2022年基于继电反馈PID控制器参数整定应用.docx

精品学习资源课程设计题目一：基于继电反馈的PID 掌握器参数整定与应用姓名：王培培学号： 04071637班级：自动化 07-10 班欢迎下载精品学习资源基于继电反馈的 PID 掌握器参数整定与应用王培培摘要： 常规的 PID 参数整定都是由人工完成的,因而存在着人工整定自身所不能克服的缺点 ,基于继电反馈的 PID 参数自整定技术有效地克服了人工整定的缺陷 .本文说明白 PID 参数自整定的意义，基于继电反馈PID 参数整定的原理，并将基于继电反馈PID 参数整定方法在 MATLAB环境中进行仿真，挑选一种生产过程进行应用分析；挑选51 单片机，设计出运算机掌握系统的主要电路结构；在对继电反馈自整定技术阐述的基础上,指出了今后的进展趋势和讨论方向； b5E2RGbCAP关键词： 自整定MATLAB/Simulink 仿真 PID继电反馈Abstract: The conventional PID parameter tuning by manually done, so there isp1EanqFDPwone neat set itselfcan notovercome theshortcomings, based onrelay feedbackDXDiTa9E3dfor PID parameter self-tuning technology to effectively overcome the people neatRTCrpUDGiTset ofdefects. Thisarticledescribes the PIDparameters the significance of5PCzVD7HxAself-tuning, based on relay feedback principle of PID parameter tuning, and PIDjLBHrnAILgparameters basedonrelayfeedbacktuningmethodintheMATLABenvironmentxHAQX74J0Xto simulate the process to choose a production application analysis. Select 51,designed the main computer control system circuit. In the relay feedbackauto- tuning technique based on the set that the future trends and reseaLrDcAhYtRyKfE directions；Key words:self-tuningMATLAB/ Simulink simulationPIDrelayfeedbackZzz6ZB2Ltk欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源一、引言 4二、 PID 参数自整定的意义4三、基于继电反馈PID 参数整定的原理 5 1.继电特性分析 52. 描述函数法 73. 继电特性的挑选 8 4.反馈算法 9四、基于继电反馈PID 参数整定方法在 MATLAB环境中进行仿真 10五、继电负反馈 PID 自整定在温度掌握中应用及单片机实现121.简述 123. PID 数字算法 124. 硬件部分 135. 软件部分 15六、继电反馈自整定方法的讨论趋向18七、小结 18八、参考文献 19欢迎下载精品学习资源一、引言比例积分微分 <PID）是在工业过程掌握中最常见的一种掌握算法；由于 PID 掌握算法简洁、在实际中简洁被懂得和实现，因此它被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程掌握系统中，很多高级掌握都是以 PID 掌握为基础的；但 PID 参数的整定一般需要体会丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID 参数的整定有肯定的难度，致使很多PID 