基于继电反馈的PID控制器参数整定与应用

1、课程设计 题目一：基于继电反馈的PID控制器参数整定与应用 姓名：王培培学号：04071637班级：自动化07-10班基于继电反馈的PID控制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. 本文说明了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，选择一种生产过程进行应用分析。选择51单片机，设计出计算机控制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, 指出了今后的发展趋势和研究方

2、向。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 isone neat set itself can not overcome the shortcomings, based on relay feedbackfor PID parameter self-tuning technology to effectively overcome the people neatset of defects. This article

3、 describes the PID parameters the significance ofself-tuning, based on relay feedback principle of PID parameter tuning, and PIDparameters based on relay feedback tuning method in the MATLAB environmentto simulate the process to choose a production application analysis. Select 51, designed the main

4、computer control system circuit. In the relay feedback auto-tuning technique based on the set that the future trends and researchdirections。Key words: self-tuning MATLAB / Simulink simulation PID relay feedback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51.继电特性分析52描述函数法73. 继电特性的选择84.反馈算法9四、基于继电反馈PID参数整定方法在

5、MATLAB环境中进行仿真10五、继电负反馈PID自整定在温度控制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研究趋向18七、小结18八、参考文献19一、引言 比例积分微分（PID）是在工业过程控制中最常见的一种控制算法。由于PID控制算法简单、在实际中容易被理解和实现，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控制系统中，许多高级控制都是以PID控制为基础的。但PID参数的整定一般需要经验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参数的整定有一定的难度，致使许多

6、PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态，因此研究自整定PID控制具有重要意义。二、PID参数自整定的意义PID 控制是最早发展起来的控制策略之一。由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高被广泛应用于工业过程控制。在PID 控制中。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控制质量，而且还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。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 控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情况。针对以上问题，长期以来，人们一直在寻求PID 控制器的自动整

7、定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法，不需要被控对象的精确数学模型，因而特别适用于一些大滞后、时变、非线性的复杂系统。由于PID控制器算法简单，尽管工业自动化飞速发展，PID控制技术仍然是工业过程控制的基础。根据日本有关调查资料显示，在现今使用的各种控制技术中，PID控制技术占84.5%，优化PID控制技术占6.8%，现代控制技术占 1.6%，手动控制占6.6%，人工智能控制技术占0.6%。如果把P.控制技术和优化PID控制技术加起来，则占到了90%以上。而本人指出，工业过程控制中，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

8、现代化和其他各种先进控制技术的发展， PID控制技术仍然不过时，并且他还占着主导地位。Pm控制一个大型的现代化生产装置的控制回路可能多达一二百甚至更多，但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，所以，研究PID参数整定技术就具有了十分重大的工程实践意义。整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外，现代工业控制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继续良好的工作，这时就要求PID控制器具有在线修正参数的功能，这是自从使用PID控制以来人们始终关注的重要问题之一。三、基于继电反馈PID参数整定的

9、原理1.继电特性分析 继电反馈系统结构图 如图所示是一个继电反馈系统，其中Gp是被控对象的传递函数，y是控制器输出，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察: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。开始输入为，当输出开始增加，继电输出切换到相反的方向，。因为相位延时是一:，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: 从傅立叶级数展开的观点来看，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

10、的高度，而a是振荡的幅值。这两个值可以直接用来找到控制定。注意到这两个方程给出的是。和的近似值。更准确的表达式将在下文推导得出。继电反馈试验可以手动执行(不需要任何的自整定控制器)。过程如下:l)将系统带入稳定状态。2)在操作量上产生一个非常小的增量(比如5%)。改变的幅值依赖于过程的敏感性和控制输出所允许的偏移量。典型的值一般在3一10%之间。3)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直到观察到持续的振荡为止。5)读出极限周期并从方程中计算出。这个过程是非常简单有效的。在物理上，它意味着逆着过程的输出来操作控制量。一个具有正稳态增益的系统。当增加输

11、入(如步骤l)，输出y也趋于增加。当观测到输出的改变时，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，在大多数的情况下可以通过输出的振荡信号获得整定出。控制器所需要的信息。2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: 。首先继电是标准的情况下，继电输出将是一个频率为，幅度与继电宽度相等的方波，用傅立叶函数解释，周期函数可以如下表示: 而继电的描述函数N(a)，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

12、析中，自激励的幅度和频率响应在振荡频率点处的估计值为：继电用一个近似的线性等价描述函数也假定了，则可以给出对象的频率响应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:因此我们可以估计临界点频率和临界增益：实验设定时，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激励因此更容易辨识。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希望看到的。如处理辨识中常碰到的问题一样，的选取应介于辨识与控制性能两者之间，在很大程度上依据对象输出的测量噪声大小。为保护常电的开关和估计抗干扰的鲁棒性

