PID控制新版系统的设计及仿真MATLAB.doc

编号 0814143 毕业论文 （ 届本科）题 目：PID控制系统设计及仿真（MATLAB） 学 院： 物理和机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 指导老师 职称： 助 教（硕士）完成日期： 年 5 月 20 日二 一二 年 五 月目录摘 要1Abstract2第一章 绪论11.1 课题意义及起源11.2 温度控制系统研究现实状况11.2.1工业温度控制发展介绍11.2.2温度微机控制系统控制方案21.3 MATLAB介绍4第二章 被控对象及控制策略52.1被控对象52.2 控制策略62.2.1百分比、积分、微分62.2.2 P、I、D控制8第三章 PID最好调整法和系统仿真103.1 PID参数整定法概述103.1.1 PID参数整定方法103.1.2 PID调整方法103.2针对无转移函数PID调整法113.2.1 Relay feedback调整法113.2.2 Relay feedback 在计算机做仿真123.2.3在线调整法133.2.4在线调整法在计算机做仿真143.3 针对有转移函数PID调整方法153.3.1系统辨识法153.3.2波德图法及根轨迹法173.4 仿真结果及分析17总 结20参考文件21致 谢22河西学院本科生毕业设计诚信申明本人郑重申明：所呈交本科毕业设计，是本人在指导老师指导下，独立进行设计工作所取得结果，结果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用内容外，本设计不含任何其它个人或集体已经发表或撰写过作品结果。对本文研究做出关键贡献个人和集体均已在文中以明确方法标明。本人完全意识到本申明法律结果由本人负担。 作者署名： 二 年 月 日河西学院本科生毕业论文（设计）开题汇报论文题目PID温控系统设计及仿真(MATLAB)学生姓名所属学院物理和机电工程学院专业电气工程及其自动化年级08级指导老师所在单位河西学院职称助教（硕士）开题日期.12.201本选题理论、实际意义 此次所选课题为基于MATLABPID控制器设计。PID控制是迄今为止最通用控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小变形来控制。PID控制器（亦称调整器）及其改善型，所以成为工业过程控制中最为常见控制器（至今在全世界过程控制中84%仍是纯PID调整器，若改善型包含在内则超出90%）。在PID控制器设计中，参数定是最为关键，伴随计算机技术快速发展，对PID参数整定大多借助于部分优异软件，比如现在得到广泛应用MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件，关键利用Relay-feedback法，线上综正当和系统辨识法来研究PID控制器设计方法，设计一个应用于实际问题中PID控制器，并经过MATLAB中虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下输出波形。任何闭环控制系统全部有它固有特征，能够有很多个数学形式来描述它，如微分方程、传输函数、状态空间方程等。但这么系统假如不做任何系统改造极难达成最好控制效果，比如快速性稳定性正确性等。为了达成最好控制效果，我们在闭环系统中间加入PID控制器并经过调整PID参数来改造系统结构特征，使其达成理想控制效果。2本选题研究动态和自己见解PID调整器从问世至今已历经了半个多世纪，在这几十年中，大家为它发展和推广做出了巨大努力，使之成为工业过程控制中关键和可靠技术工具。即使在微处理技术快速发展今天，过程控制中大部分控制规律全部未能离开PID，这充足说明PID控制仍含有很强生命力。PID控制中一个至关关键问题，就是控制器三参数（百分比系数、积分时间、微分时间）整定。整定好坏不仅会影响到控制质量，而且还会影响到控制器鲁棒性。论文关键内容、基础要求及其关键研究方法：此次课题关键内容是经过对理论知识学习和了解基础上，自行设计一个基于MATLAB技术PID控制器设计，并能最终将其应用于一项具体控制过程中。以下为此次课题关键内容：(1) 完成PID控制系统及PID调整部分设计其中包含系统辨识、系统特征图、系统辨识方法设计和选择。(2) PID最好调整法和系统仿真其中包含PID参数整过程，需要用到相关方法有：b.针对有转移函数PID调整方法 关键有系统辨识法和波德图法及根轨迹法。(3) 将此次设计过程中完成PID控制器应用相关实例中，表现其控制功效（初步计划为温度控制器）论文进度安排和采取关键方法：三月份：1、对于MATLAB使用方法进行系统学习和并熟练利用MATLAB运行环境，争取能够熟练利用MATLAB。 