pid控制十篇

pid控制篇1

工业生产自动化的过程控制调节装置是实现自动控制的重要工具。在自动化系统中，检测仪器把控制系统的参数变为电信号然后把信号传送给过程控制调节器，最终达到生产的自动控制，使过程参数合符预期的要求。

在工业生产应用中，PID调节器以其结构简单、稳定性好，控制方便、可靠性高的优点得到广泛应用。在现实中，选择控制系统方案时，对那些未能建立精确的数字模型式被控制对象的参数未能完全掌握（必须依靠经验和现场测定调整的时候）优先选用PID控制技术。PID控制器是根据系统的误差利用比例，积分、微分计算出控制量对系统实施控制。

一、PID调节规律

在定值自动调节系统中，由于扰动的因素，使被调节参数偏离给定值，即产生了偏差，这种偏差等放于产生被调值与给定值的差值：

式中为偏关，u被调节测定值，给定值。

为了使参数回到预定值，我们把偏差信号输入调节器，经规率运算后，给出输出信号进行调节，以补偿扰动的影响，使被调节参数回到给定值。输出信号随输入信号有规律地变化，它的特性决定了被调节参数能否准确地回到给定值，以及回位的时间，调节的质量如何等，以下是调节器调节规律的数字方式描述：

1、 微分方程式

PID控制器中各校正环节的作用如下：

（1）比例环节及时成比例地反映系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生调节作用，以减少偏差。

（2）和分环节主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间，越大积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节所反映偏差信号的变化趋势即偏差信号的变化率，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的调整速度。

根据模拟PID控制表达式（2-4）.通过将模拟PID表达式中的积分，微分运用数值计算方法来迫近，便可以实现数字PID控制。只要采样周期T取得足够小，这种迫近就可以相当精准。

三、PID调节器的组成

PID调节器主要由输入电路，运算电路和输出电路组成。输入信号一般来自变送器的测量信号。在输入电路中与给定值进行比较，生成的偏差信号通过PID调节器处理后经输出电路输出调节信号。该信号作为执器的调节信号。

1、输入电路

PID调节器的输入电路一般包括内外给定切换开关，正反作用开关及内给定稳压电源电路，偏差检测电路。给定电压可由稳压电源电路提供（内给定）也可用外来信号作给定信号。

PID调节器用正反作开关变换正作用特性和反作用特性。根据系统的要求PID调节器是有反作用特性，即在负偏差绝对值增大时增加PID调节器的输出，当系统要求PID调节器具有正作用特性时在正偏差增加大时增加PID调节器的输出。由于用同一个运算电路，故需设正反作用开头，以转换偏差信号的极性。

偏差检测电路是一个减法电路，它把PID调节器的输入信号Vi与给定信号进行比较，即Vo=Vi-Vp当Vo为正数时为正偏差，反之为负偏差。

2、PID调节器运算电路

PID调节器运算电路用以对偏差信号进行比例，、微分、积分的运算，它是PID调节器的核心。其作用和原理如前所述。

3、输出电路

PID调节器输出电路的任务是将运算输出的信号放大到执行部件所要求的功率。使PID调节器的输出与负载达到最佳的匹配。

四、PID控制器参数的选择

PID控制器的参数选择方法很多，参数的选择非常繁杂，需要经过反复的调整才能得满意的效果。总结起来有如下几方面：（1）选定PID比例数，（2）选定微分时间常数，（3）选定积分时间常数，（4）系统空载和负载联调。

PID控制器参数选定的方式有两大类：一是理论计算选定法。它主要依据系统的数字模型，经过理论计算确定控制器参数。这种数据还必须通过工程实际进行调整。二是工程选定方法，它主要依靠工程试验，直接在控制系统的试验中进行。通过对PID控制器的参数优选，提高被控过程的动态和稳态性能和系统的抗干扰能力实现对被控制对象的最佳控制。

pid控制篇2

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.

pid控制篇3

关键词:模糊控制;PID控制;应用;温控系统

中图分类号:TP273+.4文献标识码:A文章编号:16723198(2009)22028602

1 引言

印花机烘房中的湿度是由进出调节阀的蒸汽量来调节的,它是一个多变量、非线性、时变系统,要想建立它精确的数学模型是比较困难的,所以用传统的PID控制方法很难获得良好的动态和静态性能,无法达到湿度智能控制的理想效果。因此,现代控制方法取代经典控制方法成为发展趋势。

本文通过对常规PID和模糊控制的分析研究,针对烘房湿度控制的特殊性,提出一种采用模糊推理和PID切换的方法,将两者的优点相结合,对其进行综合与优化,构成模糊PID控制器,以模糊PID控制为基础的湿控系统来控制,

较好地解决了上述不足,从而提高了系统的控制精度以及系统的跟踪和抗干扰能力。

2 模糊控制

近30年以来,人工智能、知识工程、模糊逻辑、神经网络、遗传学习等学科的发展为利用人类的智能行为对复杂系统进行控制创造了有利的条件,并逐步形成和完替了智能控制的相关理论。同时,微电子技术、集成电路技术、计算机技术的快速发展,尤其是微处理器的计算能力、实时性等方面的明显突破,为这些新理论的应用提供技术保证。借助于数字控制技术的智能控制器己经在越来越多的领域替代传统的模拟控制器。现代控制系统普遍表现为系统的数学模型难以通过传统的数学工具来描述。因此,采用数学工具或计算机仿真技术的传统控制理论己经无法解决此类系统的控制问题。

在生产实践中可以看到,许多复杂的生产过程难以实现的目标控制,可以通过熟练的操作工、技术人员或专家的操作获得满意的控制效果。那么,如何有效地将熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识和控制理论结合起来去解决复杂系统的控制问题就是智能控制原理。智能控制是一门仍在不断丰富和发展中的具有众多学科集成特点的科学与技术。智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础。扩展了相关的理论和技术,其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、(自)学习控制等技术。

模糊控制理论诞生后,由于它具有明显的优点,主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统,它模仿和升华了人的控制经验与策略,因此与经典的控制方法比较更有工程意义。它具有以下特点:

(1)模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型,易于对不确定性系统进行控制;

(2)模糊控制器是易于控制,易于掌握的较理想的非线性控制器,是一种语言控制器;

(3)模糊控制器抗干扰能力强。

3 PID控制

PID控制是将给定值r(t)与被控参数的实际输出y(t)之差e(t)=r(t)-y(t),作为控制器的输入,控制器按偏差e(t)的比例、积分、微分作用叠加形成控制量。PID控制器设计的主要任务是确定KP、KI、KD三大参数和采样周期T(对数字PID控制器)。

4 模糊PID控制器

模糊控制对复杂的和难以建立数学模型的系统能简单而有效地控制,但因模糊控制不具有积分环节,在变量分级不够多的情况下,常常在平衡点附近会有小的震荡现象或存在稳态余差。而PID控制在平衡点附近的小范围调节效果是较理想的,其积分作用可最终消除余差。在实际控制过程中,把以上两种控制技术结合起来,就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。显然这种控制器结合了比例、模糊和比例积分控制的优点,不但可使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性,而且可以对系统实现高精度控制。

