二质量伺服系统的PID仿真控制.doc

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1、学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月二质量伺服系统的PID仿真控制摘 要：PID控制是最早发展起来的控制策略之一, 由于其算法简单、稳定性能好、可靠性高, 能为许多控制对象提供比较满意的控制性能, 被广泛应用于过程控制和运动控制中, 尤其是用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。伺服系统可视为由电机、纯惯性负载以及联结二者的等效传递轴所组成的三质量系统。考虑到传动轴的转动惯量相对于负载的转动惯量而言很小,而且其质量分布在轴的长度上,因此可以忽略,于是三质量系统可以简化为二质量

2、系统。本文对二质量伺服系统的PID控制进行了仿真研究。在Simulink仿真环境中对二质量伺服系统进行仿真。最终仿真结果表明：二质量伺服系统PID控制具有无超调、 响应快且较好的稳定性的特点,能够有效地克服动态误差和缩短调节过程时间。关键词：二质量伺服系统；PID控制；simulink仿真PID simulation of two-mass servo system controlAbstract：PID control is one of the earliest developed controlstrategy.Due to its simple algorithm, good stab

3、ility and high reliability, it can provide many of the control object with satisfactory control performance.It is widely used in process control and motion control ,particularly to establish a precise mathematical model of the deterministic control system.The motor servo system can be seemed as a th

4、ree quality system composed of a motor，a pure inertia load and equivalent transfer axis which links the motor and the load.Taking into account the moment of inertia of the drive shaft is very small for the load moment of inertia and its mass distribution is on the length of the shaft, it can be igno

5、red.So three-mass system can be simplified to two quality systems.This article expounds a simulation study on PID control of the servo system of the two quality.Simulate the servo system of the two quality by Simulink.The final simulation results show that PID control of servo system of two quality

6、has the characteristics of no overshoot, fast response and better stability.And it can effectively overcome the dynamic error and shorten the time of the adjustment process.Key words: servo system of two quality ;PID control;simulink摘要目次1 绪论11.1 伺服系统简介11.1.1 伺服系统的概念11.1.2 伺服系统的应用11.1.3伺服系统的发展31.1.4

7、伺服系统控制策略简介61.2 二质量伺服系统简介61.3 本课题的主要研究工作72 PID控制简介72.1 PID控制概述72.2 PID控制算法82.3 PID调节方法112.4 PID控制的实现123 simulink仿真模型简介133.1 simulink概述133.2 simulink模块143.2.1 Simulink模块及功能说明143.2.2 Simulink模块的操作203.3 Simulink子系统的生成方法224 二质量伺服系统的PID仿真控制244.1 模型的建立244.1.1 电机-传动轴-负载模型建立244.1.2二质量伺服系统模型建立254.2 仿真结果及分析265

8、 展望29参考文献30致谢311 绪论1.1 伺服系统简介1.1.1 伺服系统的概念 伺服系统是机电产品中的重要环节，其控制性能反映了机电设备的控制质量。本文介绍了伺服技术的发展过程、技术特点和相关技术的发展，并具体阐述了伺服系统的应用及发展趋势。伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代1。1.1.2 伺服系统的应用随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术要求和更合理的性能价格比。伺服系统以其出色的性能满足了各种产品制造厂家近乎

9、苛刻的要求，从而能够对产品的加工过程、加工工艺和综合性能进行改造。在机电一体化设备上伺服系统的使用更加广泛，几乎工业生产的所有领域都成为伺服系统的应用对象。表1列出了伺服系统的主要应用领域。由于伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛，市场上的相关产品种类很多，从普通电机、变频电机、伺服电机、变频器、伺服控制器到运动控制器、单轴控制器、多轴控制器、可编程控制器、上位控制单元乃至车间级和厂级监控工作站等一应俱全。对于用户而言可以很方便地根据实际需要灵活选用。 （1）伺服电机 随着永磁材料制造工艺的不断完善，新一代的伺服电机大都采用了最新的Nd2Fe14B1（铷铁硼）材料，该材料的剩余磁密、矫顽力、

10、最大磁能积均好于其他永磁材料，再加上合理的磁极、磁路及电机结构设计，大大地提高了电机的性能，同时又缩小了电机的外形尺寸。新一代的伺服电机大都采用了新型的位置编码器，这种位置编码器的信号线数量从9根减少到5根，并支持增量型和绝对值型两种类型，通信速率达4M/s，通信周期为62.5s，数据长度为12位，编码器分辨率为20bit/rev，即每转生成100万个脉冲，最高转速达6000r/min，编码器电源电流仅为16A。 伺服电机按照容量可以分为超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范围为10W到20W，小容量型的功率范围为30W到750W，中容量型的功率范围为300W到

