[硕士论文精品]pid控制器参数自整定方法的研究与实现

大连理T大学硕士学位论文摘要PID控制器因为结构简单、容易实现，并且具有较强的鲁棒性，因而被广泛应用于各种工韭过程控制中。尽管已经磁现多种先进控制方法，PID控制仍然在各种工业控制技术中占着主导地位。PID控制器参数整定优劣与否，是以其能否在实用中得到好的闭环控制效果为前提条件的。迄今为止，各种先进PID控制器参数整定方法层出不穷，假在实际应用中，这些先进的整定方法并没有像预期的那样产生完美的控制效果。这主要是因为PID控制器结构上的简单性决定了它在控制品质上的局限性，并且这种简单性使得PID控制器对大时滞、不稳对象等被控对象的控制性能不是很好同时PID控制器无法同时满足对设定值跟踪和抑制外扰的不同性能要求。本文首先阐述了PID控制器的算法特点、参数对控制性熊的影响，并对PID控制器的基本自整定算法进行了分析重点研究了基于继电反馈的PID参数自整定算法的基本原理，根据瑞典学者KJIASTROM提出的在继电反馈下观测被控过程的极限环振荡以及ZN公式。详细地推导了相应的PID控制器参数整定公式。并以DUT6000温度控制模块为硬件平台，利用踟零6蝴采集温度，上位枫通过串行通信读取DUT6000中转换后的温度值，进行控制处理，直接控制DUT6000的开关量输出，通过调节控制输出的占空比，利用PWM的方法控制加热功率，从而实现控温。使用变速积分法对控制器进行改进，并应媚到实际控制中，给出了不同参数时的控制效果。同时，给出了控捌电路、控制策略及程序流程图。该算法无需了解被控对象的模型，很容易在工业控制系统中实现，控制效果较好。同时，针对SISO模型系统，文章提出了基予智能方法的PID参数整定方法，对基于模糊算法和神经瓣络在线修改参数傲了较详细的叙述，并给出了仿真实验结果，具有一定的实用价值。最后在总结与展望部分，对全文的研究和开发工作所存在的问题进行了总结并对未来可能的改进工作进行了展望。关键词参数整定；继电反馈；模糊算法；神经网络PID控制器参数白整定方法的研究与实现RESEARCHANDIMPLEMENTONPIDCONTROLLERPARAMETERSSELFTUNINGMETHODSABSTRACTPIDPROPORTIONAL，INTEGRALANDDIFFERENTIALCONTROLLERISUSEDWIDELYINKINDSOFINDUSTRYCIRCUMSTANCEOFITSSIMPLESTRUCTURE，EASYIMPLEMENTATIONANDSTRONGROBUSTNESSANDASALLABROADCONTROLLAW，DURINGALONGPERIOD,PDCONTROLHASNOTBEENKNOCKEDOUTFROMTHEEMERGENCEOFDIFFERENTADVANCEDALGORITHMS，ANDONTHECONTRARY,ITPLAYSALLMAJORROLEINSUNDRIESOFCONTROLTECHNOLOGIESSOFAR,AVARIETYOFADVANCEDPIDCONTROLLERPARAMETERTUNINGMETHODSHASAPPEARED，BUTINPRACTICALAPPLICATIONSTHESEADVANCEDTUNINGMETHODSDIDNOTPRODUCEPERFECTCONTROLASEXPECTEDTLLISISMAINLYBECAUSETHESIMPLICITYOFITSDECISIONONTHESTRUCTUREOFTHEPIDCONTROLLERHASLIMITATIONSONQUALITYCONTROL，ANDTHATMAKESASIMPLEPIDCONTROLLER,WITHLARGETIMEDELAYORUNSTABLEOBJECTS，FORTHEOBJECTOFTHECONTROLPERFORMANCESARENOTGOOD；ATTHESAMETIME，PIDCONTROLLERCANNOTMEETDIFFERENTPERFORMANCEREQUIREMENTSONTHETRACKANDCURBINTERFERENCE骶畦SARTICLEFIRSTDESCRIBESTHEALGORITHMCHARACTERISTICSOFPIDCONTROL，THEINFLUENCESOFCONTROLPARAMETERSFORPERFORMANCE，ANDANALYSESPIDCONTROLLERSBASICSELFTUNINGALGORITHM；ESPECIALLYFOCUSESONTHEBASICPRINCIPLESFORTHEPARAMETERSSELFTUNINGALGORITHMOFPIDCONTROLLERBASEDONTHE斌AYFEEDBACKACCORDINGTOTHEMETHODPUTFORWARDBYTHESWEDENSCHOLARSKJASTROM,WHICHOBSERVESTHELIMITCYCLEOSCILLATIONSOFTHECONTROLLEDPROCESSUNDERTHERELAYFEEDBACKWITHZNFORMULA,DERIVETHEPARAMETERSTUNINGFORMULAOFPIDCONTROLLERINDETAIL11摭MODULECONVERTSTEMPERATUREINTODILGITALVALUE，THEHOSTREADSTHECONVERTEDVALUETHROUGHSERIALCOMMUNICATION,THENPROCESSESTHEDATAINFUZZYMETHOD，GETSTHECONTROLRESULTBYQUERYINGFUZZYCONTROLTABLE，ANDOUTPUTSTHECONTROLRESULTTODUT6000，DIRECTLYCONTROLSTHEDIGITALOUTPUT,ADJUSTSHEATEDPOWERTHROUGHPWMMETHODTHATMEANSCHANGINGTHEWIDTHOFOUTPUTPULSEINORDERTOCONTROLTEMPERATURENLEALGORITHMDOESNTNEEDTOUNDERSTANDTHEOBJECTMODEL，ANDITISEASYTOACHIEVEINTHEINDUSTRIALCONTROLSYSTEM哦倦AGO酣CONTROLRESULTATTHESAMETIME，FORSISOMODEL，THEARTICLEPROPOSESPIDPARAMETERTUNINGMETHODBASEDONINTELLIGENTMETHODSANDITHASDONEDETAILEDDESCRIPTIONSFORTHEMETHODSOFONLINEMODIFYINGPARAMETERSBASED011NEURALNETWORKSANDFUZZYALGORITHMS，ALSOTHESIMULATIONRESULTSAREGIVENTOUNDERSTANDITSCERTAINPRACTICALVALUECLEARLY一II大连理I人学硕士学位论文FINALLYINTHESUMMARIZATIONANDPROSPECTPART，THERESEARCHANDDEVELOPMENTPROBLEMSARESUMMARIZEDASWHILEASTHEFUTUREPOSSIBLEWORKFORTHEIMPROVEMENTSARELOOKINGFORWARDTOKEYWORDSPARAMETERSAUTOTUNING；RELAYFEEDBACK；FUZZYCONTROL；NEURALNETWORK大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文题目哩鸯创望垒蜇直墼鳗区竣丝基豆庭地作者签名盟益聋日期4年上月L日大连理T大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题作者签名导师签名目脚删1丑碜丕面唿宦，亥I乏西御匙孑头祧功匆丝一，一日K0了年7月日能缓杨日期渺7，年1月L日，一，玎叼叭一大连理工大学硕十学位论文1绪论1一引言PID控制器是工业过程控制中最常见的一种控制器。它具有以下优点原理简单，使用方便。适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。鲁棒性较吲L】【2】，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。由于PID控制器算法简单，尽管工业自动化飞速发展，PID控制技术仍然是工业过程控制的基础【3】。根据日本有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID控制技术占845，优化PID控制技术占68，现代控制技术占16，手动控制占66，人工智能ARTIFICIALINTELLIGENCE控制技术占06。如果把PID控制技术和优化PID控制技术加起来，则占到了90以上。而文献4】指出，工业过程控制中，95以上的回路具有PID结构。因此，可以毫不夸张地说，随着工业现代化和其他各种先进控制技术的发展，PID控制技术仍然不过时，并且他还占着主导地位。PID控制一个大型的现代化生产装置的控制回路可能多达一二百甚至更多，但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，所以，研究PID参数整定技术就就具有了十分重大的工程实践意义。整定的好坏不但会影响到控制质量而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外，现代工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求PID控制器具有在线修正参数的功能，这是自从使用PIE控制以来人们始终关注的重要问题之一。国内对于该方面的研究起步较晚，与国外相比落后较多，尤其对于典型的大滞后、时变、非线性系统，其控制模式尚处于开发阶段。在国内，使用较多的是继电器整定方法。此外基于规则的整定方法中，万起光等人【5】【6】根据临界点和NYQUIST曲线上其他点之间存一定关系，应用NYQUIST曲线上其他点信息获取临界点信息为基础的自整定法。近年来随着智能控制理论的迅速发展，使传统的工业控制技术不断革新成为可能。涂象初等FJ7】人在1985年提出了自寻优FUZZYPID调节器，具有模糊推理的自整定PID控制器也出现了【8】【9】。