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2013-2014學年第2學期
課程設計
題 目： 數(shù)字PID控制器的設計
學生姓名： 涂 發(fā)
學生學號： 201395082042
班 級： 2013級專升本班
指導教師： 孫 曉 娟
2014 年 6 月
專心---專注---專業(yè)
摘要
PID控制器具有結(jié)構簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強等特點，是迄今為止最穩(wěn)定的控制方法。它所涉
2、及的參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整，并為工程界所熟悉，因而在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應用。從實際需要出發(fā)，一種好的PID控制器參數(shù)整定方法，不僅可以減少操作人員的負擔，還可以使系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)。因此，對PID控制器參數(shù)整定法的研究具有重要的實際意義。本文介紹了PID控制技術的發(fā)展歷史和研究進展。分析了傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字PID控制算法，并對傳統(tǒng)的PID控制算法進行微分項和積分項的改進，學習了幾種比較普遍運用的方法，如不完全微分PID控制算法、微分先行、遇限消弱積分PID控制算法等。在學習的基礎上，提出了一種自整定參數(shù)的專家模糊PID控制算法，由仿真結(jié)果可以看到，這種參數(shù)自整定方法與一般控制
3、方法（抗積分飽和控制法）相比，在調(diào)節(jié)時間、抑制超調(diào)量、穩(wěn)定性都要好，可以在工業(yè)上推廣使用。
目錄
一﹑數(shù)字PID控制簡介
（1）PID簡介
目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構﹑輸入
4、輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機構﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligentregulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，
5、能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。可編程控制器(PLC)是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡來實現(xiàn)其遠程控制功能。
(2)PID控制的基本原理和常用形式及數(shù)學模型
具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱PID控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點，其運動方程為：
(1-1)
相應的傳遞函數(shù)為：
6、 (1-2)
PID控制的結(jié)構圖為：
若，式（1-2）可以寫成：
由此可見，當利用PID控制器進行串聯(lián)校正時，除可使系統(tǒng)的型別提高一級外，還將提供兩個負實零點。與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點外，還多提供一個負實零點，從而在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，廣泛使用PID控制器。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試中最后確定。通常，應使積分部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使微分部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善
7、系統(tǒng)的動態(tài)性能。
二﹑數(shù)字PID算法的分析
PID控制器是一種基于偏差在“過去、現(xiàn)在和將來”信息估計的有效而簡單的控制算法。而采用 PID控制器的控制系統(tǒng)其控制品質(zhì)的優(yōu)劣在很大程度上取決于 PID控制器參數(shù)的整定。PID控制器參數(shù)整定，是指在控制器規(guī)律己經(jīng)確定為PID形式的情況下，通過調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使得由被控對象、控制器等組成的控制回路的動態(tài)特性滿足期望的指標要求，達到理想的控制目標[6]。
數(shù)字PID控制器的課程設計(共15頁)
