PID毕业设计资料讲解.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。PID毕业设计-摘要本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，利用虚拟仪器技术,采用LabVIEW图形编程环境,设计了一个数字PID程序,用于

2、仿真PID控制规律。可以通过改变P、I、D参数和设定值，观察不同情况下的控制曲线，或在同样参数情况下比较位置型PID与增量型PID的控制效果。关键词：PID参数整定；PID控制器；LabVIEW；PIDcontrollerdesignbasedonLabVIEWSummaryDesignoftemperaturecontrolsystemforthestudyofthispapersaPIDcontroller.PIDcontrolmethodofcontrolisbyfarthemostcommon,mostofthefeedbacklooptocontrolthemethodoritssm

3、allerdeformation.PIDcontroller(alsoknownastheregulator)andimprovedthusbecamethemostcommonindustrialprocesscontrolcontroller(sofarintheworld84%isstillpurePIDregulatorusedinprocesscontrol,improvedincludedinmorethan90%).InthedesignofPIDcontrollers,tuningisthemostimportant,withtherapiddevelopmentofcompu

4、tertechnology,mostofthetuningofPIDparameterswiththehelpofanumberofadvancedsoftware,theuseofvirtualinstrumenttechnology,usingLabVIEWgraphicalprogrammingenvironment,designadigitalPIDprocess,PIDcontrolforsimulation.Bychangingp,I,dparametersandsettings,observingthecontrolcurveofdifferentsituationsorinth

5、esameparametercomparisonlocation-incrementalPIDandPIDcontrol.Keywords:PIDparametertuning;PIDcontroller,LabVIEW;一、PID控制简介1.1PID控制简介当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统，PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PI

6、D控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为公式（1-1）公式（1-1）因此它的传递函数为公式（1-2）公式（1-2）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间

7、常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或

8、PID控制器。PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多控制过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子，在工

9、厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自

10、整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。但仍不可否认PID也有其固有的缺点：PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简

11、单的有时却是最好的控制器。二、控制系统构成对控制对象的工作状态能进行自动控制的系统称为自动控制系统，一般由控制器与控制对象组成，控制方式可分为连续控制与反馈控制，即一般所称，开回路与闭回路控制。连续控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响，也就是说，控制端与控制对象为单向作用，这样的系统亦称开回路系统。反馈控制是指将所要求的设定值与系统的输出值做比较，求其偏差量，利用这偏差量将系统输出值使其与设定值调为一致。反馈控制系统方块图一般如图2-1所示：比较组件控制器被控对象感测与转换图2-1反馈控制系统方块图2.1PID控制将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较，用输出信号源(2-10v或4-2

12、0mA)去控制最终控制组件。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60年的历史了，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主要和可靠的技术工具。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，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠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的参数的时候，便最适合用PID控制技术。2.2比例、积分、微分1. 比例图2-2比例电路公式（2-1）2.

13、 积分器图2-3积分电路公式（2-2）图2-4微分电路3. 微分器(式2-3)实际中也有PI和PD控制器。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，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中如公式（2-4）和（2-5）:u(t)=Kp(e(t)+Td+)公式（2-4）U(s)=+E(s)公式（2-5）公式中U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，其中、分别为控制器的比例、积分、微分系数142.3、控制1.比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerr

14、or）。2.积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3.微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（即误差的变化率

15、）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的

16、控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。三、连续PID调节器与数字PID控制器3.1连续型PID调节器调节器的作用是把给定值和测量值进行比较，算出偏差后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调节。掌握一个调节器的特性，最首要的问题是弄清楚它具怎样的调节规律，也就是它的输出量与输入量之间具有什么样的函数关系。调节器中最简单的一种是两位式调节器，它的输出仅根据偏差信号的正负，取0或100%两种输出状态的一种，这种调节器的使用优点是执行器特别便宜，例如用一个开关便可控制电炉的温度。但这种调节器的输出只有通、断两种状态，调节过程是一种不断做上下变化的振荡过程，借助调节对象自身

