（机械制造及其自动化专业论文）自校正pid及其在加弹机温控器中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 水文定分析了温度控制的特点以及当前国内外在温度控制上所采川的方法 的基础上，针刺加弹机恒温箱控制对象的具体特点，研制了采用自校正p i d 策 略的加弹机温度毽剑系统，并对极点配臀自校i fp i d 控制方法进行了较为深入 的研究。 第章介绍了论文所研究的列象，指出了温挖对蒙的特j 五，闸述了现有温 度控制的一般处理方法以及存在的问题，并指出采用自校正p 1 d 挖制策略的优 越性，最后提出了本论文研究的主要内容。 第二章概述了数字p i d 及自校正控制器原理，闸述了递推最小：乘法的递 推公式，并给m 了自校正p i d 控制算法及其流程图，最后阐述厂极点配胃臼校 正p i d 控制方法的具体实现。 第三章首先运用热力学方程建立起温控对象的离散数学模型，阐述了极点 配黄的控制器参数设计方法，最后给山了加弹机温控系统的算法程序以及其流 程。 第旧章叙述了加弹机温控器硬件的系统组成和总体结构，详组i l 给山了各个 功能部分的具体电路设计和芯片型号选择，并针列j j 【i 弹机的工、i k 现场环境提出了 硬竹抗干扰措施。 第五章提 1 了两种彳i 同的控制方式并进行j 比较，之后较为i 羊细的给出厂 各个软件功能模块的功用及其实现方式，最后提出了较为全面的软件抗二i 二扰措 施。 第六章运用m a t l a b 仿真语言对基于极点配置的自校正p i d 控制算法进行 了方波信g - 输入以及模型变化的仿真，进行了真实实验以进一步验旺自校j fp i d 控制算法对于模型变化的适应性，最后对仿真及实验结果进行r 分析。 i 第七章概括了全文的主要工作，并展望了今后需进一步开展的工作。杖 v 关键词：p 1 d 控制i 自校正j 参数整定，参数辨u j 极点配置，温度控制 加弹机 ：堑兰墨堂壁主鲎堡垒墨 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c s a n dm e t h o d so f t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，at e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mh a s b e e nd e v e l o p e df o rc r i m p e r m a c h i n e sh e a t i n gc h e s t sa c c o r d i n gt oi t s t r a i t ，a n ds e l f - t u r n i n gc o n t r o lm e t h o db a s e d o np o l ep l a c e m e n th a sb e e ns t u d i e dd e e p l y i nc h a p t e r1 ，a f t e rt h ep r e s e n t a t i o no ft h eo b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a i to f c r i m p e rm a c h i n e sh e a t i n gc h e s t si sp r e s e n t e d p r e s e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e t h o d s a n di t s d i s a d v a n t a g e sa r eg i v e n a f t e rt h a t ，t h es u p e r i o r i t yo fs e l f - t u r n i n gc o n t r o li s p o i n t e do u tf i n a l l y i i,the m a i nc o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o nsn t r o d u c e d i n c h a p t e r2 ，t h et h e o r i e so fd i g i t a l p i dc o n t r o la n ds e l f - t u r n i n gc o n t r o la r e p r e s e n t e d t h es e l f - t u r n i n gc o n t r o la r i t h m e t i ca n df l o wf i g u r ea r ew o r k e do u tt h e n t h es e l f - t u r n i n gb a s e do nt h ep o l ep l a c e m e n ti se x p l a i n e da tl a r g e 1 1 1 c h a p t e r3 t h e d i s c r e t em a t h e m a t i c sm o d e lo fc r i m p e rm a c h i n e s h e a t i n g c h e s t sj sb