pid控制范文第4篇

【關(guān)鍵詞】熱網(wǎng)控制；PID調(diào)節(jié)；模糊控制

1、概述

城市熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)與控制是城市市政工程的重要組成部分，供熱系統(tǒng)的控制特點(diǎn)是：大慣性、多變量、差異性。尤其采用間接換熱的系統(tǒng)，其控制慣性更大，在依據(jù)室外溫度和分時(shí)段運(yùn)行，調(diào)節(jié)回水溫度或換熱量時(shí)，如果控制不當(dāng)，調(diào)節(jié)過(guò)慢使響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，達(dá)不到系統(tǒng)要求，過(guò)快又易引起超調(diào)，甚至震蕩。如果將模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制技術(shù)相結(jié)合，按照響應(yīng)過(guò)程中各個(gè)時(shí)間段的不同要求，通過(guò)模糊控制在線地調(diào)整PID的各個(gè)控制參數(shù)，對(duì)改善控制系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)性能，以適應(yīng)供熱工作任務(wù)的要求，是有重要應(yīng)用意義的。

2、傳統(tǒng)PID算法在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

PID調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)過(guò)程的品質(zhì)取決于PID控制器各個(gè)參數(shù)的整定。但是常規(guī)PID控制器并不能在線整定參數(shù)，因此對(duì)于非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)和不確定的系統(tǒng)，由于其PID參數(shù)整定非常困難，甚至根本無(wú)法整定，因而難于達(dá)到預(yù)期的控制效果。

PID控制算法

PID控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，其控制規(guī)律為[1]：

式中：e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與反饋量(輸出量)的偏差;

u(t) ：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù);

KP：比例系數(shù);TI：積分時(shí)間常數(shù);TD：微分時(shí)間常數(shù);

u0：控制常量，即t＝0時(shí)的輸出值，對(duì)絕大多數(shù)系統(tǒng)u0＝0。

式(1)表示的調(diào)節(jié)器輸入和輸出函數(shù)均為模擬量。為了用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，把連續(xù)形式的微分方程轉(zhuǎn)化為離散形式的差分方程。離散PID控制規(guī)律為：

（2）

式中：T：采樣周期;k：采樣序號(hào);u(k) ：采樣時(shí)刻k時(shí)的輸出值;

e(k) ：采樣時(shí)刻k時(shí)的偏差值;

e(k－1) ：采樣時(shí)刻k－1時(shí)的偏差值。

式(2)中的輸出量為全量輸出，它對(duì)應(yīng)于被控對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。

3、傳統(tǒng)PID校正控制的局限性

傳統(tǒng)PID參數(shù)的調(diào)整比較困難，存在缺陷，它是根據(jù)對(duì)象特性離線進(jìn)行的，而且是階段性的和非自動(dòng)的，一次性整定得到的PID參數(shù)很難保證其控制效果在以后的運(yùn)行中始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PID參數(shù)無(wú)法確定，因此常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。

4、參數(shù)自整定模糊PID控制

模糊控制與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比較，模糊控制主要具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：

*模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，只要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員或者有關(guān)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)以及操作數(shù)據(jù)加以總結(jié)和歸納，就可以構(gòu)成控制算法，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型;

*適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)非線性和時(shí)變等不確定性系統(tǒng)，模糊控制有較好的控制效果，對(duì)于非線性、噪聲和純滯后等有較強(qiáng)的抑制能力，而傳統(tǒng)PID控制則無(wú)能為力;

*魯棒性較強(qiáng)，對(duì)參數(shù)變化不靈敏，模糊控制采用的是一種連續(xù)多值邏輯，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，尤其是適合于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制;

*系統(tǒng)規(guī)則和參數(shù)整定方便，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行定性的分析，就能建立語(yǔ)言變量的控制規(guī)則和擬定系統(tǒng)的控制參數(shù)，而且參數(shù)的適用范圍較廣;

*結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟硬件實(shí)現(xiàn)都比較方便，硬件結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求，軟件控制算法簡(jiǎn)捷，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的查表運(yùn)算，其它的過(guò)程可離線進(jìn)行。

5、參數(shù)自整定模糊PID控制原理

參數(shù)自整定模糊PID控制在模糊推理的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同時(shí)刻的|e|和|ec|，利用模糊控制規(guī)則，對(duì)PID參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行在線自整定，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

6、參數(shù)自整定原則

在PID控制中，考慮KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)：KP的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，但KP過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；KI的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；KD的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對(duì)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，可得出不同的階躍響應(yīng)誤差e和階躍響應(yīng)誤差變化率ec時(shí)(用|e|和|ec|表示)的參數(shù)自整定原則。如圖3所示：

