目錄摘要.錯(cuò)誤!未定義書簽。ABSTRACT.錯(cuò)誤!未定義書簽。第一章緒論.11.1課題來源及PID控制簡(jiǎn)介.11.1.1課題的來源和意義.11.1.2PID控制簡(jiǎn)介.11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及MATLAB簡(jiǎn)介.3第二章控制系統(tǒng)及PID調(diào)節(jié).52.1控制系統(tǒng)構(gòu)成.52.2PID控制.52.2.1比例、積分、微分.52.2.2、控制.7第三章系統(tǒng)辨識(shí).93.1系統(tǒng)辨識(shí).93.2系統(tǒng)特性圖.103.3系統(tǒng)辨識(shí)方法.11第四章PID最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真.134.1PID參數(shù)整定法概述.134.2針對(duì)無轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整法.144.2.1RELAYFEEDBACK調(diào)整法.144.2.2RELAYFEEDBACK在計(jì)算機(jī)做仿真.144.2.3在線調(diào)整法.164.2.4在線調(diào)整法在計(jì)算機(jī)做仿真.174.3針對(duì)有轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整方法.184.3.1系統(tǒng)辨識(shí)法.184.3.2波德圖法及根軌跡法.20第五章油冷卻機(jī)系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì).215.1油冷卻機(jī)系統(tǒng).215.1.1油冷卻機(jī).215.1.2感測(cè)與轉(zhuǎn)換器.225.1.3控制組件.235.2油冷卻機(jī)系統(tǒng)之系統(tǒng)辨識(shí).245.3油冷卻機(jī)系統(tǒng)的PID參數(shù)整定.26結(jié)論.32致謝.33參考文獻(xiàn).34青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1第一章緒論1.1課題來源及PID控制簡(jiǎn)介1.1.1課題的來源和意義任何閉環(huán)的控制系統(tǒng)都有它固有的特性，可以有很多種數(shù)學(xué)形式來描述它，如微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程等。但這樣的系統(tǒng)如果不做任何的系統(tǒng)改造很難達(dá)到最佳的控制效果，比如快速性穩(wěn)定性準(zhǔn)確性等。為了達(dá)到最佳的控制效果，我們?cè)陂]環(huán)系統(tǒng)的中間加入PID控制器并通過調(diào)整PID參數(shù)來改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，使其達(dá)到理想的控制效果。1.1.2PID控制簡(jiǎn)介當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)，PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為公式（1-1）公式（1-1）因此它的傳遞函數(shù)為公式（1-2）公式（1-2）比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小,積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率,具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2趨勢(shì),因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用,因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié),對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變化率,而當(dāng)輸入沒有變化時(shí),微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成PD或PID控制器。PID控制器由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多控制過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ki和Kd可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子，在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個(gè)問題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過程模型自動(dòng)計(jì)算PID參數(shù)。但仍不可否認(rèn)PID也有其固有的缺點(diǎn)：PID在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點(diǎn)，PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)31.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及MATLAB簡(jiǎn)介PID控制中最重要的是對(duì)其參數(shù)的控制，所以當(dāng)今國(guó)內(nèi)外PID控制技術(shù)的研究主要是圍繞如何對(duì)其參數(shù)整定進(jìn)行的。自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動(dòng)和自動(dòng)整定.根據(jù)發(fā)展階段的劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法及智能PID參數(shù)整定方法；按照被控對(duì)象個(gè)數(shù)來劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)；按控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數(shù)整定方法及非線性PID參數(shù)整定方法，前者用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，后者用于由非線性跟蹤-微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。Astrom在1988年美國(guó)控制會(huì)議（ACC）上作的面向智能控制2的大會(huì)報(bào)告概述了結(jié)合于新一代工業(yè)控制器中的兩種控制思想自整定和自適應(yīng)，為智能PID控制的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他認(rèn)為自整定控制器和自適應(yīng)控制器能視為一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的儀表工程師的整定經(jīng)驗(yàn)的自動(dòng)化，在文3中繼續(xù)闡述了這種思想,認(rèn)為自整定調(diào)節(jié)器包含從實(shí)驗(yàn)中提取過程動(dòng)態(tài)特性的方法及控制設(shè)計(jì)方法，并可能決定何時(shí)使用PI或PID控制，即自整定調(diào)節(jié)器應(yīng)具有推理能力。