PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真(MATLAB)

PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真(MATLAB) 畢業(yè)論文 ：助教(研究生)完成日期：2012年5月20日摘要.............................................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。Abstract.........................................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。第一章緒論..................................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。課題意義及來源.................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀.................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。工業(yè)溫度控制發(fā)展簡介............................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)控制方案....................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。MATLAB簡介......................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。第二章被控對象及控制策略......................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。被控對象.............................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。控制策略.............................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。比例、積分、微分....................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。P、I、D控制.............................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。第三章PID最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真...........................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。PID參數(shù)整定法概述..........................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。PID參數(shù)整定方法.....................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。PID調(diào)整方式.............................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。PID..................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。Relayfeedback調(diào)整法..............................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。Relayfeedback在計(jì)算機(jī)做仿真..............................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。在線調(diào)整法................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。在線調(diào)整法在計(jì)算機(jī)做仿真....................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。PID方法.....................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。系統(tǒng)辨識法................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。波德圖法及根軌跡法................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。仿真結(jié)果及分析.................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽?？偨Y(jié).............................................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn).......................................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝.............................................................................................................................錯(cuò)誤!未定義書簽。交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，是本人在指導(dǎo)老師的指內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本二〇年月日河西學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告PIDPID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真(MATLAB)院院專業(yè)及其自動化位 期名師的理論、實(shí)際意義(亦稱調(diào)節(jié)器)及其改進(jìn)型，因此成為工業(yè)過程控制中最為常見的控制器(至90%)。在PID控制器的設(shè)計(jì)中，參數(shù)定是最為重要的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅任何閉環(huán)的控制系統(tǒng)都有它固有的特性，可以有很多種數(shù)學(xué)形式來描述難達(dá)到最佳的控制效果，比如快速性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性等。為了達(dá)到最控制效果。發(fā)展和推廣做出了巨大的努力，使之成為工業(yè)過程控制中主要的和可靠的技術(shù)工具。