pid控制范文

导语：如何才能写好一篇pid控制，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：温度控制；模糊控制；控制算法；MATLAB仿真

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.264

1 pid控制

（1）PID的理论可行性。常规的PID控制系统原理框图如图1所示。

通常情况下，一个完整的PID控制器是由比例环节、积分环节和微分环节三个环节构成。比例调节实时地对系统中的实际值与给定值之间的偏差e（t）作出反应，可有针对性减小偏差；积分调节主要用于消除静态误差；微分调节用于反应系统偏差的瞬时变化趋势，可以有效改善系统的动态性能。

2 模糊PID控制

（1）模糊控制的基本原理。模糊控制是一种基于模糊逻辑的算法，其原理是，在控制过程中，对被控对象的状态进行模糊化，变为用人类语言描述的模糊量，之后根据实际控制经验制定的语言控制规则，再通过模糊推理，得到输出控制量的模糊值，最后在解模糊化模块中将控制量的模糊值转换为执行器能够执行的精确控制量，在控制中发挥作用。

模糊控制器由模糊化模块、知识库、模糊推理模块、解模糊化模块4个部分组成。

（2）模糊自整定PID控制。模糊控制具有2个极明显的优点：首先模糊控制可以依靠人们在生产实践中的控制经验，这种情况下完成控制任务就不用去建立被控对象的精确模型；其次，模糊控制的稳定性强，响应速度快、超调量小，适用于控制具有滞后性的系统。其缺点也是显而易见的，总结模糊控制规则比较困难，一旦规则建立不能在线更改，另外由于模糊控制器没有积分环节，因此稳态精度不高。

因此，采用模糊控制和传统的PID控制相结合，运用模糊自整定PID参数的方法进行优势互补，从而快速、精确地完成控制任务。模糊控制器根据输入量e和ec进行模糊推理，输出精确的PID控制参数KP、KI和KD，再由PID控制器对温室温度进行控制。

3 模糊PID控制在温控中的效果

试验中分别采取常规PID控制和模糊自整定PID控制两种方法，并分别记录下了最终的控制效果。统计温度计显示的数据，每30秒记录一次，并根据这一数据绘制出了控制效果图。

图2的（a）和（b）分别是设定温度为30℃时的常规PID和模糊自整定PID控制的温控效果图，通过分析发现，模糊自整定PID控制可以有效改善了常规PID控制的超调过大的问题，最终趋于稳定的时间也有所缩短，并且最终结果满足误差在±2℃范围以内的要求。

图3的（a）和（b）分别是设定温度为80℃时的PID和模糊自整定PID控制的温控效果图。通过比较图（a）和（b）可以看出，后者比常规PID控制的曲线显得圆滑，不那么突兀，超调量比PID控制要小，动态特性也相对较好。同时由于绝缘油与室温的温差较大，散热效果较好，降温所需时间明显减少。

4 结论

通过仿真分析，利用模糊自整定的PID控制进行温度控制与常规的PID控制相比，具有更好的鲁棒性和可靠性。它可以有效地实现在农业生产、生物发酵过程中对温度的精准控制，具有非常重要作用。

参考文献：

[1]李科.温控系统的智能PID控制算法研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[2]文科星.智能PID算法的研究及其在温度控制中的应用[D].上海：东华大学，2009.

[3]孟祥泉.PID参数自整定方法研究与控制器研制[D].大连：大连理工大学，2010.

[4]毛义敏，罗海福，张晶.一种PID参数模糊自整定控制器的设计与仿真[J].自动化与仪表，2001（03）：37-39.

篇2

【关键词】PID控制 过程控制 原理 应用

自PID控制诞生以来，在工业生产的过程中，已经成为使用最广泛的控制器，随着科技的进步，计算机科技不断发展，自动化控制技术也不断改进，电动、液动和气动PID控制器在过程控制的系统内，几乎有着垄断的地位，如今还是基本控制的方式之一，因为其能够适应大部分工业控制的要求，所以应用的范围依然广阔。

1 PID控制原理

PID控制的原理非常简单，就是借助负反馈部分获得系统误差，接着对不同环节控制的参数进行调节，把误差降低到零，进而实现控制的要求。一般来说，按照过程控制系统内控制的方法与执行的机构不同，其算法可以分成速度、增量和位置三种型号，在实际进行应用时，转速控制、液体的位置和阀门的开度变化就是与这些不同的类型相对应。

2 PID控制的环节

2.1 比例环节（P调节）

PID控制器输出的信号和偏差的信号之间是正比的关系，换句话说，只要存在偏差，其输出信号就立即和偏差有正比变化，所以P调节反应的速度会很快。这种调节方式能够对系统目前变化进行及时的反映，但是无法彻底消除整个系统内存在地偏差，所以实际进行控制的过程中，如果只使用比例调节，系统就会出现残差，Kp变大，系统的偏差会随之降低，但是实际上，Kp如果太大，就可能使系统变得不稳定。

2.2 积分环节（I调节）

控制器输出和偏差的存在时间也有一定关系，事实上，输出和偏差存在时间积分，呈线性联系，如果系统出现偏差，控制器就需要随之作出调节，直到整个系统输出和输入量相同，控制器输出才可以保持不变。I调节的作用就是去除整个系统的偏差，提高其无偏差的精度。从基本的运算过程看，积分的时间大小对积分的作用强弱有决定性，积分的时间越久，积分的作用也就越弱，造成系统超调量增大，积分的作用如果越强，反而可能造成系统的动荡。

2.3 微分环节（D调节）

这一调节方式主要是按照偏差变化的速度对其进行控制，只要出现变化的趋势，这一环节就能够做出相应的反应，然后在输出量与设定值的偏离更远前，引入适当修正的信号，提高系统控制的速度，进而降低控制所需时间。D调节主要用于降低超调量，对被控制对象的输出振荡进行控制，减少系统响应的时间，进而增加系统动态的特性，但是如果TD太大，就会使其对干扰信号进行抑制的能力降低。

