如何使用S7-200CPU 的PID 控制
第一部分、PID 控制
S7-200能够进行PID 控制。S7-200 CPU 最多可以支持8个PID 控制回路（8个PID 指
令功能块）。
PID 是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法。
PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法
计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。
PID 控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈
跟随给定变化。
根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI
（比例－积分）控制，这时没有微分控制部分。
PID 算法在S7-200中的实现
PID 控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID 也在计算机化
控制系统中实现。
为便于实现，S7-200中的PID 控制采用了迭代算法。详细的计算方法请参考《S7-200
系统手册》中PID 指令部分的相关内容。
计算机化的PID 控制算法有几个关键的参数K c （Gain，增益），T i （积分时间常
数），T d （微分时间常数），T s （采样时间）。
在S7-200中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行
PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，
计算出控制量。
PID 功能块通过一个PID 回路表交换数据，这个表是在V 数据存储区中的开辟，长度
为36字节。因此每个PID 功能块在调用时需要指定两个要素：PID 控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB 表示）。 由于PID 可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一
种通用的数据表示方法才能被PID 功能块识别。S7-200中的PID 功能使用占调节范围
的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往
被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。
https://www.doczj.com/doc/e618699931.html,
也就是PID回路标的起始地址
也就是用0.0-1.0的百分数表示工程量
PID 功能块只接受0.0 - 1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控
制输出的有效数值，如果是直接使用PID 功能块编程，必须保证数据在这个范围之
内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。 因此，必须把外围实际的物理量与PID 功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。《S7-200系统手册》上有详细的介绍。 S7-200的编程软件Micro/WIN 提供了PID 指令向导，以方便地完成这些转换/
标准化处理。除此之外，PID 指令也同时会被自动调用。
调试PID 控制器
PID 控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应
快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。
要衡量PID 参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际
上PID 的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，没有能够观察反馈的连续变化
波形曲线的有效手段，就谈不上调试PID 参数。
观察反馈量的连续波形，可以使用带慢扫描记忆功能的示波器（如数字示波器），波
形记录仪，或者在PC 机上做的趋势曲线监控画面等。
新版编程软件STEP 7 - Micro/WIN V4.0内置了一个PID 调试控制面板工具，具有
图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID 参数。对于没有
“自整定PID”功能的老版CPU，也能实现PID 手动调节。
PID 参数的取值，以及它们之间的配合，对PID 控制是否稳定具有重要的意义。这些
主要参数是：
? 采样时间：
计算机必须按照一定的时间间隔对反馈进行采样，才能进行PID 控制的计算。采样时
间就是对反馈进行采样的间隔。短于采样时间间隔的信号变化是不能测量到的。过短
的采样时间没有必要，过长的采样间隔显然不能满足扰动变化比较快、或者速度响应
要求高的场合。
编程时指定的PID 控制器采样时间必须与实际的采样时间一致。S7-200中PID 的采
样时间精度用定时中断来保证。 ? 增益（Gain，放大系数，比例常数） 增益与偏差（给定与反馈的差值）的乘积作为控制器输出中的比例部分。过大的增益
会造成反馈的振荡。
https://www.doczj.com/doc/e618699931.html, 所以编程时要进行数据转换,输入AIWx数字量要转化为百分数,
输出计算出来的百分数要转化为数字
量送到AQwx中,进行输出控制
数字量转化为双整数,
然后再转化成实数
数据计算
在PID数据初始化中加入定时中断事件10,在中断事件中进行输入输出数据的处理,这是针对自己编程时,而不是向导编程