11、15KW，大容量型的功率范围为22KW到55KW。伺服电机的供电电压范围从100V到400V（单相/三相）。 （2）伺服控制单元 传统的模拟控制虽然具有连续性好、响应速度快及成本低的优点，但也有难以克服的缺点，如系统调试困难，容易受到环境温度变化的影响而产生漂移，难以实现柔性化设计，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。所以现代伺服控制器均采用全数字化结构，伺服控制系统的主要理论也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流向量的幅值控制和相位控制。为了提高产品的性能，新一代的伺服控制器采用了多种新技术、新工艺。如安川公司的伺服控制器就采用了许多新的技术手段来提高其产品的性

12、能，其中主要有以下几个方面。 1）在电流环路中采用了dq轴变换电流单元，在新的控制方式中，主CPU的运算量得以减少，通过硬件来进行电流环控制，即将控制算法固化在LSI专用硬件环路中。通过采用高速的dq轴变换电流单元，使电流环的转矩控制精度有了进一步的提高。使用dq轴变换电流控制，实现了在稳态运行及瞬态运行时均能保持良好的性能。2）采用了脉冲编码器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定时间缩短为原来的三分之一。3）速度控制环采用速度实时检测控制算法，使电机的低速性能得到进一步提高，速度波动和转矩波动降到最低。采用在线自动设定功能，使伺服系统的调试时间缩短，操作更加简单。4）为了使用户更加灵活地使

13、用伺服系统，一些产品上增加了可扩展性以及柔性化、开放性设计。用户可以通过修改内部参数，选择控制算法，或者使用高级语言进行编程，更加灵活的使用伺服产品。5）采用主回路与控制回路进行电气隔离的结构，使操作及故障检测更加方便安全。供电电源电压从100V扩展到400V（单相/三相）。6）伺服控制一般均采用从电机轴端的位置编码器采集位置信号进行反馈，在受控执行机械部分没有反馈采样信号，即半闭环的控制方式。目前的新产品则采用全闭环的控制方式，使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响在伺服控制器中通过计算完成修正。7）采用RICS（精简指令计算机系统）技术，使CPU的数据处理能力由8位、

14、16位提高到32位，微处理器的主频提高到百兆以上，专用控制器门阵列数量超过了10万门。 （3）上位控制 随着工业机械化设备对高速化、高精度化和小型化以及多品种小批量化、高可靠性、免维护性能要求的提高，安川公司为用户提供了丰富的上位机控制群可供选择。从上层的可编程控制器（PLC）、运动控制器、机床CNC控制器，可一直连到底层的通用输入/输出（I/O）控制单元和视觉传感系统。编程语言有梯形图、NC语言、SFC语言、运动控制语言等，均可按照用户的要求灵活配置。系统可控制轴数从单轴到可支持多达44轴，控制器可以连接从模拟信号到网络信号的各种信号类型。 通用机械中使用的运动控制器包括单轴控制器、双轴控制

15、器、运动控制器和多轴高性能运动控制器等。高性能的超高速运动控制器的程序扫描速度约为0.41ms/1000步，最高可支持44个轴完全同步驱动控制，适用于高速度、高精度的机械设备，如印刷机械、包装机械、半导体制造机械等等。除了高端产品外，低端产品的单轴控制器结构小巧紧凑，支持网络化，可控制1轴伺服+主轴控制器，能完成FTP控制和跟踪控制，支持NC语言，可广泛应用于半导体制造设备、加工机械、搬运机械、卷扬机械等，具有很高的性能价格比2。1.1.3伺服系统的发展 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和

16、直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。 从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类:永磁同步（型）电动机交流伺服系统和感应式异步（型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速

17、性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。 系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM。为进一步提高系统的动态和静

18、态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复

19、杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品3。 伺服驱动技术的发展与磁性材料技术、半导体技术、通信技

20、术、组装技术、生产工艺水平等基础工业技术的发展密切相关。 磁性材料中，特别是永久磁性材料性能的提高是伺服电机高性能化、小型化所不可缺少的重要条件。以日本安川公司伺服电机产品的磁性材料为例，其磁性材料的磁能积由原来的10MGOe提高到30MGOe，从70年代到90年代的这段时间提高了3倍。 半导体技术的发展使伺服驱动技术进入了全数字化时期，伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。LSI（大规模集成电路）的精细加工技术以及开关特性的改善使高速开关器件的应用成为主流。IGBT（绝缘栅双极型场效应管）已经发展到了第四代产品，其性能则提高了5倍以上。微处理器（CPU）性能的大幅度增强也使伺服控制器的复杂