以上调节的方式互相独立，但对于大部分控制的系统，要想获得较好控制的性能，往往需要三种方式合理搭配，进而获得平稳、准确调节的性能，取得较好控制的效果。

3 PID控制应用的实例

以某个恒压喷灌系统为例，主要部分为传感器、控制的单元和低压电器以及水泵机组等，不同部分互相连接形成闭环的控制体系，主要的功能是借助恒压控制单元，使变频器能够控制1台水泵，或者使用循环方式使其控制2台水泵，进而使管网的水压保持恒压，或者在恒压附近保持波动目的，还要能对运行的数据进行传输。

基本实现的步骤为：第一，要给PID控制器预设合适目标的压力值，这种压力值设定时，要按照喷灌的管网要求水压和相关操作的经验进行，如果传感器接收到管道内实际的水压，就由压力变送器把它转变成（4-20）mA模拟的电流信号，然后反馈到PID控制器，PID控制器在按照设定好的压力值与实际的压力值之间的偏差，对需要调节的数值进行计算；然后对变频器输出的频率进行改动，进而对电机转速进行调节，使用水量和供水量之间形成动态平衡的状态，保持水压恒定，具体的调节程序如下：

（1）稳定运行状态。如果用水需求数量和供水的数量是相等的，对压力进行反馈的信号就和目标的压力信号相等，此时偏差是零，控制的增量也是零，换句话说，不需要进行调节，变频器输出的频率保持不变，水泵转速也不变，整个系统处于稳定运行的状态。

（2） 如果用水量扩大，也就是用水的需求增加，这时用水量会超过供水量，水压就会下降，对压力进行反馈的信号减少，这时偏差会小于零，输出控制的增量则大于零，就要增加变频器输出的频率，使水泵的转速不断提升，进而增加其供水量，直到其形成平衡的状态，增加压力，使之在设定数值附近或者到达设定的数值，进而使供需之间保持平衡。这种过程是动态不断平衡的过程，在到达平衡的状态前，各个环节都处于不断的变化中，直到形成新的平衡。

（3） 如果用水量降低，也就是用水的需求降低，这时，供水量就会超过用水量，造成水压的上升，对压力进行反馈的信号增大，偏差就会大于零，PID控制器输出控制的增量则小于零，就要对变频器输出的频率进行降低，同时还要减少水泵的转速，进而使供水的能力得到减少，降低供水数量，以便形成新的平衡状态，恢复原来的压力，保持供需之间的平衡。

（4） PID控制器的优点以及适用性。PID控制器有很多优点，但是从其本质来看，就是智能化和鲁棒性，这里对其内模控制进行介绍。内模的控制器可能不会使用PID控制，按照被控制对象不同的特性，也可以采取其他的控制如PD控制，相关的实验证明，如果对象纯滞后的时间和时间的常数比T超过0.6，使用PID控制输出品质可能会比使用P控制输出的品质差，但是如果其接近T，或者大于T时，这时就可以使用内模控制。

4 结语

综上所述，PID控制在工业的控制中具有重要的意义，其使用过程非常便利，具有很高的灵活性，应用的范围非常广泛，但是在实际应用过程中还有一些局限性。所以需要加大研究力度，不断对其进行改进和完善，可以加大和外国先进技术的交流与沟通，取长补短，根据我国实际情况，切实发挥其调节的作用，促进我国工业的发展。

参考文献

[1]史智慧.浅析在过程控制中PID控制的应用[J].科协论坛，2012（7）：68-69.

[2]焦舟波.模糊PID控制研究及其在水箱过程控制系统中的应用[D].上海：东华大学，2011.

[3]王作辽.模糊PID控制在工业过程控制中的应用[J].科技与生活，2011（2）：184-184.

[4]孟昕元，陈震.PID调节的适用性[J].河南机电高等专科学校学报，2002，10（2）：58-59.

作者简介

李刘川（1995-），男，河北省人。大学本科学历。现为中南大学信息科学与工程学院大学本科学生。主要研究方向为测控技术与仪器。

篇3

关键字:模糊PID控制;汽包水位;自适应控制

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-5851-03

Strategy Analysis of Drum Level Fuzzy PID Control

LIU Shu-min1, ZHANG Xiao-hui1, XU Xu-juan2

(1.Nanchang Department, Jiangxi University of Technology, Nanchang 330001, China; 2.Jiangxi Province District Schools, Nanchang 330002, China)

Abstract: With the development of control theory and technology,there are many complex control systems used in water level control that based on classical control theory and modern control theory. Conventional PID control and fuzzy control combined composite control has been widely used in boiler water level control, These different combinations will produce different control, This article analyzes the various features of fuzzy PID control method effects.

Key words: fuzzy PID control; drum water level; adaptive control

锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备,对蒸汽锅炉而言,维持汽包水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。锅炉汽包水位的控制一直是控制领域的一个典型问题。随着控制理论及技术的发展,已有很多基于经典控制理论和现代控制理论的控制系统应用于汽包水位控制。鉴于汽包水位对象的复杂性,其数学模型往往较难获得,使得采用常规控制方法难以获得较好的控制效果。作为智能控制领域的模糊控制理论,由于其无需知道被控对象精确的数学模型,对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统往往能获得较好的控制效果,因此受到用户的青睐。但其静态特性较差,这将限制了它的使用。但若将常规PID控制和模糊控制结合起来,将能发挥各自的优势,产生较好的控制效果。本文将结合模糊PID控制的不同组合方式,通过MATLAB仿真,分析其控制效果及特征。在仿真过程中,将以供汽量为120t/h锅炉为分析对象,加入阶跃蒸汽扰动,蒸汽流量与水位的传递函数G(S)为:

(1)

1 模糊PID开关切换控制

1.1 方案设计

模糊PID开关切换控制器以误差e为切换依据:当e小于e0时采用PID控制,而当e大于e0时采用模糊控制。二者的切换依据由事先给定的标准偏差e0自动实现。其设计方案框图如图1所示。

