一种采用时间最优控制的PID恒温控制器设计.doc

1 引言 现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。 本系统是一个恒温箱的温度控制器, 可供各类实验室及生产部门使用. 系统的加热功率为1000W , 电源为220 V 交流电, 控制范围为20 80 . 控制器可以在线设定控制温度, 并对温度进行实时数码显示. 本控制器经过反复调试、运行, 取得了较好的控制效果, 现已在实验室用做恒温水箱的温控器, 它具有控制速度快、超调小、线性控制精度高和实现成本低等特点.为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理2 恒温控制器组成及原理恒温控制器结构框图如图1 所示, 它是一个典型的闭环反馈控制系统键 盘温度显示温度越限报警器单片机A/DD/A温度变换电路可控硅触发电路图1恒温控制器结构框图A/D的基本原理是对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，将输入电压平均植变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间隔，进而得到相应的数字量输出，该转换电路是对输入电压的平均值进行变换单相通用型可控硅触发板是通过调整可控硅的导通角来实现电气设备的电压电流功率调整的一种移相型的电力控制器，其核心部件采用国外生产的高性能、高可靠性的军品级可控硅触发专用集成电路。输出触发脉冲具有极高的对称性及稳定性，且不随环境温度变化，使用中不需要对脉冲对称度及限位进行调整。现场调试一般不需要示波器即可完成。它（GBC2M-1系列与zkd6三相全数控系列）可广泛的应用于工业各领域的电压电流调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧及各种整流装置等* 电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节。该控制器选用MCS251 系列单片机8031 作为微控制器, 用户程序固化在EPROM 芯片2764 中,系统配有4 位L ED 显示及小键盘.控制器的温度检测元件采用热敏电阻, 其检测温度经变换电路转换为标准电压信号. A/D 转换器转换的数据送入8031, 经数字滤波、标度变换计算出实际温度并与设定温度值进行比较, 得到控制偏差. 由单片机实现的数字调节器按一定的算法产生相应控制量. 控制量由D/A 转换器转换成0 8V 的电压信号控制双向晶闸管的通断率, 通过调节加热功率达到控制温度的目的. 温箱的设定温度通过键盘完成.乘于0.0625即可得到实际温度。3、键盘和显示的设计键盘采用行列式和外部中断相结合的方法，图3中各按键的功能定义如下表1。其中设置键与单片机的脚相连，、YES、NO用四行三列接单片机P0口，REST键为硬件复位键，与R、C构成复位电路。模块电路如下图3：表1：按键功能按键键名功能REST复位键使系统复位RET设置键使系统产生中断，进入设置状态数字键设置用户需要的温度YES确认键用户设定目标温度后进行确认NO清除键用户设定温度错误或误按了YES键后使用2.1 温度采样电路温度采样电路由温度变换电路和A/D转换器组成.2. 1. 1 温度变换电路温度变换电路由负温度系数热敏电阻RT 和集成运放LM 324 构成, 电路的测量范围设计为20 80. 热敏电阻具有较高的灵敏度, 但RT 在25常温下的阻值约为10K8 , 而100时却为7858 , 其非线性程度强, 因此需要对热敏电阻作非线性较正, 以保证温度变换电路的输出是线性变化. 经过对热敏电阻作线性补偿后, 在30 70 时具有较好的线性, 其它温度范围可通过软件线性插值做进一步校正. 温度变换电路输出电压与温度的关系如表1 所示.表1温度与输出电压的关系T () 20222426283032343638V (V )0.5640.5930.6210.6580.6820.7250.610.8040.8530.903T ()40424446485052545658V (V )0.9370.9721.0081.0451.0801.1161.1321.1881.2211.258T ()60636567707274767880V (V )1.2921.3461.3801.4001.4701.5181.5631.6051.6421.6972.1.2 A/D 转换电路A/D 转换器采用了双积分式A/D 转换芯片MC14433. 该换芯片的分辨率为± 11999(相当于11 位精度) , 电压量程为1. 999V 或199. 9 mV (本控制器中选用1. 