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基于PID的控制器

时间:2014-09-23


衡阳师范学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目 (光电信息关键技术协同创新中心)







项目名称 项目负责人 所在教学部门 年级、专业 联系电话 电 子 邮 箱 指导教师 填表日期

基 于 PID 的 控 制 器

李海军 物理与电子信息科学系 11 级电子信息工程 15874714307 547190881@qq.com 黄 顺

2014-4-24

衡阳师范学院制 二 0 一四年四月

一、本表要按顺序逐项填写,内容要实事求是,表达要明 确、严谨。空缺项要填“无” 。要求一律用 A4 纸双面打印,于 左侧装订成册。 二、申请参加衡阳师范学院“大学生研究性学习和创新性 实验计划”项目团队人数不得超过 5 人(1 人为项目负责人, 参与合作研究者 1--4 人) ,个人申报项目只需填写“负责人” 相关信息,项目运行周期一般为 1-3 年。 三、表中第一至第八项可依据内容多少适当调整高度。 四、 如填表有不明事宜, 请致电咨询。 (联系电话: 8484955) (备注:此表双面打印)

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项目名称 拟申请经费 年 级 11 级 11 级 11 级 12 级 黄 时 主要科学研 究工作简历 2.12 2010.1-201 2.12 所在院 (系) E-mail 49477186@qq.com 顺 间 3000 元

电锅炉温度控制器 起止时 间 2014 年 4 月至 2015 年 5 月

负 责 人

姓名 李海军 王 鑫

所在系、专业 电子信息工程 电子信息工程

联系电话 15874714307 15116848020

E-mail 547190881 @qq.com 136758755 8@qq.com 304820348 @qq.com 270709831 @qq.c om 硕

签字

参 加 成 员 欧阳旭 指导教师情况 姓 名 聂细梅

电子信息工程

15116845294

电子信息工程

13142342542





副教授 项目名称

学历/学位



讲授课程

单片机 C 程序设计,VC++ 6.0 获奖情况 2010.1-201

湖南省教育厅科学研究项目 多路辐射强度连续测量装置的研 制 物理与电子信息科学系 电 话 15211825899

一、申请理由(包括项目前期基础及项目成员具备的知识、兴趣、已取得的成绩 及相关科研经历等) 前期基础: 项目组跟着老师学习 PID 控制技术, 对它们已有熟悉的了解, 掌握了 MATLAB 仿真技术,在自已的电脑上安装了研发过程中需要用到了 MATLAB 软件并能够熟 练操作。 成员情况: 项目负责人学习刻苦认真,对软件系统的设计具有浓厚的兴趣,积极参加课 外科技实践设计的活动,具有一定的软硬件基础,自学能力比较强,在老师的指
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导下,学习了 MATLAB 和 PID 控制技术。基础知识掌握扎实,且平时阅读了大量 关于电子方面的书籍与杂志, 对电子方面的知识有全面的认识,了解电子产品的 最新发展趋势。本项目组成员在大学学习课余期间进了老师的自主创新实验室, 参加了大量的课外实践活动,已经掌握了 MATLAB 仿真,PID 模型分析等技术基 础;并具备了利用 MATLAB 建立模型仿真达到 PID 所要的控制要求的能力。 本项目成员的基本情况如下: 1)此项目的负责人:李海军,具备较强的电路调试能力,参加了大量的电 路制作,熟悉先进 PID 控制与 MATLAB 仿真等有关电子技术方面的书籍, 对 MATLAB, C 语言等多款软件能够灵活应用。 在此项目主要负责单片机的程序编写。 此人具有较强的责任心并对电子方面知识有着浓厚的兴趣与钻研精神。 2)此项目基本成员:王鑫,掌握了 MATLAB 仿真的编程语言,对建模比较熟 练,并参加了各方面有关电子制作的活动,对电子制作有着浓厚的兴趣,有耐心 与较强的责任心。在此项目主要负责和 MATLAB 建模。 3)此项目基本成员:聂细梅,熟悉各种报告的格式书写,具有一定的语言 功底,对 MATLAB 程序具有很强的编写能力,并参加了各方面有关电子制作的活 动,对电子制作有着浓厚的兴趣,有耐心与较强的责任心。在此项目主要负责 PID 控制设计。 4)此项目的基本成员:欧阳旭,该成员学习刻苦认真,对软件系统的设计 具有浓厚的兴趣,掌握了 MATLAB 的应用,具有一定的软硬件基础,自学能力 比较强。参加 2013 年 6 月份院里举办的电子设计大赛获得三等奖、 “天桥杯”三 校联盟电子制作大赛,在此项目中主要负责 MATLAB 程序编写。