1.2 系统仿真及结果分析

汽包水位的模糊PID开关切换控制器中,模糊控制部分采用二维模糊控制器,由于汽包水位容易受到蒸汽的扰动,引入微分作用会影响其品质因数,故PID控制器部分仅采用PI控制。但去掉微分作用会影响控制的动态特性,超调量增加,为提高响应速度,可适当提高积分系数Ki,其值可取0.09。另外,采用该控制器时,控制效果受切换条件e0影响较大,为得到较为合适的e0,本文对e0分别取值0.15及0.25进行仿真实验,仿真结果如图2所示。

该仿真图中,虚线为|e0|取0.15的仿真结果,实线为|e0|取0.25的仿真结果。分析上图可发现:|e0|取较大值时的响应速度相对较快,但相应动态偏差也较大;而|e0|取较小值时的响应速度相应较快,但其动态偏差较小,因此应权衡考虑e0取值。与此同时,二者在临界值|e0|附近均产生较大振荡,这也是该控制器的弊端所在。

实验结果表明,和常规PI控制相比,本控制器在|e0|取值合适时可明显减小虚假水位现象及动态偏差,但由于其在|e0|附近易产生振荡,会增加响应时间,同时使切换开关频繁动作,影响控制器的寿命。若e0取值较大或较小,都会相应影响动态偏差及相应速度。因此,采用模糊PID开关切换控制器的控制效果并不十分理想,考虑到其结果较为简单,可应用于要求不高场合。

2 混合型模糊PID控制器

2.1 方案设计

混合型模糊PID控制器由常规PID控制器和二维模糊控制器并联而成,如图3所示。控制器输出部分由常规PID控制器和二维模糊控制器的输出求和叠加而成,此组合方式可组成无差控制系统。

2.2 系统仿真及结果分析

由结构框图可知,模糊控制部分采用二维模糊控制器,PID部分采用PI控制。仿真时各参数经寻优取Ki=0.15,Kp=6,Ke=6,Kec=120,仿真结果如图4。

由图分析可知,在设定水位的作用下,5%响应时间为120S,最大超调量为4mm左右,虚假水位在10%蒸汽扰动下变化范围为(-3.7mm,+5.0mm),相应响应时间为114S。

分析表明,与常规PI控制及简单模糊控制相比而言:本控制器的动态误差较小、响应速度较快、无静差。它既有模糊控制响应速度快的特性,又有PI控制无稳态误差的特点,因此,该控制器对汽包水位的控制效果较为理想。

考虑到该控制器结构简单,控制效果好等特点,因此属于较为理想的模糊PID控制器。

3 自适应模糊PID控制

3.1 方案设计

自适应模糊PID控制即根据偏差e和偏差变化率ec的变化,利用模糊推理方法在线不断修改PID控制的三个参数Kp、Ki、Kd。其中,Kp为比例系数,Ki为积分作用系数,Kd为微分作用系数。其结构框图如图5所示。

由经验分析总结出以下规律:当e较大时应取较大的Kp和较小的Kd,同时令Ki=0;当e适中时应取较小的Kp,适当的Kd和Ki;当e较小时应取较大的Kp和Ki,Kd的取值要恰当,以避免在平衡点附近出现振荡。

依据此规律可制定PID控制器各参数模糊调整规则库,如表1、表2、表3所示。

表1 Kp调整模糊规律库 表2 Ki调整模糊规律库 表3 Kd调整模糊规律库

3.2 自适应模糊PID控制器设计及其仿真

模糊PID控制算法采用下式:

(2)

式中Kp′、Ki′、Kd′分别为PID控制器的比例、积分、微分参数;Kp、Ki、Kd为其设定初始值;ΔKp、ΔKi、ΔKd为模糊推理后的调整值。仿真时,采用PI控制方式,误差因子Ke和误差变化因子Kec分别取1.5取和12,模糊推理后的ΔKp、Δki分别取5、0.3,初始值Kp取10,Ki取0.15,仿真结果如图6所示。

由结果分析可知,系统最大超调量为8.8mm水柱,5%响应时间为48.0S,在10%蒸汽扰动作用下,5%响应时间为110S。在设定值及干扰作用下均无静差;与常规PI控制相比,虽然虚假水位及动态偏差的控制效果提高较小,同时动态偏差改善也较少,但响应时间有大幅提高,表现出较好的响应速度,同时在稳态均无静差。

3.3 基于误差积分的自适应模糊PID控制

基于误差积分的自适应模糊PID控制即以误差e及其积分ei为输入变量,同时,以一维模糊控制器为输出调整参数的改进型模糊PID控制方式。

1)方案设计

方案设计框图由图7所示,该控制器采用PI控制方式,由两个模糊控制器并联组成,分别完成在线调整比例系数Kp及积分系数Ki的功能。

2)确定整定规则

根据系数Kp及Ki的作用及特点,可确定系统中模糊PI控制器参数的整定规则:

|e|取值较大时,为使系统响应速度加快,可取较大的Kp值;当|e|取值中等时,为使超调量较小,可取较小的Kp值;当|e|较小且接近e0时,为使系统具有较好的稳态性能并减小余差,可使Kp稍大些。

同理,当|ei|取值较大时,为防止积分饱和现象出现,Ki值应小些;当|ei|取值较大且接近于零时,为防止静态误差,Ki应适当大些。相应模糊规则见表4。

3)仿真结果

根据上述控制器的设计,可得相应仿真参数: Kp′=7,Ki′=0.009,控制器II的量化因子Kei=68,比例因子Kui=0.05;控制器I的量化因子Ke=12,比例因子Kup=3,仿真结果如图8所示。

由结果可知,系统最大超调为8.5mm水柱,5%的响应时间为42秒,在蒸汽干扰下5%的响应时间为165秒。系统无论在设定值还是在干扰的作用下均无静差,与以上所述的自适应模糊控制相比,无论在响应速度动态误差还是对虚假水位的控制效果上均有明显提高。因此,该类型的自适应模糊PID控制是较为理想的模糊PID控制方式,其应用范围较为广泛。