u i l tu pa tf i r s t a t i e rt h a t t h em e t h o do fs e l f - t u r n i n gc o n t r o li su s e dt o d e s i g nt h ep a r a m e t e ro f t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r f i n a l l y , t h ea r i t h m e t i cp r o g r a mf o r c r i m p e rm a c h i n e sh e a t i n gc o n t r o l l e ri sw o r k e do u t i nc h a p t e r4 t h eh a r d w a r ec i r c u i t r ys t r u c t u r ef o rt h ec r i m p e rm a c h i n e sh e a t i n g c o n t r o l l e ri sg i v e na tf i r s t t h e n ，t h ed e t a i ld e s i g n si n c l u d i n gc h i p so fa l l p a r t so f t h e c o n t r o l l e ra r ee x p l a i n e df i n a l l y , as e to fa n t i - j a m m i n gm e a s u r e si sp u tf o r w a r d i n c h a p t e r5 ，t w od i f f e r e n c ec o n t r o lm a n n e r sa r ep o i n t e do u t ，a n dc o m p a r e d t h e n ，a l lt h ef u n c t i o nm o d u l e sa r eg i v e n f i n a l l nas o f t w a r ea n t i - j a m m i n gm e a s u r ei s c r e a t i v e l yp u tf o r w a r d i n c h a p t e r6 ，c o m p u t e rs i m u l a t i o no fp o l e p l a c e m e n ts e l f - t u r n i n gc o n t r o lb y u s i n g m a t l a bl a n g u a g ei s p r e s e n t e d t h e n ，a r e a l e x p e r i m e n t i sm a d et o s u b s t a n t i a t et h ee f f i c i e n c yo ft h i sp o l e p l a c e m e n ts e l f - t u r n i n gc o n t r o la r i t h m e t i c a n d i t sr e s u l ti sa n a l y z e d i nc h a p t e r7 a l la c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e r r e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p i dc o n t r o l ，s e l f - t u r n i n g ，p a r a m e t e rt u n i n g ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n p o l ep l a c e m e n t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，c r i m p e rm a c h i n e 浙江大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 加弹机温控系统简介 1 1 1 加弹机简介 纺织机械中的加弹机是一种生产涤纶长丝的拉仲变形机，它能对纺织纤维 进行拉伸处理，普通纤维经过加弹机处理之后就变成了具有高弹力的纤维。加弹 机的工作过程如阁l 一1 所示，一束纤维丝经过系列机构之后进入恒温箱，经皿l 匾温箱的烘烤并在张力机构的控制作用下，产生拉伸变形，纤维穿过_ j j l 热管后又 卷取机构将其卷成丝饼。在加弹机中，恒温箱温度是一。个重要的自动控制对象， 控制温度的精度刺捻丝的卷取程度，染色均匀率和沸水收缩率等质齄指标有极大 影响。恒温箱温度采用闭环控制，定温度的载热气体充满整个容器可以保证恒 温箱各点温度均匀。此套加热系统共有2 0 个恒温箱，它们在空间上呈上下两组 8 图1 1 加弹机工艺流程图 1 p o y 原丝2 第一罗拉3 j t 捻器4 第一热箱 ( 变形) 5 锻捻器6 第二罗拉7 网络喷嘴 8z 1 3 s 罗拉9 第二热箱( 定型) 1 0 第三罗拉 j 1d t y 丝饼 布胃，每封【器】0 个恒温箱，每个恒温箱中部有6 个电j 热器。