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pid控制范文第1篇

Abstract： This paper analyzed the dynamical model of the inverted pendulum based on the study of system structure of the pendulum. And the linear model around the balance point was derived via linearization. Based on the analysis of the factors impacting the balance of the inverted pendulum， a fuzzy pid control strategy is proposed. The control strategy consists of three loops. Through theoretical analysis and experimental adjustment， optimized parameters of the three-loop controllers were gained in this paper. Finally， the performance of the fuzzy PID controllers were evaluated through Matlab simulation and hardware-in-the-loop experiments.

關(guān)鍵詞： 倒立擺；模糊PID；硬件在環(huán)；

Key words： inverted pendulum；fuzzy PID；hardware-in-the-loop

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）32-0202-03

0 引言

倒立擺是一個典型的不穩(wěn)定系統(tǒng)，同時又具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特性，是自動控制理論中的典型被控對象。它深刻揭示了自然界一種基本規(guī)律，即一個自然不穩(wěn)定的被控對象，運用控制手段可使之具有一定的穩(wěn)定性和良好的性能。許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來。

倒立擺的研究始于二十世紀(jì)50年代，麻省理工學(xué)院（MIT）的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計出一級倒立擺實驗設(shè)備。隨后，倒立擺又發(fā)展出多種形式：二級、多級、旋轉(zhuǎn)等。關(guān)于倒立擺的研究內(nèi)容可以歸結(jié)為兩個問題：一是如何使得倒立擺從初始位置快速地達(dá)到工作位置的起擺控制；二是在工作平衡點的穩(wěn)定控制問題。所謂起擺控制是指對倒立擺施加周期性的擾動，使擺桿從處于自然垂的穩(wěn)定狀態(tài)迅速過渡到處于垂直向上一定偏角范圍內(nèi)的倒立狀態(tài)。當(dāng)前，倒立擺的起擺控制規(guī)律主要是基于能量的控制。文獻(xiàn)[1]采用能量反饋的方法來完成倒立擺的起擺控制，成功地實現(xiàn)了真實直線一級倒立擺的起擺控制。在工作平衡點的穩(wěn)定控制規(guī)律主要集中在最優(yōu)控制、智能控制以及與經(jīng)典控制相結(jié)合等方面。最優(yōu)控制時現(xiàn)代控制中發(fā)展較早的重要組成部分，而利用變分法建立起來的無約束最優(yōu)控制原理，對于尋求二次型性能指標(biāo)線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制是很適用的，因此很多學(xué)者將線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)器（LQR）應(yīng)用于倒立擺系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定控制[2]。由于倒立擺的非線性，很多學(xué)者嘗試著將新興的智能控制算法應(yīng)用到倒立擺的穩(wěn)定控制中[3，4]。

然而作為經(jīng)典控制算法的PID卻沒有在學(xué)者們的倒立擺研究中得到廣泛的應(yīng)用。這是由于倒立擺并不是一個單輸入單輸出系統(tǒng)，使用經(jīng)典控制算法很難做到角度和位置的雙重控制。事實上，由于PID易于實現(xiàn)、反應(yīng)快、可靠且魯棒性好，在實際工程應(yīng)用中，它仍然占有極大比重。因此，PID在倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用研究有著重大意義。

本文在以往文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將模糊控制與PID相結(jié)合，利用模糊PID實現(xiàn)倒立擺的多變量控制，拓寬了PID的應(yīng)用領(lǐng)域，并通過Matlab仿真和硬件在環(huán)實驗驗證了其有效性。

1 倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件組成

倒立擺系統(tǒng)硬件部分由倒立擺本體、計算機(jī)（含運動控制卡）、電控箱（包括交流伺服電機(jī)驅(qū)動器、運動控制卡的接口板、直流電源等）三大部分構(gòu)成。倒立擺系統(tǒng)的本體由被控對象（小車和擺桿）、傳感器（角度傳感器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（松下伺服電機(jī)及其傳動裝置）組成（如圖1所示）。

倒立擺系統(tǒng)中的計算機(jī)、運動控制卡、伺服驅(qū)動器、倒立擺本體（包括擺桿、小車、伺服電機(jī)、光電碼盤）幾大部分組成了圖2所示的一個閉環(huán)系統(tǒng)。