值得注意的是：簡(jiǎn)單模糊控制因無(wú)積分環(huán)節(jié)，在控制系統(tǒng)中很難完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，在變量分級(jí)不是足夠多的情況下，在平衡點(diǎn)附近常常會(huì)有小的振蕩現(xiàn)象。如果把PID控制和模糊控制兩種方法結(jié)合起來(lái)，對(duì)復(fù)雜不確定性系統(tǒng)就能實(shí)施既簡(jiǎn)單而又有效的控制，構(gòu)成兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊PID控制。

參考文獻(xiàn)

pid控制范文第5篇

【關(guān)鍵詞】PLC；溫度控制；PID；溫度傳感器

1 溫度控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是相當(dāng)廣泛的，而溫度參數(shù)是工業(yè)控制中的被控參數(shù)之一，對(duì)物料或產(chǎn)品的加熱處理，是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的一個(gè)重要工序，對(duì)生產(chǎn)物料或加工產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度控制與調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的加熱爐體的溫度控制系統(tǒng)，主要通過(guò)使用繼電器來(lái)控制加熱，其控制柜的接線比較復(fù)雜，而且系統(tǒng)的運(yùn)行故障率比較高，再加上耗電量也比較大，在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，不能采用比較傳統(tǒng)的繼電器控制方式來(lái)控制溫度。

經(jīng)過(guò)工業(yè)革命的技術(shù)發(fā)展，可編程控制器PLC可以完美代替繼電器來(lái)控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度。PLC是一個(gè)集成的控制器，它本身就具有自動(dòng)處理模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的處理能力，正因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)點(diǎn)，PLC在我國(guó)的溫度控制系統(tǒng)加熱生產(chǎn)中得到大幅的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，所以PLC逐漸能夠在過(guò)程控制中得到應(yīng)用。PLC能夠應(yīng)用在遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)與現(xiàn)地控制系統(tǒng)，同時(shí)具有應(yīng)用面相當(dāng)廣，可靠性也相當(dāng)高，編程相當(dāng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。PLC具有開(kāi)關(guān)量控制輸出也就是具有繼電器控制功能的特點(diǎn)，同時(shí)具備各種模擬信號(hào)的采集，以及各種高功能模塊的數(shù)據(jù)輸入與控制，將開(kāi)關(guān)量信號(hào)與模擬量信號(hào)綜合為一體，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制等控制能力，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜生產(chǎn)工藝與自動(dòng)化生產(chǎn)線。PLC在配合人機(jī)界面的操作界面的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)將起到關(guān)鍵的作用，實(shí)現(xiàn)與滿足加熱控制工藝的需要。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)是溫度，溫度的采集是有時(shí)間滯后的因素。溫度會(huì)隨著爐體的加熱隨時(shí)發(fā)生改變，溫度變化通過(guò)溫度傳感器接入系統(tǒng)的控制器。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用松下品牌PLC來(lái)控制系統(tǒng)的加熱與溫度采集，溫度傳感器接入到PLC控制器的輸入模塊，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PLC數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并保持到PLC存儲(chǔ)器中，通過(guò)軟件編程與用戶在人機(jī)界面上設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)字量輸出模塊按一定方式輸出控制量，然后接通固態(tài)繼電器控制爐體加熱器的通斷，進(jìn)而控制爐體的升溫加熱。系統(tǒng)的人機(jī)界面通過(guò)其串口可以與松FP2系列進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)崟r(shí)顯示加熱控制系統(tǒng)的溫度數(shù)值。本文溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟：硬件選型設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)、參數(shù)整定等。

2.1 硬件選型設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件選型是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。在設(shè)計(jì)溫度控制之前要根據(jù)該系統(tǒng)的受控對(duì)象、參數(shù)和控制要求，選擇合適系統(tǒng)的控制器、控制方式、溫度傳感器和適合用戶的操作界面等等。本系統(tǒng)CPU型號(hào)選FP2-C2L作為系統(tǒng)的核心控制器模塊，與溫度輸入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控則選用松下的模擬量輸入模塊FP2-AD8X，溫度傳感器選擇S型熱電偶輸入可以檢測(cè)加熱爐體1300度以內(nèi)的溫度，熱電偶傳感器接到模擬量輸入模塊，模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過(guò)處理后數(shù)據(jù)保存到CPU的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器WX通道中。固態(tài)繼電器選用臺(tái)灣陽(yáng)明，型號(hào)為SSR-F40LA，溫度輸入模塊采集的溫度送到PLC后會(huì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器數(shù)字輸出轉(zhuǎn)化成占空比輸出，實(shí)現(xiàn)加熱器的加熱升溫。前面的數(shù)字量輸出模塊可以選用16個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出的FP2-Y16T。溫度控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的威綸7寸屏TK6070IP，松下PLC控制器與威綸人機(jī)界面的通訊方式采用串口無(wú)協(xié)議通訊自助完成數(shù)據(jù)交換，松下PLC能夠時(shí)刻讀取的加熱爐體的溫度數(shù)據(jù)，威綸人機(jī)界面將顯示加熱爐體的溫度數(shù)值。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示：