2、查找相关PID控制器相关资料，了解其感念及组成结构，深入进行理论分析，并同时学习相关PID控制器设计相关论文，对其使用设计方法进行学习和研究。 3、查找相关PID控制器应用实例，尤其是温度控制器实例，方便完成最终实际应用步骤。四月份：1、开始对PID控制器进行实际设计和开发，实现在MATLAB环境下设计PID控制器任务。 2、经过仿真试验后，在剩下时间内完成其和实际工程应用问题结合，将其应用到实际应用中（初步计划为温度控制器）。五月份：1、完成毕业设计定稿。 2、论文打印和答辩工作地准备。关键参考资料和文件：1 夏红，赏星耀，宋建成. PID参数自整定方法综述J. 浙江科技学院学报,(5):16-19.2 王伟,张晶涛.PID参数优异整定方法综述J.自动化学报, (1):60-64.3 薛定宇.反馈控制系统设计和分析-MATLAB语言应用M.清华大学出版社,.4 李言俊,张科.系统辨识理论及应用M.国防工业出版社,.5 佚名.PID调整概念及基础理论M.,中国自动化网.6 原菊梅.参数整定研究J.北京工商大学学报(自然科学版) .7 刘金琨.优异PID控制及MATLAB仿真M.电子工业出版社,.8 沈金钟.PID控制器 :理论.调整和实现M. 台中市:沧海书局出版社 .9 陶永华.新型PID控制及其应用M.北京:电气自动化新技术丛书,.10 陈勇.光纤惯组第二级温控系统算法和仿真激光和红外M.11 张春鹏. PID温控系统实训教学探讨.职业教育研究M.12 李金堂，樊润杰.一个无超调钝角拐点PID温控设计电设计工程L.(3)33-36.指导老师意见：签 名： 年 月 日教研室意见责任人署名：年 月 日学 院 意 见责任人署名：年 月 日摘 要伴随科技不停进步，在控制系统中温度是常见被控参数，而采取MATLAB来对这些被控参数进行控制已成为当今主流。在PID控制器设计中，参数整定是最为关键,伴随计算机技术快速发展，对PID参数整定大多借助于部分优异软件，现在得到广泛应用MATLAB仿真系统本设计就是借助此软件关键利用Relay-feedback法，线上综正当和系统辨识法来研究PID控制器设计方法，设计一个温控系统PID控制器，并经过MATLAB中虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下输出波形，关键比较了在有没有干扰信号时所得响应曲线抗干扰性，经过比较得到，在加入干扰信号时，系统干扰信号能很好得到抑制，在系统中加入干扰信号是很有必需，也是可行。关键词： PID控制 ；温控系统 ；MATLAB； AbstractAs technology advances, in the control system is the common was charged with the temperature parameters, and use MATLAB to these controlled parameter control has become the mainstream of today. In the design of the PID controller, parameters setting is the most important of all, with the rapid development of computer technology, the PID parameters setting by some of the most advanced software, at present of widely used MATLAB simulation system this design is based on the software main use Relay-feedback method, online synthesis and system identification method to study the PID controller design method, design a temperature control system of the PID controller, and through the virtual oscilloscope MATLAB observation system perfect in order after the jump a signal output waveform key compared with or without interference signals