科研经历: 此项目组成员对电子产品设计与制作具有浓厚的学习兴趣, 曾多次参加电子 实践活动, 并在实践中积累了丰富的经验,参加过衡阳师范学院第十三届及第十 四届大学生课外学术科技作品竞赛并获得了佳绩;设计制作了单片机实验板;做 出了直流稳压电源及数电设计课程八路抢答器等。 此项目指导老师,黄顺,副教授,就读于南华大学核科学与技术学院博士研 究生。 承担衡阳师范学院物电系单片机和微机课程的理论及 FPGA 实验教学工作, 2010 年获得学院第四届“十佳授课教师”称号;每届“全国大学生电子设计竞 赛” 培训和参赛中, 一直是指导老师中的主力,学院自 2001 年以来先后获得全国 二等奖(1 个)、湖南省赛区二等奖(5 个)和三等奖(6 个);参与《51/98 单片计算机原理及应用技术》、《汇编语言》教材的编写;目前从事电子学、探 测技术和单片机技术方向的研究。参与国家自然科学基金项目“基于母子体衰变 特性的氡同位素数字符合分辨测量” 、国防基础科研项目“××××液位检测仪
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表的研制” 、中国核动力设计研究院“中子注量率分布测量装置的研制” ,主持省 教育厅科研项目“多路辐射强度连续测量装置的研制”等。先后在核心期刊发表 论文 4 篇,其中 EI 收录 1 篇,省级学术刊物发表论文 7 篇。 “基于 FPGA 的多路 定标器的研制”被评为湖南省优秀硕士学位论文。

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二、选题依据(包括项目的学术价值、应用价值、国内外研究现状分析) 学术及应用价值: PID 控制器作为一种重要的可控制设备,在诸多工业生产过程中得到了广泛的 应用,例如工业生产中的阀门控制和温度控制等都用到了 PID 的反馈控制。 但是一般 的 PID 控制器必须由工程人员根据经验手动调节 PID 参数,这对于需要经常对 PID 参数进行调整的用户十分不方便,限制了控制器的使用。目前国内中小企业所使用 的控制器在成本及程度扩展性,控制效果等方面存在的问题进行了较为深入的研 究,其主要目的就是设计出一个适用于中小型企业控制的高性价比,高灵活性,高 集成度并具有较强扩展性的控制器,为中小型企业控制器的开发提供切实可行的解 决方案。PID 控制器具有较好的测量精度和控制效果,并具有较小的体积,较高的 集成度,具备较强的扩展性和较低成本等特点。由于 PID 控制算法简单、可靠性高 等特点,在控制技术高速发展的今天,它在工业过程控制中仍然占有主导地位。由 于 PID 调节器模型中考虑了系统的误差,误差变化及误差积累三个因素,因此,其 控制性能大大地优越于定值开关控制法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软 件方法来实现 PID 调节功能。 前者称为模拟 PID 调节器, 后者称为数字 PID 调节器。 其中数字 PID 节器的参数可以在现场实现在线整定,因此具有较大的灵活性,可以 得到较好的控制效果。采用这种方法实现的控制器,其控制品质的好坏主要取决于 三个 PID 参数(即比例值、积分值、微分值) 。只要 PID 参数选取的正确,对于一 个确定的受控系统来说,其控制精度是比较令人满意的。 它对大多数工业控制对象都能达到较好的控制效果,且出现了许多新的控制方 法。比如自适应控制、最优控制、智能控制、鲁棒控制、满意控制等,这些控制策 略引入到 PID 控制系统的设计当中极大地提高了系统的控制性能。其中,智能 PID 控制近几年引起了人们极大的研究兴趣。 将智能控制方法和常规 PID 控制方法融合 在一起,形成了许多形式的智能 PID 控制器。它吸收了智能控制与常规 PID 控制两 者的优点。首先,它具备自学习、自适应、自组织的能力,能够自动辨识被控过程 参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化;其次,它又具有常规 PID 控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。

