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PID参数整定方法.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.68M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    前言 PID 控制是目前应用最为广泛的控制策略，以其简单清晰的结构、良好的鲁棒 性和广泛的适用范围，深受工业界的亲睐，并且日益受到控制理论的重视。然而， PID 控制其能否得到有效的发挥，一方面与 PID 控制其结构设计有关，另一方面 也与参数整定有很大关系。具有良好自整定功能的 PID 控制其不但可以有效提高 控制设备安装调试的效率，也可以显著改善控制效果。 总结近年来 PID 控制的发展趋势，可以将 PID 控制的发展分为两个大方向：传 统 PID 控制技术的继续发展和各种新型控制技术与 PID 控制的结合。传统 PID 控制的发展包括自整定技术，变增益控制和自适应控制。传统 PID 控制的发展可 以改善 PID 控制的效果，使 PID 控制器的自动化程度和对环境的适应能力不断提 高。各种新型控制技术与 PID 控制的结合包括新型控制技术应用于 PID 控制器的 设计与整定之中或者是使用新的控制思想设计出具有 PID 结构的新控制器。诸如 模糊控制、神经网络等新型控制技术与 PID 控制的结合扩大了 PID 控制器的应用 范围，对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统 PID 控制器难以有效控制的 情况收到了很好的效果。 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集 到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新 的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制 运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可 以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致 系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个 PID 反馈回路却可以保持系统的稳 定。 在工业控制中，PID 控制是工业控制中最常用的方法，在工业控制中占主导地 位。但是, 随着火电机组容量的不断扩大，对给水控制系统提出了更高的要求： 汽包蓄水量和蒸发面积减少，加快了汽包水位的变化速度；锅炉容量的扩大，显 著提高了锅炉受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧，系统动态特 性变化幅度较大。对于上述传统的控制方案效果不佳，而且系统的参数整定困难。 为此，一些先进的控制方法引入了控制系统的设计。为了使控制器具有较好的自 适应性，实现控制器参数的自动调整，采用了模糊控制理论的方法。目前，模糊 控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊 PID 控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之 一。
    目录 前言 第一章 自动控制系统的基础理论 1.1 1.2 1.3 自动控制系统简介 自动控制系统的一阶及二阶时域分析 自动控制系统控制特点 第二章 PID 参数整定 2.1 2.2 2.3 PID 参数整定的方法 PID 参数工程整定方法适用范围 PID 参数整定公式 第三章 PID 参数整定计算 3.1 3.2 3.3 工程整定方法 理论计算方法 工程正定法与理论计算法的比较及结果分析 第四章 PID 在的应用 4.1 4.2 4.3 数字 PID 控制算法在温控系统中的应用 前馈-改进 PID 算法在智能车控制上的应用 基于 BP 神经网络整定的 PID 控制器的算法改进 第五章 后记 第六章 参考文献
    第一章 自动控制系统的基础理论 1.1 自动控制系统简介 自动控制系统是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定 程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。如图 1 示。这里， 浮子仍是测量元件，连杆起着比较作用，它将期望水位与实际水位两者进行比较， 得出误差，同时推动电位器的滑臂上下移动。电位器输出电压反映了误差的性质 (大小和方向)。电位器输出的微弱电压经放大器放大后驱动直流伺服电动机，其 转轴经减速器后拖动进水阀门，对系统施加控制作用。 在正常情况下，实际水位等于期望值，此时，电位器的滑臂居中， 0 cu  。当出 水量增大时，浮子下降，带动电位器滑臂向上移动， 0 cu  ，经放大后成为 au ， 控制电动机正向旋转，以增大进水阀门开度，促使水位回升。当实际水位回复到 期望值时， 0 cu  ，系统达到新的平衡状态。 可见，该系统在运行时，无论何种干扰引起水位出现偏差，系统就要进行调节， 最终总是使实际水位等于期望值，大大提高了控制精度。 由此例可知，自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过是把某些装置 有机地组合在一起，以代替人的职能而已。图 1-2 中的浮子相当于人的眼睛，对 实际水位进行测量；连杆和电位器类似于大脑，完成比较运算，给出偏差的大小 和极性；电动机相当于人手，调节阀门开度，对水位实施控制。这些装置相互配 合，承担着控制的职能，通常称之为控制器（或控制装置）。任何一个控制系统， 都是由被控对象和控制器两部分所组成的。 1.2 自动控制系统时域分析 时域分析法是一种直接分析法，它是通过描述系统的微分方程或传递函数求出系 统的输出量随时间的变化规律，并由此确定系统性能的一种方法。 一阶系统的时域分析 可以用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。其传递函数为 )( sG  K TS  1 （1-1）