from when the response curve anti-interference, by comparing get to join jamming signal, the system of interference signals can be good, be suppressed, join in the system is a jamming signal necessary and feasible.Keywords: PID parameter setting; controller;MATLAB 第一章 绪论温度是生产过程和科学试验中很普遍而又十分关键物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必需对生产工艺过程中关键参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大百分比。正确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产关键条件。1.1 课题意义及起源在我们日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度和我们息息相关。另外在各高等院校试验室中，无不将温度作为被控参数，组成微机测控系统，供学生作综合试验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活各个领域，所以对温度进行控制是很有必需和有意义。 可是因为温度本身部分特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立正确数学模型等,使控制系统性能不佳。在相关温度控制绝大部分文件资料中，控制结果全部是有超调，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一个控制方案，将其用于大部分温控场所，全部能达成零超调，且调整时间快，稳态误差也很小理想效果。其次也是基于控制试验室建设需求，将其用于对试验电烤箱温度进行控制，达成调整时间短、超调量为零且稳态误差在1内技术要求。1.2 温度控制系统研究现实状况1.2.1工业温度控制发展介绍现在优异国家多种炉窑自动化水平较高，装备有完善检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采取集散系统和分布式系统形式，大部分配有优异控制算法，能够取得很好工艺性能指标。 中国温度控制系统发展大致经历了三个阶段1： 第一阶段：基地式仪表。四十年代初，当初因为石油、化工、电力等工业对自动化需要，出现了将测量、统计、调整仪表组装在一个表壳里基地式仪表。如自力式温度调整器。基地式仪表通常结构简单，价格低廉，它们功效仅限于单回路控制且控制精度低。 第二阶段:单元组合式仪表。伴随大型工业企业出现，生产向综合自动化和集中控制方向发展，大家发觉基地式仪表结构不够灵活，不如将仪表按功效划分，制订若干种能独立完成一定功效标准单元，各单元之间以要求标准信号相互联络，这么仪表精度能够提升。在使用中可依据需要，选择一定单元，积木式地把仪表组合起来，组成多种复杂程度不一样自动控制系统，这种积木式仪表就称为单元组合式仪表2。 以上两个阶段，不管是基地式仪表阶段，还是单元组合式仪表阶段，全部是利用多种仪表对温度进行检测、调整、控制。对于较复杂系统，难以实现复杂控制规律，控制精度不高。 第三阶段:微机控制阶段。伴随微电子技术发展、大规模集成电路制造成功和微处理器问世、计算机性能价格比显著提升和微型计算机在工业控制领域中应用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。温度微机控制系统替换模拟控制系统，克服了其调整精度差、可靠性不高缺点。因为计算机含有高速数据运算处理功效和大容量存贮信息能力，使得这类系统稳定可靠、维护方便、抗干扰能力强， 而且能够采取优异控制算法以深入提升控制性能。1.2.2温度微机控制系统控制方案计算机技术发展极大地推进了工业控制系统进步，而现代控制理论发展，人工智能技术深入研究，为控制系统理论领域增加了新内容。计算机硬件和控制软件紧密结合肯定造成新型微机控制系统出现。温度微机控制系统常见控制方案有以下三类3-5:经典控制方案、基于现代控制理论设计方案和智能控制方案。 第一类:经典控制方案 经典控制方案可分为数字控制器间接设计方案和数字控制器直接设计方案。 数字控制器间接设计方案是一个依据模拟设计方案转换而来设计方案。传统模拟系统中控制器设计己有一套成熟方法，其中以 PID 控制器为代表。