17、热惯性的滤波作用，使炉温的平均值接近于设定值，所以只能用于要求不高的场合。要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器，并通过采用比例、微分、积分（PID）等算法提高调节质量。在自动调节系统中使用比例调节器时，只要被调量偏离其给定值，调节器会产生与偏差成正比的输出信号，通过执行器使偏差减小。这种按比例动作的调节器，能及时有力的对干扰起到抑制作用，使误差减小，在生产上有一定的应用。但它有一个不可避免的缺点即有静态误差的存在，一旦被调量偏差不存在，调节器的输出也就为零，即调节作用是以偏差的存在作为前提条件的。所以使用这种调节器时，不可能做到无静差调节。积分调节器的有突出优点，只要被调量存

18、在偏差，它的输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。单纯的积分调节也有其弱点：动作过于迟缓，不能及时地有效地克服扰动的影响，调节不及时，造成被控量超调量增加，使调节的动态品质变坏，过渡时间延长，甚至造成系统不稳定。同时使用上面的两种调节规律，把比例作用的及时性与积分作用消除静差的优点结合起来，组成比例积分作用的调节器，简称为PI调节器。单纯的微分调节器也有严重的不足之处，它对静态偏差毫无抑制能力，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，组成比例微分作用的调节器(简称PD调节器)

19、，或比例积分微分作用的调节器(简称PID调节器)。在比例、积分、微分这3种调节器中，微分作用主要用来加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡；积分作用主要用以消除静差。将比例、积分、微分3种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要3种作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。3.2理想PID控制算法图3-1PID控制系统框图:式中，比例增益，与比例带成倒数关系，即；u(t)控制量；e(t)系统的控制偏差；积分时间；微分时间。数字式PID控制算法是模拟控制系统PID控制规律的数字化形式。为了用程序实现PID控制规律，必须将微分方程离散化为差分方程，故需要作如下近似：式中，T采

20、样周期。为使算式简便，把e(kT)记为e(k)。根据输出量表达方式的不同，理想PID控制算法的表达式可以分为位置式、增量式和速度式三种。1. 位置式在数字控制系统中，偏差经PID运算后，如果调节器的输出表明了调节阀开度(位置)的大小，则此时的数字PID算式称为位置式算式。差分方程：或积分系数；微分系数。就是理想PID控制的位置式算式，它的输出u(k)同调节阀的开度(位置)是一一对应的。2.增量式在数字控制系统中，偏差经PID运算后，如果调节器的输出表明了调节阀开度(位置)的改变量，则此时的数字PID控制算式称为增量式算式，即：u(k)=u(k)-(k-)上式表明增量式算式的输出为相邻两次采样时

21、刻所计算的位置值之差。由上面可知：可得：或者这就是理想PID控制算法的增量式算式，其输出u(k)表示阀门开度的增量。由于增量式算法输出的是增量，所以在系统自动切换时的冲击较小。另外，即使偏差长期存在使执行器达到极限位置，但只要偏差换向，输出增量u(k)也立即换向，使输出脱离饱和状态，减小了发生积分饱和的危险。增量式算法的另外一个优点是计算机误动作对系统产生的影响较小。因为增量式算法具有这些优点，所以它在数字控制系统中得到了最广泛的利用。3.速度式在数字控制系统中，偏差经PID运算后，如果调节器输出表明的是直流伺服电机转动速度，则此时的数字PID算式称为速度式算法。将上式两边同除以采样周期T得：

22、上式为理想PID控制的速度式算式，输出v(k)表示直流伺服电机的转速。为了能够准确的复现输入信号，采样周期应该足够的小，或者说采样频率不能过低。根据香浓采样定理，采样频率大于等于输入信号所含的最高频率的两倍。从提高信号精度和控制性能的角度来考虑，采样周期应该越短越好，但缩小采样周期也就意味着增加计算机的工作负担。要从技术和经济两个角度综合考虑采样周期的大小，每个控制回路应该选择一个最佳的采样周期，既要满足精度要求，又不能使计算机的负担太重。影响采样周期的因素:1.对象的扰动信号频率越高，则采样频率也应提高，即减小采样周期；2.当对象的纯滞后较大时，采样周期可以适当增大，但不能大于纯滞后时间；如

