温度控制系统智能控制器的设计与仿真 - 图文(3)

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TT、i、d分别控

华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数。

3.2 P、I、D控制

3.2.1比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

3.2.2 积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道等于零。

因此，比例加积分（PI）控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。

3.2.3 微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出和输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差调节过程中可能会出现震荡甚至失稳。其原因是由于存在较大惯性组件（环节）和有滞后的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负数，从而避免了被控制量的严重的冲过头。所以对于有较大惯性和滞后的被控对象，比例加微分（PD）的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

3.3 PID 控制器部分Simulink 的模块

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华中科技大学文华学院毕业设计（论文） 图3-2 PID控制器部分simulink模块

3.4 PID控制器参数的整定

由于温度控制系统的模型具有非线性，大惯性和纯延迟的特点，要建立精确的模型是比较困难的。在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。故要求在PID控制中不仅PID参数的整定不依赖与对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制要求。

PID控制器参数的整定方法很多，本实验采用临界比例度法来整定PID 参数。 Ziegler和Nichols提出的临界比例度法是一种非常著名的工程整定方法。通过实验由经验公式得到控制器的近似最优整定参数，用来确定被控对象的动态特性的两个参数：临界增益Ku 和临界振荡周期Tu 。临界比例度法?适用于已知对象传递函数的场合，在闭合的控制系统里，将控制器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变控制器的比例增益 ，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例增益 被称为临界增益 ，相邻两个波峰间的时间间隔为临界振荡周期Tu。

用临界比例度法整定PID参数的步骤如下：

(1) 将控制器的积分时间常数 置于最大(Ti =?)，微分时间常数 置零(Td=0)，比例系数Kp 置适当的值，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。

(2)将比例增益Kp逐渐减小，直至得到等幅振荡过程，记下此时的临界增益Ku和临界振荡周期Tu值。

(3)根据Ku和Tu值，按照表l中的经验公式，计算出控制器各个参数，即Kp、Ti 和Td的值。

表3-1 临界比例参数整定公式 控制器类型 P PI PID

按照“先P后I最后D”的操作程序将控制器整定参数调到计算值上。若还不够满意，则可再进一步调整。

Kp0.5Ku 0.455Ku 0.6Ku Ti T0 0 d ? 0.833Tu 0.5Tu 0.125Tu 3.5临界比例度法仿真的步骤

Step 1:以MATLAB里的Simulink绘出反馈方块，如下图3-3所示

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