PID 控制器含有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时间近似方法将一连续时间系统控制规律离散为数字控制器控制规律，其中为确保数字控制器和模拟控制器近似，要合适选择采样周期。数字控制器参数整定方法有扩充临界百分比度法和扩充响应曲线法等。数字控制器直接设计方案是依据对象离散数学模型直接设计数字控制器方法。其目标是要设计一个数字控制器使闭环系统达成所要求性能,实现方法基础上能够看成是极点配置问题。其关键设计方法有最小拍控制算法、根轨迹法、模型跟踪法、达林算法和 Smith 预估器算法等。 数字控制器直接设计方案清楚明了，采样周期选择范围扩大，在一定条件上，能取得很好控制品质。第二类:基于现代控制理论设计方案现代控制理论以线性代数和微分方程为关键数学工具，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一个时域方法，它不仅描述了系统外部特征，而且描述和提醒了系统内部状态和性能。基于现代控制理论设计方案是建立在对系统内部模型描述之上。它是经过数学方法对控制系统进行分析综合。控制规律确实定是经过极小化预先确定性能指标函数或使控制系统满足期望响应而推导出来6。这类设计方案关键有:系统辨识、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、一些非线性时变系统和部分含有随机扰动系统。该方法理论严谨，控制系统稳定性问题能够严格证实，性能指标能定量分析，得到控制品质很好。但这类方法需要知道正确被控对象数学模型形式。对于很多结构复杂，随机干扰原因多而不易获取对象模型形式系统，这类方法使用受到了限制。第三类:智能控制方案 智能控制方案是一类无需人干预就能够针对控制对象状态自动地调整控制规律以实现控制目标控制策略。它避开了建立正确数学模型和用常规控制理论进行定量计算和分析困难性。它实质上是一个无模型控制方案，即在不需要知道对象正确模型情况下，经过本身调整作用，使实际响应曲线迫近理想响应曲线。 智能控制系统有以下部分特点：(l) 智能控制系统通常含有以知识表示非数学广义模型和以数学模型表示混合控制过程。它适适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法生产过程。 (2) 智能控制含有信息处理和决议机构，它实际上是对人神经结构或教授决议机构一个模拟。 (3) 智能控制器含有非线性。这是因为人思维含有非线性，作为模拟人思维进行决议智能控制也含有非线性特点。 (4) 智能控制器含有变结构特点。 (5) 智能控制器含有总体自寻优特点。 智能控制方案关键包含模糊控制、神经网络和遗传算法控制等，因为PID 控制器含有原理简单、易于实现、适用范围广等优点，在本文中将选择经典控制方案来设计一个PID温控系统。 并用MATLAB(Matrix Laboratory)软件包来对温控系统进行仿真运行。1.3 MATLAB介绍 MATLAB软件包，是一个功效强、效率高、便于进行科学和过程计算交互式软件包。其中包含：通常数据分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控、制和优化等应用程序，并将应用程序和图形基于便于使用集成环境中，在此环境下所接问题Matlab语言表示形式和其数学表示形式相同，不需要按传统方法编程并能够进行并能够进行高效率和富有发明性计算，同时提供了和其它高级语言接口，是科学研究和工程应用必备工具。现在在控制界、图像信号处理、生物医学工程领域得到得到广泛应用。本论文设计中PID参数整定用到是Matlab中SIMULINK,它是一个强大软件包，在液压系统仿真中只需要做数学模型推导工作，用SIMULINK对设计好系统进行仿真，能够预知效果检验设计正确性，未包含人员提供参考7。其仿真结果是否可用，取决于数学模型正确是否，所以要注意数学模型极值要正确输入系统参数。第二章 被控对象及控制策略控制系统意味着经过它能够根据所期望方法保持和改变机器、结构或其它设备内任何感爱好或可改变量。控制系统同时是为了使被控制对象达成预定理想状态而实施。控制系统使被控制对象趋于某种需要稳定状态。2.1被控对象本文被控对象为某企业生产型号为 CK-8电烤箱，其工作频率为 50HZ，总功率为 600W，工作范围为室温 20-250。设计目标是要对它温度进行控制，达成调整时间短、超调量为零且稳态误差在1内技术要求。 在工业生产过程中，控制对象多种多样。理论分析和试验结果表明:电加热装置是一个含有自平衡能力对象，可用二阶系统纯滞后步骤来描述。然而，对于二阶不振荡系统，经过参数辨识能够降为一阶模型。