999V 量程) , 具有过量程和欠量程输出标志, 片内具有自动极性转换和自动调零功能.MC14433 转换速度比较慢,但转换精度高, 抗干扰能力强, 外接元件少, 使用方便.MC14433 采用了扫描方法, 输出为312 位BCD 码, 从0000 1999 共2000 个数码, 当温度范围为0 100时,A/D 转换可达到0. 05/b it, 完全满足本系统的要求. 电路采用中断管理方式, 每次转换结束后向8031 发出中断请求信号.2.2 温度控制电路8031对温度的控制是通过可控硅调功电路实现的, 原理如图2 所示. 本电路采用了调压调功原理, 通过调节控制电压V K 的大小来调节电压比较器A 1 输出脉冲信号V O 的占空比, 进一步控制加热丝的平均导通功率, 从而达到调节温度的目的. 此控制方式不需要复杂的同步电路, 控制器的导通为过零型导通. 电压比较器信号关系如图3 所图2功率控制电路原理 图3电压比较器信号温度控制元件采用了双向可控硅C332. 只要改变可控硅管的导通时间, 便可以改变加热丝功率.来自锯齿波发生器的信号V I (幅度为1. 66 6. 66V , 频率为30 Hz) 加至A 1 的同相端, 由D/A 转换器输出的控制电压V K (0 8 V ) 加至A 1 的反相端, 控制电路输出脉冲信号的临界电压为1. 66V. 当V K的值大于6. 66 V 时,A 1 的输出恒为低电平, 输低电平为MOC3061 的导通信号. 在锯齿波的1 个周期内,V K 的值大于V I 时,A 1 输出低电平,V K 的值小于V I 时,A 1 输出高电平, 从而在A 1 的输出端形成一个脉冲宽度可变的脉冲信号, 该脉冲信号经光电耦合器MOC3061 后加到可控硅的控制极, 直接控制双向可控硅的导通时间, 从而控制加热丝的平均加热功率. 可控硅回路与220V 电源相通, 光电耦合器的绝缘耐压能有效地把微机系统与220V 强电隔离.一种采用时间最优控制的P ID 恒温控制器333MOC3061 是内部具有过零检测器的光电耦合可控硅驱动器, 该器件用于触发可控硅时, 具有触发电路简单可靠的特点. 当其输入端为导通信号时, 负载端并不一定马上导通, 只有当电源电压过零时才能导通, 导通时波形是完整的, 因此减小了可控硅接通时的干扰. 经过反复调试、测量, 当V I 的频率为30 Hz 时控制效果最佳.2.3 温度设定/显示电路系统配有小键盘与4 位L ED, 用于设定控制温度和显示实时温度. 显示器、键盘与8031 的接口芯片采用可编程接口芯片8279, 完成键盘扫描与输出动态显示, 电路如图4 所示. 控制器在运行时可以方便地在线修改有关参数. 采用这种方法可减轻CPU 在扫描键盘和刷新显示时的负担, 也简化了编程.图4 8279 温度设定/显示电路3 控制算法及参数整定3.1 控制算法PID 控制是一种技术成熟、应用广泛的控制方法, 其结构简单, 参数整定方便,原理简单，易于实现，适用面较宽等特点 而且对大多数过程均有较好的控制效果,近半个世纪来一直是应用最广泛的一种控制器 因而本系统采用了P ID 算法.对于采用调压调功方式的温度控制, PID 算式应当采用位置算式, 即U (k ) = U (k - 1) + U (k )式中，Kc，Ti，Td 分别为模拟调节器的比例增益，积分时间和微分时间；U0 为偏差 e=0时的调节器输出，常称之为稳态工作点。其中U (k ) = K P E (k ) - E (k - 1) + K IE (k ) + KD E (k ) - 2E (k - 1) + E (k - 2) 温度变化是个慢过程, 若单纯采用P ID 控制, 当有较大扰动或大幅度改变给定值时, 会产生较大的偏差, 此时在积分项的作用下, 往往会产生较大的超调和长时间的波动. 因此在系统中采用了P ID算法与时间最优控制相结合的控制方式.时间最优控制是Pont ryagin 于1956 年提出的一种最优控制方法. 它是研究满足约束条件下获得允许控制的方法, 也叫最大值原理. 用最大值原理可以设计出控制变量只在ûu ( t) û1 范围内取值时间最优控制系统. 而在工程上设ûu ( t) û1 都只取±1 两个值, 而且依照一定的法则加以切换, 使系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短, 这种类型的最优切换系统, 称为开关控制(Bang- Bang) 系统. 即uK =umaxe (k ) > 00e (k ) 0uK 为t= kT 时控制器的输出, umax为系统的最大输出, e (k ) 为温度给定值与测量值之差, 当偏差大于零时, 控制器输出最大值, 控制对象加热. 