?
偏差值恒定时，积分时间决定了控制器输出的变化速率。积分时间越短，偏差得到的修正越快。过短的积分时间有可能造成不稳定。
积分时间的长度相当于在阶跃给定下，增益为“1”的时候，输出的变化量与偏差值相等所需要的时间，也就是输出变化到二倍于初始阶跃偏差的时间。
如果将积分时间设为最大值，则相当于没有积分作用。
?微分时间（Derivative Time）
偏差值发生改变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间流逝减小。微分时间越长，输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加，也就是偏差的变化率越大，微分控制作用越强。微分相当于对反馈变化趋势的预测性调整。
如果将微分时间设置为0就不起作用，控制器将作为PI调节器工作。
常问问题
1、对于某个具体的PID控制项目，是否可能事先得知比较合适的参数？有没有相关的经验数据？
所有的参数都不能提前精确的算出,
虽然有理论上计算PID参数的方法，但由于闭环调节的影响因素很多而不能全部在数学上精确地描述，计算出的数值往往没有什么实际意义。因此，除了实际调试获得参数外，没有什么可用的经验参数值存在。甚至对于两套看似一样的系统，都可能通过实际调试得到完全不同的参数值。
2、PID控制不稳定怎么办？如何调试PID？
闭环系统的调试，首先应当做开环测试。所谓开环，就是在PID调节器不投入工作的时候，观察：
?反馈通道的信号是否稳定
?输出通道是否动作正常
可以试着给出一些比较保守的PID参数，比如放大倍数（增益）不要太大，可以小于1，积分时间不要太短，以免引起振荡。在这个基础上，可以直接投入运行观察反馈的波形变化。给出一个阶跃给定，观察系统的响应是最好的方法。
如果反馈达到给定值之后，历经多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应该考虑是否增益过大、积分时间过短；如果反馈迟迟不能跟随给定，上升速度很慢，应该考虑是否增益过小、积分时间过长……
总之，PID参数的调试是一个综合的、互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的步骤，也是必须的。
S7-200的新一代产品提供了自整定的PID细调功能。
3、没有采用积分控制时，为何反馈达不到给定？
这是必然的。因为积分控制的作用在于消除纯比例调节系统固有的“静差”。没有积分控制的比例控制系统中，没有偏差就没有输出量，没有输出就不能维持反馈值与给定值相等。所以永远不能做到没有偏差。
4、如何实现PID反作用调节？
参见PID向导中的常问问题。
5、S7-200PID功能？
可以根据具体情况使用。一般来说，如果需要控制的变量直接与变频器直接有关，比如变频水泵控制水压等，可以优先考虑使用变频器的PID功能。
6、《S7-200系统手册》上的附录H.14“用S7-200实现PID控制”的例子，是否可以直接使用？
《S7-200系统手册》中的附录H在英文原版中并不存在。
H.14的PID例子是在第一代产品还不支持PID运算指令时的产物。现在用户可以使用PID指令块，或者PID Wizard（PID向导）编辑PID控制程序。
PID Wizard - PID向导
Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算法。此向导可以完成绝大多数PID运算的自动编程，用户只需在主程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。
PID向导既可以生成模拟量输出PID控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持手动参与控制。建议用户使用此向导对PID编程，以避免不必要的错误。如果用户不能确定中文编程界面的语义，我们建议用户使用英文版本的
Micro/WIN，以免对向导中相关概念发生误解。
建议用户使用较新的编程软件版本。在新版本中的PID向导获得了改善。
PID向导编程步骤
在Micro/WIN中的命令菜单中选择Tools > Instruction Wizard，然后在指令向导窗口中选择PID指令：
图1. 选择PID向导
在使用向导时必须先对项目进行编译，在随后弹出的对话框中选择“Yes” ，确认编译。如果已有的程序中存在错误，或者有没有编完的指令，编译不能通过。
如果你的项目中已经配置了一个PID回路，则向导会指出已经存在的PID回路，并让你选择是配置修改已有的回路，还是配置一个新的回路：
图2. 选择需要配置的回路
第一步：定义需要配置的PID回路号
s7 200 共有8个PID回路
图3. 选择PID回路号 第二步：设定PID回路参数
图4. 设置PID参数
图4中:
a.定义回路设定值（SP，即给定）的范围：
在低限（Low Range）和高限（High Range）输入域中输入实数，缺省值为0.0和100.0，表示给定值的取值范围占过程反馈量程的百分比。
这个范围是给定值的取值范围。它也可以用实际的工程单位数值表示。参见：设置给定－反馈的量程范围。
以下定义PID回路参数，这些参数都应当是实数：
b.Gain（增益）： 即比例常数。
c.Integral Time（积分时间）：如果不想要积分作用，可以把积分时间设为无 穷大：9999.99
d.Derivative Time（微分时间）：如果不想要微分回路，可以把微分时间设为
0 。
e.Sample Time（采样时间）：是PID控制回路对反馈采样和重新计算输出值的时间间隔。在向导完成后，若想要修改此数，则必须返回向导中修改，不可在程序中或状态表中修改。
注意：关于具体的PID参数值，每一个项目都不一样，需要现场调试来定，没有所谓经验参数。
第三步：设定回路输入输出值