所以通常可用一阶惯性滞后步骤来描述温控对象数学模型。所以， 电烤箱模型传输函数为： （2-1） 式（2-1）中 K-对象静态增益T-对象时间常数-对象纯滞后时间现在工程上常见方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程近似传输函数。具体用科恩-库恩（Cohn-Coon）公式确定近似传输函数8-9。 给定输入阶跃信号 250，用温度计测量电烤箱温度，每半分钟采一次点，试验数据以下表 2-1： 表 2-1 烤箱模型温度数据时间t(m)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5温度T()20315278104126148168182198210225238250 试验测得烤箱温度数据 Cohn-Coon公式以下： (2-2)M-系统阶跃输入；C-系统输出响应 t0.28-对象飞升曲线为0.28C时时间（分） t0.632-对象飞升曲线为 0.632C时时间（分）从而求得K=0.92, T=144s , =30s 所以电烤箱模型为：2.2 控制策略 将感测和转换输出讯号和设定值做比较，用输出信号源（2-10V或4-20mA）去控制最终控制组件。在过程实践中，应用最为广泛是百分比积分微分控制，简称PID控制，又称PID调整。PID问世已经有60多年历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，而成为工业控制关键和可靠技术工具10。 当被控对象结构和参数不能完全掌握，或得不到正确数学模型时，控制理论其它设计技术难以使用，系统得到控制器结构和参数必需依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID最为方便。即当我们不完全了解系统和被控对象，或不能经过有效测量手段来取得系统参数时候，便最适适用PID控制技术。2.2.1百分比、积分、微分 1.百分比2-1 百分比电路 （2-3） 2 积分器2-2 积分电路 （2-4） 3 微分器2-3 微分控制电路 （2-5） 实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是依据系统误差利用百分比积分微分计算出控制量，控制器输出和输入（误差）之间关系在时域中如公式（2-6）和（2-7）： （2-6） （2-7） 公式中U(s)和E（s）分别是u（t）和e（t）拉氏变换，其中、分别控制器百分比、积分、微分系数。2.2.2 P、I、D控制 1.百分比（P）控制 百分比控制是一个最简单控制方法。其控制器输出和输入误差讯号成百分比关系。当仅有百分比控制时系统输出存在稳态误差。 2.积分（I）控制 在积分控制中，控制器输出和输入误差讯号成正比关系。 对一个自动控制系统，假如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或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必需引入“积分项”。积分项对误差取相关时间积分，随时间增加，积分项会增大。这么，即便误差很小，积分项也会伴随时间增加而加大，它推进控制器输出增大使稳态误差深入减小，知道等于零。 所以，百分比加积分（PI）控制器，能够使系统进入稳态后无稳态误差。 3.微分（D）控制 在微分控制中，控制器输出和输入误差讯号微分（即误差改变率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差调整过程中可能会出现震荡甚至失稳。其原因是因为存在较大惯性组件（步骤）和有滞后组件，使力图克服误差作用，其改变总是落后于误差改变。处理措施是使克服误差作用改变有些“超前”，即在误差靠近零时，克服误差作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“百分比”项往往是不够，百分比项作用仅是放大误差幅值，而现在需要增加“微分项”，它能估计误差改变趋势，这么，含有百分比加微分控制器，就能够提前使克服误差控制作用等于零，甚至为负数，从而避免了被控制量严重冲过头。所以对于有较大惯性和滞后被控对象，百分比加微分（PD）控制器能改善系统在调整过程中动态特征。因为PID 控制器含有原理简单、易于实现、适用范围广等优点，在本设计中对于电烤箱温控系统我们选择PID进行控制。第三章 PID最好调整法和系统仿真 PID作为经典控制理论，其关键问题在于PID参数设定。