当偏差小于等于零时, 控制器输出0, 停止加热. 这种算法具有控制简单、实现方便等优点, 但当偏差接近零时, 系统容易发生振荡. 因此, 采用P ID 算法与时间最优控制相结合的双模控制方式, 控制规律为ûe (k ) ûE时间最优控制ûe (k ) û< EP ID 控制规定一阈值E(偏差区域),当偏差大于E时,实行时间最优控制,即Bang2Bang 控制;而在阈值E以内,实行PID控制。这样,既可以发挥Bang2Bang控制快速消除大偏差的优点,又能发挥PID控制精度高,超调小的优点,从而使静态、动态性能指标较为理想。由于计算机控制是由软件实现控制算法，所以根据不同的被控对象特点与要求，在标准PID控制算法基础上做某些改进非常方便，这样可在某种程度上改善控制品质。在考虑算法的改进是，最好是先做一些辅助设计与仿真，并与标准PID进行比较，以观其改进后的控制效果。常见的改进算法如下：（1）实际微分PID控制算法在实际控制中，标准的数字PID算式1式3中的微分作用控制效果并不理想，尤其是对具有高频扰动的生产过程，若微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡。比如，在DDC系统中，常常采用被称为实际微分作用的PID控制策略。标准的微分作用只能维持一个采样周期，且作用很强，当偏差较大时，受工业执行机构限制，这种算法不能充分发挥微分作用。而实际微分作用能缓慢地保持多个采样周期，使工业执行机构能较好的跟踪微分作用输出。另一方面，由于实际微分PID控制算法中的一个惯性环节，使得它具有一定的数字滤波能力，抗干扰能力也较强。理想PIDE(s)U(s) 图1 实际微分PID控制算法示意框图理想PID与实际微分PID算式的主要区别在于后者比 前者多拉一个一阶惯性环节。 实际微分还可以有其他形式的算式，如可将一阶惯性环节改为一阶超前/一阶滞后环节。（2）微分先行PID控制算法当控制系统的给定值发生阶跃变化是，微分动作将是控制量 u 大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。为拉避免因给定值变化给控制系统带来超调量过大，调节阀动作剧烈的冲击，如图2所示U（s）R(s)图2 微分先行的PID控制方框图这种方案的特点是只对测量值（被控量）进行微分，而不对偏差微分，也即对给定值无微分作用。这种方案称为“微分先行”或“测量值微分”。考虑正反作用的不同，偏差的计算方法也不同，即 e(k)=y(k)-r(k) (正作用) e(k)=r(k)-y(k) (反作用)标准PID增量算式中的微分项为U（k）=Kde(k)- 2e(k-1)+ e(k-2)改进后的微分作用算式则为 U (k ) =Kdy(k)-2y(k-1)=y(k-2) (正作用) U (k ) =-Kdy(k)-2y(k-1)=y(k-2) （反作用）但要注意，对串级控制的副回路而言，由于给定值是由主回路提供的，仅对测量值进行微分的这种方法不适用，仍应按原微分算式对偏差进行微分。（3）积分分离PID算法采用标准的PID控制算法时，当扰动较大或给定值大幅度变化是，由于产生较大的偏差，加上系统本身的惯性及滞后，在积分作用下，系统往往产生较大的超调和长时间的振荡。对温度，成本等缓慢过程，这中现象更为严重。为克服这种对系统的不良影响，积分分离PID算法的基本思想是：在偏差e(k)小于某一设定值A时，才将积分作用投入，即：|e(k)|>A 时，用 P或PD控制|e(k)|<A 时，用 PI或PID控制上式中的A值需要适当选取，A值过大，起不到积分分离的作用；若A过小，即偏差e(k)一直在积分区域之外，长期只有P或PD控制，系统将存在余差。 为保证引入积分作用后的系统稳定性不变，在投入积分作用的同时，比例增益Kc应根据积分作用是否起作用而变化，显然这是轻而易举可以实现的。3. 2 参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。动控制系统中要达到满意的控制要求就必须恰当选择PID的参数，即选择合适的比例控制作用中的控制器放大系数、积分控制作用中的积分时间和微分控制作用中的微分时间。Labview的控制工具包中包括常规PID控制和模糊逻辑控制两类函数，后者主要用于较复杂的非线性系统控制。由于温度变化速度较慢, 本系统选择采样时间T S 为5 s, 其余调节参数均在P ID 仿真基础上参考ZEGL ER2N ICHL E 整定方法经实验确定.T S = 0. 1TM , T I= 0. 5TM , T D = 0. 125TMU = K P E + 0. 2E + 1. 252E TM 为临界震荡周期通过反复调整, 最后得出: K P= 0. 012、T I= 40、T D = 1.