国内外研究现状分析: PID 控制技术按照控制目标的不同可分为两类: 动态目标跟踪与恒值目标控制。 动态目标跟踪实现的是使被控对象的目标值按预先设定好的曲线进行变化。在工业 生产中很多场合需要实现这一控制目标,如在发酵过程控制,化工生产中的化学反 应温度控制,冶金工厂中燃烧炉中的温度控制,水厂和加油站的阀门控制等。恒值 目标控制的目的是使被控对象恒定在某一数值上, 且要求其波动幅度 (即稳态误差)
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不能超过某一给定值。 1922 年美国的 Minorsky 在对船舶自动导航的研究中,提出了基于输出反馈的 比例积分微分(PID,Proportional Integral Differential)控制器的设计方法[1],标志 了 PID 控制的诞生。随后,PID 控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以 及易于操作等特点,在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能,到了 20 世纪 40 年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。 20 世纪 30~40 年代,经典的频域设计法得到了很快的发展。较为重要的是 Nyquist 和 Bode 在稳定性理论上所取得的重要成就。这种经典设计方法是设计一种 反馈补偿器,以获得一定量的稳定裕度,重点考虑了模型的不确定性,并利用反馈 来减少系统对干扰和模型误差的灵敏度。补偿器的设计主要是采用由 Nyquist 稳定 准则引申出来的图解法。 进入 50 年代以后,发展较快的是解析法,并且定义了一些瞬态性能指标。借 助于模拟计算机的帮助,能较为方便的检测时域响应指标。然而,与此同时对控制 系统的鲁棒性和灵敏度的关注有所降低。 20 世纪 50 年代中期,随着数字计算机的出现,用差分方程来描述控制系统模 型的方法得到了应用。对人造地球卫星的控制促进了现代控制理论的发展,最优控 制被用于去寻找非线性动态系统的最优轨迹。 20 世纪 60 年代,基于最优化技术的控制器设计方法在解决各种不同设计问题 上显示出了其优势。现代控制理论开始应用于实际的过程控制,但这需要对过程对 象建立精确的数学模型,所以实际上往往难以得到精确的数学模型。因此进入七十 年代以后,鲁棒性问题得到了人们更多的关注。 从 20 世纪 80 年代开始, 在单回路 PID 控制器中引入了参数整定和自适应控制 理论,PID 控制理论从此进入了高速发展阶段。由于 PID 控制算法简单、可靠性高 等特点,在控制技术高速发展的今天,它在工业过程控制中仍然占有主导地位。由 于 PID 调节器模型中考虑了系统的误差,误差变化及误差积累三个因素,因此,其 控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软 件方法来实现 PID 调节功能。 前者称为模拟 PID 调节器, 后者称为数字 PID 调节器。 其中数字 PID 节器的参数可以在现场实现在线整定,因此具有较大的灵活性,可以 得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器,其控制品质的好坏主要取 决于三个 PID 参数(即比例值、积分值、微分值) 。只要 PID 参数选取的正确,对 于一个确定的受控系统来说,其控制精度是比较令人满意的。 它对大多数工业控制对象都能达到较好的控制效果,但它有明显的缺点,比如 依赖于对象模型,对于非线性、大滞后、时变系统控制效果不理想等。而且随着生 产的发展,对控制的实时性与精度要求越来越高,被控对象也越来越复杂,单纯采
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用常规 PID 控制器己不能满足系统的要求,因此出现了许多新的控制方法。比如自 适应控制、最优控制、 智能控制、鲁棒控制、满意控制等,这些控制策略引入到 PID 控制系统的设计当中极大地提高了系统的控制性能。其中,智能 PID 控制近几年引 起了人们极大的研究兴趣。将智能控制方法和常规 PID 控制方法融合在一起,形成 了许多形式的智能 PID 控制器。它吸收了智能控制与常规 PID 控制两者的优点。首 先,它具备自学习、自适应、自组织的能力,能够自动辨识被控过程参数、自动整 定控制参数、 能够适应被控过程参数的变化;其次, 它又具有常规 PID 控制器结构简 单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。中国内蒙古科技大 学信息工程学院的董志学等研究了一种基于模糊 PID 温度控制系统的热分析仪控制 策略,结合了模糊控制技术和 PID 控制技术,提高了对控制对象的适应能力,进而 提高了温度控制的精度

参考文献: [1]徐丽娜. 神经网络控制[M].哈尔滨工业大学出版社 [2]陶永华. 新型 PID 控制及其应用[M].机械工业出版社 [3]刘金琨.先进 PID 控制 MATLAB 仿真[M].电子工业出版社 [4]王正林.过程控制与 simulink 应用[M].电子工业出版社 [5]诸静 模糊控制原理与应用[M] 机械工业出版社

[6]闻新 MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用[M] 科学出版社 [7]邱志雄 模糊 PID 控制 [M]电气自动化

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三、研究方案(包括研究目标、研究内容、研究方法、实验方案、技术路线、可行 性分析等) 研究目标: 以 PID 为控制系统,能够对复杂的,时变的系统具有良好的控制能力。做成一 个自适应强,静态误差小,具有较强的鲁棒性和稳定性的控制系统 研究内容与方法: (1)研究内容: 1)PID 控制器的设计; 2)PID 控制系统的 MATLAB 建模; 3)PID 控制系统的仿真; (2)研究方法:本设计包含 PID 控制,MATLAB 建模及仿真 1)PID 控制: a.PID 参数的整定 b.Smith 预估器 c.设计 PID 控制器的注意事项 2)MATLAB 建模: a.常规 PID 控制 b.加 Smith 预估器的 PID 控制 c.PID 控制系统的参数自整定和模糊 PID 控制 d.干扰信号下 PID 控制系统的建模 3)PID 控制器的仿真: a.常规 PID 的仿真 b.加 Smith 预估器的 PID 控制的仿真 c.参数自整定模糊 PID 控制的仿真

