参数自整定PID控制器的设计开题报告

湖北师范学院学士学位论文 设计 开题报告 学生 姓名 毕建伟 所在 院系 机电与控制工程学 院 所在 班级 0802 指导 教师 张先鹤 学生 学号 05 专业 方向 电气工程 及其自动化 开题 时间 2012 2 15 导师 职称 教授 论文 题目参数自整定 PID 控制器的设计 文献综述 前言 PID 控制器是工业过程控制中最常见的一种控制调节器 广泛应用于化工 机械 冶金和轻工等工业过程控制系统中 有一些文献陈述了当前的应用状况 日本电子测量 仪表协会在 1989 年对过程控制做的调查报告 该报告表明 90 以上的控制回路具有 PID 结构 另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有 2000 多个控制回 路 其中 97 以上是 PID 控制 而且仅仅有 20 的控制回路工作比较满意 控制回路性能 普遍差的原因中参数整定不合适的占 30 阀门问题占 30 而另外 20 的控制性能差有 多种原因 如传感器问题 采样频率的选择不当以及滤波器的问题等 在已安装的过程 控制器中 30 是处于手动状态 20 的控制回路采用厂家整定的参数 即控制器制造商预 先设定的参数值 30 的控制回路由于阀门和传感器的问题导致控制性能较差 因此 PID 控制器虽然在工业过程控制中普遍应用 但是获得控制效果并不十分理 想 同时由于 PID 控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的 情况 但随着现代工业的发展 人们面临的被控对象越来越复杂 对于控制系统的精度 性能和可靠性的要求越来越高 这对 PID 控制技术提出了严峻的挑战 在控制系统里 如果难以获得被控制对象的数学模型 或者被控对象是个比较复杂 的非线性 时变而且又有大的滞后的系统 一般的 PID 控制难以达到预期的效果 而模 糊控制技术在复杂 大滞后 难以建立精确数学模型的非线性控制过程中表现出了优越 的性能 模糊控制是以模糊数学为理论基础 他根据实验测得的数据或者工程科技人员 的经验概括抽象成一系列的模糊规则 并借助于计算机来完成过程控制的方法 模糊控 制具有不依赖被控对象的数学模型 超调小 动态性能好 鲁棒性强等优点 被广泛应 用于 工业中 模糊控制器的设计有实际测量值的模糊化 构造模糊规则和模糊决策 又 称为解模糊 三部分组成 先进 PID 控制器的研究 比例控制器 P 采用 P 控制规律能较快地克服扰动的影响 它作用于输出值较 快 但不能很好地稳定在一个理想的数值 虽较能有效的克服扰动的影响 但有余差出 现 它适用于控制通道滞后较小 负荷变化不大 控制要求不高 被控参数允许在一定 范围内有余差的场合 比例积分控制器 PI 比例积分控制规律是工程中应用最广泛的一种控制规律 它能在比例的基础上消除余差 使系统在进入稳态后无稳态误差 由于积分作用输出随 时间积累而逐渐增大 故调节动作缓慢 造成调节不及时 使系统稳定裕度下降 因此 积分作用一般不单独使用 它适用于控制通道滞后较小 负荷变化不大 被控参数不允 许有余差的场合 比例微分控制器 PD 微分具有超前作用 对于具有容量滞后的控制通道 引入 微分参与控制 在微分项设置得当的情况下 对于提高系统的动态性能指标 有着显著 效果 它能够提前使抑制误差的控制作用等于零 甚至为负值 从而避免了被控量的严 重超调 因此 对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合 为了提高系统的稳定 性 减小动态偏差等可选用比例微分控制规律 需要说明一点 对于那些纯滞后较大的 区域里 微分项是无能为力 而在测量信号有噪声或周期性振动的系统 则也不宜采用 微分控制 比例积分微分控制器 PID PID 控制规律是一种较理想的控制规律 它在比例的 基础上引入积分 可以消除余差 再加入微分作用 又能提高系统的稳定性 它适用于 控制通道时间常数或容量滞后较大 控制要求较高的场合 如温度控制 成分控制等 参数自整定 PID 控制器的设计内容力求概念清楚 层次分明 现将自己的查阅工作 归纳为 通过查阅课本及图书馆书籍 了解 PID 算法的基本知识 MATLAB 软件的设计流 程安装运行操作以及 PID 系数的调整方法 通过搜集有关 PID 控制器的网络资源及期刊 杂志 了解设计的基本过程 理清自己的设计思路 从而进一步指导设计内容的展开 根据水轮机调速器工况不断变化的特点 提出一种模糊变系数 PID 控制器 它以常规 PID 控制器为核心 利用模糊控制原理在线调整 PID 控制器的比例 积分及微分增益 通 过水轮机调速器半物理仿真实验系统来检验该控制器的控制性能 并与普通的 PID 控制器 进行比较 结果表明 该控制器有良好的控制性能 并具有抵抗系统参数变化的能力 该控 制器算法简单 实时性强 适于微机调速器应用 在塑料的注塑过程中 为了测试料筒的特性和对料筒温度进行控制 注塑机的料筒是 对各种塑胶物件进行融化的唯一场所 