掌握器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人中意的状态，因此讨论自整定PID 掌握具有重要意义；dvzfvkwMI1二、PID参数自整定的意义PID 掌握是最早进展起来的掌握策略之一；由于其算法简洁，鲁棒性好和牢靠性高被广泛应用于工业过程掌握；在PID 掌握中；一个至关重要的问题是PID 参数<比例系数、积分时间、微分时间 >的整定；参数整定的优劣不但会影响到掌握质量，而且仍会影响到掌握系统的稳固性和鲁棒性；而实际工业生 产过程往往具有非线性、时变等不确定性干扰；常规PID 掌握器常常显现参数整定不良、掌握性能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情形；针对以上问题，长期以来，人们始终在寻求 PID 掌握器的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的掌握要求；模糊掌握是一类应用模糊集合理论的掌握方法，不需 要被控对象的精确数学模型，因而特殊适用于一些大滞后、时变、非线性的复 杂系统； rqyn14ZNXI由于PID掌握器算法简洁，尽管工业自动化飞速进展，PID掌握技术仍旧是工业过程掌握的基础；依据日本有关调查资料显示，在现今使用的各种掌握技术中， PID掌握技术占 84.5%，优化 PID掌握技术占 6.8%，现代掌握技术占1.6%，手动掌握占 6.6%，人工智能掌握技术占 0.6%；假如把 P. 掌握技术和优化PID掌握技术加起来，就占到了 90%以上；而本人指出，工业过程掌握中， 95%以上的回路具有 PID结构；因此，可以毫不夸张地说，随着工业现代化和其他各种先进掌握技术的进展， PID 掌握技术仍旧不过时，并且他仍占着主导位置；Pm 掌握一个大型的现代化生产装置的掌握回路可能多达一二百甚至更多，但PID参欢迎下载精品学习资源数复杂繁琐的整定过程始终困扰着工程技术人员，所以，讨论PID参数整定技术就具有了特别重大的工程实践意义；整定的好坏不但会影响到掌握质量，而且仍会影响到掌握器的鲁棒性；此外，现代工业掌握系统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变，使得原整定参数无法保证系统连续良好的工作，这时就要求PID掌握器具有在线修正参数的功能，这是自从使用 PID掌握以来人们始终关注的重要问题之一；EmxvxOtOco三、基于继电反馈 PID参数整定的原理1. 继电特性分析继电反馈系统结构图如下列图是一个继电反馈系统，其中 Gp是被控对象的传递函数， y是掌握器输出， r 是设定点， e是偏差， u是操作的输入，反馈回路中放置一个幅值为d的继电环节； Astrom和Hagglund的继电反馈试验就是基于这样的观看: 当输出滞后输入一: 弧度时，闭环系统将以周期振荡；图 2.2 就显示了继电反馈系统是如何工作的；开头输入为，当输出开头增加，继电输出切换到相反的方向，；由于相位延时是一 : ，所以产生了一个周期是的极限振荡；因此，从继电反馈试验测得的极限频率；是 : SixE2yXPq5欢迎下载精品学习资源从傅立叶级数绽开的观点来看，可以认为幅值a 是继电输出的主谐波；因此极限增益可以近似的认为是 :其中 d 是继电的高度，而a 是振荡的幅值；这两个值可以直接用来找到掌握定；留意到这两个方程给出的是；和的近似值；更精确的表达式将在下文推导得出；继电反馈实验可以手动执行 不需要任何的自整定掌握器>；过程如下 :6ewMyirQFLl> 将系统带入稳固状态；2>在操作量上产生一个特别小的增量 比如 5%>；转变的幅值依靠于过程的敏锐性和掌握输出所答应的偏移量；典型的值一般在3 一 10%之间； kavU42VRUs3>输出一旦穿过设定点，操作的输入就切换到相反的方向 如初值的一5%>；4>重复步骤 2 直到观看到连续的振荡为止；5>读出极限周期并从方程中运算出；这个过程是特别简洁有效的；在物理上，它意味着逆着过程的输出来操作欢迎下载精品学习资源掌握量；一个具有正稳态增益的系统；当增加输入 如步骤 l> ，输出 y 也趋于增加；当观测到输出的转变时，将输入切换到相反的方向；这意味着将输出带回输入点；然而，当输出一到输入点，就将输入切换到向上的位置；结果，产 生了一个振荡幅值可控 通过调整>的连续振荡；而且更重要的是，在大多数的情形下可以通过输出的振 荡信号获 得整定出； 掌握器 所需要的信 息；y6v3ALoS892. 