印花机烘房是一个纯滞后系统,被调量是烘房的湿度,而控制量是蒸汽流量的大小,当改变蒸汽流量的大小和蒸汽的温度时,对烘房的湿度的影响必然产生一定时间的延迟,因此,大滞后大大降低了系统的稳定性,容易导致较大的超调量和较长的调节时间,严重影响控制品质。由此看来烘房湿度控制系统是一个具有大滞后、大惯性环节、时变性不确定性因素的系统。所以常规PID控制器很难达到控制要求。而采用模糊控制可以做到较好的控制效果,但是模糊规则的确定具有不完备性,使得模糊控制对复杂系统的控制也存在控制精度差等缺点,因此可以利用模糊控制与PID控制相结合的方法来消除模糊控制存在静差的缺点,使得系统达到较高的性能指标。

这种复合控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转化为PID控制,二者的转化由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。这种改进的控制方法的出发点主要是因为模糊控制器本身消除其系统稳态误差的能力比较差难以达到较高的控制精度。尤其是在离散有限论域设计时更为明显。

5 模糊PID控制系统仿真研究

pid控制篇4

关键词:PID控制; 温度控制; 脉宽调制; DS18B20

中图分类号:TN919-34; TP274文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)17-0157-03

Application of Digital PID Control Algorithm in Temperature Control System

WEI Ying-zhi, DING Hong-wei, ZHANG Lin, XU Bao-yu, LI Hai-yan

(Department of Mathematics and Mechanics, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, China)

Abstract: In order to control the temperature accurately, a method to realize the function of pulse width modulation (PWM) by means of the AT89S52 timer and digital PID control is proposed according to the available temperature controlling system and temperature sensing principle of DS18B20. The digital PID control algorithm for the thermostatic control is discussed. A control system of MCU was realized ultimately by means of C51 program on the basis of the temperature sensing principle of the temperature sensor DS18B20. The application results show that this system has the advantages of good control effect, high accuracy and small overshoot, and all the performance indexes can meet the requirement.

Keywords: PID control; temperature control; PWM; DS18B20

收稿日期:2010-04-08

基金项目:医疗智能激光无影照明系统研发项目(11541301)

温度控制对于大型工业和日常生活等领域都具有广阔的应用前景。很多应用领域,需要精度较高的恒温控制,例如,根据外界变化,随时调节相应的LED亮度以达到所需色温值,可以实现更好的照明和装饰效果。在连续控制系统中,对象为一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时,PID控制是一种较好的控制方法。本文主要采用数字PID控制,通过单片机PID控制算法的程序实现[1-3]。

1 数字式定时温控系统

本文研制的数字式定时温控系统主要完成数据采集,温度、定时的显示,温度控制,温度定时的设定以及报警等功能。核心控制器由单片机完成,采用数字PID控制算法进行过程控制。加热器件选用热惯性小,温度控制精度高,速度快的电热膜,由单片机输出通断率控制信号进行控制。硬件框图如图1所示[4]。

2 PWM功能的实现

AT89S52内部有3个16位定时器:T0,T1,T2。用定时器T2实现PWM(脉宽调制)方式来对加热器件进行温度控制。设置T2CON中C/#T2=0(定时方式),CP/#RL2=1且EXEN2=0时,T2是16位定时器。当计数溢出时,会设置T2CON中的TF2位,进而触发相关中断。用单片机系统实现,必须首先完成两个任务:首先是产生基本的PWM周期信号;其次是脉宽的调整,即单片机模拟PWM信号的输出,并且调整占空比。具体的设计原理:若想让它的负脉冲为2 ms,则正脉冲为20-2=18 ms,所以开始时在控制口发送低电平,然后设置定时器在2 ms后发生中断,中断发生后,在中断程序里将控制口改为高电平,并将中断时间改为18 ms,再过18 ms进入下一次定时中断,再将控制口改为低电平,并将定时器初值改为2 ms,等待下次中断到来,如此往复实现PWM信号输出。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号,调整时间段的宽度便可实现脉宽调整。实现其软件流程如图2所示。

设n为定时器T2的初值,fi为单片机的系统时钟,本系统中fi=11059 2 MHz定时方式下TL2寄存器每个机器周期(即12个晶振周期)增加1。这时PWM脉冲信号的“低”电平宽度为:

tPWM-L=(216-n)/fi

(1)

通过改变定时器T2初值n,即可改变“低”电平的宽度tPWM-L,从而控制加热元件的加热时间,达到对温度进行控制的目的。当n=65 536时,P2.7引脚输出电平一直保持为“高”,加热元件一直处于断电状态;n=0时,P2.7引脚输出电平一直保持为“低”,加热元件一直处于通电加热状态。单片机根据从DS18B20读取的温度值来确定n值,即确定加热元件的加热时间。

图1 定时温控系统硬件框图

图2 产生PWM信号的软件流程

3 恒温控制算法

PID基本算法是这样的:控制器的输出与控制器的输入(误差)成正比,与输入的积分成正比,与输入的微分成正比,为三个分量之和,其连续表达为:

U=KPe+1TI∫edt+TDdedt

(2)

式中:TD为微分时间;

e为测量值与给定值之间的偏差;

TI为积分时间;

KP为调节器的放大系数。

对式(2)两边进行拉氏变换,可以得到PID调节器的传递函数为:

G(s)=U(s)E(s)=KP1+1TIs+TDs

(3)

采用不同的方法对式(3)的D(s)离散化,就可以得到数字PID控制器的不同算法。用矩形法数值积分代替式(3)中的积分项,对导数用后向差分逼近,得到:

uk=KP[ek+TTI∑ki=1ei+TDT(ek-ek-1)]+u0

(4)

式中:u0是由式(2)中的不定积分变为式(4)中的定积分所具有的积分常数;T为采样周期。式(4)就是数字PID控制器位置式算法的表达式,其输出控制量uk对应于系统的输出(位置)是全量输出。

由式(4)可推算出控制量的增量为:

Δuk=uk-uk-1=

KP[ek-ek-1+

TTIek+TDT(ek-2ek-1+ek-2)]

(5)

式(5)就是数字PID控制器增量式算法的表达式,其输出为系统的Δuk。

采用增量式算法,系统中需增加一个积分装置,但在本恒温系统中,控制对象本身就具有积分作用,因此无需加积分装置。

与位置式算法相比,在增量式算法中,计算误差对控制量影响小。这是因为位置式算法控制器输出的是全量,每次输出均与过去的所有状态有关。计算机的位数是有限的,当累加结果产生上溢出时,丢失一部分控制量;当采样周期短,误差很小时,计算机认为是零,不进行累加,这两种情况均会产生累加误差。而增量式算法在计算Δuk时只用到最近的三次采样值,以前的状态不影响本次输出。

为简化计算机的运算,把式(5)改为下面的形式:

Δuk=d0ek+d1ek-1+d2ek-2

(6)