90年代初随着人们对神经元网络的深入，1993年胡建元等人【LO】提出了基于神经元的PID学习控制器，由人工神经元和模糊控制整定PID控制器，夏红等人【】在1996年也提出了一种基于ASTROM继电振荡法和神经网络结构的PID调节器。叶向前等人【L21，胡晚霞等人【13】【141和游有鹏【15】针对美国FOXBORO的EXACT专家式自整定控制器需设置的PID控制器参数自整定方法的研究与实现参数较多的缺点，如预置PID参数、噪声带、最大等待时间等都提出了各自的专家自整定PID算法，目前国内仍以仿真实验为主，还未形成商品化的产品。国外在上世纪中期就开始研究如何改进PID控制方式了，并一直尝试将研究成果应用到控制领域。起初科研人员试图将1942年由ZIEGLER和NICHOLS提出的ZN整定公式6J，以及1953年COHEN和COON在ZN公式的基础上提出的一种考虑了被控过程时滞大小的CC整定公式引进到控制领域，但是由于常规PID控制器整定方法往往是技巧多于科学，整定参数的选择取决于多种因素，过程特性及操作条件的频繁变化，操作人员对回路整定方法不熟悉更容易造成整定失误。在这种背景下，1984年瑞典自动控制学者ASTROM提出了基于继电反馈的方法【L71。近年来国外对于PID参数调整的研究已经由先期的利用基于专家经验的模糊控制技术实现PID参数调整的研究，逐渐转向基于人工神经网络、遗传理论的模糊复合控制技术与传统控制技术相结合的复杂控制，以获取更好的控制效果。本章首先介绍了PID控制器的基本原理，在此基础上详细分析了个控制参数对控制性能的影响。同时，给出了PID控制器参数正定的一些基本方法。12PID控制器简介121PID控制器的结构及原理常规的PID控制系统的框图如图11所示，如图中所示在连续系统中PID控制器对输入的误差信号P幻进行比例、积分、微分运算从而给出控制信号，幻。PDI算法是基于对“过去“、“现在“和“未来“三方面的信息综合估计的一种简单有效的控制算法，对动态过程无需太多的预先知识，鲁棒性强，控制效果一般令人满意，被工业过程广泛应用。图11PID控制系统结构图FIG11DIAGRAMOFPIDCONTROLSYSTEM大连理丁大学硕士学位论文整个系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，PID控制器根据给定值，和实际输出值J，构成控制偏差，即PFR，一YF然后对偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。由图11得到PID控制器的理想算法为M卜扣叭乃百DETM2，或者写成常见传递函数的形式为忡蜂愕哪卜13其中，局、乃、乃分别为PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。式12和式13是我们在各种文献中最经常看到的PID控制器的两种表达形式。各种控制作用即比例作用、积分作用和微分作用的实现在表达式中表述的很清楚，相应的控制器参数包括比例增益局、积分时间常数乃和微分时间常数乃。这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果好坏N驯，以下将介绍这三个参数对控制性能的影响。122PID控制器参数对控制性能的影响1比例作用对控制性能的影响比例增益岛的引入是为了及时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益忆大的时候，PID控制器可以加快调节，但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成系统不稳定。2积分作用对控制性能的影响积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。假设系统已经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差量保持为常值UO和EO，则由式12可知，只有当且仅当动态误差PF0时，控制器的输出才为常数。因此，从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无PID控制器参数白整定方法的研究与实现差，积分作用就停止，此时积分调节输出为一常僮。积分作焉的强弱取决予积分时闻常数乃的大小，正越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI控制器或者PID控制器。3微分作用对控制性能的影响微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作川能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观蔼言，微分作焉能在偏差还没有形成之前，就己经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用的强弱取决于微分时间乃的大小，乃越大，微分作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。