j f 【| 热系统就是要 划这12 0 个咆朋热器进行控制，从而完成控温任务。a r i i q 控制温度分两部分设定， l ：箱j 卜| 箱可以分别设定控温范围内的两个不同温度值。 甘睁 浙江大学硕士学位论文 上箱 一箱三箱五箱七箱几箱十一箱 二箱四箱六箱八箱卜箱十二箱 ：i 三嘉 言 妻芸l 芙喜 毒嘉l 车三嘉 图卜2 恒温箱布胃图 1 1 2 加弹机温控器的特点 此套浠控系统一个最大的特点就是它同时控制的通道数目很多，控温的精 度也较高，恒温箱的总体控温精度为i 。c ，温度显示精度达到0 1 。c 。恒温 箱的温度设定范围从5 0 。c 到2 5 0 。c ，其具体设定温度与纤维的类型和要求的 弹力值有关。 此外，在加弹机的恒温控制中，下列因素的存在会导致温控对象数学模型 的差异： 1 不同纤维材料的吸热能力存在差异； 2 纤维丝通过速度的大小随着本身种类的不同会有所差异，从而影响纤维带 走的热量； 3 环境温度的差异性比较大； 4 加热管本身的功率值不一致，加热管外的保温材利的保温效能也存在一定 的离散性。 l = 述因素中，i 和2 在正常工作条件下对系统数学模型的影响较大。3 和4 虽在一：作条件下影响不大，但会在控制参数设计阶段造成困难。因为固定的一组 参数无法适应环境温度较大的变化范围以及1 2 ( ) 路电加热器的个体差别。 1 2 现有温度控制的一般处理方法以及存在的问题 1 2 1 温度对象一般倚化模型和特点 温度是工业控制的主要对象之一，如在冶金、机械、食品、化工、印染、 石油加：l = 等工业中，其控制对象很多，且不尽相同理论分析和实验结果表明： 电加热装嚣是一个具有直平衡能力的对象，可用二阶系统加纯滞后环节来描述。 然而，列于二二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为阶模型。因而可h 一阶惯 性嘲修e 滞后环节来捕述温控对象的数学模型。对纯滞后环节的处理，通常进行泰 浙江大学硕士学位论文 勒级数展7 r 取其一阶近似式，故系统数学模型可以写为 m 、： 丝： ：整 ( 1 + 7 j s ) ( 1 + f f ) 7 ：， r s ? + ( 7 j + r ) s + 1 ，巾k 为放大系数，是晶闸管、温度变换器、功率放大器及电加热器比例 系数乘积；r 为f 乜加热器装置的纯滞后时间；乃= c a 为电加热装置的州问常数， 其中( 1 是比热，a 是散热系数，因此，随着不同) i j f l 热对象和环境条件，它的变化 很大。一般对温度的控制都有一定要求，有的是恒温控制；有的则是按给定的温 度曲线进行控制。： 业中的温度对象一个较为普遍的特点就是它们大都含有纯滞 后环1 ，容易引起系统超调和持续的振荡。除此之外，温度控制剥象的参数一般 会发生幅度较大的变化，例如，在热处理电加热炉的温度控制巾，山于彳i 断地向 加热炉中送入冷的工件，从而导致温度对象数学模型的不断变化；又如存化： 行 业的温度控制c i ，化工原料的性质、制流的大小或者控制过程中可能出现的复杂 的吸热、放热化学反应，所有这些变化都会改变温度列象的参数。这种随机产生 和0 i 可准确预计f l f j 变化，无疑地增加了温度控制f l 勺难度。 1 2 _ 2 p i d 温度控制 按照实际温度和设定温度偏差的比例、积分和微分产生控制作用( 简称l i d 控制) ，是温度控制中应用最广泛的一种控制形式，实际运行效果和理论分析表 明，这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。在传统的 温度控制技术中、大多采用模拟型的p i d 调节器。它结构简单，在长期应用中已 积累了丰富的经验，是连续系统控制中技术成熟、也是迄今为止使用最广泛的控 制方法”( 至今在全世界过程控制中用的8 4 仍是纯p i d 调节器，若改进型包括 在内则超过9 ( ) ) 。我们今天所熟知的p i d 控制器产生并发展于1 9 t 5 1 0 4 0 年期 间。尽管自1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构 简单，剥模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化：| 二、 电力、轻l i 干机械等工、世过程控制中。 事实表明，对于p i d 这样简单的控制器，能够使用于如此广泛的工业与民 h 对象，并以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分反映了p i d 控褂器的 良好品质。概括的讲，p i d 控制的优点主要体现在以下两个方面： 原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器， 控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。 确切的说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏 感。 现有的p i d 控制方式主要有模拟和数字两种。模拟型p i d 调节器的每 f j 分郝山r 三予元件组成，易受温度等外界因素影响；其r p 每个电子元件的改变挪会 浙江大学硕士学位论文 对栏个系统带来一定的影响，因此稳定性较差，日难以调整。 