描述函数法描述函数法是把继电近似为“等价”的线性定常系统；为此，假定输入为一正弦曲线 :；第一继电是标准的情形下，继电输出将是一个频率为，幅度与继电宽度相等的方波，用傅立叶函数说明，周期函数可以如下表示 : M2ub6vSTnP而继电的描述函数 Na>，可以简化成的基波成分与输入正弦曲线的幅度之比，即在继电反馈用描述函数分析中，自鼓励的幅度和频率响应在振荡频率点处的估量值为：继电用一个近似的线性等价描述函数也假定了，就可以给出对象的频率响应 0YujCfmUCw女口上的描述函数分析中假设的奈氏曲线与实轴在的处相交，而对像的奈氏曲线与负实轴的交点称为临界点，定义对象的临界点频率为如下: eUts8ZQVRd欢迎下载精品学习资源因此我们可以估量临界点频率 和临界增益 ：试验设定时，标准继电只需调整一个参数，继电输出的幅值；较大的值会对对象产生较大的鼓励因此更简洁辨识；而另一方面，较大的信号会使输出偏离给定值更大，这一点就不是我们所期望看到的；如处理辨识中常遇到的问题一样， 的选取应介于辨识与掌握性能两者之间，在很大程度上依据对象输出的测量噪声大小；为爱护常电的开关和估量抗干扰的鲁棒性，用一个对称的带适当滞后的继电取代标准继电是 sQsAEJkW5T的，这样的系统对噪声的灵敏度会减小；在这种情形下，继电的负描述函数的倒数象的奈氏曲线相交 :3. 继电特性的挑选抱负继电特性环节对噪声反应极其敏锐，因此这种方法不适合用于强白噪声的场合；使用带有滞环的继电特性环节以克服上述特点；继电环宽度是需要在系统进入振荡前设定的数值，应考虑下面三个因素 : GMsIasNXkAl> 滞环宽度 : 应大于系统噪声带幅值，防止切换点抖动；2>振荡应有肯定幅值，但必需在答应范畴内，振幅是随和纯滞后时间 L 的增欢迎下载精品学习资源大而增大，当 L 较小时，振幅接近于 ；3>当对象存在纯滞后时，振幅仍随 u 的增大而增大；大量仿真讨论说明，继电器特性挑选遵循以下原就 : l> 滞环宽度 的选定：设干扰噪声的幅值为 Nm，就 : 必需满意大于噪声的最大幅值，即以保证稳固的等幅振荡；2>继电特性幅值 u 的挑选应满意其中:K 为开环对象的静态增益， 为权系数；4. 反馈算法继电自整定结构示意图产生周期 T 的等幅振荡，临界点的角频率为:u 的幅值幅值为继电特性的幅值d ，假如掌握对象的输出y 的振荡幅值为 a，就过程对象在这个频率点的幅值近似为: TIrRGchYzg欢迎下载精品学习资源Z-N正定规章四、基于继电反馈 PID参数整定方法在 MATLA环B 境中进行仿真设有一单位反馈系统 , 其开环传递函数为 :开关打到继电器上：，欢迎下载精品学习资源把开关打到 PID 调剂器上：欢迎下载精品学习资源五、继电负反馈 PID自整定在温度掌握中应用及单片机实现1. 简述采纳保持器数字调剂器零阶保持器执行机构被控对象参数测量与变换2锅炉内温度掌握锅炉内的温度掌握工艺图如下：TCTT3.PID 数字算法单片机是一种采样掌握，它只能依据采样时刻的误差值运算掌握变量，不能直接运算公式中的积分项和微分项，采纳数值运算法靠近后，PID的调剂规律可以通过数值公式：lzq7IGf02E在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量， 因此它需要精确地加以掌握；除了这些过程之外，温度掌握系统仍广泛应用于其他领域， 是用途很广的一类工业掌握系统；温度掌握系统常用来保持温度恒定或者使温度依据某种规定的程序变化；温度掌握系统的原理图如下图所示： 7EqZcWLZNX运算，假如采样取得足够小，这种靠近可相当精确，被控过程与连续过程欢迎下载精品学习资源特别接近；我们变换上式得：把代入上式得式中，是设定值，第 i 