23、果纯滞后或容量滞后不太显著，则可以选择采样周期接近对象的时间常数；3.系统控制的回路数量越多，则采样周期应该越大；4.用户对控制质量的要求越高，采样周期越小；5.A/D转换器的转换速度直接限制采样周期的大小；6.如果选择PID控制算法，应该综合积分时间、微分时间的整定来考虑采样周期。四、数学模型的建立在控制系统的分析与设计中，首先要建立系统的数学模型。控制系统的数学模型是描述系统内部物理量或变量之间的数学表达式。在静态条件下即变量各阶导数为零，描述变量之间关系的代数方程叫静态数学模型；而描述变量各阶导数之间关系的微分方程叫动态数学模型。4.1连续系统的数学模型的建立连续系统的模型如图所示：图4

24、-1连续系统模型D(s)PID控制器G(s)被控对象4.2离散系统数学模型的建立计算机控制系统的设计方法有两种。一种是将连续域设计好的PID控制规律D(s)利用不同的离散化方法变换为离散控制律D(z)，称为“等价离散化设计”方法。另一种方法是在离散域上先建立被控对象的离散模型G(z)，然后直接在离散域进行控制器设计，称为“直接设计”方法。其经典设计方法包括z域根轨迹设计，以及频率域设计，最小拍系统设计等。“等价离散化设计”方法缺点是，系统的动态性能与采样周期的选择关系极大若采样周期取得较大，离散后失真大、系统性能难于达到要求，而“直接设计”方法控制器已经是离散的直接避免了离散化误差。此外，采样

25、周期可以不必选定太小，这种方法是在给定采样周期下进行设计的，可以保证系统性能在选定的采样周期下达到品质指标要求。本章主要研究控制周期对离散系统的影响，控制周期是不确定的，因此需要采用“等价离散化设计”方法下的建模方式。4.3“等价离散化设计”方法下的简化模型文献6提出了一种“等价离散化设计”方法下的简化模型。常规模拟控制器被计算机及其相应的信号变换装置所取代。对原连续控制系统进行改造时，最方便的方法是将原来的模拟控制规律离散化，变为数字控制算法，然后在计算机上编程实现。“等价离散化设计”方法实质是将数字控制器部分（A/D、计算机和D/A）看成是一个整体，它的输入R(t)和输出u(t)都是模拟量

26、（见下图），因而可以等效为连续传递函数De(s)。这样计算机系统仍可视为控制器为De(s)的连续控制系统。图4-2“等价离散化”系统模型A/D：不考虑量化效应，A/D本质上是一个理想的采样开关，其输入输出关系可表示为：由于系统的低通特性且采样频率Ws较高。A/D频率特性可近似为：。D/A：D/A的本质可以抽象为零阶保持器。考虑到低通特性且采样频率较高，其频率特性可以近似为：等效传递函数的频率特性可以近似为：其传递函数可以写为：其中为数字算法D(z)的等效传递函数，为A/D和D/A合起来的近似环节，它主要反映了零阶保持器的相位滞后特性。由于不是有理分式，实际设计时可用一阶泊松近似代替：这样原离散

27、的计算机控制系统就可以等效为下图所示的连续结构。图4-3离散控制系统连续结构等效图4.4计算机控制系统典型结构文献6所构建的模型，对A/D和D/A的简化以及对的一阶泊松近似都是基于采样频率较高的情况下进行的，该模型所要求的采样周期必定较小。这样不利于研究控制周期Ts的稳定域。而且该模型构建中采样频率的选择也没有考虑到系统大滞后所带来不利的影响。先将A/D抽象为理想采样开关，将D/A等价为理想采样开关和零阶保持器，考虑到工业控制系统可以近似为一阶时滞模型，系统中取控制周期等于采样周期，即采样一次控制一次。建立系统的模型如下图所示：图4-4计算机控制系统典型结构图D(s)PID控制器H(s)零阶保