数字式p i d 控制是将单片机应用在温控系统中以发挥单片机功能强、灵活 性好、成本低、体积小、性能可靠的特点和优势，使温控水平达到商精度和智能 化。在i t 算机控制系统中，p i d 控制规律使用汁算机程序来实现的，因此e f ( , j 灵 活性很大。一些原来在模拟p i d 控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后， 就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。 这些数字p i d 的改进算法主要有 积分分离p i d 控制算法， 预限i ! j | j 弱积分p i d 控制算法， 1 ；完全微分i ，i d 控制算法， 微分先行p i d 控制算法， 带死区的p i d 控制算法等， 这些改进算法在一定程度上改善了如超调量、快速性、稳定性等控制指标。 1 2 3 传统的p i d 参数整定方法 在p i d 控制中，一个关键的问题便是p i d 参数的整定。传统的p i d 控制器 参数是采用实验加试凑的方法由人工整定。控制器整定的实质，就是通过设计调 整控制器的某些参数使其特征与被控特性相匹配，以达到最佳控制效果。人们常 把这利，整定称作“最佳整定”，这时的调节器参数叫做“最佳整定参数”。 z ie g l e r n i c h o l s 阶跃响应是确定p i d 参数的简单方法n ”，这种方法仅根 据纯滞后时间和时间常数来整定控制器的参数。但是该方法仅在纯滞后时间与时 间常数之比处于0 1 一l 之间时才适用，对于大的纯滞后需采取专门补偿措施。另 外该方法借助于作图来确定特征参数，得到的控制器是使用尚可的或次优的。知 名学者k ，a 耵，0 i n 曾提出基于继电反馈的方法”，该方法的基本思路是在继电 反馈下观测过程的极限环振荡，并由极限环的特征来确定过程的基本性质，然后 算出p i d 调节器的参数。除此之外还有利用一些经验公式的整定方法，如i 临界灵 敏度法等。传统的p i d 参数整定方法都具有物理意义明确的优点，并且这些方法 还将长期被人们使用。 其中z i e g l e r n i c h 0 1 s 整定法与临界灵敏度法是目前较为广泛使用的方法， 下面对这两种方法做一详细介绍。 1 z i e g l e l n i c h 0 1 s 参数整定法 z ie g l e r n i c h o 】s 参数整定方法是最早提出的工程整定方法，这种方法认为 受控剥象大多可近似用一阶惯性加纯延迟环节来表示，其传递函数为： g ( s ) = 。”( n + 1 )( 1 1 ) 对1 ：典型p i d 控制器 浙江大学硕士学位论丈 g c ( s ) = k p ( 1 + 去s ) 有z ie g le r n ic h o ls 整定公式 k 。：堕 。 k r r = 2 7 7 j = o5 r 实l h ：) ；4 - ) l j i v j ，通常根据阶跃响应曲线( 如下图所示) ，人- 1 ：测昆i = k 、7 、f 参数，然后按z i e g l e r n i c h o l s 公式计算k 尸、巧、7 i 。 y 图l 一3 阶跃响应曲线 用计算机进行辅助设计时，一是可以用模式辨识的方法辨识出这些特征参 数；二是可以用曲线拟合的方法将阶跃响应数据拟合成近似的一阶惯性加纯滞后 环节的模型。 2 临界灵敏度法 当已知系统的临界比例增益k c 和振荡周期r 时，出可以用经验整定公式来 确定p id 控制器的参数。例如： k p = o6 k cj 巧= o5 瓦 7 o = 01 2 5 毛 j 特征参数k 。，和砝，一般由系统整定实验确定，或者用频率特征算法根据受控过 程( ；( s ) 直接算得，即由增益裕量g 。，确定k 。，由相位剪切频率唧。确定i ，。 r ：堡i k ( = 1 0 一2 ”l 浙江大学硕士学位论文 i 二荷列举了两种常见的p i d 参数整定方法。从中可以看出这几剩tp i j ) 参数 整定方法都是基于被控过程的某些特征参数，诸如临界振荡增益k 。、临界振荡 频率，等。这些方法比较适用于人工离线参数整定，当控制对象参数发生变化 后，需再次进行整定。 1 2 4 在线的p i d 参数自调整自适应控制 行：实际应用中，温度控制过程是非线性的，调节器参数与系统所处的稳态 工况有关。因此，这种整定工作不仅需要熟练的技巧，h i 且往往还相当费时。更 为重要的是，大多数生产过程的对象特征随时问而变化，当被控剥象特征发生变 化而需要调节器参数作相应调整时，由于调节器参数是根据过程参数的公称值整 定的，没有这种“自适应”能力，因此只能靠人工重新整定参数。由于生产过程 的连续性以及参数整定所需的时间，这种重新整定实际很难执行，甚至几乎是不 可能的。一般说来，过程特性的变化将导致控制效果的恶化。基于以上原因，就 需要找到能在线施行参数自整定的方法。 在加弹机恒温箱的温度控制中，如前- d , 节所述在正常工作时控制对象的 数学模型随着纤维丝品种和速度的不同而发生变化，而1 2 ( ) 路电加热器功率及升 温特性的离散性使控制参数的设计变得繁琐。针剥上述困难，不少的温控器采用 了这样的办法：根据一定的积累经验将工作状态( 包括加热对象的性质、环境温 度、加热器的工作强度等) 人为地分为若干种，然后对各种的工作状态分别预制 一组积分、比例、微分系数，再根据实际的工作状态选择其中一组参数进行控制。 