图5. 设定PID输入输出参数
在图5中，首先 设定过程变量的范围：
a.指定输入类型
o Unipolar： 单极性，即输入的信号为正，如0－10V或0－20mA等
o Bipolar：双极性，输入信号在从负到正的范围内变化。如输入信号为±10V、±5V等时选用
o20% Offset：选用20%偏移。如果输入为4－20mA则选单极性及此项，4mA是0－20mA信号的20%，所以选20% 偏移，即4mA对应6400，20mA对应32000
b.反馈输入取值范围
o在a.设置为Unipolar时，缺省值为0 - 32000，对应输入量程范围0 - 10V或0 - 20mA等，输入信号为正
o在a.设置为Bipolar时，缺省的取值为-32000 - +32000，对应的输入范围根据量程不同可以是±10V、±5V等
o在a.选中20% Offset时，取值范围为6400 - 32000，不可改变
此反馈输入也可以是工程单位数值，参见：设置给定－反馈的量程范围。
然后定义输出类型
c.Output Type（输出类型）
可以选择模拟量输出或数字量输出。模拟量输出用来控制一些需要模拟量给定的设备，如比例阀、变频器等；数字量输出实际上是控制输出点的通、断状态按照一定的占空比变化，可以控制固态继电器（加热棒等）
d.选择模拟量则需设定回路输出变量值的范围，可以选择：
o Unipolar：单极性输出，可为0－10V或0－20mA等
o Bipolar：双极性输出，可为正负10V或正负5V等
o20% Offset：如果选中20% 偏移，使输出为4 - 20mA
e.取值范围：
o d为Unipolar时，缺省值为 0 到 32000
o d为Bipolar时，取值-32000到32000
o d为20% Offset时，取值6400 - 32000，不可改变
如果选择了开关量输出，需要设定此占空比的周期。
第四步：设定回路报警选项
图6. 设定回路报警限幅值
向导提供了三个输出来反映过程值(PV)的低值报警、高值报警及过程值模拟量模块错误状态。当报警条件满足时，输出置位为1。这些功能在选中了相应的选择框之后起作用。
a.使能低值报警并设定过程值(PV)报警的低值，此值为过程值的百分数，缺省值为
0.10，即报警的低值为过程值的10％。此值最低可设为0.01，即满量程的1%
b.使能高值报警并设定过程值(PV)报警的高值，此值为过程值的百分数，缺省值为
0.90，即报警的高值为过程值的90％。此值最高可设为1.00，即满量程的100%
c.使能过程值(PV)模拟量模块错误报警并设定模块于CPU连接时所处的模块位置。“0”就是第一个扩展模块的位置
第五步：指定PID运算数据存储区
图7. 分配运算数据存储区
PID指令（功能块）使用了一个120个字节的V区参数表来进行控制回路的运算工作；除此之外，PID向导生成的输入/输出量的标准化程序也需要运算数据存储区。需要为它们定义一个起始地址，要保证该地址起始的若干字节在程序的其它地方没有被重复使用。如果点击“Suggest Address”，则向导将自动为你设定当前程序中没有用过的V区地址。
自动分配的地址只是在执行PID向导时编译检测到空闲地址。向导将自动为该参数表分配符号名，用户不要再自己为这些参数分配符号名，否则将导致PID控制不执行。
第六步：定义向导所生成的PID
初使化子程序和中断程序名及手/自动模式
向导已经为初使化子程序和中断子程序定义了缺省名，你也可以修改成自己起的名字。
a.指定PID初使化子程序的名字。
b.指定PID中断子程序的名字
注意：
1.如果你的项目中已经存在一个PID配置，则中断程序名为只读，不可更改。因 为一个项目中所有PID共用一个中断程序，它的名字不会被任何新的PID所更改。
2.PID向导中断用的是SMB34定时中断，在用户使用了PID向导后，注意在其它编程时不要再用此中断，也不要向SMB34中写入新的数值，否则PID将停止工作。
中断采样周期时间写入到
c.此处可以选择添加PID 手动控制模式。在PID手动控制模式下，回路输出由手动输出设定控制，此时需要写入手动控制输出参数一个0.0－1.0的实数，代表输出的0％－100％而不是直接去改变输出值。
此功能提供了PID控制的手动和自动之间的无扰切换能力。
第七步：生成PID子程序、中断程序及符号表等
一旦点击完成按钮，将在你的项目中生成上述PID子程序、中断程序及符号表等。
图9. 生成PID子程序、中断程序和符号表等
第八步：配置完PID向导，需要在程序中调用向导生成的PID子程序（如下图）
图10. PID子程序
图11. 调用PID子程序
在用户程序中调用PID子程序时，可在指令树的Program Block（程序块）中用鼠标双击由向导生成的PID子程序，在局部变量表中，可以看到有关形式参数的解释和取值范围。
a.必须用SM0.0来使能PID，以保证它的正常运行
b.此处输入过程值（反馈）的模拟量输入地址
c.此处输入设定值变量地址（VDxx），或者直接输入设定值常数，根据向导中的设定0.0－100.0，此处应输入一个0.0－100.0的实数，例：若输入20，即为过程值的20％，假设过程值AIW0是量程为0－200度的温度值，则此处的设定值20代表40度（即200度的20％）；如果在向导中设定给定范围为0.0 - 200.0，则此处的20相当于20度
d.此处用I0.0控制PID的手/自动方式，当I0.0为1时，为自动，经过PID运算从AQW0输出；当I0.0为0时，PID将停止计算，AQW0输出为ManualOutput
（VD4）中的设定值，此时不要另外编程或直接给AQW0赋值。若在向导中没有选择PID手动功能，则此项不会出现
e.定义PID手动状态下的输出，从AQW0输出一个满值范围内对应此值的输出量。此处可输入手动设定值的变量地址（VDxx），或直接输入数。数值范围为0.0-1.0之间的一个实数，代表输出范围的百分比。例：如输入0.5，则设定为输出的50％。若在向导中没有选择PID手动功能，则此项不会出现