从滤波器的焦度看，微分作用相当于一个高逶滤波器，霹此它对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗千扰产生不利的影响。此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。23PLD控制器参数整定的基本方法PID参数的整定方法可以分为时域整定和频域整定两大类。时域方法中最基本的是ZIEGLER和NICHOL提出的ZN阶跃响应法。在实际的应用中传统的ZN定方法有着多种交型，最常见的有COHENCOON法与CHR法。其中CHR方法就是通过改变阶跃响应以得出较好的闭环特性的种方法。CHR方法有两种控制策略，即“无超调的最快响应控制策略和“具有20超调的最快响应”控制策略。相对于时域方法，在工业实践巾频域响应方法酶应用更为广泛。基本的原理就是在一个就是或更多频率点设法获得被控过程的某些特征从而实现PID控制器的参数整定。这种方法是非参数估计方法。与之对应的基于被控过程模型参数估计的参数整定方法按控制器参数设计原理可分为基于极点配置、基于相消原理、基于经验规则和基于二次型性麓搔标等凡类。基于频域的参数整定方法主要有如下几种1ZN应用最广的方法就是ZN频域响应法又称ZN第二方法。通过增加比例控制器的增益使控制匪路达到临界稳定状态的试验方法来确定临界点。在频域上就是NYQUIST曲线和负实轴的交点，得到临晃增蜀，临界周期瓦。2一些超调规NSOOV目的是为了使设定值变化响应的超调量减少。3无超调规则烈OOR使设定值变化的响应没有超调。一4一大连理工大学硕士学位论文4MANTZTACCONIZNMTZN可获得ZN规则调节性能的两自由度控制器【8】。5改进ZIEGLERNICHOLS法RZN该规则在ZN整定规则中增加了标准化增益K和标准化滞后时间，整定方法因此又叫做KT法【19】。6平方时间加权偏差的积分ISTE基于传递函数模型的PID控制器优化设计整定公式。基于参数估计的PID参数整定方法有COHEN和COON提出的针对FOPDT模型用于抗负载干扰的基于极点配置的时域参数整定方法。该方法通过配置主导极点产生一个25的衰减比。该方法的缺点是不适于衰减比过小【20】，即闭环系统具有慢衰减和高灵敏度特性的情形，并且难实现高阶系统期望闭环极点的选取。124PID控制算法的改进在普通PID控制算法中，由于积分系数墨是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除偏差。因此如何根据系统偏差改变积分的速度，对于提高系统调节品质是很重要的。变速积分PID可较好地解决这个问题。变速积分PID的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应偏差越大，积分越慢反之则越快。为此，设置系数贝P幼】，它是P助的函数。当IP助L增大时，厂减小，反之增大。变速积分PID积分项表达式为FKI1坼七KP吵厂P七PKTTLTO14系数厂与偏差当前值IPPI的关系可以是线性的或非线性的，可设为当IP助L曰时，FP助1当厌LEKI卅口时，厂EEKALEK一L8当IP幼L小曰时，厂【P幼】0值在0，1区间内变化，当偏差JPJ大于给定分离区间小曰后，FO，不再对当前值PD进行继续累加当偏差LEKL小于口时，JJLLA当NOEK，即积分项变为”，七KEIT，PID控制器参数自整定方法的研究与实现与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速而当偏差IP助L在曰与卅占之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0LP幼L之间随LP幼F的大小而变化，因此，其积分速度在K1KKEITFFFLK,EITI之_FITJ。变速积分PID的算法为LOT0FKII甜七K，七KEF厂P后P尼T髟P七一P七一115这种算法对么口两个参数的要求不精确，参数整定比较容易。13本文主要工作及论文结构随着现代工业的发展，系统工况条件发生变化，干扰众多，工作点发生转移，甚至工况何时发生变化也无从知晓的情况屡见不鲜，而此时，常规时域或频域的PID参数整定方法就显得力不从心。本文主要针对上述背景，完成了以下的研究和开发工作第一章对PID控制器的算法特点、参数对控制性能影响做了较详细的叙述；并使用变速积分法改进PID控制器。第二章则重点研究了基于继电反馈的PID参数自整定算法的基本原理，优点以及存在的局限性。第三章将第二章中提到的整定方法在实际系统中实现，包括软件硬件设计，得到实际控制结果并进行分析。第四章提出了基于模糊控制和神经网络的PID参数整定方法，在线修改控制参数，并给出了仿真实验结果。最后在总结与展望部分，对全文的研究和开发工作所存在的问题进行了总结并对未来可能的改进工作进行了展望。总之，作者在对PID控制器的理论和自整定技术的深入学习和研究，阅读了大量的沦文和会议报告后，提出了一些自己的一些体会和想法，并通过仿真加以验证，同时也获得了一些有益的实验结果。我们知道，研究这一课题在国内不仅具有较大的理论意义而且对实际工程应用也会产生深远的影响。