13、，用一个对称的带适当滞后的继电取代标准继电是的，这样的系统对噪声的灵敏度会减小。在这种情况下，继电的负描述函数的倒数象的奈氏曲线相交: 3. 继电特性的选择理想继电特性环节对噪声反应极其敏感，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: l)滞环宽度:应大于系统噪声带幅值，避免切换点抖动; 2)振荡应有一定幅值，但必须在允许范围内，振幅是随和纯滞后时间L的增 大而增大，当L较小时，振幅接近于； 3)当对象存在纯滞后时，振幅还随u的增大而增大。大量仿真研究表明，继电器特性选择遵循以下原则:l)滞环

14、宽度的选定：设干扰噪声的幅值为Nm，则:必须满足大于噪声的最大幅值，即以保证稳定的等幅振荡。2)继电特性幅值u的选择应满足其中: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 ，如果控制对象的输出y的振荡幅值为a，则过程对象在这个频率点的幅值近似为: Z-N正定规则四、基于继电反馈PID参数整定方法在MATLAB环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：，把开关打到PID调节器上：五、继电负反馈PID自整定在温度控制中应用及单片机实现1.简述在化工、石油、冶金等生产过程的物

15、理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的量，因此它需要准确地加以控制。除了这些过程之外，温度控制系统还广泛应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。温度控制系统的原理图如下图所示：2锅炉内温度控制锅炉内的温度控制工艺图如下： 3.PID数字算法单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式：计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。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

16、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控制算法实现锅炉温度控制是这样一个反馈过程：比较实际炉温和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制，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和施的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：(1)e i大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算雕和印，最终得到控制量获得比较快的动态响

17、应。(2)e i小于设定的偏差e时，正常的分别计算 ， ，然后根据算法公式计算出控制变量。4.硬件部分 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，它采用可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。(2)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改变而改变，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。(3)实时的给定温度等显示部分选用了6只LED数码管

18、，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，采用动态扫描显示的方式进行温度显示。(4)键盘输人部分使用4×4键盘，主要设09的数字设定键，还有几个功能键，如停止加热、开始加热、复位等，在实际应用中可方便地进行操作。(5)温度控制执行部份用一条IO线与可控硅的控制端相连接，并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间。采用光耦元件TLP521在控制部分进行光电隔离，此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。 本结构使用80C51、DAC0832、8279、数码管、键盘等。 5软件部分主程序流程图 PID参数整定流程图MOV CX ,10MO

19、V SI ,00HCMPAPE:MOV DX ,FF7CHIN BL,DXCALL DELY1IN AL,DXCMP AL,BLJNB CMPAREMOV SI+1000H,ALINC SIMOV 100AH,ALCND六、继电反馈自整定方法的研究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控制参数, 而且在被控对象参数改变较大的情况下, 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控制器不可能具有的. 因此, 从目前PID自整定技术的研究和应用现状来看, 以下4个方面将是今后研究的热点： ( 1)对不满足于产生极限环条件的对象进行研究, 并使它

20、们在一些不确定性的干扰和存在测量噪音的情况下, 仍能通过继电反馈获取更为精确的过程信息。 ( 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、消除测量噪音、鲁棒性等因素, 使整个系统的性能指标更好。 ( 3)对不稳定的时滞对象或被控过程存在较大干扰情况下的控制器设计进行深入研究, 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, 以及采用较简单的操作方式就能设计出令人满意的控制器的目的。( 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。七、小结通过这次的课程设

21、计，我们自己查找资料、学习相关知识，了解了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MATLAB环境中进行仿真，选择了一种比较简单的生产过程进行分析及单片机实现，从中获取很多知识。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熟练，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，还要自己以后多练习，为其他地方使用这些做准备。这次的课程设计历时太长，白天考试，晚上看资料，知道考完才花了整天时间做，在两个课题间犹豫不决，另一个做了一半感觉内容都学过了，应该从这次作业中学点新东西，又换了课题，又持续了一段时间才做完。对PID 自整定技术的研究是为了更好地对工业过程进行控制,利用继电反馈方法不仅可以对过程对象进行辨识,从而得到更好的控制器参数,而且在被控对象参数强烈改变的情况下,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 控制器不可能具有的. 因此,从目前PID 自整定技术的研究和应用现状来看,以下几个方面将是今后研究和实践的重点: 对继电反馈技术作进一步的探索和研究,尤其对于那些不满足产生