4 结束语

通过相同条件下的仿真分析可知,各模糊PID控制的效果各异。其中,模糊PID开关切换控制结构最为简单,但其控制效果相对较差;混合型模糊PID控制结合了PI控制无稳态误差的特点,又具有模糊控制响应速度快的特性,对汽包水位的控制效果较为理想;普通自适应模糊PID控制结构稍微复杂,但其有较好的响应速度,同时在稳态均无静差;基于误差积分的自适应模糊PID控制作为普通模糊PID控制的升级,无论在响应速度动态误差还是对虚假水位的控制效果上均有一定提高。

参考文献:

[1] 付光杰,李越男,等.锅炉水位的参数自调整Fuzzy-PI控制[J].自动化技术与应用,2002(5):16-19.

[2] 罗海福,毛义梅,张晶.一种参数自适应模糊PID 控制器的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表,2001(3):10-12.

[3] 况荣华,容太平.一种新型PID参数自适应模糊控制器[J].华中科技大学学报,2001(6):25-30.

[4] 侯勇严,,郭文强.一种自适应模糊PID 控制器的仿真研究[J].陕西科技大学学报,2004(4)48-52.

[5] 高海燕,薄亚明,刘国栋.基于PID 参数整定的模糊控制器[J].自动化与仪器仪表,2001(3):20-21.

篇4

关键词：双容水箱；液位控制；PID控制器

引言

PID 控制规律原理简单并且易于实现，对没有时间延迟的单回路控制系统极为有效。鉴于控制过程多样、过程控制方案种类丰富，过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统：按照控制器类型分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统，而计算机控制系统还可分为DDC、DCS和现场总线控制系统（FCS）：按控制系统的结构和完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其控制动作规律来分，有比例控制、比例积分控制，比例、积分、微分控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。

1.双溶水箱特性

若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti选择得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。

3.结语

相对于 PID控制系统的研究，现在有许多先进的控制，例如：模糊控制、智能控制和自动学习控制等。所以，双溶液位PID控制是一个对以后学习和研究更先进控制打下基础。

参考文献：

[1]杨旭，周悦，于广平.水箱液位控制系统的设计与研究[J].制造业自动化，2011（16）.

[2]唐玉玲.过程控制课程教学改革及实践[J].科技信息，2011（19）.

[3]黄琳琳.水箱液位控制系统的研究与建模[J].硅谷，2010（13）.

[4]张伟伟，余岳峰，罗永浩，张俊宜.基于阶跃响应曲线拟合的链条锅炉快速建模方法[J]. 工业锅炉，2007（02）.

篇5

关键词：双闭环PID；姿态解算；X字飞行模式；风力摆

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）30-0253-03

Double Closed Loops PID Control Based on Wind Swing Control System

XU Guan-yu1，2， ZHOU Ye-fan1，2， HUANG Chong-peng1

（1.Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， China；2. Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

Abstract： This paper draws on the four axis aircraft double closed loops PID control algorithm to solve the exercise B in 2015 National College Student Electronic Design Contest ―― "wind swing control system". In the PID controller， the Euler angle is calculated by the attitude solution as the feedback， the angle as the outer loop， the angular velocity as the inner loop. Then according to the X word flight mode throttle output formula， the output of the double closed loops PID controller is fused to the motor， the output throttle to achieve attitude control. Experimental results show that the wind swing control system with double closed loops PID control effect of excellence have not only anti-interference ability but also rapid response.

Key words： double closed loops PID； attitude calculation； X flight mode； wind pendulum

2015年全大学生电子设计竞赛B题是“风力摆控制系统”，题目要求风力摆上的激光笔能画出指定图形。由于风力摆控制系统的传感器、执行器与四轴飞行器十分类似，故借鉴四轴飞行器[1]，将双闭环PID控制算法运用到风力摆控制系统上。

1 风力摆控制系统简述

1.1 机械机构

如图1所示，本系统由支架、万向节、细管、风力摆、单片机五部分构成。系统采用单臂梁结构，悬挂臂固定一个万向节。细管上方相连万向节，细管下方连接风力摆，细管自然状态下垂直向下。单片机放置于支架上。

1.2 风力摆结构及选型

风力摆由风机组、加速度陀螺仪传感器、激光笔、支架构成。如图2所示，支架上风机组由4个直流风机构成，呈十字型分布，并且螺旋桨产生的风向内吹，形成起摆动力。加速度陀螺仪传感器放置在支架平面上，能很好地检测运动状态，与直流风机呈X字型分布。激光笔安装在支架下方垂直向下。

2 PID控制

2.1 姿态解算

使用欧拉角来表征风力摆在空间中的姿态，可由加速度陀螺仪传感器解算所得。在本系统中，由于风力摆固定在万向节下的细杆上，故不会产生自旋的现象，即不会产生Z轴上的角度，无需考虑偏航角，仅考虑滚转角、俯仰角即可[2]。

2.2 双闭环PID控制

当风力摆正常运行时，突遇外力干扰（如题述台扇吹风），使加速度传感器采集数据失真，造成姿态解算出来的欧拉角错误。如果只用角度单闭环控制，很难使系统稳定运行，因此可以加入角速度作为内环，角速度由陀螺仪采集，采集值一般不受外界影响，抗干扰能力强，且角速度变化灵敏，当受外界干扰时，回复迅速。风力摆控制系统的双闭环PID控制，欧拉角作为反馈量，角度作为外环，角速度作为内环，外环输出作为内环输入，经积分限幅、输出限幅得到PID输出，并输出到油门，实现姿态控制。其中，油门值即输入电子调速器的PWM波占空比，用于修正风机组各个电机的转速，达到预期的滚转角、俯仰角。