一6一大连理工大学硕士学位论文2基于继电反馈的PLD参数整定方法21继电特性分析211继电的理论基础图21继电反馈系统结构图FIG21STRUCTUREOFRELYFEEDBACKSYSTEM如图21所示是一个继电反馈系统，其中G口是被控对象的传递函数，Y是控制器输出，是设定点，E是偏差，“是操作的输入，反馈回路中放置一个幅值为D的继电环节。ASTROM和HAGGLUND的继电反馈试验就是基于这样的观察当输出滞后输入一弧度时，闭环系统将以死周期振荡。图22就显示了继电反馈系统是如何工作的。开始输入U为D，当输出开始增加，继电输出切换到相反的方向，铲一D。因为相位延时是一，所以产生了一个周期是死的极限振荡。因此，从继电反馈试验测得的极限频率63是2NCO2了21P1D控制器参数亡J整定方法的研究与实现罾一雄一AAN神一王X毋L，一、蔷一1硪；飞|气嘣，、，LL耽H,丁。29一对伊一，2，汁9矗；L；确图22继电反馈系统的输入和输出FI922INPUTANDOUTPUTOFTHERELAYFEEDBACKSYSTEM从傅立叶级数展开的观点来看，可以认为幅值A是继电输出的主谐波。因此，极限增益可以近似的认为是，4D27阳22其中D是继电的高度，而口是振荡的幅值。这两个值可以直接用来找到控制器的参数设定。注意到这两个方程给出的是和凰的近似值。更准确的表达式将在下文推导得出。继电反馈试验可以手动执行不需要任何的自整定控制器。过程如下11将系统带入稳定状态。2在操作量上产生一个非常小的增量比如5。改变的幅值依赖于过程的敏感性和控制输出所允许的偏移量。典型的值一般在310之间。3输出一旦穿过设定点，操作的输入就切换到相反的方向如初值的5。4重复步骤2直到观察到持续的振荡为止。5读出极限周期死并从方程中计算出。一8一大连理工大学硕士学位论文这个过程是非常简单有效的。在物理上，它意味着逆着过程的输出来操作控制量。对个具有正稳态增益的系统。当增加输入如步骤1，输出Y也趋于增加。当观测到输出的改变时，将输入切换到相反的方向。这意味着将输出带回输入点。然而，当输出一回到输入点，就将输入切换到向上的位置。结果，产生了一个振荡幅值可控通过调整西的连续振荡。而且更重要的是，在大多数的情况下可以通过输出的振荡信号获得整定出。控制器所需要的信息。212描述函数法描述函数法是把继电近似为“等价“的线性定常系统。为此，假定输入为一正弦曲线PFASINA，T。首先继电是标准的情况下，继电输出甜，将是一个频率为，幅度与继电宽度相等的方波，用傅立叶函数解释，周期函数可以如下表示即等喜等23而继电的描述函数口，可以简化成甜D的基波成分与输入正弦曲线的幅度之比，口坐7A24在继电反馈用描述函数分析中，自激励的幅度和频率响应在振荡频率点处的估计值为继电用一个近似的线性等价描述函数也假定了，则可以给出对象的频率响应GC州一志一器25如上的描述函数分析中假设GQ的奈氏曲线与实轴在一丙两I的Q处相交，而对象的奈氏曲线与负实轴的交点称为临界点，定义对象的临界点频率为吼如下ARGGJO。一兀26PID控制器参数白整定方法的研究与实现因此我们可以估计临界点频率吼和临界增益凰Q2吐吒丽12丽1等2728实验设定时，标准继电只需调整一个参数，继电输出的幅值。较大的值会对对象产生较大的激励因此更容易辨识。而另一方面，较大的信号会使输出偏离给定值更大，这一点就不是我们所希望看到的。如处理辨识中常碰到的问题一样，LU的选取应该介于辨识与控制性能两者之间，在很大程度上依据对象输出的测量噪声大小。为保护常规继电的开关和估计抗干扰的鲁棒性，用一个对称的带适当滞后的继电取代标准继电是有利的，这样的系统对噪声的灵敏度会减小。在这种情况下，继电的负描述函数的倒数与对象的奈氏曲线相交如下图23所示。L”、一L少少。一置删7QU妨图23对象奈氏曲线与带滞后的继电描述函数图FIG23NYQUISTCURVEANDDESCRIPTIONFUNCTIONOFARELAYWITHHYSTERSIS213继电特性的选择理想继电特性环节对噪声反应极其敏感，因此这种方法不适合用于存在有色噪声或强白噪声的场合。使用带有滞环的继电特性环节以克服上述特点。继电特性幅值P及滞环宽度S是需要在系统进入振荡前设定的数值，应考虑下面三个因素1滞环宽度占应大于系统噪声带幅值，避免切换点抖动；大连理T大学硕士学位论文2振荡应有一定幅值，但必须在允许范围内，振幅是随和纯滞后时间L的增大而增大，当L较小时，振幅接近于占；3当对象存在纯滞后时，振幅还随恤的增大而增大。大量仿真研究表明，继电器特性选择遵循以下原则1滞环宽度S的选定设干扰噪声的幅值为埘，则占必须满足大于噪声的最大幅值，即以保证稳定的等幅振荡。2继电特性幅值的选择应满足占NN册，刀21029S70，所以控温继电器吸合，开始加热，温度逐渐升高。当上升到70SVPV0时，使控温继电器吸合，开始加热，同样的原因温度继续下降一会儿然后才开始逐渐升高。经过两个振荡周期得到了稳定的振荡波形。有了波峰温度，波谷温度，振荡周期就可以计算出PID数值了。程序计算出的PID参数如下表31PID参数表TAB31PDPARAMETERSKE墨KAO11480001373770PID控制器参数白整定方法的研究与实现图33水温70“C的自整定控制FIG33AUTOTUNINGCONTROLATTHETEMPERATURE704自整定完成后，程序的自动进入PID控制状态。