由于控制电路输出脉冲信号的临界电压为1. 66V , 对应数字量为AAH (十进制数为170) , 所以将该电压值作为系统首次进入控制过程时U (k - 1) 值.3.2.1 PID控制器的参数整定与自动整定 PID控制器参数整定的含义实质上是通过调整Kc,Ti,Td,使控制器的特性与被控过程的特性相匹配，以满足某种反映控制系统质量的性能指标。与模拟PID控制器不同的是，数字PID控制的参数整定，除了需要确定Kc,Ti,Td外，还需要确定系统的采样周期Ts的大小有关。由于Ts主要与不同的被控对象特性有关，故在实际应用中，人们一般根据经验，通过仿真或实验确定最合适的采样周期。 即使是单回路的模拟PID调节器，参数的整定工作也是一件比较繁琐的工作。而当今工业控制回路动辄就是数十数百乃至数千，他们投运时的参数整定工作更是一项十分费时费力的工作。另一方面，当被控对象因某种原因发生变化时，原来整定好的参数已不能满足控制系统的要求，需要根据变化了的情况及时重新整定。因此，尽管有许多模拟PID调节器参数整定的方法可以借鉴，但从用户的角度来看，人们希望整定参数越简单越好，最好是通过按某个键就能直接进行PID参数自动整定。这种自动整定的概念最初由著名的瑞典学者Astroom等在20世纪80年代初期提出，很快便得到广泛的研究与应用。此后，许多自动整定PID参数的方法相继提出，其中一些已形成产品在实际工业控制中应用。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。在自动控制系统中要达到满意的控制要求就必须恰当选择PID的参数，即选择合适的比例控制作用中的控制器放大系数Kc、积分控制作用中的积分时间Ti和微分控制作用中的微分时间Td。LabVIEW的控制工具包中包括常规PID控制和模糊逻辑控制两类函数，后者主要用于较复杂的非线性系统控制。常规 PID参数整定的理论方法要有对象准确的数学模型，但这对大多数的工业控制系统是难以做到的。因此按工程上通常的做法，可以通过以下几种实验的方法来整定PID参数。1. 经验凑试法：通过实际的闭环运行，观察系统的响应曲线。然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，以达到满意的响应，从而确定PID的参数控制系统 参数范围Ti/minTd/min液位20%80% - -压力30%70%0.43 -流量40%100%0.11 -温度20%60%3100.312. 临界比例度法(又称稳定边界法)：这是一种闭环调节过程先让控制器在纯比例控制作用下，通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程曲线，记下此时的比例度和等幅振荡周期,再通过简单的计算求出衰减振荡时控制器的PID参数值控制作用控制参数P -PI-PID3.衰减曲线法：这是一种在经验凑试法基础上经过反复实验而得出的一种参数整定方法可按过渡过程达到4:1递减曲线法整定控制参数，也可按过渡过程达到10:1递减曲线法整定控制参数记下达到4:1递减曲线时的比例度和第一个衰减周期，通过简单的计算求出衰减振荡时控制器的PID参数值。整定参数控制参数P - -PI1.20.5 -PID0.80.30.14.响应曲线法：这是一种根据对象的特性曲线进行参数整定的方法。由对象的阶跃响应曲线求出纯时间和时间常数T。按下式求取对象的放大系数K   式中：被控量测量值的变化量：控制器输出的变化量：控制仪表的刻度范围：控制器输出变化范围整定参数控制参数TIP- -PI1.13 -PID0.825常规PID控制参数整定方法的选择以上四种工程整定方法各有优缺点。经验法简单可靠，能够适用于各种控制系统，特别是干扰频繁、记录曲线不大规则的控制系统。因为是靠经验来整定的，对同一过渡过程曲线可能有不同的认识，从而得出不同的结论，整定质量不一定高。因此这种方法适用于现场经验比较丰富、技术水平比较高的人使用。临界比例度法简便而易掌握，过程曲线易于判断，整定质量较好，适用于一般的温度、压力、流量和液位控制系统。但对临界比例度小或者工艺生产约束条件严格，对过渡过程不允许出现等幅振荡的控制系统不适用。衰减曲线法的优点是方法较为准确可靠，而且安全，整定质量也较高。但当外界干扰作用强烈而频繁，或由于仪表、控制阀、工艺上的某种原因而使记录曲线不规则，或难以从曲线判别其递减比和衰减周期的控制系统不适用。响应曲线法是根据对象特性曲线来确定控制器的整定参数的方法，因而在特性曲线测试准确的前提下，整定质量高。其不足之处是要测试响应曲线，以往传统的响应曲线测试过程比较麻烦，且测试的准确性也难以保证，因而使用得到一定的限制。