式中:

d0=KP1+TTI+TDT;

d1=-KP1+2TDT;

d2=KPTDT。

可以根据式(6)编写程序,由计算机实现。KP,TD,TI,T由参数整定确定。对于简单系统,可以采用理论计算的方法确定这些参数,但是稍微复杂一些的系统,采用理论计算的方法就困难了。因此几乎都是用工程的方法对参数进行整定。调节器参数的整定是一项繁琐而又费时的工作,因此,近年来国内外在数字PID调节器参数的工程整定方面做了大量的研究工作,归一参数的整定法是一种简易的整定法[5]。

根据大量实际经验的总结,人为设定约束条件,以减少独立变量的个数,例如取:

TD≈0.125TS

TI≈0.5TS(7)

T≈0.1TS

式中:TS是纯比例控制式的临界振荡周期。

将式(7)代入式 (6)中,可得数字PID控制器的差分方程为:

Δuk=KP(2.45ek+3.5ek-1+1.25ek-2)

(8)

对比式 (6)和式 (8)可知,对4个参数的整定简化成了对一个参数KP的整定,使问题明显地简化了。

采样周期T的取值,从数字PID控制器对连续PID控制器的模拟精度考虑,采样周期越小越好,但采样周期小,控制器占用计算机的时间就长,增加了系统的成本。因此采样周期的选择应综合考虑各方面因素,选取最优值。

在恒温控制系统中,控制输出为定时器T2初值n(0≤n≤65 536),误差为温度设定值Tset与DS18B20检测值之差Tread。因为电阻丝的功率是有限的,初始温度低于温度设定值Tset较大时,可以不用数字PID控制。可以根据电阻丝的功率设定一个误差值emax,当e>emax时,一直加热,输出n=0;当e

为保证温度控制的实时性,根据文献[9],温度控制程序采用定时中断方式,定时长为采样周期T,且中断优先级设得比其他中断高,用增量式算法其程序流程图如图3所示。

图3 数字PID控制器增量式算法程序流程图

4 恒温控制结果

根据温度控制精度和采样时间的要求,本设计对DS18B20的温度转换结果选择12位[10],采样周期定为T=0.408 s。当加热元件功率选用100 W,温度设定值Tset=30 ℃时,用归一参数法整定数字PID控制器的参数,当参数KP=150时,得到数字PID控制曲线如图4所示。

图4 数字PID温度控制曲线

5 结 语

在介绍利用AT89S52单片机实现PWM功能的基础上,讨论了数字PID控制算法对恒温控制的应用。从控制结果来看,这种控制方法可以得到较理想的控制效果,温度波动均可控制在±0125 ℃之内。该技术已应用于定时控温发酵器、保健垫等产品中,运行良好,获得了良好的社会效益和经济效益。现正在尝试用于无影照明系统的色温控制,实现更好的无影照明效果。

参考文献

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pid控制篇5

关键词：线性；非线性；PID；BP

中图分类号：TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-024-02

注塑机料筒温度是注塑工艺的重要参数，对料筒温度进行有效地控制是保证塑料制品成型质量的重要环节。然而，注塑机料筒温度系统是一个多变量、离散、间歇工作、大滞后、非线性、强耦合且需要人工参与的复杂系统，由于其加温过程中的复杂性，使得该控制系统的精确数学模型很难以建立， 也就使得料筒的温度控制成为注塑机控制器设计中的难点。另外，在注塑机料筒温度控制器的设计过程中，控制器的工作性能，如良好的鲁棒性和较低的算法复杂度是不可忽视的参数指标。目前，采用较多的是PID控制方法，这主要是因为PID控制应用范围广，广泛应用于非线性或时变控制过程中，而起PID控制器中的3个参数Kd、Kp、Ki比较容易整定，是最简单的有时却又是最好的控制器。

本文基于料筒温度PID控制器的发展过程，从线性PID控制器到非线性PID控制器，再到基于BP神经网络的PID控制器三个方面，分别阐述了各自的优缺点。

1 料筒温度线性PID控制器

PID控制器不用被控对象的精确模型，只用控制目标与对象实际行为之间的误差来产生消除此误差的控制策略。由于PID控制技术是立足于误差来减少误差的过程控制原理，所以在控制工程实践中得到广泛有效的应用。本文主要研究注塑机料筒的温度控制系统，采用线性PID控制器，其基本结构如图1所示。

从图1可以概括出线性PID控制方法在实践应用中，本文的温度控制系统设计中存在如下问题：

①直接以e=v-y的方式产生原始误差不太合理。由于控制目标在过程中可以“跳变”，但是对象输出y的变化都有惯性，不可能跳变，不可能跳变，因此让缓变的变量y来跟踪能够跳变的变量v是不合理的。

②产生误差信号e的微分信号de/dt没有太好的办法。微分器物理不可实现，只能近似实现，常用的近似微分器的传递函数为■。这个传递函数可展成■，是近似微分公式■的实现。但是，但输入信号v（t）被噪声n（t）污染时，输出y中的近似微分■信号就被放大的噪声分量■所淹没，无法利用。因此，PID控制器除特殊情形外，实际上都是PI控制器。

③线性组合不一定是最好的组合方式。PID控制器给出的控制量u是误差的现在e（t）、误差的过去■e（τ）dτ、误差的将来■三者的加权线性组合。大量工程实践证明，三者的线性组合不一定是最好的组合方式，为了避免线性组合方式的缺陷就产生了花样繁多的“变增益PID控制器”

④误差信号e的积分■e（τ）dτ反馈的引入有很多副作用。大量工程实践表明，误差积分反馈的引入会使闭环变得迟钝，容易产生振荡及积分饱和引起的控制量饱和等。

将线性PID控制器应用于注塑机料筒的温度控制系统中，虽然能取得了良好的效果，但是该温度控制系统为大纯滞后系统，被控对象的参数变化较大、影响因素甚多、未建模动态因素显著，非线性严重，很难建立精确的数学模型，针对具有更多内部和外部不确定因素的控制对象时，该PID控制方法就显得无能为力了。

2 料筒温度非线性PID控制器

在注塑机料筒的温度控制系统中，线性PID控制仅仅考虑了控制对象（温度）外部信息，决定了所控制的对象的有限性。对于带有更多内部和外部太多不确定因素的对象，线性PID就无能为力了。对于这种情况，有必要去获得并考虑系统的内部信息和外部不确定性，并让这些信息参与系统的控制和调节，提高系统的抗干扰能力。基于此，一种非线性PID控制器应运而生，它是在线性PID控制器基础上进行了如下改进：

①根据系统所能承受的能力，被控量变化的合理性和系统提供控制的能力，由设定值v先安排合适的过渡过程。该过渡过程由TD实现，TD不但给出所安排的过渡过程信号，还给出过渡过程的微分信号。

②误差的微分信号是可以用噪声放大效应很低的TD、状态观测器或ESO来提取。

③不同于线性PID控制，采用合适的非线性函数对误差进行组合，形成新的非线性误差反馈控制规律。

将非线性PID控制器应用于注塑机料筒温度控制系统中，由多个单回路非线性PID控制器分别调节各个电热环的供电电压，从而控制料筒各个段的温度。由于该控制系统不需要建立精确的数学模型，而且能够把作用于被控制对象的所有不确定因素都归结为“未知扰动”，所以采用实时监测的温度数据对它进行估计并予以补偿，就可以达到自动抗扰的目的，进而实现温度的自动实时控制。然而，在温度控制策略实现上，该温度控制系统依然存在一个显著的问题，即不清楚未建模动态因素，不具有预测性。