这时加100ML冷水扰动，验证PID参数抗扰动能力，得到效果图如下图34水温70时加入扰动的温度控制曲线FIG34TEMPERATURECURVEWHENTHEREISDISTURBANCEATTHETEMPERATURE70大连理T大学硕士学位论文从图中可以看到，自整定得到的PID参数控制的效果比较满意，加入扰动后整定时间较短，超调低于2“C。5使用上述自整定得到的参数从常温开始控制，得到如下的控制效果图图35水温7012时使用自整定参数时的控制曲线FIG35TEMPERATURECURVECONTROLLEDBYTHETUNEDPARAMETERSATTHETEMPERATURE70由图35可以明显看出，温度控制曲线的超调小于4“12，并且系统能够较快的达到稳定。图36为40到70度温度自整定控制曲线。当整定完成后，系统自动计算出控制参数，并转入温度控制过程。由此实验结果可以看出在DUT6000模块上用继电型自整定对PID参数进行整定的整定过程较快，整定后得到的PID参数，能在比较短的时间内使温度稳定，并且只出现一次超调，效果较理想。由图34可以看到此时系统抗干扰的能力也很不错，在比较短的时间内恢复到设定温度，并且产生的超调也比较小。PID控制器参数自整定方法的研究与实现图36PID自整定控制曲线FIG36PIDAUTOTUNINGCONTROLCURVE332变速积分PID控制实验70整定控制曲60整定控制曲50整定控制曲40整定控制曲采用变速积分的PID控制实验，现讨论参数彳，B的选取问题。具体不同的系统，4B取值不同。在温度控制系统中，因为用户要求在升温阶段温度要快速上升，温度稳定时，上下波动范围在05以内。1选取425，B05。则在温度绝对范围在05“C以内，脚取值为1，积分部分全速积分当温度绝对值范围在O53以内时，积分部分逐步改变积分系数当温度绝对值超出范围3以外时，则完全取消积分的作用。实验结果如下图所示图37变速积分彳25，B05时控制效果图FIG37SPEEDCHANGEDINTEGRALCONTROLWHILE彳EQUALSTO25BEQUALSTO05大连理大学硕十学位论文在图37中，没有产生超调，但达到稳定的时间过长。2选取彳15，曰O5。则在温度绝对范围在05。C以内，火D取值为1，积分部分全速积分当温度绝对值范围在0卜2以内时，积分部分逐步改变积分系数当温度绝对值超出范围2“C以外时，则完全取消积分的作用。实验结果如下图所示图38变速积分月15，B05时控制效果图FIG38SPEEDCHANGEDINTEGRALCONTROLWHILE彳EQUALSTO15BEQUALSTO05图38与图37相比，没有产生超调，系统在较短时间内就达到稳定状态，控制效果比较理想。34本章小结通过试验的验证，可知继电型自整定实现方法简单，控制效果良好，无需知晓系统模型，能够应用于多种温度控制系统中。同时，也对参数整定这一说法有了更深的体会。PID控制器参数白整定方法的研究与实现4基于智能算法的PID参数整定41基于模糊的PLD参数整定“模糊性“主要是指事物差异的中间过渡中的“不分明性“。所谓模糊控制，就是将工艺操作人员的经验加以总结，运用语言变量和模糊逻辑的理论，归纳出控制算法的控制。模糊集理论是由美国控制理论专家查德教授于1965年首次提出来的。1974年英国马丹尼首先把FUZZY集理论用于锅炉和蒸气机的控制【201。自1974年以来，我国科学工作者对模糊理论的研究及其应用也做了大量的工作，并己取得了可喜的成果。在工业上，有许多复杂对象，特别是对无法建立精确数学模型的工业对象的控制，用常规仪表控制效果不佳时，而采用模糊控制可获得满意的效果。随着日趋复杂的生产过程，必须有一种能够模拟人脑的思维和创造能力的控制系统，以适应复杂而多变的环境。近期，人们分析研究了简单模糊控制存在的一些缺陷，设计出了几种高性能的模糊控制系统I控制规则可调的模糊控制；2具有积分作用的模糊控制；3参数自调整的模糊控制；4复合型模糊控制；5自学习模糊控制。目前有人提出了一种采用BP神经网络记忆模糊规则的方法。它是将抽象的经验规则转化成样本采用BP算法，然后控制器按照“联想记忆“方式来使用这些经验，实现控制。最近又有人提出了模糊控制器的改进意见，在分段梯阶智能控制结构形式的基础上，把面向现场的运行级，分成基于教学模型的控制块和基于规则的控制块，把两块之间的相互祸合作用当作外部扰动量来沟通【2。从而兼顾到对象的定量信息和定性信息的充分利用F221。当前，模糊控制几乎渗透了自然科学的各个领域，开发研究出通用性强，且便于调试的新型算法，是自控人员共同的愿望231。411模糊控制的基本原理模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。因此，模糊控制设计的核心是模糊控制器的设计。现以一个模糊控制器的结构来说明模糊控制器的流程结够124】。大连理J人学硕十学位论文图41模糊控制器结构图FIG41STRUCTUREOFFUZZYCONTROLLER1系统分析对受控的工业对象进行系统分析，确定控制器的输入变量XL、X2与输出变量Y及它们的数值变化范围和要求达到的控制精度等，根据实际过程的需要建立物理模型，确定控制器结构总体设计方案【25271。