    其中，T 称为一阶系统的时间常数， )(sG 可写成 sG  )( )( sC )( sR )(1)( t tr  时，一阶系统的输出 )(tc 称为单位阶跃 当 此时 )(  sR 1 s )( sRsGsC )( )(  则  K ( Ts  s )1  K 1( s  1  s ) 1 T 对上式进行拉氏变换,得 )( tc  K 1(  e  t T ) （1-2） (1-3) (1-4) （1-5） )(tc 的波形如图 1-1 所示 一阶系统时域响应的性能指标如下 (1)调整时间 st ：经过时间 T3 ～ T4 ，响应曲线已达到稳态值的 95%～98%，可以 认为其调整过程已完成，故一般取 )(st 3～4T 。 )( st  ,3 T   ,4 T    05.0 02.0 (2)稳态误差 sse ：系统的实际输出 )(tc 在时间 t 趋于无穷大时，将趋近输入值， 即 e  0  )( tr  ss   )( lim tc t  (3)超调量 %p ：一阶系统的单位阶跃响应为非周期响应，是单调的，故系统无 振荡﹑无超调, p 0%  。
    二阶系统的时域分析 图 2 一阶系统的单位阶跃响应曲线 图 3 典型二阶系统的结构图 典型二阶系统的结构如图 3 所示，其闭环传递函数 )(sG 为 )( sG  2 s  2  n 2  n 2 s   n )( sC )( sR  1 2 Ts   1 2 2 sT  (1-6) (1-7) 式中， n 为无阻尼自由振荡角频率，简称固有频率；为阻尼系数； 系统振荡周期。 T 1  n 为 系统的特征方程为 )( sD  2 s  2 ns    n 2  0 特征根为 s 2,1  2  n  n  1 (1-8) (1-9) 在不同阻尼比下，两个极点有不同的特征，因此其时域响应特征也不同。 1.零阻尼 0 此时两个极点是一对纯虚根，  p 2,1  n j ，可求得其单位阶跃响应为 1)( tc n cos( t ) （1-10） 单位阶跃响应曲线如图 4 所示，是一种等幅振荡曲线,振荡角频率就是 n 。 2.欠阻尼 0(   )1 此时两个极点是一对负实部的共轭复根，  p 2,1   n  跃响应如图 5 所示，是一种衰减振荡曲线。 2 1  j  n ，其单位阶
    图 4 零阻尼系统单位阶跃响应曲线 图 5 欠阻尼系统单位阶跃系统响应曲线 曲线的表达式可表示为： 1)( tc  1 2   1   n e sin( n 2   1 t  tg 1  1    (1-11) 2 1   n  d 为振荡角频率；   tg  11    为 通常可设 n 为衰减指数； 初相角。 3.临界阻尼 1 此时两个极点是一对负实数重极点，  p 2,1  n ，其单位阶跃响应表达式可表 1)( tc 示为   e tn  n 1(  t ) (1-12) 其单位阶跃响应如图 1-5 所示。由图可见， 1 时，阶跃响应正好进入单调无 超调状态 )0%( p  ，故可从这个意义上定义其临界。临界阻尼下的调节时间可 以通过数值计算来获得。 st 5.4  n ， 4.过阻尼（＞1） 此时两个极点是两个不相等的负实数极点，  p 2,1 T 1  T 1  1 p 1  1 p 2    1 2  n  n 1 2  n  n  1  1 （1-13)  2  n  n  1 令 )( sG  则 n )( p 1 2 s ( s    p 2 ) ( sT 1  1 )(1 sT 2  )1 ， 1T ＞ 2T (1-14) 其单位阶跃响应表达式可表示为： 1)( tc  T 2  T 2 T 1  t T 2 e   t T 1 e T 1  T 2 T 1 响应曲线如图 6 所示 (1-15)
    图 6 临界阻尼系统单位阶跃响应曲线 图 7 过阻尼系统单位阶跃响应曲线 p ，其调节时间 st 可通过数值计 从图可以看出，响应仍是一个单调过程， 0%  算来确定，越大，即 1T 和 2T 越错开， st 越大。 从图中可以看出一个重要现象，即当 1T >> 2T 时，对响应表达式中的两个分量，有 第二分量(与 1T 对应)起主要作用，而第一分量(与 2T 对应)仅仅影响时域响应的起 始点。一般认为，当 1T >> 25T 时， 2T 的影响就可以忽略不计了，即 1)( tc  e  t T 1 )( sG  1 )(1 sT 2  )1  1 sT  1 1 ( sT 1  相应地 此时二阶系统就可以近似地作为一阶系统来分析了。 二阶系统参数对时域响应性能的影响 (1)闭环参数 n 和 的影响 (1-16) (1-17) 从上面对性能指标的分析可知 rt ， pt 和 st 均与 n 成反比，因此从对快速性的影 响而言， n 越大则响应越快。当然，在一定程度上也对快速性有影响。一般 而言，越小快速性能越好，但由于在实际中允许变化的范围是有限的，因此 其对系统快速性的影响也是有限的。 另一方面， 唯一决定了 %p 的大小，也就是说， 是决定系统相对稳定性的 唯一因素, 越大， %p 越小。 (2)开环参数 K 和T 的影响 对一般的二阶系统而言，通过适当的变换，其闭环传递函数可用式(1-18)表示， 其中 K 为回路增益，通常是可调节的，T 为时间常数,通常由受控对象的特性决 定，一般是不可以改变的。
    )( sG  )( sC )( sR  2 s  K T 1 T Ks  T 对比二阶系统的典型的传递函数，可设 wn  K T  1 KT 2 (1-18) K  ， T 2 nW 1  T 2 nw 。 即 (1-19) (1-20) 可见，T 越大，则 nw 越小，也越大，系统的快速性和相对稳定性同时转好。但 在实际系统中，用T 来改善系统性能的作用是有限的。 另一方面， K 越大，则 nw 越大，而越小，表明 K 对快速性和相对稳定性的影 响是矛盾的。在实际系统中，应根据系统的要求适当折中。 对二阶最佳系统而言，应有 K 1 ，称之为二阶最佳参数关系。 2 T 自动控制系统控制特点 1.3 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。 第二章 PID 参数整定 2.1 PID 参数整定的方法 1)基础知识 在自动调节系统中，E=SP-PV。其中，E 为偏差、SP 为给定值、PV 为测量值。 当 SP 大于 PV 时为正偏差，反之为负偏差。 比例调节作用的动作与偏差的大小成正比；当比例度为 100 时，比例作用的输 出与偏差按各自量程范围的 1：1 动作。当比例度为 10 时，按 10：1 动作。即比
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