f.此处键入控制量的输出地址
g.当高报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能高报警功能，则此项将不会出现
h.当低报警条件满足时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能低报警功能，则此项将不会出现
i.当模块出错时，相应的输出置位为1，若在向导中没有使能模块错误报警功能，则此项将不会出现
调用PID子程序时，不用考虑中断程序。子程序会自动初始化相关的定时中断处理事项，然后中断程序会自动执行。
第九步：实际运行并调试PID参数
没有一个PID项目的参数不需要修改而能直接运行，因此需要在实际运行时调试PID 参数。
查看Data Block（数据块），以及Symbol Table（符号表）相应的PID符号标签的内容，可以找到包括PID核心指令所用的控制回路表，包括比例系数、积分时间等等。将此表的地址复制到Status Chart（状态表）中，可以在监控模式下在线修改PID参数，而不必停机再次做组态。
参数调试合适后，用户可以在数据块中写入，也可以再做一次向导，或者编程向相应的数据区传送参数。
常问问题
1、做完PID向导后，如何知道向导中设定值，过程值及PID等参数所用的地址？?做完PID向导后可在Symbol Table（符号表）中，查看PID向导所生成的符号表(上例中为PID0_SYM)，可看到各参数所用的详细地址，及数值范围。
?在Data Block（数据块）中，查看PID指令回路表的相关参数。如图所示：
图12. PID数据块
2、做完PID向导后，如何在调试中修改PID参数？
可以在Status Chart（状态表）中，输入相应的参数地址，然后在线写入用户需要的PID参数数值，这样用户就可根据工艺需要随时对PID参数、设定值等进行调整。
3、PID已经调整合适，如何正式确定参数？
可以在Data Block（数据块）中直接写入参数。
4、做完PID向导后，能否查看PID生成的子程序，中断程序？
PID向导生成的子程序，中断程序用户是无法看到的，也不能对其进行修改。没有密码能够打开这些子程序，一般的应用也没有必要打开查看。
5、PID参数有经验值吗？
每一个项目的PID 参数都不一样，没有经验参数，只能现场调试获得。
6、我的PID向导生成的程序为何不执行？
?必须保证用SM0.0无条件调用PID0_INIT程序
?在程序的其它部分不要再使用SMB34定时中断，也不要对SMB34赋值
7、如何实现PID反作用调节？
在有些控制中需要PID反作用调节。例如：在夏天控制空调制冷时，若反馈温度（过程值）低于设定温度，需要关阀，减小输出控制（减少冷水流量等），这就是PID反作用调节（在PID正作用中若过程值小于设定值，则需要增大输出控制）。
若想实现PID反作用调节，需要把PID回路的增益设为负数。对于增益为0的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为负值，则是反作用回路。
8、如何根据工艺要求有选择地投入PID功能？
可使用“手动/自动”切换的功能。PID向导生成的PID功能块只能使用SM0.0的条件调用。
PID Wizard 中的给定－反馈设置
完成PID Wizard组态后，会为每个PID回路生成一个子程序PIDx_INIT
（x = 0 - 7）。在用户程序中，必须使用SM0.0始终调用这个子程序才能实现PID功能。
下图是一个最简单的PID子程序调用程序段：
图1. 调用PID子程序
其中：
?PV_I： 过程反馈参数值的入口
?Setpoint： 给定参数值的入口
?Output： PID调节器的输出值
在这里，给定、反馈的入口参数不是PID指令功能块所需要的0.0 - 1.0之间的实数，而可以是实际的反馈地址，或是其他变量。例如，PV_I可以是模拟量输入地址AIW0，也可以是存储器地址VW100等；Setpoint则往往来自V变量存储区，这样可以从人机操作界面（HMI）设备输入给定值。
注意：
对于PID控制系统来说，必须保证给定与过程反馈的一致性：
?给定与反馈的物理意义一致
这取决于被控制的对象，如果是压力，则给定也必须对应于压力值；如果是温度，则给定也必须对应于温度。
?给定与反馈的数值范围对应
如果给定直接是摄氏温度值，则反馈必须是对应的摄氏温度值；如果反馈直接使用模拟量输入的对应数值，则给定也必须向反馈的数值范围换算。
如果给定与反馈的换算有特定的比例关系也可以。如给定也可以表示为以反馈的数值范围的百分比数值。
给定与反馈的数值具体是什么数值，其取值范围究竟如何，完全取决于我们在使用“PID向导”编程时指定的给定与反馈的数值范围。其中，反馈量的数值范围不能随便自己定义，而要取决于具体应用的模拟量输入模块。
图2. 在图中a.处设置给定范围
图3. 在图中b.处设置反馈范围
实例
假定一个PID控制系统的控制对象是压力，反馈元件的测量范围为0 - 16MPa。反馈器件的信号经过变换，以0 - 20mA（或4 - 20mA）电流信号的形式输入到EM231模拟量输入模块中。据此，我们可以按下表设置给定、反馈的范围。
表1.
反馈（单极性） 给定
实际物理量 模拟量输
入数值
百分比形式（占0
- 16MPa的百分
比）
物理工程单
位形式
高限 16
MPa
32000 100.0 n×16.0
0 （0 -
20mA）
低限 0 MPa
6400 （4
- 20mA）
0.0 0.0
n 为比例系数，为了精度高些可以设置n=10等等
又如一个温度控制的PID系统，温度值直接由热电偶测量，输入到EM231 TC（热电偶）模块转换为温度值。热电偶为J型，其测量范围为 -150.0°C - 1200.0 °C。则可按如下设置给定的范围。
表2.