光電碼盤1將小車的位移、速度信號反饋給伺服驅(qū)動器和運動控制卡，而光電碼盤2將擺桿的位置、速度信號反饋回控制卡。計算機(jī)從運動控制卡中讀取實時數(shù)據(jù)，確定控制決策（小車向哪個方向移動、移動速度、加速度等），并由運動控制卡來實現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動小車運動，保持?jǐn)[桿平衡。

2 倒立擺的數(shù)學(xué)建模

2.1 倒立擺的動力學(xué)方程 在忽略了空氣流動和各種摩擦之后，可將倒立擺系統(tǒng)抽象成導(dǎo)軌、小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)（如圖3所示）。

pid控制范文第2篇

關(guān)鍵詞:倒立擺、數(shù)學(xué)模型、PID

Abstract: inverted pendulum system is nonlinear, strong coupling, many variables and natural not stable system. This paper to control method is the most commonly used in PID control algorithm is studied, the fuzzy PID control the control law, and to make the simulation.

Keywords: inverted pendulum, mathematical model and PID

中圖分類號：G623.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

1、倒立擺系統(tǒng)簡介

倒立擺是典型的高階非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)。小車可以自由地在限定的軌道上左右移動，小車上的倒立擺一端被絞鏈在小車頂部，另一端可以在小車軌道所在的垂直平面上自由轉(zhuǎn)動，控制目的是通過電機(jī)推動小車運動，使倒立擺平衡并保持小車不和軌道兩端相撞（圖1為單級倒立擺的模型本論文的研究對象）。在此基礎(chǔ)上，在擺桿的另一端再絞連擺桿，可以組成二級、三級倒立擺系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個多用途的綜合性實驗裝置，它和火箭的飛行及機(jī)器人關(guān)節(jié)運動有許多相似之處，其原理可用于控制火箭穩(wěn)定發(fā)射，且對揭示定性定量轉(zhuǎn)換規(guī)律和策略具普遍意義。

圖1單級倒立擺原理結(jié)構(gòu)圖

2、控制方法中的典范―PID

PID控制是眾多控制方法中應(yīng)用最為廣泛也是最為容易被人們所掌握的一種控制方法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制技術(shù)的不斷成熟，傳統(tǒng)的PID控制已被人們注入了先進(jìn)的控制思想。使得PID控制方法不斷豐富，控制性能不斷加強(qiáng)。

目前工程上應(yīng)用的PID控制方法主要有：一般PID控制、自適應(yīng)PID控制、模糊PID控制。下面對他們的控制思想和特點略作介紹。

2.1一般PID控制

PID控制是由反饋系統(tǒng)偏差的比例(P)、積分(I),微分(D)的線性組合構(gòu)成的反饋控制律。由于它具有原理簡單、直觀易懂、易于工程實現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等一系列優(yōu)點，多年以來它一直是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一類控制算法。早期的PID控制是由氣動或液動、電動硬件儀表實現(xiàn)的模擬PID控制器。二十世紀(jì)七十年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展和應(yīng)用普及，由計算機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字PID控制不僅簡單地將PID控制規(guī)律數(shù)字化，而且可以進(jìn)一步利用計算機(jī)的邏輯判斷功能，開發(fā)出多種不同形式的PID控制算法，使得PID控制的功能和實用性更強(qiáng)，更能滿足工業(yè)過程提出的各種各樣的控制要求。PID控制雖然屬于經(jīng)典控制，但是至今仍然在工業(yè)過程控制中發(fā)揮著重要作用，今后隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字PID控制一定還會有新的發(fā)展和進(jìn)步。理想模擬P功控制器的輸出方程式為:

2-1

式中，Kp為比例系數(shù)，Kp比例度互為倒數(shù)關(guān)系，Ti為積分時間；Td為微分時間；U(t)為PID控制器的輸出控制量；e(t)為PID控制器輸入的系統(tǒng)偏差量。后面第將做進(jìn)一步的說明。

2.2自適應(yīng)PID控制

2.2.1 自適應(yīng)控制的概念

自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一個具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，它能夠認(rèn)識環(huán)境條件的變化，并自動校正控制動作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果。

