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estimated.Whichconstitutesthecontroldeviation,accordingtothegivenvalueandtheactualoutputvalue.Deviationsconstitutecontroltheamountofthelinearcombinationoftheproportion,integralandderivative.
EversincethePIDcontrol,people'
sresearchofthelooptuninghasbeen.TraditionalconventionalPIDcontrollertuningmethodisoftenthetechniquethanscience.Thedevelopmentofthechoiceofparametersdependsonmanyfactorssuchaschargedwiththedynamicperformanceoftheprocess,controlobjectives,operationsstaffunderstandtheprocess.etc.Inrecentyears,manyscholarsathomeandabroadPIDregulatorparameterstuningmethod,andhasmadegreatprogress.
Thispaperintroducesthebasicmethods,thedevelopmentandcurrentstatusoftheself-tuningPIDparametertuning.DesignaPIDcontrollerusingMATLABsimulationandcomparewiththetextbookPIDcontroller.
Keywords:
PIDcontrolLooptuningParameterself-tuning
MATLABsimulation
目录
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2本文目的2
1.3本人主要工作2
第二章PID控制器常规算法及实际设计分析3
2.1引言3
2.2常规PID控制3
2.2.1常规PID算法3
2.2.2比例,积分,微分三部分的作用4
2.2.3常规PID调节器在应用中的局限性6
2.3智能PID控制6
2.3.1引言6
2.3.2模糊PID控制7
2.3.3神经网络PID控制9
2.3.4基于遗传算法的PID控制13
2.4PID控制器实际设计考虑因素14
2.4.1引言14
2.4.2高频噪声干扰和滤波15
2.4.3设定值加权和二自由度15
2.4.4饱卷16
2.4.5整定16
2.5小结16
第三章PID控制器参数自整定方法19
3.1引言19
3.2基于被控对象特性的整定方法19
3.2.1引言19
3.2.2基于对象参数模型的整定方法20
3.2.3基于对象非参数模型的整定方法20
3.2.4基于对象输出响应特征值的控制参数整定方法20
3.2.5基于被控对象的整定方法示例21
Z-N阶跃响应法21
Z-N频率响应法22
3.3不依赖于对象特性的整定方法23
3.3.1参数优化方法23
3.3.2智能整定法24
3.3.3不依赖于被控对象的整定方法示例25
基于模糊控制的PID参数自整定25
3.4小结28
第四章PID控制器的设计与MATLAB环境下的仿真29
4.1引言29
4.2仿真分析29
4.2.1基于Z-N频率响应的PID控制器参数整定29
4.2.2自适应模糊PID控制器的参数整定34
4.2.3参数整定结果比较42
4.4小结43
第五章结论45
致谢47
参考文献49
第一章绪论
1.1研究背景
控制系统的性能可以用稳、快、精三个字来描述。
稳是指系统的稳定性,一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的,从阶跃响应上看应该是收敛的;
快是指控制系统响应的快速性,通常用上升时间来定量描述;
精是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来描述,它表示系统输出稳态值与期望值之差。
PID控制解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、准确性和快速性。
调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时,在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零极点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应用中发展起来的,PID控制技术的发展可以分为两个阶段。
第一个阶段为发明阶段,从1900到1940年。
在发明阶段,PID控制的思想逐渐明确,气动反馈放大器被发明,仪表工业的重心放在实际PID控制器的设计上(Bennett,2001)。
第二个阶段为革新阶段,即1940年以后至今。
在革新阶段,PID控制器己经发展成一种鲁棒的,可靠的,易于应用的控制器。
仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展。
从气动控制到电气控制)到电子控制再到数字控制,PID控制器的体积逐渐缩小,性能不断提高。
PID控制器以其结构简单、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。
经过一百年的发展,PID控制己经成为应用最广泛的控制技术,全世界超过90%的控制回路都在使用PID控制,在石化、化工、造纸等工业领域,甚至有97%的常规控制器都是PID控制器(Desbourough&
Miller,2002)。
因此,PID控制器在控制领域占有几乎举足轻重的地位。
1.2本文目的
PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定,而参数整定过程又隐含了PID控制器的设计过程。
本文的主要目的:
分析为了得到好的PID控制器必须考虑的因素有哪些,以及PID控制器的参数整定方法有哪些;
其中主要研究分析PID控制器的参数自整定方法,从而设计PID控制器,并使用MATLAB仿真对比。
1.3本人主要工作
PID控制器在工业中应用广泛,各种PID改进形式层出不穷。
本文主要做了以下工作:
Ø
系统介绍常规PID控制器与智能PID控制器的算法及其发展。
理解常规PID控制器与智能PID控制器参数自整定方法的基本原理。
设计常规PID控制器与智能PID控制器,并与教科书PID控制器进行比较。
使用MATLAB对PID控制器进行仿真对比。
第二章PID控制器常规算法及实际设计分析
2.1引言
PID校正装置也称为PID控制器或PID调节器。
这里P、I、D分别表示比例、积分、微分。
它是最早发展起来的控制之一。
PID控制器主要有比例控制、比例微分控制、积分控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。
PID控制器参数整定的方法主要可以分为理论计算和工程整定方法。
理论计算即依据系统数学模型,它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行。
这两种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后的调整和完善。
PID控制器原理简单,应用方便,参数整定灵活。
适用性强,在不同生产行业或领域都有广泛应用。
鲁棒性强,控制品质对受控对象的变化不太敏感。
如受控对象受外界扰动时,无需经常改动控制器的参数或结构。
在科学技术迅速发展的今天,出现了许多新的控制方法,但由于PID自身的优点仍在工业过程控制中得到最广泛的应用。
2.2常规PID控制
2.2.1常规PID算法
PID控制器经常应用于图2.1所示的典型的反馈控制系统中。
(2-1)
其中
为控制误差,
为设定值,
为控制信号,
为系统输出。
图2.1负反馈控制系统框图
PID控制器是一种线性控制器,将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。
其控制规律为:
(2-2)
其传递函数为:
(2-3)
式中,Kp—比例系数,Ti—积分时间常数,Td—微分时间常数。
2.2.2比例,积分,微分三部分的作用
比例控制用图2.2来说明。
控制器由式(2-3)给出,其中Ti=∞,Td=0.从2.2图可以看出,比例控制的输出总有一个稳态误差。
这个误差会随着比例系数的增大而减小,但同时震荡的趋势也会加大。
图2.3是加上积分环节后的响应曲线。
从式(2-3)可以看出,积分行为的强度随积分时间常数
的减小而增大。
从图2.3可以看出,积分行为的应用消除了稳态误差,但同时震荡的强度也会随
的减小而加大。
微分行为的特性由图2.4表示。
图2.4是加上微分环节的响应曲线。
选择参数
和
使闭环系统保持震荡。
可以看到,阻尼会随着微分时间常数
的增大而增大,但是当
太大时又会转而下降。
图2.2比例控制闭环系统仿真,控制对象的传递函数为
图2.3比例-积分控制闭环系统仿真,控制对象的传递函数为
,控制器增益为k=1。
图2.4比例
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