PID控制系统参数自整定技术研究1.doc

PID控制参数自整定技术研究开题报告 02 级毕业论文开题报告 电子工程 系 电子信息工程 专业 毕业论文题目 PID控制系统参数自整定技术研究学 生 姓 名 张 冕 班 级 02041206 指 导 教 师 俞 子 荣 日 期 2006 年 2 月 26 日南 昌 航 空 工 业 学 院论文题目：PID控制系统参数自整定技术研究一、选题的依据及课题的意义PID调节器是冶金、机械、化工和轻工业中最常用的调节器， 由于它结构简单、工作稳定以及鲁棒性强等特点，它得到了广泛的应用。PID调节器是由比饲(P)、积分(I)和微分(D )所组成， 其中积分的作用主要用于消除余差， 微分的作用主要解决高阶对象的滞后问题。通常，PID调节器的参数是由人工进行整定的。由于PID三个参数互相关联， 因此PID参数的整定并非是一件容易的事。尤其当一个过程的控制需要几百个调节器参加控制时，参数的整定不仅花费时间，而且也不容易校正合适另外，这种人工整定的方法无法适应一些复杂系统，如时变系统、扰动噪声大的系统， 非线性系统等等。自适应控制理论的发展为解决这一问题提供了理论基础，自七十年代末以来，PID自整定控制器的研究得到了很快的发展。特别是近几年来，随着人工智能、专家系统技术的发展，人们开始把专家整定的经验应用到PID自整定控制器，使得PID自整定控制器带有智能的功能。在PID控制中，参数的确定是为控制服务的。Ziegler-Nichols阶跃响应是确定PID参数的简单方法，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0.11之问时才适用，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Astrm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PID调节器的参数传统的PID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，曾经为过程工业自动化的发展起到极大的促进作用，但是随着人们对过程工业综合自动化的要求越来越高。多回路强耦合系统控制器的整定要求对PID参数的整定提出了更大的挑战。为解决传统的PID参数整定的不足，相继有人提出了各种形式的PID参数自整定方案。PID参数的自整定一般包括两部分内容：一是过程特性的提取，也称为初期校正部分，即对过程进行辨识，得到过程的动特性，求得过程的增益、时间常数、延迟时间，然后依过程的特征参数按部分模型匹配法设定PID参数；二是确定相应的最优控制器参数，也称为在线校正部分，是通过对控制响应的波形进行在线监视，求出控制性能指标，即超调量、振幅衰减比等，然后建立调整规则对PID参数进行更新 我国有人提出模式识别法PID参数自整定。这是一种具有最优参数的PID 自整定系统，过程的特性在线获取，具体说来就是以模式类的描述和模式分类来辨识系统结构，以基于模式识别的优化方法来估计系统参数，这很适合于复杂的非线性系统及缺乏先验知识的场合。PID参数的优化可以根据不同的性能准则进行选取。二、研究概况及发展趋势综述早在1942年Ziegler J.G.和Nichols N.B.提出了非常著名的工程整定法临界比例度法。在20世纪70年代，Astrom等人提出了自校正调节器。20世纪80年代，Foxboro公司发表了它的EXACT自校正控制器，使用模式识别技术了解被控过程特性的变化。目前，误差准则函数使用较多，由于计算机的应用使得参数寻优变得容易，我国学者项国渡曾对ITAE性能准则进行了卓有成效的研究。新民等曾提出过具有专家系统的PID自整定方法，做法是将知识库用于PID参数调整，该方法对特定的工业对象还是很有效的，它能克服采用参数自适应，自调整PID控制算法经常出现的计算时间、硬件花费与工业现场要求的低成本、易维护、易操作之间的矛盾5随着系统辨识的发展，各种为PID参数自动整定而做的过程辨识也应运而生，国内外都有学者对此进行过深人的研究，利用时间及频率加权，在保持简单性的前提下，可以用来辨识通用的时不变线性系统，采用模型降阶的方法，基于一阶或二阶加时滞模型的调整规划来调整PID控制器，所建议的方法对测量噪声及扰动表现出鲁棒性基于递推参数估计的PID自整定方法是针对大多数受控工业过程是本质稳定的而进行的，在满足闭环可辨识的条件下，辨识受控过程的开环非参数模型，在频域中加以整定，通过在线校正整定系数可以在较短的时间内获得理想的PID控制参数。近年来，随着智能控制论的发展，模糊控制及神经元控制日益受到控制界的重视，出现了基于模糊推理的PID 自整定控制器及自寻优模糊PID控制器，使系统具学习功能，可以对模糊规则进行修改，这种控制器因不依赖于具体的模型因而鲁棒性很强；应用单个神经元的PID控制已有人提出，基于神经网络的PID控制器产生的原因是由于神经网络在一定的条件下可以逼近非线性，这样可在一定程度上解决在整个工作范围内和保持长期工作的最优化问题模糊控制依其简单性也渗透到PID参数的自整定，但模糊控制的积分作用较弱，稳态精度低，为克服这一缺点已经有人给出相应的对策。三、研究内容及实验方案研究内容本课题以温度控制为对象，利用单片机与电子线路设计一套对PID参数整定进行研究的装置，采用扩充阶跃响应曲线法测试被控对象的阶跃响应曲线，从阶跃响应曲线估算所需的PID参数。整定装置由测试子系统和记录分析子系统组成，测试子系统负责阶跃响应曲线的测试，而记录分析子系统则负责测试数据的记录、存储和分析。实验方案在本课题中，我主要负责PID控制器的记录分析子系统。PID控制器通过串口与PC机进行通讯，PC机则通过既定的算法和程序对收到的数据进行分析。PID控制器的算法有很多，包括扩充临界比例法和扩充响应曲线法等。在这次设计中，主要使用了扩充响应曲线法，此种算法是一种实验与经验相结合的方法。但是扩充响应曲线法不在系统闭环运行时求出查表所需的数据，而是先单独由实验求出被控对象的阶跃响应曲线,由响应曲线求得对象有关参数，然后查表算得数字PID控制器的参数。在PC机上，采用delphi对传入的文件进行分析和画图。尤其是对MSComm控件的运用。而MSComm控件是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。在软件编程中，软件框图如下图所示：图一：软件模块图四、目标、主要特色及工作进度目标以温度控制为对象，设计一套对PID参数整定进行研究的装置，采用扩充阶跃响应曲线法测试被控对象的阶跃响应曲线，从阶跃响应曲线估算所需的PID参数。主要特色 用单片机与电子线路技术设计一个对温度控制器进行PID参数整定研究的测试、分析系统。该系统具有温度测量、功率输出等功能；温度的测量范围为0100；系统具有RS485或RS232接口功能，测试数据随时送入系统机保存；系统机软件可对测试数据进行分析与PID参数的整定计算。 工作进度0103周：查找资料、论证方案、英文资料翻译、撰写开题报告。0405周：确定算法，制作软件模块图。