即使在微處理技術(shù)迅速發(fā)展的今天，過程控制中大部分控制規(guī)律都未能的問題，就是控制器三參數(shù)(比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間)的整定。整定，而且還會影響到控制器的魯棒性。本次課題的主要內(nèi)容是通過對理論知識的學(xué)習(xí)和理解的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)PID系統(tǒng)仿真功能(初步計(jì)劃為溫度控制器)仿真實(shí)驗(yàn)后，在剩余的時(shí)間內(nèi)完成其與實(shí)際工程應(yīng)用問題的結(jié)合，將其應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中(初步計(jì)劃為溫度控制器)。教教研室意見[1]夏紅，賞星耀，宋建成.PID參數(shù)自整定方法綜述[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2003(5):16-19.[3]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析---MATLAB語言應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2000.[5]佚名.PID調(diào)節(jié)概念及基本理論[M].2006,中國自動化網(wǎng).J學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2004.11]張春鵬.PID溫控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)探討.職業(yè)教育研究[M].2011.年月日年學(xué)院意見月日年月日IDy在加入干擾信號時(shí)，系統(tǒng)的干擾信號能較好的得到抑制，在系統(tǒng)中加入干擾信號是很ssdkrhaeofle而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地源在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關(guān)。另外在各高等院校的實(shí)驗(yàn)室中，無不將溫度作為被控參數(shù)，構(gòu)成微機(jī)測控系統(tǒng)，供學(xué)生作綜合實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應(yīng)用于社會生活模型等,使控制系統(tǒng)性能不佳。在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都的理想效果。另一方面也是基于控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需求，將其用于對實(shí)驗(yàn)電烤箱溫度統(tǒng)的研究現(xiàn)狀發(fā)展簡介統(tǒng)。其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。經(jīng)歷了三個(gè)階段[1]：第一階段：基地式儀表。四十年代初，當(dāng)時(shí)由于石油、化工、電力等工業(yè)對自動第二階段:單元組合式儀表。隨著大型工業(yè)企業(yè)的出現(xiàn)，生產(chǎn)向綜合自動化和集中控制的方向發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)基地式儀表的結(jié)構(gòu)不夠靈活，不如將儀表按功能劃分，制可根據(jù)需要，選擇一定的單元，積木式地把儀表自動控制系統(tǒng)，這種積木式的儀表就稱為單元組控制。對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)微電子技術(shù)的發(fā)展、大規(guī)模集成電路制造的成功比的明顯提高以及微型計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域中機(jī)控制階段。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)取代模擬控制系此類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)，度微機(jī)控制系統(tǒng)控制方案人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)硬件與控制軟件的緊密結(jié)合必然導(dǎo)致新型的微機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類[3-5]:經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案和智能控制方控制方案經(jīng)典控制方案可分為數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案和數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方案。數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換而來的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)模擬確保數(shù)字控制器與模擬控制器的近似，要適當(dāng)選擇采樣周期。數(shù)字控制器的參數(shù)整定方法有擴(kuò)充臨界比例度法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法等。數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方案是根據(jù)對象的離散數(shù)學(xué)模型直接設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的方法。其目標(biāo)是要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字控制器使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能,實(shí)現(xiàn)的方法基本上可以看成是極點(diǎn)配置問題。其主要的設(shè)計(jì)方案主要的數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)來間法本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能?；诂F(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案是預(yù)先確定的性能指標(biāo)函數(shù)或使控制系統(tǒng)滿足希望的響應(yīng)多輸入多輸出系統(tǒng)、某些非線性時(shí)變系統(tǒng)和一些具有隨象的狀態(tài)自動地調(diào)節(jié)控制規(guī)避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行。策機(jī)。