由于LabVIEW提供的DAQ数据采集卡具有高性能、高频率的数模/模数转换功能，采样频率最高可达20MHz以上，因而使得响应曲线测试的难度及麻烦程度也大大降低。另外本程序原来就有获取对象特性曲线这一环节，故在参数整定时，选择了响应曲线法。同时在实际应用中用户也可以再根据对象的情况和特点对整定的参数进行适当的调整，以提高参数整定的质量。3.2.2 基于继电反馈控制的PID控制器参数自动整定随着工业生产的发展,于20世纪30年代,美国开始使用PID调节器,它比直接作用式调节器具有更好的控制效果,因而很快得到了工业界的认可。至今,在所有生产过程控制中,大部分的回路仍采用结构简单、鲁棒性强的PID控制或改进型PID控制策略。PID控制作为一种经典的控制方法,几乎遍及了整个工业自动化领域,是实际工业生产过程正常运行的基本保证;控制器的性能直接关系到生产过程的平稳高效运行以及产品的最终质量,因此控制系统的设计主要体现在控制器参数的整定上。随着计算机记住的飞跃发展和人工智能技术渗透到自动控制领域,近年来出现了各种使用的PID控制器参数整定方法。 作为最通用的控制方法,对PID的参数整定有许多方法;对于不同的控制要求、不同的系统先验知识,考虑用不同的方法;这些算法既要考虑到收敛性、直观、简单易用,还要综合负载干扰、过程变化的影响,并能根据尽可能少的信息和计算量,给出较好的结果。 对于存在纯滞后的工业过程，常用的一种PID参数的工程整定方法是稳定边界法。他的实现是在系统闭环情况下，去除积分与微分作用，让系统在纯比例器的作用下产生等幅震荡 ，利用此时的饿临界增益Ku和临界震荡周期Tu,根据表所示的经验规则，直接查表2得到PID参数。基于继电反馈进行自动整定PID参数的基本思想是用具有继电特性的非线形环节代替稳定边界法中的纯比例器，是系统产生稳定的极限环震荡，从儿可直接从等幅震荡中获得所需的临界振荡周期Tu，并由极限环振荡定义通过简单计算获得临界增益Ku。表2 闭环整定方法得到的调节参数控制器KcTiTdP0.5Ku-PI0.4Ku0.8Tu-PID0.6Ku0.5Tu0.12Tu 采用继电反馈的自动整定原理，其过程是：通过人工控制使系统进入稳定状况，按下整定按扭，开关S接通T，启动自动整定，这时系统处于闭环的继电控制状态。观测记录下继电控制下产生的稳定极限环振荡，由测试得到的系统振荡周期和极限环幅值，可计算出PID控制器参数。整定完成后，开关S自动切至A侧，进行正常的PID控制。上述按下按钮后的整个整定过程都可由计算机方便的自动实现。通过对流量过程控制的系统分析，针对其控制过程很难用精确的数学模型来描述的特征，在传统PID控制算法的基础上，结合智能控制理论，设计了神经网络PID控制系统。神经网络PID控制系统由辨识网络(NNI)和控制网络(NNC)两个网络构成，均采用BP网络实现。其中，辨识网络通过在线学习可以得到被控对象的预测值，控制网络完成PID调节器的功能，并以辨识网络给出的预测值为目标，不断修改权值和阀值达到优化PID调节器参数的目的，从而实现对传统PID控制算法的改进。 以过程控制实验装置为对象，探讨了流量控制系统的设计。对于流量这种易于受随机因素干扰、具有时变性、非线性的复杂控制对象采用了一种新型的智能控制算法神经网络PID控制算法；以MATLAB中的Simulink为工具对流量控制系统建立了简化后的仿真模型；又分别对传统PID控制和神经网络PID控制进行了仿真实验；结果表明，神经网络PID控制算法在自适应性、鲁棒性和控制品质等方面较传统PID算法有显著的提高。数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。 在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 选择参数 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。4 温度控制程序设计温度控制程序的设计主要考虑以下几个方面问题: 温度采集与数字滤波、P ID 运算、温度线性插值及标度变换、温度的设定及显示、越限报警和处理.系统的程序由主程序、ADC 中断服务程序、键盘中断服务程序、TO 中断服务程序以及控制子程序组成。1) 主程序:包括系统的初始化、数字滤波、线性插值及标度变换和显示.其中数字滤波采用算术平均滤波的算法; 温度线性插值及标度变换是将采样的电压值转换为BCD 码表示的温度值, 标度转换用下述近似公式表示:T x= T 0+ (T m - T 0)V x - V 0V m - V 0式中: Tx 为实际测量温度, T0 为温度的下限值, Tm 为温度的上限值; Vx 为测量所得电压值,V 0 为下限对应的电压值,Vm为上限对应的电压值.在表1 中列出的数值并不完全满足线性关系, 因此采用线性插值法把整个温度范围分成若干段, 将每一小段都看成是线。 