由位置式数字PID计算公式[3]，可得姿态PID控制公式：

[AngelPIDOut（t）=kpe（t）+kij=0te（j）T+kde（t）-e（t-1）T] （1）

[AngelRatePIDOut（t）=kp'e'（t）+ki'j=0te'（j）T+k'de'（t）-e'（t-1）T] （2）

式（1）为角度环PID计算公式，式（2）为角速度环PID计算公式。[AngelPIDOut（t）]为角度环PID输出，[AngelRatePIDOut（t）]为角速度环PID输出。[e（t）]=期望角度-实际角度，[e'（t）]=[AngelPIDOut（t）]-实际角速度。姿态PID控制流程如图3。

2.3 油门输出计算

上述对滚转角、俯仰角的PID计算，实质是用误差计算力矩。接下来，根据直流风机与加速度陀螺仪传感器的摆放关系，推导出油门输出公式，即用力矩控制油门。

如图4所示，地理坐标系采用东北天坐标系，X向东，Y向北，Z指天。电机摆放为“X”型，在xOy平面上，第一二三四象限对应的电机为2、1、4、3号，4个电机的风均向内吹。

假设电机提供的力矩与油门成正比，如果需要x轴的力矩，则油门值应为：1、2电机正，3、4电机负，记作[1 1 -1 -1]。要增加X轴的力矩，油门需要变化的方向为[dx=]1 1 -1 -1。引入x轴的力矩修正系数：[MOx]，则当需要增加x轴[Δmox]力矩时，油门增量：

y轴同理。要增加y轴的力矩，油门需要变化的方向为[dy=-1 1 1-1 ]。

力矩修正系数用于平衡各轴的响应灵敏度，x、y轴的力矩由螺旋桨旋转的合力提供，响应灵敏，用PID控制器的输出表示。把x、y轴的油门分量加起来就是任意轴的情况，最后经过X字飞行模式油门输出公式，计算出4个电机输出油门：

3 主程序设计

如图5所示，系统上电后，首先完成初始化，包括打开串口、初始化加速度陀螺仪传感器。接着等待选择模式，选择对应模式后，更新传感器数据，根据模式内置的参数调用PID控制器，计算四个电机所需的PWM波占空比，完成指定任务，不断循环[4]。

4 测试

本次测试分别测试单环PID和双环PID的波形，其余条件不变。PID控制更新周期T≈2ms，起始值为滚转角50°、俯仰角0°，设定值为滚转角10°、俯仰角0°。将风力摆采集的滚转角值通^串口线发送到PC机上，记录数据并绘制图形分析波形。上位机显示单环PID与双环PID的滚转角波形如图6所示，波形图横坐标单位为20ms，纵坐标单位为度。由图6可知，双环PID控制的风力摆的滚转角波形经过很少的波震荡后近似归为设定值，系统能很快进入稳定状态；而单环PID则需要较长时间。其他欧拉角测试结果类似。

5 结论

本文主要研究了基于风力摆控制系统的双闭环PID控制算法。在角度PID闭环控制的基础上，增加了内环角速度环，不仅抗干扰能力强，而且反应迅速，增强了系统的鲁棒性。

参考文献：

[1] 陆伟男. 基于四轴飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程，2014.

[2] 张明廉. 飞行控制系统[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.

篇6

【关键词】 PID控制器 汽车速度的控制 MATLAB仿真

1 PID控制

PID按照测量变送器送来的信号与给定值进行比较，得到偏差信号，并以预先设定的参数（比例系数、积分时间、微分时间）进行运算，且将运算结果送至执行器。因而PID控制中一个至关重要的问题，就是控制器三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。

PID调节器参数的整定一般都是通过试凑法反复运算才能确定，普遍存在计算量大的问题。我们使用了汽车的速度控制问题的阐明获得的符合我们的设计规格的根轨迹方法。

PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法复杂，通常用凑试法来确定。文中探讨利用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法。

2 PID控制器的原理与算法

图1是典型PID控制系统结构图。在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出作为被控对象的输入控制量。

PID控制算法的模拟表达式为

（式1-1）

相应的传递函数为

（式1-2）

式1-2中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

PID控制具有是3种单独控制作用各自的优点，它除可提供一个位于坐标原点的极点外，还提供两个零点，为全面提高系统动态和稳态性能提供了条件。式1-2中称为PID控制器的积分时间；称为PID控制器的微分时间。实际PID控制器的传递函数其中微分作用项多了一个惯性环节，这是因为实际元件很难实现理想微分环节。在控制系统中应用这种控制器时，只要、、配合得当得到好的控制效果。

3 速度控制器的设计方法

汽车速度控制器的设计方法除了试凑法外，还有另一种是MATLAB对PID控制器参数的整定。

本文是主要利用MATLAB仿真对PID控制器参数整定，并同时证明了MATLAB仿真作用在PID控制器参数整定中的优越性。由此证明了MATLAB仿真在控制系统的参数整定中有着一般试凑法不可比拟的优势。利用MATLAB程序对实际系统的PID控制器参数进行仿真，大大减少了试凑法中反复修改参数、反复试运行的缺点，具有方便、快捷、省时、直观的优点。

（1）利用MATLAB对PID参数进行整定和仿真，省去了传统方法反复修改参数，反复试运行，方便、快捷、省时、直观。（2）增大比例系数将加快系统的响应，有利于减小静差，但是过大会使系统有较大的超调，使稳定性变坏；取值过小，会使系统的动作缓慢。（3）增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但系统静差消除时间变长；若TI过小，系统的稳态误差将难以消除，导致系统不稳定。（4）增大微分时间TD有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加。但TD不能过大，否则会使超调量增大，调节时间较长；若TD过小，同样超调量也增大，调节时间也较长。