当工作状态转换后，需设定另外一组参数与变化后的状态相适应。这样做虽然也 能达到控温要求，但增加了操作难度且自动化程度不高。 综上所述，针对加弹机温控系统最好的做法是系统能自动的进行参数的调 整，以使控温精度不受工作状态的影响。这就要求系统能对不同的工作状态进行 识别，以自动地调整其控制参数，即能够在线实时的辨识控制对象的数学模型， 并根据其变化而实时调整控制参数值，从而使系统在新的条件下也能达到较好的 控制效果，这就涉及到p i d 参数的在线自整定问题，即具有前面所述的“自适应” 能力。p 1 d 自整定是一种依赖对被控过程动态特性的识别，如果根据能否在辨识、 修改控制参数的同时不中断控制过程来进行分类，自动计算p i d 参数的整定方法 可分为中止控制进行动态特性识别的开环方法和不f 1 止控制进行动态特性识别 的闭环方法。显然，这种具有“自适应”特性的控制器必须采用不中j l - 控制进行 动态特性识别的闭环方法。 自从五十年代末期由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来， 先后出现过许多形式完全不同的自适应控制系统，但是，发展到现阶段，无论从 理论研究和实际应用的角度来看，比较成熟的自适应控制系统有以下两大类“1 ： 浙江大学硕士学位论文 参考模型自适应系统 参考模型自适应控制系统由以下几部分组成，即：参考模型、被控对象、 常规反馈控制器和自适应控制回路。该类自适应控制系统实际上是在原来的反馈 控制系统基础上再附加一个参考模型和一个控制器参数的自调节回路，参考模型 相当于输出相应的一个样板。 自校正控制系统 这类臼适应控制系统的一个主要特点是具有被控对象数学模型的在线辨识 环节。根据系统的运行数据，首先对被控列蒙进行在线辨识，然后再根据辨识 的模型参数和事先指定的性能指标，在线地综合控制作用。通常这类系统在设计 辨识算法和控制算法时，考虑了随机扰动和测量噪声的影响，所以应该属于随机 自适应控制系统这一类。辨识器和控制器实质上都是一些递摊公式，实寸地完成 所需的递推运算必须采用数字计算机，因此，这类随机自适应控制实际上是一类 计算机控制系统。 上述两类控制系统的共同特点是：控制器的参数随着对象特性的变化、环 境的改变将不断地进行调整，因而控制器具有一定的“自适应”能力。但是，控 制器参数的调整方法两类系统各不相同，第一类系统控制器的参数调整是基于参 考模型输出与系统实际输出的偏差，而第二类系统控制器的参数调整是基于对象 的参数辨识。 加弹机温控系统的控制对象是温度对象，根据121 小节关于温度对象一般 数学模型的叙述，温度对象的模型结构是已知的，未知的只是结构模型的参数， 而自校正控制技术特别适合于这种结构部分已知和参数未知或缓慢变化的随机 受控系统，同时加上自校正控制技术理解直观，实现简单，所以本文将采用自校 l e 的技术来实现对恒温箱的温度控制。 1 3 自校正p i d 技术的一般方法 在p l d 参数可调的自适应控制系统中，控制器的参数是随时可调整的，其 中，包括控制器的参数能跟随控制对象参数的变化。然而，对这种系统，很难进 行稳定性和收敛性的分析。为了简化起见，假定系统的结构是己知【：l ( ，而参数是 未知的。当控制对象是已知的条件下，设计的任务是确定控制器的期望参数，f 能使自适应控制器收敛于选定的参数值。调节器的这种特性称为自校正“”。 自校正控制是7 ( ) 年代发展起来的一门十分活跃的新型控制理论与技术。它 实际上是对被控过程参数的在线辨识与控制器参数自动整定相结合的一种自适 应控制技术。p i d 调节器由于具有直观、容易实现和鲁棒性能良好等一系列优点， 而成为应川最广的一类控制器。但当被控对象具有本质非线性，大纯时滞或受到 叫变干扰作用时，在实际生产现场由于参数整定方法受到困扰，常规p i d 调节器 浙江大学硕士学位论文 就显得无能为力，很难达到良好的控制效果。自校啦f ，t p 调= 侈器集系统辨识和自 适应控制理论为一体，能够最为精确地获得被控过程的数学模型，控制精度较高， 适用于研究离散随机系统。这些优点使得它成为工业过程控制的一利t 较理想的控 制装置，成为人们竞相研究的对象。 自校正方法在控制器的设计应用中，采用单独估计未知参数的思想。它的 基本结构如图l 一4 所示。由图卜4 可见，应用递推f 占计方法，对控制对象的未知 参数进行在线的估计。最小二乘法、广义最下二乘法、增广最小二乘法等，黹f 5 可 以应用在自校正调节器的估计中。图中的“设计”方块表示对已知参数系统的在 线设计。通常称为基本设计问题。各利- 的设计方法，例如最小方差、线性二次型、 极点配置和模型跟踪等，都可以被采用。设计方法的选择，取决r 闭环系统的性 能要求。各种估计方法与设计方法的组合，使调节器具有不同的特性。一个基本 的性能优良的自整定p id 调节器就是在按下自整定调节键或通过功能键i 殳定了 自整定方式后能自动识别被控过程的数学模型，尽可能利用最少的动态过程模型 图1 - 4 自校正蛹节器的方块图 直接或问接参数，通过种简单可靠的最优性能指标得出的一种简明p i d 参数整 定规则或公式，计算出优化的p i d 参数，然后自整定控制器中的微处理器自动将 该组p i d 参数装入仪表中对被控对象进行自动控制。 依照参数估计的方法又可做不同的分类。对控制对象传递函数的参数和噪 声的估计，可获得间接自适应算法。这时调节器的参数不是直接进行修改的，而 是通过对控制对象的参数进行估计，间接地修改的。