保护现场Y上限报警处理N恢复现场返回下限报警处理恢复现场返回N求=|=2？调用PID算法输出控制电压Y0？NB-B输出80HYB-B输出FFHY恢复现场返回N+图5 控制子程序流程图性的, 根据所采集到的数据Vx 确定所在区间的界值(即T 0、Tm、V 0 和Vm 的值) , 代入上式即可计算出所要求的温度值。2) TO 中断服务程序: 其主要功能是为PID 控制提供计时基准,设定控制时间.第3 期一种采用时间最优控制的PID恒温控制器335，3) 控制子程序: 这部分为控制器的核心部分。首先判断温度是否越限,若发生越限, 则根据越限判断,进行越限报警,并采取相应措施。若温度在正常调节范围, 当E2 时, 系统采用PID算法控制。当E> 2 时, 系统采用时间最优控制。子程序流程如图5 所示。4) 键盘中断服务程序: 由“R ”键决定是否进入设定温度状态, 并且配合L ED 显示器显示设定温度值。为防止输入错误,设置了“C”键与“E”键,分别表示取消温度设定与温度设定成功退出。5)ADC 中断服务程序:完成对温度传感器输入信号的采集,并存入缓存区。原程序见附录1结 论本系统经过反复温控试验以及连续运行的可靠性试验,最终确定了PID算法的参数。当系统施加给定升温时, 在2080范围内最大动态超调小于±2, 稳态误差小于±0.2,系统运行状态良好。恒温控制的精度不仅取决于系统是否是一阶无静差的,还取绝于检测通道的精度、控制算法的运算精度、工程量变换的精度等。 致 谢 首先，感谢在大学四年里所有教过我的老师，感谢他们教给我知识，还有做人的道理，他门广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师朱俊杰老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，朱老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了朱老师热心的鼓舞、悉心细致的教诲和无私的帮助。 写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议、支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 参 考 文 献1 孙虎章.自动控制原理.北京:中央广播电视大学出版社.19842 李友善.自动控制原理.修订版.北京:国防工业出版社.19893 杨自厚.自动控制原理.北京:冶金工业出版社.19804 吴麒.自动控制原理.北京:清华大学出版社.19905 孟宪蔷.控制系统工程.北京:航空工业出版社.19926 绪方胜彦.现代控制工程.卢伯英等译.北京:科学出版社.19767 郭锁凤.计算机控制系统.北京:航空工业出版社,19968 南航,西工大,北航合编.自动控制原理.北京:国防工业出版社,19969 张培强.MATLAB语言演草纸式的科学计算语言.合肥:中国科技大学出版社,199610周明等.MATLAB图形技术绘图及图形用户借口.西安:西北工业大学出版社,199911李人厚.精通MATLAB综合辅导与指南.西安”西安交通大学出版社 ,199812夏红,王慧,李平.PID参数的继电器自整定.浙江大学学报.1997.31增刊13陶永华,伊怡欣等.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社,199814黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京:国防工业出版社,200115韩利竹,王华.MATLAB电子仿真与应用.北京:国防工业出版社,200316罗建军,扬绮.精讲多练MATLAB.西安:西安交通大学出版社,200217姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真.西安：西安电子科技大学出版社,200218何立民. 单片机应用文集M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1990.19何忠克, 李伟. 计算机控制系统M . 北京: 清华大学出版社, 1998.20崔东剑, 于宏伟. 力源电子工程Z . 武汉: 武汉力源电子股份有限公司, 2000.21解宏基, 任光. 一种多功能变频恒压供水单片机控制系统J . 自动化博览, 1999.22刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真M.北京：电子工业出版社,2003. 23薛定宇.反馈控制系统设计与分析M.北京：清华大