4 PID控制器在汽车速度控制设计中的应用

控制器设计的最主要的问题是参数整定问题。在实际系统设计过程中，可以根据经验数据，先设定各个参数取值范围，然后利用MATLAB程序分析各个参数在设定范围内的变化对系统的影响。最后结合经验数据取值范围和分析出的参数对系统的影响规律对PID参数取值，使参数配合达到良好的效果，最终使系统满足性能指标要求。下面讨论汽车运动系统中PID参量的变化对系统控制作用的影响。在讨论一个参量的影响时，设其它参量为常数。

微分系数减小，系统响应速度越快；同时，超调量越大。是适当增大微分系数可以减小超调，改善系统动态性能。PID控制器比PI控制器的响应速度快，性能稳定。为了及时准确控制汽车起动时达到设计的性能要求，可以在其控制系统中加入PID控制，而PID控制器参数的选择是设计要解决的主要问题。

5 结语

通过汽车速度控制器的仿真设计可知，在传统的PID调节器中，确定、、3个参数的值，是对系统进行控制的关键。因此，控制最主要的问题是参数整定问题，在PID参数进行整定时，若有理论方法确定PID参数当然最为理想，但实际应用中，利用MATLAB强大的仿真工具箱的功能，可以方便地解决参数整定问题。

参考文献：

[1]王建辉，顾树生.自动控制原理.清华大学出版社，2007.

[2]李秋红，叶志峰，徐爱民.自动控制原理试验指导.国防工业出版社，2007.

篇7

【关键词】PID;工业自动控制

引言

当前，随着工业自动化水平的逐渐提高，它已经变成权衡各个行业现代化水平的一个主要标准。并且控制理论的发展也历经了古典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论三个部分。当前，已经出现许多PID控制以及控制器或者智能控制器仪表，产品在工程当中被大量使用，并广受好评。

一、PID工作的原理

比例、积分和微分控制在工程当中，是使用最为普遍的调节器控制规律，也称之为PID控制和PID调节。PID控制器产生至今约有70年的历程，它由于自身的结构简单、稳定性能强、可靠、调节方便等因素成为了工业自动控制的主要技术之一。一旦被控制对象的结构以及参数无法完全掌控，或者无法获得精准的数学模型时，控制理论的其它技术无法使用时，系统控制器的结构及参数就一定要通过经验和现场调解进行判断，此时应用PID控制技术最为便利。

二、选定PID被控参数

在控制方案设计中，选择被控参数极为关键，面对稳定生产、提升产品产量、质量起到了决定性的因素[1]。一旦没有正确选择被控参数，则不论构成何种控制系统，选择何种先进过程检测控制设备，都无法实现预期的控制成果。

由于对控制参数值变化的影响因素较多，并非一切影响因素都要进行控制，因此，准确选定被控参数尤为关键。选择被控参数需要通过生产工艺的要求，不断对生产工艺的过程进行深入分析，要令参数不但可以对产品的质量、产量以及安全生产起到决定性作用，还要较好的体现出工艺生产状态的变化，而这些参数是无法通过人工控制得以实现的。

在真正的应用当中，PID参数的选择并非唯一，也不是任意的，需要经由过程的特殊性不断进行分析，才可以给出正确的选择。

以下为选取被控参数的普遍原则：

首先，应选择出对产品的质量、产量、安全生产等有着决定性作用、能够直接测量的工艺参数当做被控参数;

其次，如果无法通过直接参数作为被控参数时，应当选择一个同直接参数具有线性单值函数对应关系的间接参数当做被控参数;

再次，被控参数一定要具备充分的灵敏性;

最后，被控参数的抉择，要考量工艺过程的合理性以及使用仪表的性能。

三、PID调节参数对自动控制过程造成的影响

对于比例调节而言，随着调节比例值的上升会令曲线的变化逐渐迟缓，也可以说，调节作用在持续降低。它的震荡周期越久，衰减也就越严重。假如比例调节只是纯比例作用，那么系统稳定后的余差也会较大。反之，一旦比例值过小，震荡周期也会随之缩短，曲线波动明显，衰减比会向着小的方向变动。

就积分调节来讲，积分时间尤为重要，积分作用会随着积分时间的延长而逐渐变弱，也会随着积分时间的缩短逐渐变强[2]。在这个过程里，曲线震荡越发明显，系统震荡周期逐渐降低。可是，一旦积分时间过短，曲线震荡就会较为强烈，从而使得系统操作无法稳定。如果积分时间过长，调节器就只能具有比例调节的功能。

对于微分调节来讲，最为重要的是微分时间，微分调节作用随着微分时间的延长而越发明显，震荡也会在这个时间里变得越发模糊，周期也会随着缩短。可是，一旦微分时间过长，就会引发振幅过渡增大，因此会令调节器的作用过于模糊。

对于工业自动控制而言，控制系统不会应用到所有调节方式，在较多状况里，只要其中的一到两种就能够达成标准。从参数影响中能够发现，一旦调节过程不用积分进行调节，就能够在设定时将积分时间设定为无限大。一旦无需通过微分调节，就能够将微分时间改成零。同理，一旦不用执行比例调节，就能够将PID回路增益改设成零。

四、设定PID调节最终参数

通常PID的调节作用想要实现最优态，就要对积分时间、微分时间乃至PID回路增益设定最佳值。在生产时间当中使用了经验整定法，这是由于现场经验整定法是当前应用最强、最普遍的工程整定方式，在这个过程里，整定调节方式是比例调节、积分调节和微分调节[3]。并且，在整个调节的过程当中随时对曲线的变动进行观察，逐渐转变参数取值，直到实现产品质量的设计要求。

机体调节过程如下：先将积分调节以及微分调节项进行关闭，也就是先将积分时间改成无限大，微分时间改成零。最初应用的比例参数先通过过往的经验进行设定，通过过程变量值曲线的转变，逐渐判断控制比例的程度，直到减弱过程变量值成为原本的1/4，此时就能够融入积分比例调节，对积分时间进行调整，积分时间的取值会逐渐降低，直到也实现了减弱过程的变量值为过去的1/4，如此就能够引入微分调节。微分时间最初设定为积分时间的1/3至1/4，之后将控制比例度调节成原本的数值，微分时间的调节，是由小变大的，一直到曲线到达满意值为限。

五、结束语

总而言之，文章通过对PID在工业控制中的工作原理以及参数，对控制过程的影响进行了分析，在此后的工业自动控制发展过程里，依旧会产生各种问题，这需要通过科研人员的不断努力，对PID不断进行研究，以此来提升我国工业自动化控制的能力，加快我国工业化迅猛发展的步伐。

参考文献

[1]宗素兰，章家岩，尹成贺.模糊PID控制在温度控制系统的应用[J].工业控制计算机，2010（08）：75-77.