如果对调节器参数进行直接 估计，可获得直接自适应算法。间接方法的自校正又称显式自校正控制，而直 接方法的自校正又称隐式自校正控制“”。其巾，隐式自校正控制同显式的比较， 具有计算时间短，稳定性分析较为容易的特点。 如果按照控制器参数设计的原理来分，自校订三) i d 控制器又可分为叫大类： 】基于经验规则的自校正p i d 控制器 这种方法要求较多的先验知识，并且在一定程度t 能预知控制对象的不确 定一盹。 浙江大学硕士学位论文 2 基于二次型性能指标的自校正p i d 控制器 欲想获得参数优化的自校正p l d 控制器，最通用的方法是极小化某一个二 次，”：r j + 。m 标参数。这种方法比较正规、系统，理论性较强，对不同的性能指标函数 有不同的参数最优解。 3 相消原理自校正p 1 d 控制器 利用控制器传递函数中的零、极点抵消被控制系统传递函数的某些零、极 点，从而使整个闭环工作在期望的状态上，这就是利用相消原理设计控制器的基 本思想，为了获得p i d 控制器的结构，利用这利，原理设计控制器时，要求被控系 统必须是二阶加纯滞后系统。a s ，+ o ，7 7 和w i t t e n m a r k 首先给除了基于相消原理 的参数自校正p i d 控制算法，以后有了进一步的发展，提出了能适应非最小相位 系统的相消原理自校正p i d 控制器设计方法。用相消原理设计自校正p i d 控制器， 具有原理简单、计算工作量小、容易在工程上实现等优点。 4 极点配置自校正p i d 控制器 极点配置自适应控制算法由w e l l s r e a d 等人在 9 7 9 年首先提出，继而由 a 舶4 7 和w i t t e n m a r k 、v o g e l 、e d g a r 和e ll i ( ) l t 等人改进和深化，成为自适 应控制中的一个重要组成部分，w e l l s t e a d 和a 埘o i 7 1 等人在此基础上提出了极 点配置自校正p i d 控制算法。由于极点配置自适应p i d 控制器具有计算量较小、 鲁棒性较强，且适合于非最小相位系统等优点，所以它是一种较为实用的控制方 法，在低阶过程控制中尤为实用。 由于4 的特点，它在温度控制中使用的较为广泛。本文的设计将采用通过 零极点相消来实现极点配置的方法进行p i d 控制器参数的设汁，具体设计工作将 在第三章进行详细论述。 1 ：4 本文的研究思路与主要工作 在现有的针对温度对象的p i d 控制器的实现方法中，p i d 参数的整定方法较 多的采用人工离线的方法，即使采用某些自整定的方法，大都也是用一些开环的 整定方法，如基于继电器反馈的p i d 控制器参数的自整定方法。这些方法共同特 点是将参数整定与系统控制分开处理，区别是究竟由人工离线完成还是在线自动 完成。 针对本论文所涉及温度对象的一些特点以及目前温度控制存在的些问 题，提出了将最小二乘法辨识与极点配置方法相结合的解决方案，同时本论文在 在线实时辨识与p i d 控制相结合的这一控制方式上做了有益的探索。 本论文的研究内容： 1 利用热力学方程建立加弹机恒温箱的温度对象的数学模型，并对之离散 浙江大学硕士学位论丈 化处理： 2 研究将极点配置自校正控制器与常规p i d 控制器相结合的实时在线辨识 控制策略，将之应用n d n j 0 - 机恒温箱的温度控制c f l ，并用m a t i a b 仿真及实验来 研究这种控制策略的有效性； 3 设计温控系统的硬件电路，编制自校正p i d 控制的系统软件，在满足加 弹机温控器的功能与精度要求的同时，系统能稳定v , j i 作在具有干扰v , j 工j i k 环境 中： 4 提出了两种不同的控制形式并进行比较，对上述控制策略的优越性与有 效性进行分析并做出结论。 最后给出对全文研究工作的总结。 一堑兰垄堂堡主鲎堡笙查 第二章自校正p i d 控制的基本理论 本章介绍r 自饺】 i d 控制理论所涉及的递推最小二乘法和堆于 相消原则的极点配罱方法。本审内容为笫三章n 【l 弹帆温控系统具休设 i f 实现的理论基础。 2 1 数字p i d 控制及其相关概念 一p i d 控制原理 花儆拟控制系统中，控制器最常用的控制规律足| j 控制。系统模拟l i d 控制器和被控刺象组成。p i d 控制器是一种线+ h ：控制器，它根据给定值r ( t ) 4 j 实 际输值c ( t ) 构成控制偏差 f ( ，) = ，。( ，) 一c ( ，) 将偏差f 1 j 比例( 1 ，) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被挖对 象进行控制，故称p 1 1 ) 控制器。其控制规律为 “归小卅枷伽+ 学j 或写成传递函数的形式 吲垆鬻洲r 卜赤“，一j 阻：， 式中“一比例系数； o ，积分时间常数； o ”微分时间常数。 p i d 控制器各校正环节的作用如下： 比例环：竹及时成比例n 勺反映控制系统的偏筹信号c ( ，) ，偏井 i 广： 牛，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时问常数z ，7 ：越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，i ：能在偏差信号 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修订三信号，从而加 火系 统的动作速度，减少调节时问。 