次实际输出值，为比例系数，积分系数I=，微分系数 D=，T 为采样周期用PID掌握算法实现锅炉温度掌握是这样一个反馈过程：比较实际炉温顺设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得掌握信号，再去调剂炉子的加热功 率，从而实现对炉温的掌握，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中睁、缸 f 和施的挑选取决于电阻炉的响应特性和实际体会；本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，运算出偏差 ei ，然后分两种情形进行运算掌握变量： zvpgeqJ1hk1>e i 大于等于设定的偏差 e时，由于积分掌握器使系统响应速度变慢，不采纳积分掌握器调剂，直接使用PD调剂，获得比较快的动态响应，运算雕和印，最终得到掌握量获得比较快的动态响应；2>e i小于设定的偏差 e 时，正常的分别运算，然后依据算法公式运算出掌握变量；4. 硬件部分欢迎下载精品学习资源键盘键入给上位机欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源报警电路温度测量单片机温度显示温度显示执行电路欢迎下载精品学习资源电炉欢迎下载精品学习资源系统结构图功能概述：1>51 核单片机是单片机中最基本的产品，它采纳牢靠的 CHMO工S艺技术制造的高性能 8位单片机，属于标准的 MCS-51的HCMO产S品；它结合了 HMO的S 高速和高密度技术及 CHMO的S低功耗特点，它继承和扩展了 MCS-48单片机的体系结构和指令系统； NrpoJac3v12> 温度检测电路部份使用 555定时器和热敏电阻组成多谐振荡器，频率的大小跟随温度值的转变而转变，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率的大小，从而间接的测出温度值； 1nowfTG4KI3> 实时的给定温度等显示部分选用了 6只LED数码管，前三位显示实际温度，后三位显示设定温度，使用 74LS244三态锁存线驱动器作为数码管的驱动电路， 采纳动态扫描显示的方式进行温度显示；fjnFLDa5Zo4> 键盘输人部分使用 4× 4键盘，主要设 09的数字设定键，仍有几个功能键，如停止加热、开头加热、复位等，在实际应用中可便利地进行操作； tfnNhnE6e5 5> 温度掌握执行部份用一条 I O线与可控硅的掌握端相连接，并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间；采纳光耦元件 TLP521在掌握部分进行光电隔离， 此外采纳变压器隔离实现弱强电的电源隔离； HbmVN777sL本结构使用 80C51、DAC083、2 8279、数码管、键盘等；欢迎下载精品学习资源5. 软件部分欢迎下载精品学习资源开头系统初始化i=1按键扫描如有键按下i=6显示扫描加热扫描和 PC 机通信N完成100次循环？Y温度检测NY测温满3 次？数字滤波-i=0刷新显示温度主程序流程图欢迎下载精品学习资源自整定模块NF1=0？NF2=0.退出YN调剂规律为继电特性YYyn 稳固极限环振幅与周期测量NN测周期与幅值？N用继电负反馈法整定pid参数YY等幅震荡？F1=1N用迭代法整定参数调 PID 掌握算式F1=1退出PID 参数整定流程图MOV CX ,10 MOV SI ,00H CMPAPE:MOV DX ,FF7CH INBL,DX CALLDEL Y1 INAL,DX CMPAL,BL JNBCMPARE欢迎下载精品学习资源MOVSI+1000H,AL INCSIMOV100AH,ALCND六、继电反馈自整定方法的讨论趋向利用继电反馈方法不仅可以对过程对象进行辨识, 从而得到更为精确的掌握参数, 而且在被控对象参数转变较大的情形下 , 可以实现自动切换和重新整定 , 表现出极强的自适应性 . 这是常规 PID掌握器不行能具有的 . 