自適應(yīng)PID的應(yīng)用途徑的不斷擴(kuò)大使得對(duì)其整定方法的應(yīng)用研究變得日益重要。目前，在眾多的整定方法中，主要有兩種方法在實(shí)際工業(yè)過程中應(yīng)用較好，一種是由?？怂共_（Foxboro）公司推出的基于模式識(shí)別的參數(shù)整定方法（基于規(guī)則），另一種是基于繼電反饋的參數(shù)整定方法（基于模型）.前者主要應(yīng)用于Foxboro的單回路EXACT控制器及其分散控制系統(tǒng)I/ASeries的PIDE功能塊，其原理基于Bristol在模式識(shí)別方面的早期工作11。后者的應(yīng)用實(shí)例較多，這類控制器現(xiàn)在包括自整定、增益計(jì)劃設(shè)定及反饋和前饋增益的連續(xù)自適應(yīng)等功能.這些技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了PID控制器的使用，顯著改進(jìn)了它的性能，它們被統(tǒng)稱為自適應(yīng)智能控制技術(shù)。4自適應(yīng)技術(shù)中最主要的是自整定。按工作機(jī)理劃分，自整定方法能被分為兩類：基于模型的自整定方法和基于規(guī)則的自整定方法。4在基于模型的自整定方法中，可以通過暫態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、參數(shù)估計(jì)及頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)來獲得過程模型。在基于規(guī)則的自整定方法中，不用獲得過程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，整定基于類似有?jīng)驗(yàn)的操作者手動(dòng)整定的規(guī)則。為了滿足不同系統(tǒng)的要求，針對(duì)多變量和非線形的系統(tǒng)還分別采用了多變量PID參數(shù)整定方法和非線性PID參數(shù)整定方法。PID控制算法是迄今為止最通用的控制策略.有許多不同的方法以確定合適的控制器青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)4參數(shù).這些方法區(qū)分于復(fù)雜性、靈活性及使用的過程知識(shí)量。一個(gè)好的整定方法應(yīng)該基于合理地考慮以下特性的折衷：負(fù)載干擾衰減，測(cè)量噪聲效果，過程變化的魯棒性，設(shè)定值變化的響應(yīng)，所需模型，計(jì)算要求等.我們需要簡(jiǎn)單、直觀、易用的方法，它們需要較少的信息，并能夠給出合適的性能。我們也需要那些盡管需要更多的信息及計(jì)算量，但能給出較好性能的較復(fù)雜的方法。從目前PID參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，以下幾個(gè)方面將是今后一段時(shí)間內(nèi)研究和實(shí)踐的重點(diǎn)。4對(duì)于單輸入單輸出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)不穩(wěn)定對(duì)象或被控過程存在較大干擾情況下的PID參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進(jìn)一步增強(qiáng)，使用最少量的過程信息及較簡(jiǎn)單的操作就能較好地完成整定。對(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著耦合的多變量過程的多變量PID參數(shù)整定方法，進(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信息量，使其易于在線整定。4智能PID控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計(jì)劃設(shè)定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動(dòng)診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對(duì)原有PID控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)；將預(yù)測(cè)控制、模糊控制和PID控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)性能，都是智能PID控制發(fā)展的極有前途的方向。4MatrixLaboratory(縮寫為Matlab)軟件包，是一種功能強(qiáng)、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括:一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序和圖形集于便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的計(jì)算，同時(shí)提供了與其它高級(jí)語言的接口，是科學(xué)研究和工程應(yīng)用必備的工具。目前，在控制界、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本論文設(shè)計(jì)中PID參數(shù)的整定用到的是Matlab中的SIMULINK,它是一個(gè)強(qiáng)大的軟件包，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)工作。用SIMULINK對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以預(yù)知效果，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，為設(shè)計(jì)人員提供參考。其仿真結(jié)果是否可用，取決于數(shù)學(xué)模型正確與否，因此要注意模型的合理及輸入系統(tǒng)的參數(shù)值要準(zhǔn)確。8青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5第二章控制系統(tǒng)及PID調(diào)節(jié)2.1控制系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)控制對(duì)象的工作狀態(tài)能進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，一般由控制器與控制對(duì)象組成，控制方式可分為連續(xù)控制與反饋控制，即一般所稱，開回路與閉回路控制。連續(xù)控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒有任何影響，也就是說，控制端與控制對(duì)象為單向作用，這樣的系統(tǒng)亦稱開回路系統(tǒng)。反饋控制是指將所要求的設(shè)定值與系統(tǒng)的輸出值做比較，求其偏差量，利用這偏差量將系統(tǒng)輸出值使其與設(shè)定值調(diào)為一致。反饋控制系統(tǒng)方塊圖一般如圖2-1所示：圖2-1反饋控制系統(tǒng)方塊圖2.2PID控制將感測(cè)與轉(zhuǎn)換器輸出的訊號(hào)與設(shè)定值做比較，用輸出信號(hào)源(2-10v或4-20mA)去控制最終控制組件。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近60年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技