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关键词: 挤压机;小脑模型神经网络;PID控制;并行控制

0 引言

挤压机是一个复杂系统,其动态特性直接影响到整个生产系统的经济性和安全性。目前挤压机使用最广泛的任然是常规的PID控制。主要是由于常规PID控制结构简单,且具有一定的鲁棒性等特点[1]。但常规的PID控制,不但参数难以整定,而且还依赖于对象的精确数学模型,适应性较差,对复杂过程不能保证其控制精度。本文根据挤压机具有非线性、不确定性过程,采用了一种CMAC和PID并行控制的控制方法,用该种方法控制能得到更好的控制精度和更快的响应速度。

1 CMAC的基本原理

CMAC神经网络(Cerebellar Model Articulation Controller)

是J.S.Albus在1975年根据神经生理学小脑皮层结构特点提出的一种模拟小脑功能的神经网络模型。它是一种表达复杂非线性函数的表格查询自适应神经网络。该网络通过学习算法改变表格的内容,具有分类存储的能力[2]。

CMAC的设计方法分为三步:

1)量化(概念映射)

在输入层对N维输入空间进行划分,每一输入都降落到N维网格基的一个超立方体单元内。中间层由若干个判断区间构成,对任意一个输入只有少数几个去见输出为非零值,非零值区间的个数为范化参数c,它规定了网络内部影响网络输出的区域大小。

2)地址映射(实际映射)

采用除余数法,将输入样本映射至概念存储器的地址,除以一个数,得到的余数作为实际存储器的地址值。即将概念存储器中的c个单元映射至实际存储器的c个地址。

3)CMAC的函数计算(CMAC输出)

将输入映射至实际存储器的c个单元,每个单元中存放着相应权值,CMAC的输出为c个实际存储器单元加权之和。

CMAC的结构如图1所示。

2 CMAC与PID并行控制原理

本文采用的是CMAC前馈控制,CMAC与PID复合控制结构如图2所示,该系统通过CMAC和PID的复合控制实现前馈反馈控制。其特点为:

1)小模型神经控制器实现前馈控制,实现被控对象的逆动态模型;

2)常规控制器实现反馈控制,保证系统的稳定性,且抑制扰动。

复合控制算法步骤如下:

由图3可以看出,与常规的PID控制相比,CMAC和PID并行控制输出响应更快,超调量小,加快了控制响应速度,体现了CMAC控制特点,响应速度快,实时性好,鲁棒性强等特点。

由图4可以看出,系统开始的时候由PD控制器进行控制,通过CMAC的学习,使得PD控制器的输出 逐渐为0,CMAC控制的输出 逐渐逼近控制器的总输出。

4 总结

本文针对挤压自动加水、加酶制剂加工过程系统进行CMAC和PID并行控制。仿真结果表明,引入CMAC控制器以后,提高了系统的响应速度,而且输出无超调,提高了系统的跟踪精度,改善了系统的品质,提高了控制的效果。

参考文献:

[1]王川川、赵锦成,基于CMAC与PID复合控制的柴油机调速系统[J].计算机仿真,2009,26(11):170-171.

[2]刘大磊,道路模拟实验台CMAC与PID复合控制仿真研究[D].杭州:浙江工业大学,2009:50-51.

篇9

关键词:温度；PID参数；整定

引言

从事自动控制专业的技术人员，都学习了PID的原理，如何将其应用到具体的控制项目中去，就要靠实际操作的经验了。关键是计算结果需要进行处理和换算，实际操作时需要进行反复调试。本文以宜昌金三峡印务空调自控项目中温度控制部分为例，讲述PID的具体实现。

1 PID的相关知识

1.1 基本术语

（1） 直接算法和增量算法：直接算法是运用标准的直接计算法公式算出结果，得到的是当前需要的控制量。增量算法是标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，即在上一次控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）的控制量，对于空调温度的控制就是需要增加(或减少)的加热比例。两种算法的基本控制方法、原理是完全一样的。

（2） 基本偏差e(t)：表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面对比例项P用的变动数据。

（3） 累计偏差∑e(t)：∑e(t)= e(t)+ e(t-1)+ e(t-2)+…+ e(1)，为每次测量值偏差总和，这是代数和，运算时应考虑它的正负符号，这是面对积分项I用的变动数据。

（4） 基本偏差的相对偏差e(t)- e(t-1)：用于考察当前控制对象的变化趋势，作为快速反应的重要依据，这是面对微分项D用的变动数据。

（5）三个基本参数P、I、D：这是做好一个控制器的关键常数，分别称为比例常数、积分常数和微分常数，不同的控制对象需要选择不同的数值，还需经过现场调试才能获得较好的效果。

（6） PID算法：PID控制器调节输出，保证偏差e为零，使系统达到稳定状态，偏差e是给定值SP和过程变量PV的差。PID控制的原理基于下面的算式，输出 是比例项、积分项和微分项的函数［1］。

（1）

其中，M(t)：PID回路的输出，是时间的函数；Kc：PID回路的增益；e：PID回路的偏差 ；Minital：PID回路的输出的初始值。

（7） 标准的直接计算法公式：

上一次的计算值：

两式相减得到增量法计算公式：

[公式2]