3 基于BP神经网络的料筒温度PID控制器

针对注塑机料筒温度控制的要求和线性PID控制器、非线性PID控制器的不足，尤其是针对非线性PID控制器的不可预测性，提出了一种基于BP神经网络的PID控制器。该控制器将神经网络和PID控制技术相结合，能无限地逼近非线性系统，具有收敛快、可预测的优点。而且，基于BP神经网络的料筒温度PID控制器能有效地缩短过渡过程，具有较好的稳定性和快速响应性，可以满足注塑机料筒的温度控制要求。

该控制器由常规PID控制器和神经网络控制器两部分组成，如图2所示。考虑到邻近加热器的影响，神经网络控制器的输入除本段加热器的输入信号、反馈信号外，还将邻近加热器的反馈信号引入。神经网络控制器的输出即为PID控制器的Kd、Kp、Ki3个参数，根据控制系统的输入/输出情况，通过神经网络实时调整PID控制器的3个参数，从而实现料筒温度的高性能控制。

与线性PID控制和非线性PID控制相比，基于BP神经网络的PID控制具有较好的稳定性和快速动态响应的特性，温度调节过程短。由于BP神经网络具有很强的学习能力，能够不断地从训练样本中提取出所蕴含的基本信息，用于温度预测。另外，在温度参数变化、数学模型不精确和控制环境变化的情况下，该控制器能保持较好的工作性能，系统鲁棒性强，使得该控制方法具有很大的应用前景。

4 结 语

在注塑机控制系统中，加热料筒温度控制是其中非常重要的一环，为了实现高性能的温度控制功能，本文介绍了三种PID控制方法，即线性PID控制、非线性PID控制和基于BP神经网络的PID控制。这三者之间具有层层递进的关系，后者都较前者具有更好的工作性能。以性能最好的基于BP神经网络的PID控制方法为例，该方法兼具了非线性PID控制方法的优越性能，在带有更多内部和外部不确定因素的情况下，能实现较好的温度控制作用，具有良好的抗干扰性能；同时，该方法通过神经网络的学习能力实现温度数据的训练，可实现对未来数据的实时预测，具有可预测性，鲁棒性更强，实用价值更高。

参考文献：

[1] 孙小权，钱少明.基于BP神经网络的料筒温度PID控制器[J].机电工程，2008，（5）.

[2] 曾璐.基于模糊变系数PID算法的注塑机料筒温度控制[J].广东轻工职业技术学院学报，2011，（3）.

pid控制篇6

关键词：液压伺服 压力控制 模糊PID 模糊控制

1 概述

液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。本文将模糊控制和PID控制有机结合起来，利用模糊控制对PID参数进行实时的修正，提高了系统的控制精度和鲁棒性，有较好的实用性。

2 模糊PID控制算法策略

2.1 算法策略概述

模糊自适应PID控制器是一种以常规数据调节器为基础，以误差e和误差变化de为输入数据的控制器，满足了各个时刻e和de对PID参数自整定的要求，其具体组成结构见图1：

根据系统在受控过程中的原则对应不同的E和EC，可将PID 参数整定的原则归纳如下三点：

①当|E|较大时，说明误差的绝对值较大，为使系统具有较好的跟踪性能，Kp取较大值；为防止|EC|瞬时值过大，Kd应取较小的值；同时为避免系统响应出现较大的超调应对积分加以限制，通常取Ki=0。

②当|E|中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kp取较小些；在这种情况下，Kd对系统响应影响较大，数值要取得适当；Ki的数值也要取得适当。

③当|E|较小时，为了使系统具有很好的稳定性，Kp、Ki都取较大值，另外为避免系统在设定附近出现振荡，应该考虑抗干扰性能。

2.2 模糊控制器的设计

模糊PID自整定控制保证了控制器调节作用的最优化，它通过分析和判断实际系统环境，对比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd进行实时调整。

为进一步简化运算程序，保证运算质量，在调解时，控制器根据偏差e和偏差变化率ec进行自动调整，同时模糊部分分为Kp、Ki和Kd三部分，由其各自的子助推器来计算。

2.2.1 输入值的模糊化

由于模糊自整定PID控制器的整个讨论和计算活动主要集中在fuzzy集中，因此在实际计算中首先先要确定变量的论域，并将其及时调节和转换至正确的论域中，再将输入数据以语言集的形式表现出来，即对输入数据进行模糊化处理。

2.2.2 模糊控制规则表的建立

①Kp控制规则设计

在PID控制器中，调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，而在调节中期，Kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将Kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。

②Ki控制规则设计

在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。

③Kd控制规则设计

根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用；而在中期，由于调节特性对Kd值的变化比较敏感，因此，Kd值应适当小一些并应保持固定不变；在调节后期，Kd值应减小，以减小被控过程的制动作用。

2.2.3 逆模糊化

在经过一系列计算后，我们可以通过模糊控制规则表得出Kp、Ki、Kd的最终值，并在此基础上借助重心法进行逆模糊化处理，以有效地实现求解多目标优化。

3 结论

经验证，在常规控制环节，只要及时调节PID三个

参数即可得出一个系统完善的数据响应图，提升控制效果。

但在实际操作过程中，由于三个参数的调解程序过于繁琐，且其调节结构的稳定性较差，因此目前工作人员多选择模糊PID控制方法来对PID进行参数整定，极大的提升了系统的稳定性，调整效果良好。

参考文献：

[1]韩曾晋.自适应控制[M].北京：清华大学出版社，2004.

pid控制篇7

关键词：汽包水位 仿人智能PID 三冲量

1. 引言

蒸汽锅炉汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉安全运行的必要条件之一。

传统的锅炉汽包水位控制策略包括基于PID 控制的单冲量、引入蒸汽流量前馈的双冲量和给水流量闭环串级三冲量控制等[1]。目前各种锅炉汽包水位绝大多数采用三冲量控制方案。三冲量水位控制系统以锅炉汽包水位作为主控信号，实时检测锅炉的蒸汽流量作为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力和汽包压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。但三冲量汽包水位控制系统PID参数选择关系很大，不容易整定，随着设备运行时间的增加及环境因素变化，这三个参数可能需要不定期的重新整定，控制效果常出现大的振荡和超调[2]。借助于三冲量控制策略的结构, 通过智能方法来对PID 控制器的参数进行整定或直接采用先进控制策略成为目前研究的热点。本文基于锅炉汽包水位的三冲量控制策略，采用一种仿人智能PID 控制方法，实际应用表明该控制方案能够获得理想的控制效果。

2. 控制系统设计

神华哈尔乌素露天矿集中供热锅炉房是神华哈尔乌素露天矿供热系统的热源，现装备20T循环流化床蒸汽锅炉三台，低温采暖换热器两台、上煤皮带、水处理等其他辅助设备。整个锅炉车间选用西门子公司S7-414H构成一套冗余容错热备控制系统实现锅炉水位自动控制、锅炉燃烧自动控制、低温采暖温度自动控制和上煤、水处理等其他辅助设备的集中控制。控制系统构成如图1所示。