2.2.2 功能及特點

作為較為完善的自適應(yīng)控制應(yīng)具有以下三個方面的功能：(1)系統(tǒng)本身可以不斷地檢測和處理信息，了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)；(2)進(jìn)行性能準(zhǔn)則優(yōu)化，產(chǎn)生自適應(yīng)控制規(guī)律；(3)調(diào)整可調(diào)環(huán)節(jié)（控制器），使整個系統(tǒng)始終自動運行在最優(yōu)或次最優(yōu)工作狀態(tài)。

自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制的重要組成部分，它同一般反饋控制相比具有如下突出特點：(1)一般反饋控制主要用于確定性對象或事先確知的對象，而自適應(yīng)控制主要研究不確定對象或事先難以確知的對象；(2)一般反饋控制具有強(qiáng)烈抗干擾能力，即它能夠消除狀態(tài)擾動引起的系統(tǒng)誤差，而自適應(yīng)控制因為有辨識對象和在線修改參數(shù)的能力，因而不僅能夠消除狀態(tài)擾動引起的系統(tǒng)誤差，而且還能夠消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擾動引起的系統(tǒng)誤差；(3)一般反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計必須事先掌握描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)模型及其環(huán)境變化狀況，而自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計則很少依賴數(shù)學(xué)模型全部，僅需要較少的驗前知識，但必須設(shè)計出一套自適算法，因而將更多的依靠計算機(jī)技術(shù)的實現(xiàn)；(4)自適應(yīng)控制是更復(fù)雜的反饋控制，它在一般反饋控制的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)控制機(jī)構(gòu)或辨識器，還附加了一個可調(diào)系統(tǒng)。

2.3 模糊PID控制

模糊PID既繼承了PID的特點又加進(jìn)了模糊控制的思想。因此他綜合了PID和模糊控制的特點，優(yōu)越性十分明顯。下面對模糊控制略作說明。

2.3.1 模糊控制的基本概念

為了更清楚地說明模糊控制的思想，我們首先看幾個基本概念。

（1） 論 域

我們都知道，具有某種特定屬性的對象的全體，稱為集合。所謂論域，就是指我們所研究的事物的范圍或所研究的全部對象。論域中的事物稱為元素。論域中一部分元素組成的集合稱作子集。

（2） 隸屬函數(shù)

普通集合常用列舉法、表征法和特征函數(shù)方法表示。所謂特征函數(shù)，就是把屬于集合的元素的特征函數(shù)值定為1，把不屬于集合的元素的特征函數(shù)值定為0的表示方法。設(shè)有集合A，其特征函數(shù)記作，則

2-2

可見，對于普通集合而言，其特征函數(shù)只有兩個值:1或0，表示屬于或不屬于。模糊數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人札德教授對模糊集合給出如下定義:設(shè)給定論域X,X到[0,1]閉區(qū)間上的任一映射都確定X的一個模糊子集

即

2-3

2.3.2 模糊控制的基本原理

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機(jī)智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授查德(L.A.Zadeh)首先提出的。經(jīng)過20多年的發(fā)展，模糊控制理論及其應(yīng)用研究均取得重大成功。模糊控制的基本原理框圖如圖2-1所示，它的核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，其過程描述如下:微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E，一般選誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e，再由e和模糊控制規(guī)R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u。

圖2模糊控制原理框圖

3、總結(jié)

在對其研析中。得出了幾條PID參數(shù)的整定規(guī)律：

（1）增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。

（2）增大積分時間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。

（3）增大微分時間有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。

在測試時，可以參考以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響超勢，對參數(shù)調(diào)整實行先比例，后微分，再微分的整定步驟。即先整定比例部分，將比例參數(shù)，由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

4、參考文獻(xiàn)

[1]自動控制原理宋麗蓉 主編 機(jī)械工業(yè)出版社

[2]新型PID控制及應(yīng)用陶永華 尹怡欣 葛蘆生編著機(jī)械工業(yè)出版社

[3]應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)高東杰 譚杰 林紅權(quán)編著國防工業(yè)出版社

pid控制范文第3篇

關(guān)鍵詞： 螺旋槳； 模糊PID控制； 電液比例閥； Matlab仿真

中圖分類號： TN710?34；TM571.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）03?0165?03

0 引 言

電液比例閥系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于精度要求高的機(jī)械加工等行業(yè)，其傳統(tǒng)的控制方式大多采用常規(guī)的PID控制技術(shù)，它具有簡單、可靠、參數(shù)整定方便等優(yōu)點。但由于電液比例閥系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，因而在控制性能要求高的場合往往不能滿足。其主要原因是電液比例系統(tǒng)在流體動力學(xué)及電磁轉(zhuǎn)換方面具有特殊性，是復(fù)雜的非線性高階系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計時要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難[1]。