2模糊化方法的选择与确定所谓模糊化，就是把输入变量数值，变换成模糊语言变量的语言值，例如某燃烧炉温度100，变换成语言值温度“低”、“中“、“高，在实际控制过程中，经常把一个物理量划分成正大PL、正中PM、正DXPS、零ZE负小NS、负中NM、负大NL七级语言变量。每一个语言值对应一个模糊子集，其隶属函数通常选用三角形或梯形分布，如某控制器输入变量如温度、压力模糊集的隶属函数，由隶属函数图可确定输入数值相应的隶属度【2引。3模糊控制规则库的建立确定语言控制规则是模糊控制器设计的核心工作，规则的形式很像计算机程序设计语言常用的“IFTHEN“条件语句。161控制规则的多少视输人及输出物理量数目及所需的控制精度而定。值得注意的是，规则的数目是以语言变量级数平方关系变化而迅速增加，规则越多，推理的质量就会越下降。因此，在规则库的设计时，需要确定合适的语言变量级数和控制规则的数目及建立正确的规则形式。推理规则的运算涉及到模糊算子的确定。模糊理论的研究已提出了多种模糊算子，目前世界各国研制的模糊推理应用软件，常用的推理运算方法为最大最MAXMIN和最大乘积MAXPROD这两种算子【291。4输出数值的去模糊处理所谓去模糊处理，就是将输出的语言模糊量，回复到精确的数值，也就是将输出的模糊子集的隶属度计算出确定的数值过程。去模糊处理有各种方法，其中最简单、最常用的有最大隶属度法与面积重心法【301。5试验修正为验证设计理论与方法的有效性与可靠性，所设计的模糊控制器需进行严格的试验检验和修正调整，可以在线进行适时测量，也可离线进行仿真试验或计算机PID控制器参数自整定方法的研究与实现仿真，以检验所设计的控制器是否达到预定的控制目标。如果没有达到要求，就要重新进行精心的设计13。目前世界上己研制出各种专用硬件模糊控制器模糊芯片，可供选用。另外，进入90年代以来，以美、日、德等国家和我国已研制开发了各种模糊控制的软件开发工具，国外早在70年代以来就在锅炉控制、燃烧炉的温度控制、压力容器的压力控制、热交换控制及十字路口的交通控制等方面实现了模糊控制。目前，它主要应用于液压伺服系统、机器人、汽车、家电产品等控制领域。应该指出的是，模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势，但它绝不可以代替经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。在一些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。但是，如模糊算子、模糊关系方程的求解等模糊控制理论方面，还有许多不完善的地方，有待人们去深入研究。412PID参数模糊自整定的实现1控制系统结构PID参数模糊自整定控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID参数七。，T，艺的在线自整定。不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特点，而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性。图42PID参数模糊自整定控制器结构FIG42STRUCTUREOFPIDAUTOTUNINGCONTROLLERBASEDONFUZZY大连理丁大学硕士学位论文典型的模糊白整定PID控制系统的结构如图42所示，系统包括一个常规PID控制器和一个模糊控制器。根据给定值，和实际输出值J，计算出偏差E和偏差的变化率EC作为模糊系统的输入，三个PID参数的变化值作为输出，根据事先确定好打模糊控制规则作出模糊推理在线改变PID参数的值，从而实现PID参数的自整定。使得被控对象有良好的动、静态性能，而且计算量小，易于用单片机实现。2PID参数自整原则PID参数自整定的实现思想是先找出PID三个参数与偏差E和偏差变化率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来对3个参数进行在线修改，以满足不同E和EC时对PID控制器参数的不同要求。从系统的稳定、稳定速度、超调量和稳态精度等各方面特性来考虑岛，岛，幻各个参数对控制品质的影响132。比例系数岛的作用在于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。易越大，系统的响应速度越快，但将产生超调量和振荡甚至导致系统不稳定，因此毛值不能取的过大；如果乞取得较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。0图43输出响应曲线FIG43OUTPUTRESPONSE121LLVE积分环节作用系统岛的作用在于消除系统的稳定误差。岛越大，积分速度越快，系统静态消除越快，但岛过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若岛过小，使积分作用变弱，使系统的静态难以消除，使过渡过程时间加长，不能较快的达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。