28、持器G(s)被控对象五、用于显示PID控制规律的LabVIEW程序设计5.1LabVIEW程序设计简介使用LabVIEW开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序,简称为VI。VI包括三个部分:程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量,用于模拟真实仪表的前面板;每一个程序前面板都对应着一段框图程序,框图程序用LabVIEW图形编程语言编写,可以把它理解成传统程序的源代码;图标/连接器是子VI被其他VI调用的接口。5.2LabVIEW程序前面板设计首先打开LabVIEW8.6新建一个VI程序,在前面板上右击鼠标,从弹出的Controls模板中选择ChartWavefor

29、mChart,标注为“PID控制器输出”,将曲线图例拉长至能显示四个图例,分别标注为实测值、设定值、PID响应,并分别选择线型和线条色彩。用同样的方法选择四个NumericNumericContral,分别标注为比例增益Ki、积分系数Kd、微分系数Kp和设定值。再选两个显示控件，分别标注为e（k）和e（k-1）。最后加一个控制选择开关。如图表1所示。5.3LabVIEW程序框图设计在前面板上点击WindowShowBlockDiagram,弹出程序框图。在流程图中放置一个While循环(FunctionsStructures),在While循环中放置一个模拟温度采集的Subvi作为PID调节器

30、的实测值。让它与前面板放的设定值做差，用两组移位寄存器依次将偏差传递。偏差分别于比例增益，积分增益，微分增益相乘，再用一个加法复合运算器输出。波形输出用捆绑簇后在一个WaveformChart中动态显示。如图表2所示。其中温度采集的Subvi的前面板和框图分别如下：六、数字PID控制器仿真结果与比较打开设计好的LabVIEW程序,在前面板上分别设置比例增益Kp、积分增益Ki、微分增益Kd和设定值的大小。各项参数设置好以后,点击运行按钮就可以得到如下图所示的响应曲线。我们可以改变设定值及PID参数观察不同的输出曲线。具体曲线见附页前面板截图。为了比较位置型和增量型的控制效果，我们把两者的参数均设

31、置为Kp=1，Ki=0.01Kd=1，设定值均为80，比较两个控制器输出曲线。综上，由于虚拟仪器采用软件代替硬件，实现仪器的信号处理、结果表达和仪器控制，构建测试系统的硬件大大简化，测试成本大幅度降低。完全用软件就能实现我们想要的目的，而且比实际仪器准确，快速。从图中可以看出，增量型算法不需要累加，输出值基本在0附近波动，而位置型的输出在60到80之间变化。控制增量u(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果。控制器每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，使误动作等影响较小，保证工业生产的安全。而且手动自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到

32、无扰动切换。七、参考文献1LabVIEW高级程序设计，杨乐平等主编，清华大学出版社2佚名.PID调节概念及基本理论.2006,中国自动化网.3沈金钟.PID控制器:理论.调整与实现.台中市:沧海书局出版社,2001,68-74.4陶永华.新型PID控制及其应用.北京:电气自动化新技术丛书,2002年2版,131-140.5周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.北京:化学工业出版社,2002年：20296顾德英.计算机控制技术.北京：北京邮电大学出版社，2006年：105107致谢本文是在张华讲师的指导下完成的。非常感谢张华讲师的指导，张老师在科研中高标准、严格要求的学术形象给我留下了深刻的印象，对待工作认真负责的态度永远值得我学习。非常留恋与同学一起学习工作的日子。非常感谢同学给我的帮助和支持，感谢自动化专业同学在我做毕业设计期间给予我的帮助。永远怀念与大家一起度过的美好时光。最后向我的家人献上深深的谢意。再一次向所有给我关心和帮助的老师、家人、同学和朋友表示衷心的感谢-