因此，如何使PID控制更好的應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制，并具有較好的智能性，是個值得研究的問題。基于以上原因，如果將基于規(guī)則的模糊控制用于PID控制器的設(shè)計，一方面可使PID控制器具有模糊控制的功能，又可使模糊控制具有確定的控制結(jié)構(gòu)，從而使所設(shè)計的控制器具有兩種控制的優(yōu)點，同時又彌補(bǔ)對方的不足，達(dá)到既提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，又保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求，從而確保良好的設(shè)備控制效果。

1 電液比例閥的模糊PID控制器設(shè)計

1.1 模糊控制器的設(shè)計

螺旋槳電液比例閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率Ec作為輸入，可以滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對參數(shù)自調(diào)整的要求[2]。利用模糊控制規(guī)則對參數(shù)進(jìn)行修改便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID系統(tǒng)[3]。如圖2所示。

在本系統(tǒng)中模糊控制器將是設(shè)計的核心，因為它的好壞將直接影響到KI，KD和KP的選取，從而影響到系統(tǒng)的控制精度。

1.2 各變量隸屬函數(shù)的確定

由文獻(xiàn)[4]可知，根據(jù)PID參數(shù)自整定原則，用于PID參數(shù)控制的模糊控制器采用二輸入三輸出的模糊控制器。以E和Ec為輸入語言變量，以KI，KD和KP為輸出語言變量。輸入語言變量的語言值均取為“負(fù)大”（NB）、“負(fù)中”（NM）、“負(fù)小”（NS）、“零”（ZO）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB）七種。輸出語言變量的語言值均取為“零”（ZO）、“正小”（PS）、“正中”（PM）、“正大”（PB）四種。將偏差E和偏差變化率Ec量化到（-3，3）的區(qū)域，輸出量化到（0，3）的區(qū)域內(nèi)，隸屬函數(shù)曲線如圖3，圖4所示。

1.3 模糊規(guī)則

由于控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數(shù)的選擇是否合理，通常不同的偏差E和偏差變化率Ec對PID控制器參數(shù)KP，KI，KD的整定要求不同。根據(jù)已有的控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，以及參數(shù)KI，KP和KD對系統(tǒng)的輸出特性的影響關(guān)系，歸納出在一般情況下，不同的和時，被控過程對參數(shù)KI，KP和KD的自調(diào)整規(guī)則如下[5]：

（1）當(dāng)[E]較大時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)該取較大的KP。但為了避免由于開始時的偏差[E]的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可的范圍，應(yīng)取較小的KD，同時為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)產(chǎn)生積分飽和應(yīng)對積分作用加以限制通常取KI=0。

（2）當(dāng)偏差[E]處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)取得小些。這時， KD的取值對系統(tǒng)影響較大，取值要大小適中以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

pid控制范文第4篇

【關(guān)鍵詞】熱網(wǎng)控制；PID調(diào)節(jié)；模糊控制

1、概述

城市熱網(wǎng)監(jiān)測與控制是城市市政工程的重要組成部分，供熱系統(tǒng)的控制特點是：大慣性、多變量、差異性。尤其采用間接換熱的系統(tǒng)，其控制慣性更大，在依據(jù)室外溫度和分時段運行，調(diào)節(jié)回水溫度或換熱量時，如果控制不當(dāng)，調(diào)節(jié)過慢使響應(yīng)時間過長，達(dá)不到系統(tǒng)要求，過快又易引起超調(diào)，甚至震蕩。如果將模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制技術(shù)相結(jié)合，按照響應(yīng)過程中各個時間段的不同要求，通過模糊控制在線地調(diào)整PID的各個控制參數(shù)，對改善控制系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)時的動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)性能，以適應(yīng)供熱工作任務(wù)的要求，是有重要應(yīng)用意義的。

2、傳統(tǒng)PID算法在應(yīng)用中存在的問題

PID調(diào)節(jié)規(guī)律對線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)取決于PID控制器各個參數(shù)的整定。但是常規(guī)PID控制器并不能在線整定參數(shù)，因此對于非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)和不確定的系統(tǒng)，由于其PID參數(shù)整定非常困難，甚至根本無法整定，因而難于達(dá)到預(yù)期的控制效果。