实验方案与技术路线: 选定一个具体的控制对象,分别用 P、PD、P I 、PID 几种控制方式设计校正网 络,手动调试 P、I、D 各个参数使闭环系统的阶跃响应尽可能地好(稳定性、快速 性、准确性)在生产过程中,PID 控制对象各种各样,理论分析和试验结果表明: 对于具有自平衡能力的对象,可用二阶系统纯滞后的环节来描述,而二阶系统通过 参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述动态对象的数 学模型。项目的技术路线图,如图1所示:

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图 1.PID 控制器技术路线图 可行性分析: 1)被控对象的传递函数,能够经过各因素数据分析,一系列算法计算得到,不 难实现。 2)项目组已经掌握 PID 技术参数整定方法, PID 参数各个参数的确定成为可能, 购买了单片机, 芯片等元件,有自已的电脑和相应的开发软件,并在黄顺老师带 领的实验室内学习,各方面的研究环境都很成熟。 3)项目组的成员都对 MATLAB 应用软件有了一定了解,掌握了芯片的资料,而 且对温度控制的相关知识有一定的了解,并有用单片机做直流稳压电源等相关项目 经验。

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四、项目的创新点、特色和解决的关键技术 项目的创新点与特色: 常规 PID 控制具有结构简单、 稳定性能好、 可靠性高等优点,但是当系统中一些 参数发生变化时,它难以获得良好的控制效果。模糊控制不依赖对象的数学模型 ,对 受控对象的时滞、 非线性和时变性具有一定的适应能力,但是纯模糊控制不具备积分 环节,因此稳态精度不高。针对动态目标控制系统,本文设计了一个通过模糊推理决 策整定 PID 控制器参数的模糊 PID 控制器。 既达到 PID 控制的控制精确、 静态误差 小的目的,又可以保证模糊控制自适应性强、较强的鲁棒性和稳定性的特点。模糊 PID 参数自整定控制系统原理图如图 1 所示。通过在线调整 Kp、Ki、kd,PID 不断 整定,适应控制的要求同时具有较好的抗干扰的能力。因此,它具有更好的控制性能, 更适合处理复杂多变的动态控制系统。

解决的关键技术: ① ② PID 模糊控制技术 PID 参数整定和选取

五、项目进度安排(查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研 究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、 参加结题答辩和成果推广等) 时间 2014 年 4 月至 6 月 预期研究结果 ① 系统方案的设计与选择 ② 系统结构及基本原理设计 ①模型结构和工作原理 2014 年 7 月至 8 月 ② 基本模型的构建 ①MATLAB 程序的编写 ② 仿真检测与调试 ① 预期验证与调试 ② 作品报告

2014 年 9 月至 11 月 2014 年 12 至 2015 年 5 月

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六、拟利用资源(科研教学设施、仪器设备、资料等) 1)衡阳师范学院以物电系电子信息科学与技术专业为主,家用、机关单位、学 校、工厂等领域提供了丰富的实验基地。 2)衡阳师范学院图书馆提供了中国期刊网等权威的资源网站和图书馆中的大量 相关藏书和资料; 3)衡阳师范学院物理与电子信息科学系的藏书室藏有丰富本专业学习资料,也 可为该项目提供相比较新的图书、电子杂志等相关文献资; 七、经费使用计划 序号 1 2 3 4 5 6 支持项目 实验材料费 技术资料费 技术鉴定费 论文版面费 结项费用 项目管理费 合 计 金额(元) 1500 500 200 300 300 200 3000

八、项目预期成果(研究论文、设计、调研报告、申请专利、开发软件、研制产品、 项目鉴定等) 1)实物作品 1 件; 2)设计报告 1 份; 3)调研报告 1 份。 九、项目诚信承诺 本项目全体成员慎重承诺,该项目研究将遵守学校有关规定,恪守学术规范, 不抄袭他人成果,不弄虚作假,先诚实做人,再诚信做学问和研究,按项目研究进 度保质保量完成各项研究任务。如有违规行为,愿承担一切责任,接受学校的处理。

项目组成员签名:

2014 年 4 月 24 日

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十、指导教师意见: (从项目学术性、创新性、可行性、研究性、可操作性和成 效性加以评价) 本项目涉及与衡阳北方光电有限公司合作研究内容,项目采用先进 PID 控制方 法, 自适应智能整定 PID 参数。 研究内容有利于解决公司关键问题,研究方法可行。 研究结果将应用于产品的生产。

签名:

年 十一、系部意见:





系主任签名:

(盖章)

年 十二、学院主管部门意见:





负责人签名:

(盖章)







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