由图1可以看出，为了保证系统的可靠性，系统的主要部件包括电源模块（PS）、CPU模块（S7-414H）、通讯模块（SM341）、通讯网络（ProfiBUS）、通讯接口模块（IM153-2）均采用冗余结构。其中蒸汽流量变送器、给水流量变送器、汽包水位变送器、AI模块、CPU模块、ProfiBus现场总线、水泵变频器和给水泵构成汽包水位自动控制系统。

3. 串级三冲量水位控制

蒸汽锅炉汽包水位控制的调节量是给水流量，通过对给水流量的调节,使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位的变化在允许范围之内。但是蒸汽锅炉在负荷(蒸气流量)急剧增加时，却表现为“逆响应特性”，变现为“虚假水位”，造成这一现象的原因是由于负荷增加导致汽包压力下降时，汽包内水的沸点温度下降，沸腾突然加剧，形成大量气泡而使水位抬高。以汽包水位为唯一调节信号的单回路恒值控制系统对汽包的假水位现象会发出相反的补偿动作，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。

如果利用蒸汽流量变化信号对给水量进行补偿控制，就可以减小和消除“虚假水位”现象对汽包水位的影响，从而减少水位的波动，改善控制品质。同时为了对变频调速给水泵的工作特性进行静态补偿和克服蒸汽压力、给水压力变化引起的给水流量扰动，将给水流量信号作为副参数，构成图2所示的三冲量控制系统：

其中：H:汽包水位；

W:给水流量；

D:蒸汽流量；

γD：蒸汽流量变送器的传递系数；

γW：给水流量变送器的传递系数；

γH：汽包水位变送器的传递系数；

αD：蒸汽流量变送器的灵敏度；

αw：给水流量变送器的灵敏度；

Kz：变频调速器特性系数；

Kp：给水泵的特性系数；

Δf：蒸汽流量和给水流量差值。

GW(s)：给水流量扰动下水位变化的传递函数；

GD(s)：蒸汽流量扰动下水位变化的传递函数；

水位调节控制器GC1(s)采用仿人智能PID控制算法，该算法在选用汽包水位误差e(k)和汽包水位误差变化量Δe(k) 作为控制器的输入变量的基础上，还选用蒸汽流量和给水流量差值Δf(k)作为控制器的输入变量，实时整定PID参数，克服虚假水位引起PID饱和以及系统振荡和超调。给水流量调节控制器GC2(s) 采用仿人智能PID控制算法以快速消除给水扰动[3]，控制器GC2(s)除了接受主调节器的设定信号外，还接受蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，抵消由于虚假水位引起的反向作用，减少水位和给水流量的波动幅度。

4. 仿人智能PID控制算法及其实现

仿人智能控制是人工智能、控制理论和计算机科学的交叉结合，其基本思想是采用分层控制机理，在上层采用智能控制方法，模拟具有丰富控制经验的操作人员的行为，通过特征辨识最大限度的判别当前的工作状态。在底层采用常规PID控制方法，对辨识出的状态配置相应的PID参数，从而实现多模态控制和决策[4]。算法采用产生式规则对专家经验进行描述，规则表示为：IF（condition）THEN(action)

这种基于规则的符号化模型适用于描述因果关系，定性的非解析关系，便于表达人的直觉推理逻辑和各种定性的模糊信息，推理和决策迅速准确。

水位调节控制器GC1(s)仿人智能PID控制算法选用汽包水位误差e(k) 、汽包水位误差变化量Δe(k)、蒸汽流量和给水流量差值Δf(k) 作为控制器的输入变量，描述系统的动态特征，表征其所处的工作状态。控制器输出v(k)的控制算法如图3所示。其中：em(k)为汽包水位误差e的第k个极值；k1：调节增益放大系数，k1>1；k2为调节抑制系数，0C2；

给水流量调节控制器GC2(s)仿人智能PID控制算法选用流量误差e(k) 、流量误差变化量Δe(k)作为控制器的输入变量，描述系统的动态特征，表征其所处的工作状态。控制器输出u(k)的控制算法如图4所示。其中：em(k)为流量误差e的第k个极值；k1：调节增益放大系数，k1>1；k2 为调节抑制系数，0

5. 结论

本文基于锅炉汽包水位的三冲量控制策略, 采用一种仿人智能PID控制算法,用以克服蒸汽流量变化产生的扰动。该控制系统在神华准能黑实公司哈尔乌素露天矿3台20T/h循环流换床蒸汽锅炉的实际使用证明，采用基于仿人智能PID汽包水位三冲量控制策略的自动控制系统能在锅炉负荷波动情况下调节给水量汽包水位维持稳定，系统的控制性能得到大幅度的提高，也充分表明了该控制策略在解决汽包水位存在的大滞后、特性时变等热工控制难题的有效性。

参考文献：

[1] 周佳,曹小玲,刘永文.锅炉汽包水位控制策略的现状分析[J].锅炉技术,2005，36(3):5-10.

[2] 韩光信，施云贵，胡忆沩.先进PID 在锅炉汽包水位控制中的应用研究[J].微计算机信息,2006,12(1):72-74.

pid控制篇8

【关键词】自动控制；PID系统；整定方法；应用

PID控制作为工业控制应用最广泛的策略，它是由微分、积分、比例的综合控制过程。早在2002年Miller和Desborough在统计报告中就已经指出，美国已经有11000多个PID结构调节器应用在工业领域，97%以上的回路使用了PID算法，甚至在比较复杂的算法中，控制层也使用了PID算法。在石油化工单位，PID控制被广泛应用于液位、压力、温度、流量以及其他回路的反馈控制。由于控制系统的自投控制率有限，所以它和自控系统的参数整定具有很大联系。做好整定工作，保障控制回路投用率，作为增强产品质量、产量的重要手段，在实际工作中具有重要意义。因此，在实际工作中，必须联合实际情况，对PID控制系统反复实践，进而为操作人员提供行之有效的PID经验与规则。

1 PID类型以及自动调节PID分析

1.1 PID类型

PID控制器由积分、比例、微分单元组成，在PID控制原理（如图1所示）和整定方法分析中，很多方法已经成熟并且得到了广泛的应用。在PID控制系统应用效果分析中，将近三分之一的控制器得到了满意的效果，也就是另外三分之二的PID系统控制性能不能满足客户要求，从而给控制理论与应用带来了很大的挑战与机遇。Ziegler—Nichols Method作为PID整定、参数探索最主要的方法，之后相继有很多技术被应用到PID自动和手动整定中。

根据PID研究方法，PID控制系统可以分成基于时域和频域的参数整定；根据发展过程，可以分成常规和智能PID参数整定；根据被控对象数量，可以分成多变量和单变量，单变量参数整定包含目前大多数整定方法，多变量则是研究的难点和重点；根据控制量组合方式，可以分成线性和非线性，线性常用于传统PID调节，非线性被广泛应用于非线性组合与微分控制器。