PID控制算法

PID控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，其控制規(guī)律為[1]：

式中：e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與反饋量(輸出量)的偏差;

u(t) ：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù);

KP：比例系數(shù);TI：積分時間常數(shù);TD：微分時間常數(shù);

u0：控制常量，即t＝0時的輸出值，對絕大多數(shù)系統(tǒng)u0＝0。

式(1)表示的調(diào)節(jié)器輸入和輸出函數(shù)均為模擬量。為了用計算機(jī)對其進(jìn)行計算，把連續(xù)形式的微分方程轉(zhuǎn)化為離散形式的差分方程。離散PID控制規(guī)律為：

（2）

式中：T：采樣周期;k：采樣序號;u(k) ：采樣時刻k時的輸出值;

e(k) ：采樣時刻k時的偏差值;

e(k－1) ：采樣時刻k－1時的偏差值。

式(2)中的輸出量為全量輸出，它對應(yīng)于被控對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達(dá)到的位置。

3、傳統(tǒng)PID校正控制的局限性

傳統(tǒng)PID參數(shù)的調(diào)整比較困難，存在缺陷，它是根據(jù)對象特性離線進(jìn)行的，而且是階段性的和非自動的，一次性整定得到的PID參數(shù)很難保證其控制效果在以后的運行中始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)控制對象參數(shù)發(fā)生變化時，PID參數(shù)無法確定，因此常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。

4、參數(shù)自整定模糊PID控制

模糊控制與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比較，模糊控制主要具有以下幾個顯著的特點：

*模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，只要對現(xiàn)場操作人員或者有關(guān)專家的經(jīng)驗、知識以及操作數(shù)據(jù)加以總結(jié)和歸納，就可以構(gòu)成控制算法，在設(shè)計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型;

*適應(yīng)性強(qiáng)。對非線性和時變等不確定性系統(tǒng)，模糊控制有較好的控制效果，對于非線性、噪聲和純滯后等有較強(qiáng)的抑制能力，而傳統(tǒng)PID控制則無能為力;

*魯棒性較強(qiáng)，對參數(shù)變化不靈敏，模糊控制采用的是一種連續(xù)多值邏輯，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時，易于實現(xiàn)穩(wěn)定控制，尤其是適合于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制;

*系統(tǒng)規(guī)則和參數(shù)整定方便，通過對現(xiàn)場工業(yè)過程進(jìn)行定性的分析，就能建立語言變量的控制規(guī)則和擬定系統(tǒng)的控制參數(shù)，而且參數(shù)的適用范圍較廣;

*結(jié)構(gòu)簡單，軟硬件實現(xiàn)都比較方便，硬件結(jié)構(gòu)無特殊要求，軟件控制算法簡捷，在實際運行時只需進(jìn)行簡單的查表運算，其它的過程可離線進(jìn)行。

5、參數(shù)自整定模糊PID控制原理

參數(shù)自整定模糊PID控制在模糊推理的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同時刻的|e|和|ec|，利用模糊控制規(guī)則，對PID參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行在線自整定，從而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

6、參數(shù)自整定原則

在PID控制中，考慮KP、KI、KD三個參數(shù)：KP的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，但KP過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；KI的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；KD的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，可得出不同的階躍響應(yīng)誤差e和階躍響應(yīng)誤差變化率ec時(用|e|和|ec|表示)的參數(shù)自整定原則。如圖3所示：

值得注意的是：簡單模糊控制因無積分環(huán)節(jié)，在控制系統(tǒng)中很難完全消除穩(wěn)態(tài)誤差，在變量分級不是足夠多的情況下，在平衡點附近常常會有小的振蕩現(xiàn)象。如果把PID控制和模糊控制兩種方法結(jié)合起來，對復(fù)雜不確定性系統(tǒng)就能實施既簡單而又有效的控制，構(gòu)成兼具兩者優(yōu)點的模糊PID控制。