二数字p i d 控制算法 纯计算机控制系统中，使用的是数字p 1 1 ) 算法，它常常分为位霄式i 控 制馆法和增最代i ，i i ) 控制算法。 浙江大学硕士学位论文 位置式p i d 控制算法 由于计算机控制系统是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算 控制量，因此原模拟p i d 控制方程不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟 p d 控制算法的算式，以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和式代替积 分，以增量代表微分，可得离散的p i d 表达式为 “c t ，= k j e c * ，+ ；骞e c ，+ 等 e c t ，一e c t 一， c z 一。， 或 ? 舭) = 巧e ( ) + 巧e ( y ) + k o 【e ( k ) - e ( k - i ) 】 式中k 一采样序号，k = 0 ，l ，2 ； u ( k ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k ) 一第k 次采样时刻输入的偏差值： e ( k 1 ) 一第( k l ) 次采样时刻输入的偏差值； k 积分常数，局= 坼； 足。微分常数，弼= 群钐。 由z 变换性质 z k 似一i ) j = z - i 以z ) z 巨卅= 尚 则离散p i d 的变换式为 ) = k p e 竭等1 丁训 9 - a ) 一z 一 。 r、 由上式可得到数字p i d 控制器的z 传递函数为 ) = 器啦+ 等、) 或 g 2 专心( 1 一z - i ) 喝+ k o ( 1 - - z - i ) 3 数字p i d 控制器示于图2 1 。 由于计算机输出的 ( 女) 直接去控制执行机构，“( 女) 的值和执行机构的位置 是一对应的，所以通常称上式为位置式p i d 控制算法。位霞式算法的缺点是， 由于金量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时需要对p ( 女) 进行累加， 计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的7 ，( ) 对应的是执行机构的实际位 浙江大学硕士学位论文 置，如计算机出现故障，”( i ) 的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化 这就可能造成重大的生产事故。因而产生了增量式控制的p i d 控制算法。 图2 - 1 数字p i d 控制器结构图 增量式p i g 控制算法 所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量a u ( k ) 。根据递推 原理可导出下式： a u ( k ) = k p a e ( k ) + k l e ( k ) + 【a e ( k ) 一5 e ( k 一1 ) 】 式中 a e ( k ) = p ( 女) 一e ( k 一1 ) 可以将上式进一步改写为 a u ( k ) = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 ) ( 2 5 ) 式中 ( 2 - 6 ) 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系 数。就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质区别，增量式控制算法 虽然只是算法上作了一点改进，却带来不少优点： 由于计算机输出增量，所以无动作时影响小，必要时可用逻辑判断的 方法去掉。 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生 故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持 原值。 算式中不需要累加。控制增量a u ( k ) 的确定仅与最近的k 次采样值有 关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 墨r) + ，d r i 冱r ， + r卜卜 b 峰k = = = d 日 u 浙江大学硕士学位论文 2 2 自校正调节器概述 自校正控制属于自适应控制的一种，在叙述自校正控制理论之前，将简要 的介绍一下自适应控制的概念、研究对象和基本特征。 2 2 。1 自适应控制与自校正控制的关系 自适应控制的研究对象是具有不确定性的系统，所谓的“不确定性”是指 描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些位置因素和随 机因素。 任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在 系统内部，有时表现在系统外部。从系统内部来讲，描述被控对象动态过程的数 学模型的结构和参数设计者事先并不一定能确切知道。