反馈（双极性） 给定
实际物理量 模拟量
输入数
值
百分比形式（占-
150°C -
1200.0°C的百分
比）
物理工
程单位
形式
高限 1200.0
°C
12000 100.0 1200
低限 -150.0
°C
-1500 0.0 -150
在上面的例子中，反馈和给定可以按照如下方法设置
图4. 反馈范围设置
图5. 给定范围设置
第二部分、PID自整定
PID自整定
新的S7-200 CPU支持PID自整定功能，在STEP 7-Micro/WIN V4.0中也添加了PID调节控制面板。
用户可以使用用户程序或PID调节控制面板来启动自整定功能。在同一时间最多可以有8个PID回路同时进行自整定。PID调节控制面板也可以用来手动调试老版本的（不支持PID自整定）CPU的PID控制回路。
用户可以根据工艺要求为调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或极慢速响应。PID自整定会根据响应类型而计算出最优化的比例、积分、微分值，并可应用到控制中。
PID调节控制面板
STEP 7-Micro/WIN V4.0中提供了一个PID调节控制面板，可以用图形方式监视PID 回路的运行，另外从面板中还可以启动、停止自整定功能。
图1. PID调节控制面板
如何使用S7-200CPU的PID控制 第一部分、PID控制 S7-200能够进行PID控制。S7-200 CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）。 PID是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法。 PID控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。 PID控制是负反馈闭环控制，能够抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。 根据具体项目的控制要求，在实际应用中有可能用到其中的一部分，比如常用的是PI （比例－积分）控制，这时没有微分控制部分。 PID算法在S7-200中的实现 PID控制最初在模拟量控制系统中实现，随着离散控制理论的发展，PID也在计算机化控制系统中实现。 为便于实现，S7-200中的PID控制采用了迭代算法。详细的计算方法请参考《S7-200系统手册》中PID指令部分的相关内容。 计算机化的PID控制算法有几个关键的参数K c （Gain，增益），T i （积分时间常 数），T d （微分时间常数），T s （采样时间）。 在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。 PID功能块通过一个PID回路表交换数据，这个表是在V数据存储区中的开辟，长度为36字节。因此每个PID功能块在调用时需要指定两个要素：PID控制回路号，以及控制回路表的起始地址（以VB表示）。 由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。S7-200中的PID功能使用占调节范围的百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。
目录一设计任务与要求 二系统校正的基本方法与实现步骤 三PID的控制原理与形式模型 四设计的原理 五设计方法步骤及设计校正构图 六设计总结 七致谢 八参考文献
一 设计任务与要求 校正对象： 已知单位负反馈系统，开环传递函数为：s s s s G 1047035.87523500 )(23++=，设 计校正装置，使系统满足： （1）相位稳定裕量o 45≥γ （2）最大超调量%5≤σ 二 系统校正的基本方法与实现步骤 系统校正就是在自动控制系统的合适位置加入适当的装置，以改善和提高系统性能。按照校正装置在自动控制系统中的位置，可分为串联校正，反馈校正和顺馈补偿。 顺馈补偿方式不能独立使用，通常与其他方式同时使用而构成复合控制。顺馈补偿装置满足一定条件时，可以实现全补偿，但前提是系统模型是准确的，如果所建立的系统模型有较大误差，顺馈补偿的效果一般不佳。 反馈校正主要是针对系统中的敏感设备——其参数可能随外部环境条件发生变化，从而影响自动控制系统的性能——给敏感设备增加局部负反馈支路以提高系统的抗扰能力。由于负反馈本身的特性，反馈校正装置通常比较简单，只有比例（硬反馈）和微分（软反馈）两种类型。 串联校正是最基本也是最常用的校正方式，根据校正装置是否使用独立电源，可分为有源校正装置和无源校正装置；根据校正装置对系统频率特性的影响，可分为相位滞后、相位超前和相位滞后－超前校正装置；根据校正装置的运算功能，可分为比例（P ）校正、比例微分（PD ）校正、比例积分（PI ）校正和比例积分微分（PID ）校正装置。
三 PID 控制的原理与形式模型 具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID 控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p )()()()(0++=? 相应的传递函数为： ??? ? ? ? + +=S S s K K K G d i p c 1)( S S S K K K d i p 12++ ?= PID 控制的结构图为： 若14 盛年不重来，一日难再晨。及时宜自勉，岁月不待人。 PID 控制的基本原理 1．PID 控制概述 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。 在过去的几十年里，PID 控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID 结构，而且许多高级控制都是以PID 控制为基础的。 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，它的基本原理比较简单，基本的PID 控制规律可描述为： G(S ) = K P + K1 + K D S (1-1) PID 控制用途广泛，使用灵活，已有系列化控制器产品，使用中只需设定三个参数（K P ，K I和K D ）即可。在很多情况下，并不一定需要三个单元，可以取其中的一到两个单元，不过比例控制单元是必不可少的。 PID 控制具有以下优点： （1）原理简单，使用方便，PID 参数K P、K I和K D 可以根据过程动态特性变化，PID 参数就可以重新进行调整与设定。 （2）适应性强，按PID 控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID 控制。PID 应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，也可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，就可以进行PID 控制了。 （3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。但不可否认PID 也有其固有的缺点。PID 在控制非线性、时变、偶合及参数和结构不缺点的复杂过程时，效果不是太好； 最主要的是：如果PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数作用都不大。 在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但PID 仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用，PID 控制规律仍是最普遍的控制规律。