以上的分类方法都是从理论层面考虑的，在实际工作中，参数整定一直困扰着技术人员。因此，研究PID参数整定逐渐成为工程实践的重要内容，在传统工业应用中，使用最多的是工程整定方法。这些方法不仅需要调整动态特性，还需要在闭合回路中进行整定，由于计算方法简单、方便、容易掌握，所以被广泛应用于工程实际。根据这种情况，也可以分成被控对象已知与未知。

1.2 自动调节PID分析

处于平衡状态的调节系统，被调参数始终都是不变的，一旦系统被外界干扰作用，被调参数就会发生变化，此时根据给定值和被调参数偏差，调节器就有一个对应的输出信号调动调节规律，对调节进行影响，进而让被调参数恢复给定值，满足平衡状态要求。调节规律，也就是控制系统的比例（P）、积分（I）、微分（D）调节。

1.2.1 比例调节

在自动控制系统中，比例调节就是根据偏差大小进行动作的过程，被调参数和阀门开度偏差以比例的形式呈现。在DCS中，K表示作用强弱，它越大，调节力度也就越大，当比例作用太强时，就会出现振荡现象。

1.2.2 积分调节

积分调节根据偏差动作实现，调节器的偏差和输出以正比例的形式呈现，不仅取决于偏差，更取决于偏差实践 。只要偏差存在，并且拥有足够的时间，调节器输出值就会很大。当输入的偏差为零时，就会停止变化，保持对应的位置。在DCS中，主要通过T1表示。

1.2.3 微分调节

微分调节的动作是偏差速度，输入与输出偏差以比例形式呈现，它不仅拥有超前的调节作用，并且对应用成果也有很大作用。在DCS中，常用T2进行微分时间表示。

2 自动控制系统中的PID整定方法和应用

在PID整定前，首先必须明确调节器正反作用，在进行PID参数整定。也就是说，确定闭环调节，必须进行负反馈。在调节对象Ko中，执行器、阀门越大，PV测量就会越大，此时Ko>0，相反Ko0，相反Kv0，调节器反作用，反之为正作用。

2.1 单回路PID整定方法

在PID参数整定中，常用的方法是工程整定法，它又包括：临界比例系数、衰减曲线和经验凑试法。

2.1.1 临界比例系数法

它是在比例作用下运用试验，进而得到临界比例与周期，再根据总结关系，得到控制器参数值。具体的做法是，先将控制器转化成纯比例作用，也就是将积分时间放在最大位置，微分时间放在0上。在干扰作用中，对控制器进行改变，直到整个系统出现等幅振荡，此时的比例系数又叫临界比例，周期为临界振荡周期，根据这两个系数进而得到各个参数的整定值。

2.1.2 衰减曲线法

该方法则是在纯比例作用中，让系统逐渐出现衰减振荡，进而得到比例系数与衰减周期，再根据经验总结，得到控制器各个参数值。具体做法是，在闭合系统中，先将控制器转化成纯比例作用，再将比例系数放在对应的数值上；直到满足稳定要求后，再使用整定值改变的方法，添加曲线衰减比，进而从小到大的转换比例关系；直到衰减比为4：1，记下比例系数，从中得到衰减周期，根据经验的形式，得到各个控制器参数整定值。

2.1.3 经验凑试法

它是在控制器的数值上，得到过程曲线，在凑试的过程中，得到控制器参数。具体做法是，使用纯比例凑试，当满足要求后，使用积分消除余差，增强控制质量。

2.2 串级系统整定

2.2.1 两步整定法

在PID应用中，两步整定也就是根据主、副回路进行整定。在工艺生产相对稳定的空间，将主控制器比例系数设置成1，再增加副控制器比例系数。当整个回路达到4：1的衰减时，记下操作周期和比例系数。当副控制器固定，增加主控制器系数，主回路衰减比例为4：1时，再记下比例系数与操作周期。根据串级参数整定原则，将相关参数直接加到控制器上。

2.2.2 一步整定法

一步整定根据副控制器参数控制经验，对主控制器进行整定。在纯比例、生产正常的系统中，根据经验凑试方法，将副控制器设置成具体数值；再利用简单整定法整定控制器参数。在这过程中，参数整定调节作为改变系统特性的主要方法，必须及时掌握各个环节的动态特性。对于不能测试的化工对象，必须根据生产机理，在粗略估计中，对负荷、容量、滞后距离、自衡能力进行掌握。此时的自控人员必须根据DCS参数特性，让动态更加合乎要求。

3 结束语

PID系统整定作为一项系统复杂的参数整定，能否达到准、灵、稳的目标，必须对整定方法以及应用成果进行总结研究。因此，在应用前必须根据PID控制类型、原理，选用最佳整定方法，进而提高自动控制系统应用效益。

参考文献：

[1]徐萍，李耕，王凯.一种改进的PID参数整定方法[J].现代电子技术，2012（9）.

[2]胡剑峰.PID参数继电自整定方法的研究[J].仪表技术，2012（6）.

[3]郭波，邹丽梅.基于Turbo PMAC Clipper的伺服系统PID参数整定方法[J].武夷学院学报，2012（2）.

pid控制篇9

【关键词】模拟发电机；PID控制；F/V转换；变频器；PLC

1.引言

PID控制是工业上最常用的定值控制方式，常常使用变频器或者PLC与拖动装置及传感器组合起来构成闭环反馈系统实现。简单的拖动装置如打气泵、水泵水箱构成水位控制系统，或者由电动机拖动发电机构成PID电压控制系统，这些装置体积庞大、成本较高，导致在教学中难以实现。

PID控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自拖动系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例变化。在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。对该偏差值，经过P、I、D调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小，适用于压力、温度、流量控制等。[1]

如果用变频器-电动机-直流发电机可以构成PID闭环控制系统，但是需要这种方法一方面需要配置合适的发电机和负载，另一方面需要自己加工相应的传动装置。

现在高职院校配备的实训台上的电动机多带有编码器，编码器输出的脉冲频率与电动机的转速成正比。利用这一特点，制作的F/V转换电路板构成模拟发电机，配合实训台上西门子MM420变频器及S7-200PLC。MM420变频器内部有PID调节器，利用MM420变频器很方便构成PID闭环控制，就可以实现PID控制。如图4所示，这种方法成本低、体积小，适合用于PID控制项目实训。

2.基本思路

2.1 编码器输出脉冲的特点

电机转动时，编码器输出频率随电动机转速变化的方波信号，以24V供电为例，输出脉冲幅度接近24V。如果将频率转化成电压信号输出，在接有负载 情况下，在负载变化情况下要维持输出电压不变，电动机输出频率必须随之升高。

F/V转换

以每周输出400个脉冲的编码器为例，电动机转速在0～50Hz变化时，编码器输出脉冲频率在0～2000之间变化，脉冲周期在∞～0.5ms之间变化。合理选择R1、R2、C1很重要，使得输出电压要在0～10V之间变化，以符合变频器或者PLC模拟量输入模块的要求。

3.电路分析与计算

3.1 电路结构组成

图1 由编码器输出脉冲转化的电压输出电路

如图1所示的电路分为电源电路、输入脉冲处理、脉冲/电压转换电路、有源滤波电路、模拟负载及反馈信号输出部分组成。电源电路采用变压器降压获得24交流安全电压，然后经整流、滤波、稳压产生24V的直流稳定电压输出。