有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在本文中將選擇經(jīng)典控制方案來設(shè)計(jì)照所希望的方式保持和改變機(jī)器、結(jié)構(gòu)或其他設(shè)備統(tǒng)同時(shí)是為了使被控制對象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)G(S)=(2-1)T-對象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩(Cohn-Coon)020315278104126148168182198210225238250TT=1.5(tt)TTtt(2-2)0.2830.632對象飛升曲線為△C時(shí)的時(shí)間(分)對象飛升曲線為△C時(shí)的時(shí)間(分)將感測與轉(zhuǎn)換輸出的訊號與設(shè)定值做比較，用輸出信號源(2-10V或4-20mA)去象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他設(shè)計(jì)技術(shù)-++電路V0R2 (t)=iR(2-4)(2-4)(2-3)V0=R2Vi(2-3)-++1 t11路111V-V1/sc+微分控制電路 (t)=2=CRVi12t2(t)U(s)=U(s)=Kp+i+KdSE(s)T=ddtdt算出控制量，控制器輸出和輸入(誤差)之間的關(guān)系在時(shí)域中如公式(2-6)和(2-7)：dtTi 公式中U(s)和E(s)分別是u(t)和e(t)的拉氏變換，其中K、K、K分別控制器的比例、積分、微分系數(shù)。pidKpKKi1.比例(P)控制例關(guān)系。當(dāng)2.積分(I)控制對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步因此，比例加積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。3.微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差訊號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)較大慣性組件(環(huán)節(jié))和有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于用的變化有些“超前”，即在誤差接近零零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不誤差的幅值，而目前需要增加的“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測比例加微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作避免了被控制量的嚴(yán)重的沖過頭。所以對于有較大慣性和滯后的被控對象，比例加微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特PID作為經(jīng)典控制理論，其關(guān)鍵問題在于PID參數(shù)的設(shè)定。在實(shí)際應(yīng)用中，許多被性和純滯后等特點(diǎn)。在噪聲、負(fù)載擾隨時(shí)間和工作環(huán)境的變化而變化。故PID參數(shù)整定法概述PID參數(shù)整定方法f流表是否有一定的周期在動作，利用Ziegler-Nichols把PID求出來，PID值求法與PID整方式DRelayfeedback數(shù)，所以調(diào)PID值都會從Relayfeedback和在線調(diào)整去著手。波德圖及根軌跡則相一定要有轉(zhuǎn)移函數(shù)才能去求PID值，那這技巧就在于要用系統(tǒng)辨識方法，辨識出法，如下圖3-2++K(1++TsPTsDsPID控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)移函數(shù)受控系統(tǒng)命令在一般實(shí)際系統(tǒng)中，往往因?yàn)檫^程系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)要找出，之后再利用系統(tǒng)仿真找出PID值，但是也有不需要找出轉(zhuǎn)移函數(shù)也可調(diào)出PID值的方法，以下一一介紹。ack命令+RELAY最終控制元件輸出進(jìn)程感測與轉(zhuǎn)換器動，可得到該系統(tǒng)于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的震蕩周期及臨界增益(Tu及Ku)，在用下表3-1PKpKuKKTDTIStep2:讓Relay做On-Off動作，將系統(tǒng)擾動(On-Off動作，將以±1做模擬)，如下圖3-5所示。ck(3-1)4(3-1)aa：振幅大小d：電壓值命令+P控制器最終控制元件輸出被控對象感測與轉(zhuǎn)換器蕩增益Kv，之后震蕩周期也可算出來，只不過在線調(diào)整實(shí)務(wù)上與系統(tǒng)仿真差別在于在線調(diào)整法在計(jì)算機(jī)做仿真看a求KU)，如下圖3-11所示：+命令輸出+命令轉(zhuǎn)移函數(shù)K(1++Ts轉(zhuǎn)移函數(shù)PTsDs受控系統(tǒng)受控系統(tǒng)1轉(zhuǎn)移函數(shù)技巧在第三章已敘述過，接下來是要把辨識出來的轉(zhuǎn)移函數(shù)用在反饋控制圖，之后應(yīng)用系統(tǒng)辨識的經(jīng)驗(yàn)公式Ziegler-Nichols第二個(gè)調(diào)整法求出PID值，如下表ntrollerKPTDTI11aaaaaPL2經(jīng)驗(yàn)公式修正后之值kk0.632kLTaT’T”LaT"K+aLa=T"L(K+a)aLaLaKT"LKT"L(3-2)法及根軌跡法PID參數(shù)的整定主要是基于系統(tǒng)辨識及Ziegler-Nichols調(diào)整法則，所以在此不用波德PID在TransportDelay模塊中設(shè)定滯后時(shí)在本設(shè)計(jì)中，400秒到430秒之間加入一個(gè)+50的干擾(暫態(tài)干擾)，如下圖曲線PID使在k快恢復(fù)到目標(biāo)值。基于模糊模型參考學(xué)習(xí)控制的焦?fàn)t溫度控制.化工自動化及儀表[J].2008.先,等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.iecontrolinmicrowavecombinationovensJJouraloffood,46;21-29.定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析---MATLAB語言應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2000.張春鵬.PID溫控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)探討.職業(yè)教育研究[M].2011(2)45-48.開始寫論文以及最后的修改和裝訂成冊這幾個(gè)階段。每個(gè)階段工作的完成都使我在各 (MATLAB)。為了很好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，我經(jīng)常上網(wǎng)搜集各種資料文獻(xiàn)，向指導(dǎo)老師和各位同學(xué)請教，并且翻閱以前的課本、筆記，熟悉之前學(xué)過的相關(guān)知識。這些不了解，也使知道了在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立中借助好的軟件包的重要性及未來的過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，我在各方面都有了很大的進(jìn)步。特別是將大學(xué)所學(xué)的專業(yè)理心和更美好的憧憬。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我得到了馬中武老師的悉心指導(dǎo)和幫助。