也是整个注塑机电热与传动部分中对精度要求最为 苛刻的一个环节 料筒的温度过低 塑料在螺杆间产生不必要的剪切力 并因此产生冷固 化 对机器造成损坏 则有可能使制品胶和力差 缺少弹性和光泽 温度过高时塑料分子间 发生交联 会使组织疏松 产生发泡现象 尤其在精密注塑中更是不允许的 又容易加速各 种塑胶物料的氧化与分解 严重时甚至会发生物料焦化堵住喷嘴的事故 1 料筒加热器的 特点料筒加热器具有一些特殊的控制特性 不对称性 料筒加热器通过电阻丝加热 而冷 却则完全依靠自然冷却 因而升温与降温过程表现出截然不同的动态特性 这就要求在控 制策略上也具有相应的不对称性 温度特性 由于热传递与绝对温度有关 因而料筒加 热器的特性也随温度变化而变化 扰动特性 料筒加热器的干扰因素多 而且干扰量大 电阻丝的发热功率与电网电压成平方关系 如果电网电压波动 电阻丝发热功率会发生较 大的波动 由此可见 注塑机的料筒温度对象系统是一个非线性 大滞后和强耦合的多变 量系统 由于系统加温过程的复杂 针对液压伺服位置系统被控对象 提出了用模型参考模糊自适应机构对 PID 控制器 的比例系数进行在线调节 以减小液压伺服位置系统中参数摄动等引起的超调和振荡 同时为简化控制器 提出了用变积分系数的方法来消除负载扰动给系统带来的稳态误差 仿真研究结果表明 具有模糊自适应和变积分系数的控制器使控制系统既有较高的稳态 精度 同时也使系统具有较快的动态响应 整个系统具有很好的鲁棒性 结论结论 由以上材料可知 参数自整定 PID 控制器应用广泛 PID 控制常常与逻辑 顺序 装置 选择器和一些简单功能块组成复杂的自动控制系统 许多复杂的高级控制算法与 PID 控制分级地组织在一起 其中 PID 控制作为最低的基础级 而多变量控制器给基础级 的 PID 控制器提供设定值 因此 PID 控制被称为控制工程师们谋生的手段 也是每一个 控制工程师工具箱中的重要组件 PID 控制器在技术上已经经历了从气动到由电子管 晶体管和集成电路组成的微处理器 微处理器对 PID 控制器具有非常深刻的影响 目前 制造的所有 PID 控制器几乎都是基于微处理器的 这就给自整定 自适应和增益调度等 附加特性提供了条件 自整定的意思是控制器的参数可以根据操作员的需要或一个外部 信号的要求自动进行参数整定 实际上目前所有最新的 PID 控制器都具有一定的自整定 功能 整定方法却千差万别 开题报告开题报告 一 选题背景一 选题背景 1 1 本课题的来源 目的 意义 本课题的来源 目的 意义 PID 的参数整定多依赖于人工经验和具体的对象模型 整定结果往往不能令人满 意 另外 即使 PID 参数调整的很好 当控制对象参数变化后 系统的性能必然也会受 到影响 模糊控制作为智能控制一个新型领域 已经广泛应用到工业生产过程中 模糊 控制事先不需要获知对象的精确数学模型 而是基于人类的思维 以及生产经验 用语言 规则描述控制过程 并根据规则去调整控制算法或控制参数 本论文分析了工程中常用 的 PID 参数整定方法 通过研究将模糊控制与 PID 不同的结合方法 实现了无需精确确 定对象模型 只需将操作人员和专家长期实践积累的经验知识用控制规则模型化 然后 用模糊推理在线识别对象特征参数 实时改变控制策略 便可对 PID 参数实现最佳调整 课题方案 电阻炉温度控制具有升温单向性 大惯性 的特点 其升温单向性是由于电阻炉的 升温保温是依靠电阻丝加热 降温则是依靠环境自然冷却 因而很难用数学方法建立精 确的模型 用传统的单纯 PID 控制方法难以达到好的控制效果 模糊自适应 PID 控制系 统主要有参数可调整 PID 和模糊推理系统二部分组成 这个控制器的实现思想是先找出 PID 三个参数与偏差 E 及偏差变化率 EC 之间的模糊关系 在运行中通过不断检测 E 和 EC 再根据模糊控制原理对三个参数进行在线修改 以满足在不同 E 和 EC 时控制参数的 不同要求 是被控对象具有良好的动 静态性能 计算量小 易于实现 其算法原理图 如下图 1 所示 参数自整定模糊 PID 控制算法原理图 该算法是在常规 PID 控制器的基础上 将输入量 e 和 ec 经模糊化处理 利用知识库中 的控制规则 经过模糊推理和清晰化接口输出 对 PID 参数 Kp Ki Kd 进行在线自整定 再由 PID 控制器给出控制信号 对被控对象实行有效的控制 2 2 本课题应解决主要问题及达到的技术要求 本课题应解决主要问题及达到的技术要求 控制器的设计 1 模糊控制器的设计的基本理论 2 参数自整定模糊 PID 控制器的设计 3 在线参数自调整 Kp Kp Kp 1 Ki Ki Ki 2 Kd Kd Kd 3 3 3 本课题在国内外的发展状况及存在的问题 本课题在国内外的发展状况及存在的问题 1 1 发展状况 发展状况 自 Ziegler Nichols 在 1942 年提出 PID 参数整定方法以来 许多技术已经被应用于 PID 控制器的手动和自动整定中 根据研究方法的划分 可分为基于频域的 PID 参数整定 方法和基于时域的 PID 