21、运算速度和多功能处理能力得以提高，同时也为产品的小型化创造了条件。 交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机的结构和制造材料的改进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了很好的条件。 在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化。现在很多新型的伺服控制器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分/）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、H控制等。通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都

22、达到了很高的水平4。 从前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： （1）交流化 伺服技术将继续迅速地由伺服系统转向伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是伺服系统。在工业发达国家，伺服电机的市场占有率已经超过80%。在国内生产伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，伺服电机将完全取代伺服电机。 （2）全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，

23、从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如:最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。 （3）采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（）、功率场效应管（）和绝缘门极晶体管（）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（ ，简称）

24、。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。 （4）高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，

25、使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 （5）智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面:首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性;除以上特点之外，有

26、的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 （6）模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（ 简称）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如-232或-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从

27、而与系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统，。也可以通过串行接口，与可编程控制器（）的数控模块相连。综上所述，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求5。1.1.4 伺服系统控制策略简介 （1）恒压频比控制与转差频率控制 要使电机的转速得到快速响应，必须有效地控制转

28、矩。开环恒压频比控制只控制了电机的气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高；转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。 （2）矢量控制 1971年，由F Blachke 提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得象直流电机一样良好的动态特性。但矢量控制方法在实现时要进

29、行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使其控制效果打了折扣。 （3）直接转矩控制 1985年,Depenbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求

30、高，计算量大，若没有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。 （4）反馈线性化控制 从本质上看，交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统。非线性反馈线性化是研究非线性控制系统的一种有效方法，它通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、强耦合的交流异步电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统，其中转子磁链子系统由两个惯性环节组成，转速子系统由一个积分环节和一个惯性环节组成，两个子系统的调节器按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性能指标。 然而，非线性系统反馈线性化理论是采用坐标变换及状态或输出反馈校正非线性系统的动力学特性，如果单纯地对

31、线性化了的系统进行鲁棒控制器设计，并不一定能得到满意的效果。另一方面，非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统动态的精确测量或观测。但电动机在运行过程中参数会发生变化，而且磁链观测的准确性很难保证，这些都不可避免地影响系统的鲁棒性，甚至会使系统性能恶化，因而至今尚未形成能够取代已有控制系统的实用新型系统。1.2 二质量伺服系统简介通常我们所说的伺服系统是把电机与负载作为一个刚体来考虑的，即单质量何服系统。该系统与实际特性有很大差别。对于实际系统，尽管电机与负载是直接耦合的，但传动本质上是弹性的， 而且轴承和框架也都不完全是刚性的。在电机驭动力矩的作用下， 机械轴会受熟某种程度的弯

32、曲和变形，弹性变形对系统性能的影响不能忽略。因此何服系统可视为由电机、纯惯性负载以及联结二者的等效传递轴所组成的三质量系统。考虑到传动轴的转动惯量相对于负载的转动惯量而言很小， 而且其质量分布在轴的长度上，因此可以忽略，于是三质量系统可以简化为二质量系统。1.3 本课题的主要研究工作本文针对二质量伺服系统进行了研究，利用MatlabSimulink软件建立了系统的仿真模型，并给出了仿真结果。第一章介绍了伺服系统及主要研究工作。第二章介绍了PID控制的概述、算法、调节及实现方法。第三章介绍了simulink模块、模块的操作和子系统的建立。第四章介绍了二质量伺服系统的PID仿真控制的程序和仿真分析

33、。第五章对仿真结果进行了展望。2 PID控制简介2.1 PID控制概述PID控制理论的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器6。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化

34、可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控

35、制系统的一个标准。 在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决： 如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。 如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。 因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整

36、定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。 PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。 虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器7。 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口

37、。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实

38、现PID控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器（PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能8。2.2 PID控制算法 PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。

39、PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。现在知道这只是最简单的闭环控制算法。 比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用： 比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定； 积分，反应系统的累计偏差,使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差； 微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-

40、e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，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。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。 下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下： 比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制；

41、油泵房中间油罐油位控制等。 比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。 比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如

42、：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。 例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。鉴于D规律的作用，我们还必须了解时间滞后的概念，时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括：测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较

43、慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的，在工业上，大多的纯滞后是由于物料传输所致，如：大窑玻璃液位，在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。 比例（P）控制器 (2.1) 比例+积分（PI）控制器 （2.2） 比例+积分+微分（PID）控制器 （2.3） 式中，Kp为比例放大系数，TI为积分时间，TD为微分时间。 数值PID的计算 标准的直接计算法公式： (2.4) 上一次计算值： ； （2.5） 两式相减得到增量法计算公式： （2.6）这里我们对项的表示应该是e（i）从1到t全部总和，为了简便记作。Kp,Ti,Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。