在我遇到困難時(shí)，他們總是及時(shí)地幫助我理清思路解決困惑，最終跨過了一個(gè)又一個(gè)障礙，順利地完成nttaanalysisandnumericcomputationlemsfasterthanwithtraditionalprogramminglanguagessuchasCC+,andFortran.ationsincludingsignalandimagementfinancialmodelingescollectionsofspecialMATLABenvironmenttorclassesofproblemsintheseapplicationareasrkthotherlanguagesandapplicationsandMATLABalgorithmsandapplicationsoductionTheMATLAB?environmentiswellsuitedtorapidprototypingandapplicationdevelopment.Theinteractiveprogrammingenvironment,built-inmathfunctions,toolboxes,editinganddebuggingtools,anddeploymentoptionsallcontributetoreducingyouroveralldevelopmenttime.Byusingthebuilt-inmathfunctionsandthemanyspecializedfunctionscontainedwithinourtoolboxes,MATLABcansignificantlyreducethetimeittakesyoutodevelopprototypes.Inadditiontointegratededitinganddebuggingtools,MATLABprovidesaperformanceprofilertohelpyoufurtheroptimizeyourcodewhenprogramminginMATLAB.BuildingapplicationsaroundcomplexalgorithmsandgraphicsiseasierthaneverwiththeGUIbuilder,GUIDE.GUIDEwasredesignedinMATLAB6tosaveyoutime.Itoffersallthedraganddropinterfaceoptionsyouwouldexpect,suchastextboxes,radiobuttons,checkboxes,listboxes,sliders,pop-upmenus,framesandmore.Whenyou'rereadytodeployyourapplication,theMathWorksoffersanumberofdifferentoptionsthatallowyoutoeitherconvertorinterfaceyourMATLABapplicationtootherenvironmentsincludingC/C++andtheWeb.MATLABisthemostproductivedevelopmentenvironmentforcreatingscientificandengineeringapplicationsbecauseitofferspowerfultoolsforeverystepintheprocesstoreduceyouroveralldevelopmenttime.reusestationModelingsimulationandprototypingDataanalysis,exploration,andvisualizations?Applicationdevelopment,includinggraphicaluserinterfacebuildingandgeneratesCorCsourcecodeorPdsofsourcecodeCorCsourcecodeforcombiningwithothermodulestoformstand-aloneapplicationsStandaloneapplicationsdonotrequireMATLABatrun-time;theycanrunevenifMATLABisnotinstalledontheend-user’ssystem.Csharedlibrariesdynamicallylinkedlibraries,orDLLs,onMicrosoftWindows)andC++staticlibraries.ThesecanbeusedwithoutMATLABontheend-user’ssystem.nsjectModelobjectsandMATLABsionstranslateintoCwithnoeffortveryoftentheMATLABresomedifferencesinsyntaxofcoursebutitisimportanttorealizethattheCinterfaceissubstantiallythesameastheM-fileinterface.ationandbuildprocessyanoptionsfilethatletsyouSetyourcompilerandlinkersettingsChangecompilersorcompilersettingsSwitchbetweenCandC++developmentATLABCompilermccautomaticallyinvokesmbuildundercertainconditionssmbuildtoperformcompilationandlinkingcturethatallowsomponentsGenerallybythestaticlinkfromthetandardsthecodeoncevelopmentEvenifthesamelicationswillalsofaceheprogramminglanguagecompatibilitypeofsoftwareCOMasystemtoallowdifferentsoftwareedevelopmentofthecodecanbeofbinarycodeIntheCOMworldtherentThesecomponentsinstrictvenifthelanguageisdifferentfromanbeperfectlycompatiblethenctionsForthesecomponentsthewfeatureswillnotdamagethefunctionoftheoriginal.orCOMobjectCOMeobjectCobjectisapracticalproblementTheCOMprovidesabinarycodecanbesharedindustrystandard.oretechnologyoftheWindowsoperatingsystemheoreticallyCOMcanbecrossplatformButalmostallcurrentapplicationsareintheCOMunderWindowsoperatingsystemIngeneralCOMobjectscanbeintwoformatsoneistheformofCOMDLLintheactualcallthecomponentcodewasincludedintheprocessofapplicationssothatCOMcomponentsarealsoreferredtoastheprocessofinsideinproccomponentsAnothercomponentisaWindowsexecutablefileExefiles).chcomponentsinpracticalapplicationscanrunonitsownindependentprocesssoledprocesscomponentsoutofproccomponentsMATLABCompilergeneratedDLLfilesareCOMobjects,thatis,theprocesscomponents.relyonaparticularprogramminglanguageThismeansthattheomponentsCOMcomp