作为外部环境对系统的影 响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可测的，它们可能是确定 的( 如常值负载扰动) ，也可能是随机性( 如海浪和阵风扰动) 。此外，还有一些 测量的噪声从不同的测量反馈回路进入系统。这些扰动和噪声的统计特征常常是 未知的，面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何综合适当的控制作用， 使得某一指定的性能指标达到并保持最优或接近最优，这就是自适应控制所耍研 究解决的问题。 自1 9 5 8 年，美国麻省理工学院提出第一个自适应控制以来，先后出现许多 形式不同的自适应控制系统，但是发展至今，从理论和应用上来看，自适应控制 可分为增益自适应控制、模型参考自适应控制、自校正控制、直接优化目标函数 控制。但比较成熟的自适应控制系统还是模型参考自适应控制和自校正控制系 统。下面将介绍论文所涉及的属于自校正类中的应用最普遍的控制一极点配置自 校正调节器。 自校正控制( s e l 卜t u r n i n gc o n t r 0 1 ) 系统的结构图如下图所示。 二习= = = ! _ 一 。品习 j ) 芒一 蠹 竺 控制器参数1 医言习 t ，( ，) i 图2 2 自校正控制系统的结构图 自校正控制系统也可以看作是由两个控制回路组成：内环由被控对象和常 规的控制器组成：外环由参数控制器和控制器设计计算两部分组成。参数估计和 浙江大学硕士学位论文 控制器设计必须在线地实现，因此参数估计必须采用递推算法，控制器设计必须 采用计算尽量简单的设计方法，常用的有最小方差控制和极点配置法设计，具有 这种结构的控制系统称为自校正控制系统，这个名称强调了这种控制系统能自动 校正自己的参数，以得到希望的闭环系统特性。 按照自校正控制系统的结构形式，通常分为以下两种：如上图所示，首 先估计出控制对象的参数，然后进行控制器设计，这样的结构称为显式结构； 将控制器对象的参数估计和控制器设计这两个步骤结合在一起，而直接估计出控 制器参数，从而大大简化了自校正控制的算法，这样的结构形式称为隐式结构。 自校正控制的基本思想是将参数估计递推算法与各种不同类型的控制算法 结合起来，形成一个能自动校正控制系统参数的实时计算机控制系统。根据所采 用的不同类型的控制算法，可以组成不同类型的白校正控制系统。由于其算法比 较简单，实现也比较容易，因此实际中应用的比较多。 自校正调节器是自适应控制中从理论到实践最成熟的一种控制方法，l b 是 适合与单片机控制系统使用的一种算法。 2 _ 2 - 2 自校正调节器简介 自校正调节器简称s t r ( s e l f - t u r n i n gr e g u l a g o r s ) ，在19 7 3 年由 k ，a 舶o 7 7 提出。此后，发展十分迅速，由于简单易行而得到了广泛应用。 1 结构 自校正调节器的结构如图2 - 3 所示。 一一 ! ：三：! 厂一一 哆一 鹰 jl 、， i丽i 目校止调节器 图2 3 自校正调节器 自校正调节器由三部分组成即参数估计器、控制器参数计算和控制器。其 中参数估计器又称辨识器，其作用是根据测量到的系统的输入输出信息，不断的 浙江大学硕士学位论丈 在线辨识系统的模型结构和参数；控制器参数计算是指按照一定的控制算法，由 辨识得到的参数，取得相应控制算法的参数：控制器部分是形成控制量，送往被 控过程或对象，实现目标控制。 2 ，过程 自校正调节器是不断测量y ( 女) ，7 ，( 女) ，不断的辨识对象中的参数0 ，不断的 修改控制，似) 的过程。此算法由辨识和控制组成，其辨识和控制实际上是一系列 在线递推算法。由于需要对信息储存、处理、运算，而且要保证实时性，因此这 种功能只有用计算机才能完成。考虑极点配置自校正调节器算法，存储、处理的 信息量有限，而且只需用四则运算，不涉及矩阵求逆，所以m c s 一5l 单片机可以 承受。 2 3 基于参数模型的自校正p i d 控制器 的极点配置设计方法 自校正控制器是由辨识和控制组成的。其中辨识采用递推最小二乘法；控 制器设计采用极点配置法，这种控制可保证实现期望的闭环极点。 为了应用极点配置自校正调节器，下面把这类控制所涉及的辨识和控制问 题即最小二乘辨识和极点配置问题作一阐述。 2 3 1 递推最小二乘辨识 递推最小二乘法来源于二乘理论，并应用于系统辨识。 一最d , - 乘原理 设有一线性系统，其输入为，x 2 ，k ，输出为y ，输入输出均可测量，并 且它们的关系为 y = 只x i + o , x 2 + + 乱一， 式中谚( f - 1 ，2 ，f ，) 未知，若分别在时刻i i , 一，。使进行m 次测量，可得以下m 个方程： y ( 1 ) = 舅x l ( 1 ) + 岛也( 1 ) + + o x 。( 1 ) y ( 2 ) = b ( 2 ) + 0 2 t ( 2 ) + + 眈一，( 2 ) y ( m ) = 0 1 x i ( m ) + 0 2 x 2 ( ”7 ) + + 只，x 。( ) 如果用矩阵形式表示上面的m 各方程，则 y = x 0 其中 浙江大学硕士学位论文 x = 0 = 0 1 , 0 2 ，o 1 1 x i ( 1 ) x 2 ( 1 ) x 。( 1 ) ( 2 ) x 2 ( 2 ) x 。( 2 ) y = 眇( 1 ) y ( 2 ) x 。( 肝7 ) 如，) r ( 2 7 ) 以上方程表示，系统有n 个参数，l q 个输入