脉冲电压转换电路由三极管V1、V2，电容C1、C3及二极管D5、D6组成。用于将输入不同频率的方波脉冲转换成为与脉冲频率成正比的直流电压输出。三极管V3、电阻R3、电容C4、C6组成有源滤波电路，滤除电压C3两端电压波动。电路中串联的毫安表用于指示等效负载情况，电流大表示负载重，反之表示负载轻。

电位器RP1用于对模拟负载的调节，半可变电阻RP2为输出调节。

3.2电路的工作原理

编码器输出的为负脉冲，在无脉冲输出时为高电平，有脉冲输出时为方波。当编码器输出高电平时，三极管V1导通V2截止，经电容C1、二极管D6给电容C3充电，选取C3的容量远远大于C1，而且C3的放电时间常数很大，可视为其两端电压不变等效为恒压源E。

编码器输出低电平时，三极管V1截止V2导通，电容C1经过二极管D5和三极管V2放电，电路中C1放电时间常数很小，因此放电很快，但是放电后C1两端有一定的残余电压。电路中电阻R1用于对编码器输出进行保护，其阻值在1K左右，也可用一小电感取代。

图2 C1充电等效电路

在编码器输出脉冲频率一定时，如果调节RP1使其两端电阻减小，C1的放电电流增大，其两端电压降减小，RP2的滑动端输出电压随之减小。反之RP1两端阻值增大，则C1两端电压升高，RP2的滑动端输出电压随之增大。

3.3 分析计算

脉冲作用期间，设C2容量较大，因此其两端电压视为不变。电路达到稳定状态后，C2充电电量和释放电量相等。

充电电量：充电过程分为两个阶段，第1阶段时间很短，S1、S2同时导通，C1电量电量由0增到C1（Um-E）（其中Um是编码器输出脉冲的幅值），与负载取用电量相等。

当S1断开后，S3导通，C1经过D1和S3快速放电，为C1下次充电做准备。

负载电阻最大为：

，且

，

只有C1RL时间常数很大时，才有接近的线性关系，但是满足了此条件，电路输出E将接近Um，不能实现本电路的功能。

如输入脉冲幅度24V，满足反馈信号最大10V时，E=15V，RP1、RP2、R3分别取20K、10K、100K。

0.5ms放电电流为：2.5×10-7库伦

C1的容量应为：

由于C1与RL具有反比例关系，因此如RL减小10倍，则C1增大10倍。流过RP1与RP2的电流之和是流过电阻R3电流的β+1倍，这样输出电压与C1两端的电压E具有线性关系。RP1的阻值远大于RP2的阻值时，RP1两端的电压U为：

3.4电路的整定

先将模拟负载的电位器RP1调到最大位置，调节变频器输出频率达到30Hz时，调节RP2使其输出电压达到10V即可。

4.模拟负载与变频器的连接

图4 系统结构示意图

如图4所示反馈信号的输出端与变频器的模拟量输入端连接，模拟地与该电路的接地端连接。

5.变频器参数设置

图3 MM420变频器的PID控制原理图

MM440变频器PID控制原理如图3所示。PID给定源和反馈源分别见表2、3。

设定 P2253=225通过BOP面板改变P2240的目标值，设定P2264=755.0，选择反馈信号从通道1输入。[2]

（1）按要求接线

图4为面板设定目标值时PID控制端子接线图，模拟输入端AIN1接入反馈信号0～10V（DIP SW2置OFF），BOP面板控制变频器启停，给定目标值由BOP面板（）键设定。

（2）参数设置

首先将参数恢复到出厂默认值，继而进行快速调试设置电动机参数和斜坡函数发生器。然后设置控制参数、目标参数、反馈参数和PID参数。其控制参数设置如表1所示。

表1 控制参数表

参数号 出厂值 设置值 说明

P0003 1 2 用户访问级为扩展级

P0004 0 0 参数过滤显示全部参数

P0700 2 1 由BOP控制（选择命令源）

P1000 2 1 频率设定由BOP（）设置

*P1080 0 20 电动机运行的最低频率（下限频率）（HZ）

*P1082 50 50 电动机运行的最高频率（上限频率）（HZ）

P2200 0 1 PID控制功能有效

表2 目标参数表

参数号 出厂值 设置值 说明

P0003 1 3 用户访问级为专家级

P0004 0 0 参数过滤显示全部参数

P2253 0 2250 已激活的PID设定值（PID设定值信号源）

*P2240 10 60 由面板BOP（）设定的目标值（%）

*P2254 0 0 无PID微调信号源

*P2255 100 100 PID设定值的增益系数

*P2256 100 0 PID微调信号增益系数

*P2257 1 1 PID设定值斜坡上升时间

*P2258 1 1 PID设定值的斜坡下降时间

*P2261 0 0 PID设定值无滤波

当P2232=0允许反向时，可以用面板BOP键盘上的（）键设定P2240值为负值。

表3 反馈参数表

参数号 出厂值 设置值 说明

P0003 1 3 用户访问级为专家级

P0004 0 0 参数过滤显示全部参数

P2264 755.0 755.1 PID反馈信号由AIN2+（即模拟输入2）设定

*P2265 0 0 PID反馈信号无滤波

*P2267 100 100 PID反馈信号的上限值（%）

*P2268 0 0 PID反馈信号的下限值（%）

*P2269 100 100 PID反馈信号的增益（%）

*P2270 0 0 不用PID反馈器的数学模型

*P2271 0 0 PID传感器的反馈型式为正常

表4 PID参数表

参数号 出厂值 设置值 说明

P0003 1 3 用户访问级为专家级

P0004 0 0 参数过滤显示全部参数

*P2280 3 25 PID比例增益系数

*P2285 0 5 PID积分时间

*P2291 100 100 PID输出上限（%）

*P2292 0 0 PID输出下限（%）

*P2293 1 1 PID限幅的斜坡上升/下降时间（S）

（3）变频器运行操作

按下操作面板上的启动键，变频器启动电动机。当转动电位器RP1时，反馈的电流信号发生改变时，将会引起电动机速度发生变化。

若反馈的电流信号小于目标值（即P2240值），变频器将驱动电动机升速；电动机速度上升又会引起反馈的电流信号变大。当反馈的电流信号大于目标值时，变频器又将驱动电动机降速，从而又使反馈的电流信号变小；当反馈的电流信号小于目标值时，变频器又将驱动电动机升速。如此反复，能使变频器达到一种动态平衡装态，变频器将驱动电动机以一个动态稳定的速度运行。

按下操作面板上的停止键，电动机停止运行。

6.西门子S7-200PLC及模拟量模块和变频器构成的PID控制

电路结构如图5所示 ，与图4相比增加了模拟量输入输出模块EM235。

6.1 控制模式

用模拟量模块EM235的模拟量输出去控制变频器的转速，用模拟量输入与该模拟负载的输出端连接，模拟量输入选择0～+10V单极性模拟量输入。模拟量模块DIP开关设置为：