PID 控制器是最简单且许多时候最好的控制器。 在过程控制中，PID 控制也是应用最广泛的，一个大型现代化控制系统的控制回路可能达二三百个甚至更多，其中绝大部分都采用PID 控制。由此可见，在过程控制中，PID 控制的重要性是显然的，下面将结合实例讲述PID 控制。 1.1.1 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳定误差。比例控制器的传递函数为： G C (S ) = K P (1- 2) 式中，K P 称为比例系数或增益（视情况可设置为正或负），一些传统的控制器又常用比例带（Proportional Band，PB），来取代比例系数K P ，比例带是比例系数的倒数，比例带也称为比例度。 对于单位反馈系统，0 型系统响应实际阶跃信号R0 1(t)的稳态误差与其开环增益K 近视成反比，即： t→∞ 数字PID控制器设计 实验报告 学院电子信息学院 专业电气工程及其自动化学号 姓名 指导教师杨奕飞 数字PID控制器设计报告 一．设计目的 采用增量算法实现该PID控制器。 二．设计要求 掌握PID设计方法及MATLAB设计仿真。 三．设计任务 设单位反馈系统的开环传递函数为： 设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于，超调量不大于20%，调节时间不大于。采用增量算法实现该PID控制器。 四．设计原理 数字PID原理结构图 PID控制器的数学描述为： 式中，Kp为比例系数；T1为积分时间常数；T D为微分时间常数。 设u(k)为第K次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID表达式为:? 使用模拟控制器离散化的方法,将理想模拟PID控制器D(s)转化为响应的理想数字PID控制器D(z).采用后向差分法,得到数字控制器的脉冲传递函数。 2.增量式PID控制算法 u(k)=u(k-1)+Δu(k) 增量式PID控制系统框图 五．Matlab仿真选择数字PID参数 利用扩充临界比例带法选择数字PID参数，扩充临界比例带法是以模拟PID调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字PID参数 的整定方法。其整定步骤如下 1)选择合适的采样周期T：，因为Tmin<1/10 T,选择采样周期为； 2)在纯比例的作用下,给定输入阶跃变化时,逐渐加大比例作用 Kp(即减小比例带δ),直至系统出现等幅震荡,记录比例增益 Kr,及振荡周期Tr 。Kr成为临界振荡比例增益(对应的临界比 例带δ),Tr成为临界振荡周期。 在Matlab中输入如下程序? G=tf(1,[1/150,36/150,185/150,1]); p=[35:2:45]; for i=1:length(p) Gc=feedback(p(i)*G,1); step(Gc),hold on end; axis([0,3,0,]) 得到如下所示图形： 改变其中的参数P=[35:2:45]为p=[40:1:45]得到下图曲线，得Kr约为43，Tr 经常有人问有关PID的用法，看一些有关单片及应用的书上都有关于PID的应用原理，但是面对具体的问题就不知道如何应用了，主要的问题是里面所用到的参数以及计算结果需要进行什么处理，通过什么样的换算才能具体的应用于实际，另外在计算方法上也存在着数值计算的算法问题，今天我在这里例举温度控中的PID部分，希望能够把PID的具体应用说明白。 一般书上提供的计算公式中的几个名词： 1. 直接计算法和增量算法，这里的所谓增量算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的 结果是增量，也就是说，在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味着减少）控制量，例如对于可控硅电机调速系统，就是可控硅的触发相位还需要提前（或迟后）的量，对于温度控制就是需要增加（或减少）加热比例，根据具体的应用适当选择采用哪一种算法，但基本的控制方法、原理是完全一样的，直接计算得到的是当前需要的控制量，相邻两次控制量的差就是增量； 2. 基本偏差e(t),表示当前测量值与设定目标间的差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正 数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。 3. 累计偏差Σ(e)= e(t)+e(t-1)+e(t-2)+…e(1)，这是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代 数和，考虑到他的正负符号的运算的，这是面向积分项用的一个变动数据。 4. 基本偏差的相对偏差e(t)-e(t-1)，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控 制的对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一个变动数据。 5. 三个基本参数：Kp，Ki，Kd.这是做好一个控制器的关键常数，分别称为比例常数、积分常数和 微分常数，不同的控制对象他们需要选择不同的数值，还需要经过现场调试才能获得较好的效果。 6. 标准的直接计算法公式： Pout(t)=Kp*e(t)+Ki*Σe(t)+Kd*(e(t)-e(t-1))； 上一次的计算值： Pout(t-1)=Kp*e(t-1)+Ki*Σe(t-1)+Kd*(e(t-1)-e(t-2))； 两式相减得到增量法计算公式： Pdlt=Kp*(e(t)-e(t-1)+Ki*Σe(t)+Kd*(e(t)-2*e(t-1)+e(t-2))； *这里我们对Σ项的表示应该是对e(i)从1到t全部总和，但为了打字的简便就记作Σe(t). 三个基本参数Kp，Ki，Kd.在实际控制中的作用： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是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，甚至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能遇见偏差变化的趋势，因此能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。在微分时间选择合适情况下。可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。 具体应用中的数值量化处理： 上面只是控制算法的数学方法，似乎有点抽象，在具体的控制项目中怎样对应呢？也就是具体的量化问题。下面举一个在温度控制中的处理方法。 基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真 1.引言 MATLAB是一个适用于科学计算和工程用的数学软件系统，历经多年的发展，已是科学与工程领域应用最广的软件工具。该软件具有以下特点：数值计算功能强大；编程环简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。Simulink是MATLAB下用于建立系统框图和仿真的环境。Simulink环境仿真的优点是：框图搭建方便、仿真参数可以随时修改、可实现完全可视化编程。 比例-积分-微分（Proporitional-Integral-Derivative,PID）是在工业过程控制中最常见、应用最广泛的一种控制策略。PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，其结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而易于工程实现，同时也可获得较好的控制效果。 2.PID控制原理 当我们不能将被控对象的结构和参数完全地掌握，或者是不能得到精确的数学模型时，在这种情况下最便捷的方法便是采用PID 控制技术。为了使控制系统满足性能指标要求，PID 控制器一般地是依据设定值与实际值的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）等基本控制规律，或者是三者进行适当地配合形成相关的复合控制规律，例如，PD、PI、PID 等。 图2-1 是典型PID 控制系统结构图。在PID 调节器作用下，对误差信号 分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出量作为被控对象的输入控制量。 图2-1典型PID 控制系统结构图 PID 控制器主要是依据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成控制偏差，用公式表示即e （t ）=r （t ）-y （t ），它本身属于一种线性控制器。通过线性组合偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ），将三者构成控制量，进而控制受控对象。控制规律如下： 1 01() ()[()()]p d i de t u t K e t e t dt T T dt =++? 其传递函数为： ()1()(1)()p d i U s G s K T S E s T s = =++ 式中：Kp--比例系数； Ti--积分时间常数； Td--微分时间常数。 3.Simulink 仿真 3.1 建立数学建模 3.2 仿真实验 在传统的PID 调节器中，参数的整定问题是控制面临的最主要的问题，控制系统的关键之处便是将Kp 、Ti 、Td 三个参数的值最终确定下来。而在工业 课程设计报告设计题目变速积分PID控制系统设计课程名称计算机控制技术B 姓名苏丹学号2008100731 班级自动化0803 教师闫高伟 设计日期2011年7月5日 目录 摘要............................................................ 错误!未定义书签。Abstract .. (4) 第1章数字PID及变速积分简介.................................... 错误!未定义书签。 1.1 数字PID发展介绍 (1) 1.2 PID控制器工作原理 (2) 1.2.1 模拟式PID控制算法.................................. 错误!未定义书签。 1.2.2 数字式PID控制算法 (3) 1.3 变速积分简介............................................... 错误!未定义书签。第2章系统分析与设计............................................ 错误!未定义书签。 2.1 系统功能分析............................................... 错误!未定义书签。 2.1.1 对象整体分析 (5) 2.1.2系统分析与设计与系统开环增益 (6) 2.2计算机系统选择分析 (6) 2.2.1 8088CPU简介 (6) 2.2.2 其余模块的使用 (7) 2.3 软件设计分析 (12) 第3章硬件设计与软件编程 (12) 3.1 硬件设计 (12) 3.1.1 系统方框图 (12) 3.1.2 线路原理图 (12) 3.2 软件编程 (13) 3.2.1 软件流程图 (14) 3.2.2 程序源代码 (21) 第4章设计仿真与运行分析 (21) 4.1 结果分析 (21) 4.2 matlab仿真 (22) 总结.............................................................................错误!未定义书签。附录....... (26) 附录1 线路原理图 (28) 附录2 TDN-AC/ACS＋教学实验系统介绍 (28) 附录3 参考资料 (30) PID 控制器设计 PID 控制器设计 被控制对象的建模与分析 在脑外科、眼科等手术中，患者肌肉的无意识运动可能会导致灾难性的后果。为了保证合适的手术条件，可以采用控制系统自动实施麻醉，以保证稳定的用药量，使患者肌肉放松，图示为麻醉控制系统模型。 图1结构框图 被控制对象的控制指标 取τ=0.5，k=10,要求设计PID 控制器使系统调节时间t s ≤8s,超调量σ％不大于15％，并且输出无稳态误差。 控制器的设计 PID 控制简介 PID 控制中的积分作用可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。 微分作用可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。 所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID 控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 在PID 控制系统中, PID 控制器分别对误差信号e （t ）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u （t ），送给对象模型加以控制。 PID 控制器的数学描述为 其传递函数可表示为: 1 1.0) 1.0(++s s k τ )1.0()15.0(1 2++s s 控制器 人 药物 输入 R(s ) 预期松弛程度 C(s) 实际松弛程度 + - 从根本上讲, 设计PID 控制器也就是确定其比例系数Kp 、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。下面介绍基于MATLAB 的 Ziegler-Nichols 算法PID 控制器设计。 原系统开环传递函数G(s)=)1.0)(15.0)(11.0(10 +++s s s 做原系统零极点图 图2原系统零极点图 基于MATLAB的PID 控制器设计 基于MATLAB的PID 控制器设计 一、PID控制简介 PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。 积分作用:可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。 微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。 所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e（t）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u（t），送给对象模型加以控制。 PID控制器的数学描述为 其传递函数可表示为: 从根本上讲, 设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。 二、MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。 