其中∑项的表示应该是对e(t)从1到t全部总和。

1.2 三个基本参数P、I、D在实际控制中的作用：

（1） 比例调节作用：系统一旦出现了偏差，比例调节立即按比例产生作用减少偏差。增大比例系数一般将加快系统的响应，有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调量，并产生振荡，使稳定性下降。

（2） 积分调节作用：能使系统消除稳态误差，提高无差度。系统有误差，积分调节就工作，直至无差，积分调节停止，输出为常数。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。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。

（3） 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。在微分时间选择恰当的情况下，可以减少超调，缩短调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，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PID调节器［2］。

1.3 具体应用中数值量化处理的基本方法：

上面只是控制算法的数学计算，比较抽象，在具体的控制项目中怎样对应呢？也就是具体的量化问题。下面以宜昌金三峡印务空调温度控制中加温部分为例说明。

对于加温的温度控制可以采用调节电磁阀门开度或在一定时间循环周期内的供电时间比例来实现，一般前者比较简单，也是常用的方法。以调节电磁阀门开度为例：设定一个标准的加温周期，例如2分钟，调节输出，使电磁阀门开度恒定，在整个周期内都加温。根据计算结果让电磁阀门开度在0-100%内变化，比如计算所得在这个周期内电磁阀门开度应该打开到50%，两分钟以后再测量控制对象温度，通过计算阀门开度应该打开到49%，依此类推，阀门开度随周期变化而更改，不断地修正输出量，以达到对温度的有效控制。

为了便于处理，在控制程序内部一般不用时分秒来计算，通常用一个定时器作为系统的时钟。相对于计算来说，控制周期比较大，可以对2分钟进行细分，例如对每分钟进行100等分，两分钟就是200等分，用于温度控制，这样的输出比例变化已经足够细了，共有200个输出等级。取200等分的另一个好处是，对应于PLC刚好可以在一个字节内进行运算，程序简单，运算速度快。对于不同的加热对象，例如热惯性较大的加热对象，可能2分钟周期太短了，可以通过修改基本定时常数的办法来实现，而保持200等分不变。

PID的三个基本参数Kp、Ki、Kd，一般由试验确定，先根据工作对象初步设定，然后在实际运行过程中进行调整。为了达到比较好的控制效果，这三个参数一般不采用整数，但为了减少PLC的运算量，通常采用2的整数倍放大的办法确定这些参数，在运算结果中再除以2的整数倍，因为PLC运算中可以用移位来完成，速度比较快，常用的是8倍或16倍放大，注意这三个参数必须采用相同的放大比例。编程的过程中从头到尾要清楚参数是经放大了的，不要忘记还原运算结果。

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关键词：温度控制系统；PID算法；光耦合器MOC3041

0引言

在现代工业生产和日常生活当中，对温度的检测、控制有着非常重要的意义和广泛的应用。及时准确地得到温度信息并对其进行适时的控制在许多工业场合中都是重要的环节。例如大型火力发电站锅炉的温度控制、石油炼油厂油温的控制等。本文设计一个温度自动控制系统，基于PID算法，结合温度采集、主机控制、温度控制及显示等外部设备，完成水温的自动控制。

1 系统介绍

通常来说，一般的温度控制系统其主要构成部分有以下几部分：被控对象、温度信号采集与转换模块、显示模块、执行模块、主机控制模块、按键等。

本文设计一个温度自动控制系统，在该系统中，控制算法不但结合经典的PID控制算法的优势，还增加了死区控制、平均滤波、限幅消抖以及抗积分饱和等措施抑制非正常情况的发生。此外，控制算法还发挥了二维PID算法的优点，加快了系统的动态响应速度。

2系统方案设计

2.1温度信号的采集及AD转换

本文采用数字类温度传感器进行温度采集，DS18B20可直接将温度信号转换为数字量，可编程的分辨率为9～12位,采用独特的单总线接口，只需要一条总线就可以实现与单片机通信，简化了硬件电路设计，降低了设计成本。

2.2主机控制模块

本文采用普通单片机AT89C52。AT89C52单片机片内有8KB的EPROM和256B的RAM，程序通过串口下载，十分方便。在晶振频率为12MHz的情况下，单指令仅需1us，完全能满足系统设计要求。

2.3显示模块

本文采用LM1602液晶显示。LM1602液晶的市场价格便宜，可以与单片机直接连接，不需要增加额外的驱动电路，它可以显示所有的ASCII字符。另外可以同时显示32个字符，电路设计简单、软件复杂度低、性价比高。

2.4温度控制模块

本文采用双向晶闸管。市场上双向晶闸管的种类很多，本设计中采用的双向晶闸管BTA06价格便宜，配备以驱动电路，可以使设计成本大大降低，另外，采用双向晶闸管BTA06的硬件设计也较为简单。

2.5单片机控制方式

2.5.1方案一

P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信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。同时，由于水的温度调节，可以等效于“纯滞后＋一阶惯性”，理论可推导其易产生振荡。

2.5.2方案二

PI控制是在比例控制的基础上加上积分作用，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，采用比例积分控制方式，只要有足够长的响应时间，理论上可以做到稳态无静差。

2.5.3方案三

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的，也就是在比例积分控制方式下，加入微分控制，在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

将上述三种方案进行比较，由于本设计要求无静差，被控对象惯性较大，为了加快调节速度，采用方案三即PID算法作为控制算法。

3系统硬件设计

本设计硬件电路主要分为温度信号采集与转换模块（传感器DS18B20）、主机控制模块（单片机AT89C52）、温度控制模块（双向晶闸管BTA06）和液晶显示模块（LM1602液晶）等四部分。系统电路图如图1所示：

图1 系统电路图

4 系统软件设计

系统软件流程图如图2所示：

图2 软件流程图

5 结论

通过上述的分析进行系统搭建，可以实现水温的自动控制，从而表明上述系统的设计满足工业要求。

参考文献：

[1]边春元.单片机应用开发实用子程序.人民邮电出版社

[2] 高吉祥.全国大学生电子设计大赛培训系列教程.电子工业出版社