圖1

2.2 軟件編程設(shè)計(jì)

PLC的軟件編程設(shè)計(jì)，首先PLC上電后應(yīng)該執(zhí)行初始化內(nèi)存寄存器，通過(guò)R9013特殊繼電器初次上電掃描執(zhí)行產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行程序初始化。實(shí)時(shí)將溫度通道WX的溫度值寫(xiě)入到DT寄存器中，同時(shí)PID控制指令F355各PID參數(shù)設(shè)定值指定給DT寄存器，寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器，使程序啟動(dòng)后系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)加熱爐體進(jìn)行溫度PID采集控制。溫度傳感器即本系統(tǒng)使用S型熱電偶傳感器將爐體測(cè)量的實(shí)際溫度經(jīng)過(guò)接入溫度模塊AD8X單元后產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，溫度模塊經(jīng)過(guò)模擬量輸入通道CH0的模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，PLC內(nèi)存會(huì)得到實(shí)際的溫度值為寄存器通道WX除以10的商。這樣PLC內(nèi)部的PID過(guò)程控制會(huì)自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際溫度值與溫度目標(biāo)值的偏差值在一定周期內(nèi)輸出一定占空比通斷固態(tài)繼電器，接通爐體的加熱器，實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)部PID過(guò)程控制和自動(dòng)加熱控制溫度。

3 PID的參數(shù)整定

軟件編程中PLC內(nèi)部的PID參數(shù)整定也是溫度控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。PLC的PID參數(shù)包括溫度過(guò)程控制中的比例P參數(shù)，積分I時(shí)間參數(shù)，微分D時(shí)間參數(shù)的數(shù)值。在廣泛的PID調(diào)節(jié)器工程應(yīng)用中，PID參數(shù)整定方法主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是理論計(jì)算法，一類(lèi)是工程整定法。理論計(jì)算法當(dāng)然是通過(guò)理論計(jì)算得出被控對(duì)象的PID參數(shù)值，而工程整定法則是通過(guò)實(shí)際工程控制調(diào)節(jié)各參數(shù)。從而我們就利用了工程整定法進(jìn)行PID現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)整定方式，對(duì)本加熱爐體進(jìn)行一次PLC內(nèi)部過(guò)程控制的自整定PID參數(shù)。

本系統(tǒng)能夠通過(guò)PLC自身的PID運(yùn)算指令F355進(jìn)行完成PID參數(shù)自整定控制。這種控制方式是根據(jù)加熱爐體的實(shí)際溫度、溫度傳感器的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的滯后特性等工藝特性曲線，由PLC自動(dòng)計(jì)算出與加熱器匹配的調(diào)節(jié)參數(shù)，自動(dòng)約束加熱器的加熱功率，進(jìn)而對(duì)加熱爐體進(jìn)行溫度工藝調(diào)節(jié)，并能夠在升溫過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。首次使用加熱系統(tǒng)前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次PID參數(shù)自整定升溫過(guò)程，根據(jù)此系列的PLC參數(shù)設(shè)置方法，需要將F355參數(shù)控制模式改成H8000自整定控制模式，進(jìn)行升溫控制，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，完成整個(gè)自整定過(guò)程后參數(shù)會(huì)自動(dòng)反映到PID參數(shù)區(qū)域，通過(guò)修改這三個(gè)參數(shù)后直接寫(xiě)入到溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際加熱中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在用戶設(shè)定溫度目標(biāo)值的準(zhǔn)確控溫。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)進(jìn)一步的參數(shù)測(cè)試，溫度控制系統(tǒng)的可能會(huì)因?yàn)榧訜崞骰蛘邿犭娕嫉脑驎?huì)產(chǎn)生系統(tǒng)一定溫度波動(dòng)，這種情況需要更進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，再對(duì)系統(tǒng)重新進(jìn)行一次PID參數(shù)自整定。

【參考文獻(xiàn)】

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