參考文獻(xiàn)

pid控制范文第5篇

【關(guān)鍵詞】PLC；溫度控制；PID；溫度傳感器

1 溫度控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中是相當(dāng)廣泛的，而溫度參數(shù)是工業(yè)控制中的被控參數(shù)之一，對物料或產(chǎn)品的加熱處理，是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的一個重要工序，對生產(chǎn)物料或加工產(chǎn)品進(jìn)行實時的溫度控制與調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的加熱爐體的溫度控制系統(tǒng)，主要通過使用繼電器來控制加熱，其控制柜的接線比較復(fù)雜，而且系統(tǒng)的運行故障率比較高，再加上耗電量也比較大，在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，不能采用比較傳統(tǒng)的繼電器控制方式來控制溫度。

經(jīng)過工業(yè)革命的技術(shù)發(fā)展，可編程控制器PLC可以完美代替繼電器來控制工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度。PLC是一個集成的控制器，它本身就具有自動處理模擬信號、數(shù)字信號和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的處理能力，正因為這個優(yōu)點，PLC在我國的溫度控制系統(tǒng)加熱生產(chǎn)中得到大幅的應(yīng)用與實現(xiàn)，所以PLC逐漸能夠在過程控制中得到應(yīng)用。PLC能夠應(yīng)用在遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)與現(xiàn)地控制系統(tǒng)，同時具有應(yīng)用面相當(dāng)廣，可靠性也相當(dāng)高，編程相當(dāng)簡單的特點。PLC具有開關(guān)量控制輸出也就是具有繼電器控制功能的特點，同時具備各種模擬信號的采集，以及各種高功能模塊的數(shù)據(jù)輸入與控制，將開關(guān)量信號與模擬量信號綜合為一體，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，開環(huán)控制，閉環(huán)控制等控制能力，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜生產(chǎn)工藝與自動化生產(chǎn)線。PLC在配合人機(jī)界面的操作界面的應(yīng)用，在實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)中加熱爐的溫度控制系統(tǒng)將起到關(guān)鍵的作用，實現(xiàn)與滿足加熱控制工藝的需要。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

本文溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的控制參數(shù)是溫度，溫度的采集是有時間滯后的因素。溫度會隨著爐體的加熱隨時發(fā)生改變，溫度變化通過溫度傳感器接入系統(tǒng)的控制器。本系統(tǒng)設(shè)計采用松下品牌PLC來控制系統(tǒng)的加熱與溫度采集，溫度傳感器接入到PLC控制器的輸入模塊，將溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并保持到PLC存儲器中，通過軟件編程與用戶在人機(jī)界面上設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行對比，數(shù)字量輸出模塊按一定方式輸出控制量，然后接通固態(tài)繼電器控制爐體加熱器的通斷，進(jìn)而控制爐體的升溫加熱。系統(tǒng)的人機(jī)界面通過其串口可以與松FP2系列進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)崟r顯示加熱控制系統(tǒng)的溫度數(shù)值。本文溫度控制系統(tǒng)設(shè)計包括以下幾個設(shè)計步驟：硬件選型設(shè)計、軟件編程設(shè)計、參數(shù)整定等。

2.1 硬件選型設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的硬件選型是設(shè)計控制系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。在設(shè)計溫度控制之前要根據(jù)該系統(tǒng)的受控對象、參數(shù)和控制要求，選擇合適系統(tǒng)的控制器、控制方式、溫度傳感器和適合用戶的操作界面等等。本系統(tǒng)CPU型號選FP2-C2L作為系統(tǒng)的核心控制器模塊，與溫度輸入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫度的實時監(jiān)控則選用松下的模擬量輸入模塊FP2-AD8X，溫度傳感器選擇S型熱電偶輸入可以檢測加熱爐體1300度以內(nèi)的溫度，熱電偶傳感器接到模擬量輸入模塊，模擬量信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)保存到CPU的數(shù)據(jù)存儲器WX通道中。固態(tài)繼電器選用臺灣陽明，型號為SSR-F40LA，溫度輸入模塊采集的溫度送到PLC后會與系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)值進(jìn)行對比并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，PID控制器數(shù)字輸出轉(zhuǎn)化成占空比輸出，實現(xiàn)加熱器的加熱升溫。前面的數(shù)字量輸出模塊可以選用16個開關(guān)量輸出的FP2-Y16T。溫度控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面選用經(jīng)濟(jì)實用的威綸7寸屏TK6070IP，松下PLC控制器與威綸人機(jī)界面的通訊方式采用串口無協(xié)議通訊自助完成數(shù)據(jù)交換，松下PLC能夠時刻讀取的加熱爐體的溫度數(shù)據(jù)，威綸人機(jī)界面將顯示加熱爐體的溫度數(shù)值。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計架構(gòu)如圖1所示：