SW1=OFF、SW2=ON、SW3=OFF、SW4=OFF、SW5=OFF、SW6=IN。[3]

6.2 变频器的参数设置

设置变频器的参数P0700=2，P0701=1，P1000=2即可，选择端子DIN1控制变频器运行状态，选择模拟量调速方式。

6.3PLC编程

可以使用PID变成向导，也可以使用功能指令直接编程。使用指令编程，有利于对PID控制的理解，采用主程序、子程序、中断服务程序的结构形式，可优化程序结构，缩短扫描时间。

在子程序中，先进行编程的初始化操作，将5个固定参数（设定值SPn、增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD）填入回路表，然后再设置定时中断，以便于周期性的执行PID指令。一般温度和压力控制采用PI控制，TD设定为0。

在中断服务程序中，先将模拟量提供的过程变量PVn转化成为标准实数（纯小数）并填入回路表，并设置手动自动控制方式。然后将PID运算输出的标化后实数转换成有符号整数后从模拟量输出模块输出，以实现对模拟负载的控制。[4]

图5 系统结构示意图

7.实验效果

采用变频器、编码器、模拟负载等构成的PID控制中，调节模拟负载旋钮，电流表（万用表的10mA直流电流档）指针有明显变化，而且变频器的输出频率随电流增大而增大，用电压表测量RP2两端电压基本不变。

采用PLC、EM235模拟量模块、变频器和模拟负载等构成的PID控制系统，与前面的情况基本相同。都取得两良好的实训效果。

参考资料：

[1] 微型计算机控制技术使用教程 潘新民 王燕芳 编著 电子工业出版社2006年1月第一版230～233页.

[2] 变频器应用与维修技术 刘美俊 编著 中国电力出版社 2008年1月第一版 247～260页.

pid控制篇10

关键词：虚拟仪器；LabVIEW；PID控制器

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-2196-02

The Design of PID Controller Based on Virtual Device

YANG Da-zhu, LI Cheng-xue

(Automobile Management of PLA, Bengbu 233011, China)

Abstract: A program is designed based on LabVIEW virtual instrument，which can easily get the parameters of the PID controller for linear plant no more than third-order, finish the design of PID controller. At the same time, a step response of open-loop or close-loop control system is given.

Key words: virtual instrument; LabVIEW; PID control

PID(比例积分微分)控制是控制工程中技术成熟，应用广泛的一种控制策略，它经过长期工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。PlD控制调节原理简单，易于整定、使用方便，广泛地应用于机电、冶金、机械、化工等各个工业生产部门。由于工业控制现场PID参数优化整定困难，并且对于一些复杂的控制系统难以用传统方法进行整定，因此需要找到一种新的设计方法来解决这一问题。

LabVIEW是美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，具有简洁的图形化编程环境和强大的功能，广泛地应用于数据采集与控制、信号处理、数据显示、数据分析等领域。

利用LabVIEW软件实现的PID控制器有助于整定问题的解决。

1 PID控制原理

PID是根据系统误差计算出控制量进行闭环控制的基本控制算法，它从比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制。常规PID控制系统原理框图如图1所示，该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：

e(t)=r(t)-c(t)（1）

对偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)计算后通过线性组合构成控制量，作用于被控对象，其控制规律为：

（2）

表示为传递函数的形式为

（3）

式中kp、Ti、Td分别为,比例系数、积分时间常数、微分时间常数。

比例环节成比例的反映控制系统的偏差信号，一旦产生偏差，控制器就产生控制作用，来减少偏差。积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于时间常数Ti，Ti越小，积分作用越强。微分环节反映偏差信号的变化趋势，在系统中引入一个有效的提前修正信号，来加快系统的动作速度，缩短调节时间。

2 LabVIEW及其PID工具包简介

LabVIEW自1986年推出以来，经过二十几年的时间，发展到以最新版本LabVIEW10为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、模糊控制和PID控制等众多的附加软件包,可运行于Windows、Linux、Sun和HP-UX等多种平台。

LabVIEW提供了一种全新的编程方法,即采用编译型图形化编程语言―G语言(GraphProgramming)。用户设计好程序的框架之后,只需把系统提供的各种图形化功能模块连接起来,即可得到所需的应用程序。LabVIEW中的程序称为虚拟仪器 (virtual instruments)程序,简称VI.。每个VI都由前面板、框图程序和图标/连接端口三部分组成。前面板就是图形化用户界面,用于设置输入数值和观察输出值；框图程序利用图形语言对定义在前面板上的控制量和指示量进行编程；图标/连接端口则可以把VI定义为一个子程序(subVI),使其能被别的VI调用。

LabVIEW的PID控制模块包含PID和模糊逻辑控制以及其它先进控制函数。利用NI的基于LabVIEW的PID工具包（PID Toolkit），不但可以在LabVIEW 环境下通过友好的人机交互界面直观方便地进行控制器的设计，还能充分利用LabVIEW 的各种强大功能，特别是同数据采集板卡等硬件的良好结合，迅速地搭建所需的自动控制系统，进行仿真及实际应用。

3 PID控制器设计的LabVIEW实现方法

PID控制器设计的主要任务是对于给定的被控对象，快速的确定比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd,使系统满足相应的指标。

3.1 LabVIEW程序设计

3.1.1 前面板设计

前面板程序用来提供用户与程序的接口，产生一个友好的图形界面，用于显示仿真波形输出。此外，用户还可以通过前面板上的控件设置被控对象的传递函数,以及开环和闭环控制的选择。实现PID控制器设计的VI前面板程序如图2、图3所示,可以几乎同步得到仿真波形。

图2 开环控制及波形 图3 闭环控制及波形

3.1.2 框图程序设计

框图程序是虚拟仪器的图形化源代码，与前面板相对应，连线表示信号的方向。它是利用图形语言对前面板上的控制量和显示量进行控制，使程序完成设定的功能。图4和图5为本文的源程序。图4中的框图程序1对前面板输入的数据进行预处理，作为图5的框图程序2中各子VI的参数。

图4 框图程序1 图5 框图程序2

3.2 控制器设计

完成程序设计后,只需在前面板上设置被控对象的传递函数，然后运行程序,用鼠标拖动参数Kp、Ki、Kd的滑动按钮调整它们的大小，使得输出的阶跃响应达到预期的效果。还可以通过开关选择对开环系统或者闭环系统进行仿真。本文对传递函数为

（4）

的被控对象进行仿真，得到开环和闭环阶跃响应分别如图2和图3所示。kp、Ti、Td的值分别为5.17、0.006、0.01。

对不同的被控对象只需改变其传递函数，重复上面步骤即可获得的PID参数,完成PID控制器的设计。

4 结束语

PID增加了一些高级的功能，如可以设定期望值的范围，手动控制， 线性化、自整定等功能。在LabVIEW软件条件下，利用PID工具包，可以方便的进行PID控制器的设计，为PID控制在实际系统中的应用提供参考。通过前面板的图形交互界面，本程序对3阶以内具有线性递函数的被控对象有着很好的通用性。

此外，还可以利用PID工具包，设计其它基于PID算法的LabVIEW程序，设为子VI，便于在设计中调用。

参考文献：