因此, 从目前PID自整定技术的讨论和应用现状来看 , 以下4个方面将是今后讨论的热点： V7l4jRB8Hs 1>对不满意于产生极限环条件的对象进行讨论, 并使它们在一些不确定性的干扰和存在测量噪音的情形下 , 仍能通过继电反馈猎取更为精确的过程信息；83lcPA59W9 2> 以继电自整定策略为理论基石 , 综合考虑设定值跟踪、负载扰动抑制、快速响应、排除测量噪音、鲁棒性等因素 , 使整个系统的性能指标更好； mZkklkzaaP 3> 对不稳固的时滞对象或被控过程存在较大干扰情形下的掌握器设计进行深入讨论, 使其在设定值跟踪、抗干扰和鲁棒性方面的性能进一步提高, 并达到使用最小量的过程信息 , 以及采纳较简洁的操作方式就能设计出令人中意的掌握器的目的 ；AVktR43bpw 4> 突破传统 PID结构的限制 , 设计包括非线性 PID在内的一些新的 PID形式, 使PID系统性能指标得到全面提高；ORjBnOwcEd七、小结通过这次的课程设计，我们自己查找资料、学习相关学问，明白了PID参数自整定的意义，知道了基于继电负反馈PID参数整定的原理，将基于继电负反馈PID参数整定方法在 MATLA环B 境中进行仿真，挑选了一种比较简洁的生产过程欢迎下载精品学习资源进行分析及单片机实现，从中猎取很多学问；2MiJTy0dTT在设计过程中用到很多软件，如 proteus 、visio 和数学编辑器等，由于自己使用起来不是很娴熟，画出来的方框图、流程图、编辑的公式等都不是很美观，而且花费好多时间，仍要自己以后多练习，为其他地方使用这些做预备；gIiSpiue7A这次的课程设计历时太长，白天考试，晚上看资料，知道考完才花了成天时间做，在两个课题间徘徊不决，另一个做了一半感觉内容都学过了，应当从 这次作业中学点新东西，又换了课题，又连续了一段时间才做完；uEh0U1Yfmh对PID 自整定技术的讨论是为了更好地对工业过程进行掌握, 利用继电反馈方法不仅可以对过程对象进行辨识 , 从而得到更好的掌握器参数 , 而且在被控对 象参数剧烈转变的情形下 , 可以实现自动切换 , 重新整定 , 表现出极强的自适应性 , 这也是常规 PID 掌握器不行能具有的 .因此, 从目前PID 自整定技术的讨论和应用现状来看 , 以下几个方面将是今后讨论和实践的重点:对继电反馈技术作进 一步的探究和讨论 , 特殊对于那些不满意产生极限环条件的对象进行讨论, 并使它们在一些不确定性的干扰和测量噪声存在的情形下仍能通过继电反馈猎取更为精确的过程信息； 以继电自整定策略为理论基石, 对被控过程在设定值跟踪、负载扰动抑制、响应的快速性、测量噪声排除、鲁棒性和掌握器的非脆弱性几个方面进行合理地考虑 , 使整个系统达到更好的性能指标；需要对不稳定的时滞对象或被控过程存在较大干扰情形下的掌握器设计做深化讨论, 使其在设定值跟踪、抗干扰和鲁棒性方面进一步提高, 并达到使用最小量的过程信息及较简洁的操作就能设计出令人中意的掌握器的目的；由于传统的 PID 结构往往限制了系统性能的全面提高 , 因此需要讨论一些新的 PID 形式, 包括非线性 PID 以满意系统性能指标的要求； IAg9qLsgBX八、参考文献【1】何宏源 1 ,徐进学,金 妮， PID 继电自整定技术的进展综述，沈阳工 业 大 学 学 报，第 27 卷第4 期；WwghWvVhPE【2】刘太生， P ID掌握器参数自整定方法比较 ，国外建材科技 ，2005 年 第26 卷 第1 期【3】张建国，掌握器自整定技术的进展及实现，漳州职业高校学报欢迎下载精品学习资源【4】刘孙贤等，基于 MATLAB的PID 掌握器参数自整定的分析，湘潭师范学院学报 自然科学版 >【5】张开生，郭国法，单片机温度掌握系统的设计，中文核心期刊微运算机信息 嵌入式与 S O C >2005 年第21 卷第7 期asfpsfpi4k【6】盛珣华等，运算机掌握系统，清华高校【7】潘永湘，过程掌握与自动化外表，机械工业出版社【8】胡汉才，单片机原理及接口技术，清华高校【9】张小青， PID 参数自整定掌握在暖通空调系统中的应用【10】叶岚，基于继电反馈的 PID掌握器的参数整定，上海交通高校【11】欧阳磊，基于自整定 PID掌握器的温度掌握系统讨论，安徽理工高校欢迎下载