圖1

2.2 軟件編程設(shè)計

PLC的軟件編程設(shè)計，首先PLC上電后應(yīng)該執(zhí)行初始化內(nèi)存寄存器，通過R9013特殊繼電器初次上電掃描執(zhí)行產(chǎn)生初始化脈沖進(jìn)行程序初始化。實時將溫度通道WX的溫度值寫入到DT寄存器中，同時PID控制指令F355各PID參數(shù)設(shè)定值指定給DT寄存器，寫入相應(yīng)的寄存器，使程序啟動后系統(tǒng)開始對加熱爐體進(jìn)行溫度PID采集控制。溫度傳感器即本系統(tǒng)使用S型熱電偶傳感器將爐體測量的實際溫度經(jīng)過接入溫度模塊AD8X單元后產(chǎn)生一個電信號，溫度模塊經(jīng)過模擬量輸入通道CH0的模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為對應(yīng)的數(shù)字量，PLC內(nèi)存會得到實際的溫度值為寄存器通道WX除以10的商。這樣PLC內(nèi)部的PID過程控制會自動計算出實際溫度值與溫度目標(biāo)值的偏差值在一定周期內(nèi)輸出一定占空比通斷固態(tài)繼電器，接通爐體的加熱器，實現(xiàn)PLC系統(tǒng)自動進(jìn)行內(nèi)部PID過程控制和自動加熱控制溫度。

3 PID的參數(shù)整定

軟件編程中PLC內(nèi)部的PID參數(shù)整定也是溫度控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。PLC的PID參數(shù)包括溫度過程控制中的比例P參數(shù)，積分I時間參數(shù)，微分D時間參數(shù)的數(shù)值。在廣泛的PID調(diào)節(jié)器工程應(yīng)用中，PID參數(shù)整定方法主要有兩類，一類是理論計算法，一類是工程整定法。理論計算法當(dāng)然是通過理論計算得出被控對象的PID參數(shù)值，而工程整定法則是通過實際工程控制調(diào)節(jié)各參數(shù)。從而我們就利用了工程整定法進(jìn)行PID現(xiàn)場自動整定方式，對本加熱爐體進(jìn)行一次PLC內(nèi)部過程控制的自整定PID參數(shù)。

本系統(tǒng)能夠通過PLC自身的PID運算指令F355進(jìn)行完成PID參數(shù)自整定控制。這種控制方式是根據(jù)加熱爐體的實際溫度、溫度傳感器的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的滯后特性等工藝特性曲線，由PLC自動計算出與加熱器匹配的調(diào)節(jié)參數(shù)，自動約束加熱器的加熱功率，進(jìn)而對加熱爐體進(jìn)行溫度工藝調(diào)節(jié)，并能夠在升溫過程進(jìn)行優(yōu)化。首次使用加熱系統(tǒng)前需要對系統(tǒng)進(jìn)行一次PID參數(shù)自整定升溫過程，根據(jù)此系列的PLC參數(shù)設(shè)置方法，需要將F355參數(shù)控制模式改成H8000自整定控制模式，進(jìn)行升溫控制，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，完成整個自整定過程后參數(shù)會自動反映到PID參數(shù)區(qū)域，通過修改這三個參數(shù)后直接寫入到溫度控制系統(tǒng)的實際加熱中，系統(tǒng)實現(xiàn)在用戶設(shè)定溫度目標(biāo)值的準(zhǔn)確控溫。

經(jīng)過系統(tǒng)進(jìn)一步的參數(shù)測試，溫度控制系統(tǒng)的可能會因為加熱器或者熱電偶的原因會產(chǎn)生系統(tǒng)一定溫度波動，這種情況需要更進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，再對系統(tǒng)重新進(jìn)行一次PID參數(shù)自整定。

【參考文獻(xiàn)】

[1]努爾哈孜?朱瑪力.可編程序控制器在電爐溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[J].新疆大學(xué)學(xué)報，2006，13（2）：267-268.（下轉(zhuǎn)第320頁）

（上接第318頁）[2]宋樂鵬.基于PLC控制的加熱爐溫度控制系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化，2007（5）：70-71、76.