在实际应用中，很多被控过程机理复杂，含有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负载扰动等原因影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境改变而改变。故要求在PID控制中不仅PID参数整定不依靠和对象数学模型，而且PID参数能够在线调整，以满足实时控制要求。3.1 PID参数整定法概述3.1.1 PID参数整定方法1. Relay feedback ：利用Relay on-off 控制方法，让系统产生一定周期震荡，再用Ziegler-Nichols调整法则去把PID值求出来。2. 在线调整：实际系统中在PID控制器输出电流信号装设电流表，调P值观察电流表是否有一定周期在动作，利用Ziegler-Nichols把PID求出来，PID值求法和Relay feedback一样9。3. 波德图&跟轨迹：在MATLAB里Simulink绘出反馈方块图。转移函数在用系统辨识方法辨识出来，以后输入指令算出PID值。3.1.2 PID调整方法PID调整方法有转移函数无转移函数系统辨识法波德图根轨迹Relay feedback在线调整图3-1 PID调整方法 图3-2所表示PID调整方法分为有转函数和无转移函数，通常系统因为不知转移函数，所以调PID值全部会从Relay feedback和在线调整去着手。波德图及根轨迹则相反，一定要有转移函数才能去求PID值，那这技巧就在于要用系统辨识方法，辨识出转移函数出来，再用MATLAB里Simulink画出反馈方块图，调出PID值。 所以整理出来，调PID值方法有在线调整法、Relay feedback、波德图法、根轨迹法11。前提是要由系统辨识出转移函数才能够使用波德图法和根轨迹法，以下图3-2所表示。图3-2 由系统辨识法辨识出转移函数3.2针对无转移函数PID调整法 在通常实际系统中，往往因为过程系统转移函数要找出，以后再利用系统仿真找出PID值，不过也有不需要找出转移函数也可调出PID值方法，以下一一介绍。3.2.1 Relay feedback调整法图3-3 Relay feedback调整法 如上图3-3所表示，将PID控制器改成Relay，利用RelayOn-Off控制，将系统扰动，可得到该系统于稳定状态时震荡周期及临界增益（Tu及u），在用下表3-1Ziegler-Nichols第一个调整法则提议PID调整值，即可算出该系统之p、Ti、Tv之值。表3-1 Ziegler-Nichols第一个调整法则提议PID调整值ControllerP0.5PI0.450.83PID0.60.50.1253.2.2 Relay feedback 在计算机做仿真Step 1:以MATL AB里Simulink绘出反馈方块，以下图3-4示。图3-4 Simulink绘出反馈方块图Step 2:让Relay做On-Off动作，将系统扰动（On-Off动作，将以 做模拟），以下图3-5所表示。图3-5 参数设置Step 3:即可得到系统特征曲线，以下图3-6所表示。图3-6 系统震荡特征曲线 Step 4:取得Tu及a，带入公式3-1，计算出u。以下为Relay feedback临界震荡增益求法 （3-1）：振幅大小：电压值3.2.3在线调整法图37在线调整法示意图 在不知道系统转移函数情况下，以在线调整法，直接于PID控制器做调整，亦即PID控制器里I值和D值设为零，只调P值让系统产生震荡，这时P值为临界震荡增益v，以后震荡周期也可算出来，只不过在线调整实务上和系统仿真差异在于在实务上处理比较麻烦，要在PID控制器输出信号端在串接电流表，即可观察所调出P值是否会震荡，即使比较上一个Relay feedback法是可免去拆装Relay麻烦，不过就经验而言在实务上线上调整法效果会较Relay feedback 差，在线调整法也可在计算机做出仿真调出PID值，可是前提之下假如在计算机使用在线调整法还需把系统转移函数辨识出来，不过实务上和在计算机仿真相同之处是PID值求法还是需要用到调整法则Ziegler-Nichols经验法则去调整，和Relay feedback经验法则一样，调出PID值。3.2.4在线调整法在计算机做仿真 Step 1:以MATLAB里Simulink绘出反馈方块，以下图3-8所表示图3-8反馈方块图PID方块图内为：图3-9 PID方块图 Step 2:将Td调为0，Ti无限大，让系统为P控制，以下图3-10所表示：图3-10 PID方块图 Step 3：调整KP使系统震荡，震荡时KP即为临界增益KU，震荡周期即为TV。（使在线调整时，不用看a求KU），以下图3-11所表示：图3-11 系统震荡特征图Step 4：再利用Ziegler-Nichols调整法则，即可求出该系统之p、Ti，Td之值。