微分环节作用系数幻的作用在于改善系统的动态特性。因为PID控制器的微分环节只影响系统的偏差的变化率EC，其作用主要是在响应过程抑制偏差向任何方向的变PID控制器参数白整定方法的研究与实现化，对偏差变化进行提前制动，降低超调，增加系统的稳定性，但幻过大，则会使响应过程过分提前制动，从而延长调节时间，而且系统的抗干扰性较差。PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。根据参数岛，岛，幻对系统输出特性能够的影响情况，下面结合系统输出响应曲线图来介绍，在不同的E和EC时，被控过程对参数岛，岛，幻的自整定原则1当E较大时，即响应处于图43所示输出响应曲线的第1段中时，为了加快系统的响应速度，并避免因开始时偏差E的瞬间变大，可能引起微分过饱和，而使控制作用超出许可范围，因此应取较大的B和较小的幻，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，此时应去掉积分作用，取七O。2当E和EC中等大小，即系统响应处于图43曲线的第1I段中时，为使系统响应的超调减少，易，岛，彪都不能取大，应取较小的易，岛，彪值的大小要适中，以保证系统的响应速度。3当E较小，即系统响应处于图43曲线的第1II段中时，为使系统具有良好的稳定性能，应增大K和岛值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选取幻值，其原则是当较EC小时，幻可取大些，通常取为中等大小；当PC较大时，幻应取小些。413仿真研究设被控对象为QS万瓦5面235丽0041采样时间为0001秒，采用模糊PID自整定进行阶跃响应，在第300个采样时间加入10的干扰，则其仿真结果如图所示大连理丁大学硕士学位论文图44误差E的隶属度FIG44SUBJECTIONDEGREEOFERROREBNMNSZP8PMPFJ。，。J一、，一一、17、，I77、，、，J，7J、I、I42O123图45误差变化率的隶属度FIG45SUBJECTIONDEGREEOFERRORCHANGINGRATIOEG1O8O6O4O2O【I一一一O25O2O15_O105OO05O1O15O2O25KP图46易的隶属度FIG46SUBJECTIONDEGREEOF易一29G_LBL，口口0暑T_6凸_LBR口0PID控制器参数自整定方法的研究与实现。1、。一一一。1。1。1。1。1。一NMNSZOSPMPBJ|。J，JJJJ，JI、O06O04O02OOO04OKI图47岛的隶属度FIG47SUBJECTIONDEGREEOFK,BNMNS之PSOMP一1；J一、JJFJI，7。、JJ；、J，J，、7X，。，7、，7尺、，卜，7；7，、J|J。，7I；V、|JIJ，、，、J、IF，|、，、J、J、一FJ、JF、。，7、，T、7、7、7，32012KD图48幻的隶属度FIG48SUBJECTIONDEGREEOF幻3图49模糊控制器结构FIG49THESTRUCTUREOFFUZZYCONTROLLER一30一口蕾弭L|P_，口凸口蕾AL奄T5凸大连理工大学硕士学位论文一、，一、一图410模糊PID自整定阶跃响应FIG410STEPRESPONSEOFFUZZYPIDAUTOTUNING图410中，横轴为响应的时间，纵轴为系统输入输出的大小。蓝色为阶跃输入，红色为输出。从上图中可以看出，系统在达到稳定状态后加入干扰，能够很快克服并回到稳定状态。但是，初始达到稳态的时间较长，有较大的波动，需对算法进行改进。42基于神经网络的PID参数整定所谓“神经网络”是以一种简单计算处理单元即神经元为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统；不见如此。神经网络还具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索功能【331。神经网络在控制系统中的应用提高了整个系统的信息系统处理能力和适应能力，提高了系统的智能水平。由于神经网络己具有逼近任意连续有界非线性函数的能力，对于长期困扰控制界的非线性系统和不确定性系统来说，神经网络无疑是一种解决问题的有效途径。采用神经网络方法设计的控制系统具有更快的速度实时性、更强的适应能力和更强的鲁棒性。正因为如此，近年来在控制理论的所有分支都能够看到神经网络的引入及应用，对于传统的PID控制当然也不例外，以各种方式应用于PID控制的新算法大量涌现，其中有一些取得了明显的效果【341。传统的控制系统设计是在系统数学模型己知的基础上进行的，因此，它设计的控制系统与数学模型的准确性有很大的关系。神经网络用于控制系统设计则不同，它可以不需要被控对象的数学模型，只需对神经网络进行在线或离线训4218642O11OOOO_量PID控制器参数白整定方法的研究与实现练，然后利用训练结果进行控制系统的设计。神经网络用于控制系统设计有多种类型，多种方式，既有完全脱离传统设计的方法，也有与传统设计手段相结合的方式【”】。421基于BP神经网络的PID参数整定PID控制要取得好的控制效果，就必须通过调整好比例、积分和微分三种控制作用在形成控制量中相互配合又相互制约的关系，这种关系不一