参数整定方法 根据发展阶段的划分 可分为常规 PID 参数整定 方法和智能 PID 参数整定方法 按照被控对象个数来划分 可分为单变量 PID 参数整定 方法和多变量 PID 参数整定方法 前者包括现有大多数整定方法 后者是最近研究的热 点和难点 按控制量的组合形式来划分 可分为线性 PID 参数整定方法和和非线性 PID 参数整定方法 前者适用于经典 PID 调节器 后者适用于由非线性跟踪微分器和非线性 组合方式生成的非线性 PID 控制器 2 存在的问题 PID 控制器的结构简单 容易被理解和实现 应用中不需要精确的系统模型的预先 知识 因而 PID 控制器成为应用最广泛的控制器 但是人们对 PID 控制器的认识和改进 远没有完成 到目前为止 PID 控制的机理 使用范围 鲁棒性等问题还没有侧地全面的 分析研究 事实上 PID 控制器并非万能的 它存在其固有的缺点 1 PID 对系统基本线性和动态特性不随时间变化的系统能较好的控制 而很多工业 过程是非线性或时变的 2 PID 参数必须根据过程的动态特性正定的很好 如果过程的动态特性变化 例如 可能由负载的变化引起系统动态特性变化 PID 参数要重新整定 实际应用中 PID 参数 的整定很困难 3 PID 在控制强耦合及结构不确定的复杂过程时总显得无能为力 PID 参数自整定技术是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的 现在自动 的 PID 控制器已是商业单回路控制器和分布控制系统的一个标准 PID 参数整定与自整定的方法 很多 但往往难以实现或不很理想 在精度与速度的折中及对象的适用范围上常常难以 令人满意 因此 在 PID 参数的整定及自整定技术方面还有待进一步的深入研究 4 4 设计的指导思想 设计的指导思想 在工程实际中 应用最为广泛的调节器控制规律为比例 积分 微分控制 简称 PID 控制 又称 PID 调节 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史 它 以其结构简单 稳定性 好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 当被控对象的结构和参数不 能完全掌握 或得不到精确的数学模型时 控制理论的 其它技术难以采用时 系统控制 器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定 这时应用 PID 控制技术最为方便 即 当我们不完全了解一个系统和被控对象 或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时 最适合用 PID 控制技术 PID 控制 实际中也有 PI 和 PD 控制 PID 控制器就是根据系统 的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制的 二 方案论证二 方案论证 MATLAB 作为国际上最为流行的仿真软件 它提供了各种控制系统工具箱 包括模 糊逻辑工具箱 Fuzzy Logic Toolbox 和 Simulink 在内的实用工具箱 使其广泛应用 于自动控制系统的仿真研究之中 首先在 Matlab 的命令窗口输入 fuzzy 弹出模糊推理系 统图形编辑器 FIS 它主要用于设计和显示模糊推理系统的基本信息 把上面表 1 表 2 表 3 的模糊规则输入到模糊逻辑推理系统中 再保存到 Workplace 并给出一个命名 以便在画出的 Simulink 框图时调用 设系统的传递函数为 利用 Fuzzy Toolbox 工具箱 构造 e ec 双输 入 Kp Ki Kd 三输出的模糊控制系统 利用上面所分析的参数自整定原理和所建的隶 属函数和控制规则在 MATLAB 环境中实现仿真研究 三 设计任务三 设计任务 任务要求 1 学习掌握 MATLAB 软件的使用 2 学习掌握 PID 算法的实现以及各系数变化对系统所带来的影响 3 仿真验证 四 进度安排四 进度安排 3 1 3 6 文献 相关资料 3 7 3 10 学习 MATLAB 软件的使用 3 11 3 25 学习 PID 算法 3 26 4 1 学习闭环控制系统 4 2 4 7 学习 PID 算法的参数整定于实现 4 8 4 16 仿真 4 17 5 9 撰写论文 5 10 5 18 修改第三稿和定稿 5 18 5 23 完成论文简介和答辩提纲 5 25 5 31 定稿打印 五 参考文献五 参考文献 1 黄友锐 曲立国 PID 控制器的参数整定于实现 科学出版社 2010 2 姚福来 孙鹤旭 杨鹏 等 PID 控制器 机械工业出版社 2011 3 张培强 MATLAB 语言 中国科学技术大学出版社 1995 4 王中礼 MATLAB 应用技术 清华大学出版社 2006 5 郭一楠 常俊林 赵峻 樊晓虹 PID 控制器设计及参数整定机械工业出版社 2011 6 楼世博 孙章 陈化成 模糊数学 北京 科学出版