3.3 针对有转移函数PID调整方法3.3.1系统辨识法图3-12由系统辨识法辨识出转移函数 系统反馈方块图在上述无转移函数PID调整法则有在线调整法和Relay feedback调整法之外，也可利用系统辨识出转移函数在计算机仿真求出PID值，至于系统辨识转移函数技巧在第三章已叙述过，接下来是要把辨识出来转移函数用在反馈控制图，以后应用系统辨识经验公式Ziegler-Nichols第二个调整法求出PID值， 以下表3-2所表示。表3-2 Ziegler-Nichols第二个调整法则提议PID调整值controllerPPI()*3.3LPID()*2L 为本专题将经验公式修正后之值 上表3-2为延迟时间。 上表3-2解法可有以下2种：解一：以下图3-13中可先观察系统特征曲线图，辨识出a值。解二：利用三角百分比法推导求得图3-13利用三角百分比法求出a值 （3-2） 用Ziegler-Nichols第一个调整法则求得之PID控制器加入系统后，通常闭环系统阶跃响应最大超越范围约在10%60%之间。 所以PID控制器加入系统后往往先依据Ziegler-Nichols第二个调整法则调整PID值，然后再微调PID值至合乎规格为止。3.3.2波德图法及根轨迹法利用系统辨识出来转移函数，使用MATLAB软件去做系统仿真。因为本设计中PID参数整定关键是基于系统辨识及Ziegler-Nichols调整法则，所以在此不用波德图法及根轨迹法。3.4 仿真结果及分析 以下就是在Simulink中创建用 PID算法控制电烤箱温度结构图：3-14 电烤箱PID控制系统仿真结构图在图中PID模块中对三个参数进行设定，在Transport Delay模块中设定滞后时间30秒。经过不停调整PID三参数，得到最好仿真曲线，其中KP=3，KI=0.02，KD=0 当给定值为100和150时，得到仿真结果分别以下： 3-15 给定值为100时响应曲线3-16 给定值为150时响应曲线图3-15为给定值为100时响应曲线，图3-16为给定值为150时响应曲线，由这两个图能够计算出可见性能指标为: 调整时间ts =200s，超调量%约为10%，稳态误差 ess = 0。 在本设计中， 400秒到430秒之间加入一个+50干扰（暂态干扰），以下图所表示：3-17 干扰曲线图3-18是在Simulink中创建带干扰电烤箱 PID控制系统仿真结构图：3-18 带干扰电烤箱PID控制系统结构图3-19 带干扰电烤箱PID控制响应曲线 上图为带干扰电烤箱PID控制响应曲线 ，从图中能够看到再加入干扰后系统PID控制能很好抑制这种干扰，在干扰过后，很快就能恢复到目标值。总 结 PID调整器从问世至今已历经了半个多世纪，在这几十年中，大家为它发展和推广做出了巨大努力，使之成为工业过程控制中关键和可靠技术工具。即使在微处理技术快速发展今天，过程控制中大部分控制规律全部未能离开PID，这充足说明PID控制仍含有很强生命力。因为PID 控制器含有原理简单、易于实现、适用范围广等优点，所以在本设计中对于电烤箱温控系统我们选择PID进行控制。在第一章绪论中说明了温度控制意义，MATLAB软件应用和在这个方面发展趋势。第二章简单介绍了被控对象和多个控制方案，在第三章中介绍了PID参数整定多个方法，并各举一例给予说明，关键有Relay feedback法，在线调整法和系统辨识法，波得图法及根轨迹法不做研究和电烤箱在MATLAB中PID控制结构图和其仿真结果，得到在加入干扰信号后系统PID能很好抑制这种干扰，并在干扰过后能很快恢复到目标值。参考文件1 谭强.模糊PID温度控制方案仿真优选及其实现D:硕士论文.北京;中国科技研究院电工研究所,.2 许森.基于模糊模型参考学习控制焦炉温度控制.化工自动化及仪表J.3 于海先,等.微型计算机控制技术M.北京:清华大学出版社,1998.4 冯永.现代计算机控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.5 Isidro sanchez,Julio Rbanga,Antonio Alonso,temperatuie control in microwave combination ovensJ.Joural of food engineering.,46;21-29.6 鄂景华,自动控制原理M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996. 7 薛定宇.反馈控制系统设计和分析-MATLAB语言应用M.清华大学出版社,.8雷勇.单参数PID模糊控制器设计J