1、PID控制器的Ziegler-Nichols参数整定 在实际的过程控制系统中, 有大量的对象模型可以近似地由一阶模型 来表示。这个对象模型可以表示为 sL - e sT 1 K G(s) + = 如果不能建立起系统的物理模型, 可通过试验测取对象模型的阶跃响应, 从而得到模型参数。当然, 我们也可在已知对象模型的情况下, 利用MATLAB，通过使用step ( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中, 可获取K 、L 和T参数, 也可在MATLAB中由dcgain ( ) 函数求取 K值。 一、PID的故事 小明接到这样一个任务：有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)，要求水面高度维持在某个位置，一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。 小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。水漏得太快，每次小明来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。几次试验后，确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期 开始小明用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，但好几次将缸给加溢出了，不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，几次下来，发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数 小明又发现水虽然不会加过量溢出了，有时会高过要求位置比较多，还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了，但加水的速度又慢了，有时还赶不上漏水的速度。于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度，最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间 小明终于喘了一口，但任务的要求突然严了，水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低，必须立即将水加到要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。小明又为难了！于是他又开努脑筋，终于让它想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性是保证了，但水位有时会高多了。他又在要求水面位置上面一点将水凿一孔，再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个水漏出的快慢就称为微分时间 看到几个问采样周期的帖子，临时想了这么个故事。微分的比喻一点牵强，不过能帮助理解就行了，呵呵，入门级的，如能帮助新手理解下PID，于愿足矣。故事中小明的试验是一步步独立做，但实际加水工具、漏斗口径、溢水孔的大小同时都会影响加水的速度，水位超调量的大小，做了后面的实验后，往往还要修改改前面实验的结果。 二、控制模型：人以PID控制的方式用水壶往水杯里倒印有刻度的半杯水后停下； 设定值：水杯的半杯刻度； 实际值：水杯的实际水量； 输出值：水壶的倒处数量和水杯舀出水量； 测量传感器：人的眼睛 执行对象：人 数字PID控制器设计 设计任务： 设单位反馈系统的开环传递函数为： 设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。采用增量算法实现该PID控制器。 具体要求： 1.采用Matlab完成控制系统的建立、分析和模拟仿真，给出仿真结果。 2.设计报告内容包含数字PID控制器的设计步骤、Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式。 3.设计工作小结和心得体会。 4.列出所查阅的参考资料。 数字PID控制器设计报告 一、设计目的 1 了解数字PID控制算法的实现； 2 掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响； 3 能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置； 4 加深对理论知识的理解和掌握； 5 掌握计算机控制系统分析与设计方法。 二、设计要求 1采用增量算法实现该PID控制器。 2熟练掌握PID设计方法及MATLAB设计仿真。 三、设计任务 设单位反馈系统的开环传递函数为： 设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。采用增量算法实现该PID控制器。 四、设计原理 1.数字PID原理结构框图 2. 增量式PID 控制算法 ()()()()()01P I D i u k K e k K e i K e k e k ∞ ==++--????∑ =u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 所以Δu(k)=u(k)-u(k-1) =Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 整理： Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) A= Kp+Ki+Kd B=-(Kp+2Kd ) C=Kd 五、Matlab 仿真选择数字PID 参数 （扩充临界比例度法/扩充响应曲线法 具体整定步骤） 利用扩充临界比例带法选择数字PID 参数，扩充临界比例带法是 以模拟PID 调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字 PID 参数的整定方法。其整定步骤如下：； PID控制器设计 一、PID控制的基本原理和常用形式及数学模型 具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p )( )( )( )( + + =? (1-1)相应的传递函数为： ? ? ? ? ? ? + + =S S s K K K G d i p c 1 ) ( S S S K K K d i p 1 2+ + ? = (1-2) PID控制的结构图为： 若1 4< T i τ，式（1-2）可以写成： = ) (s G c()() S S S K K i P 1 1 2 1 + + ? τ τ 由此可见，当利用PID控制器进行串联校正时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负实零点。与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。因此，在工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。PID控制器各部分参数的选择，在系统现场调试中最后确定。通常，应使积分部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使微分部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。 二、实验内容一： 自己选定一个具体的控制对象(Plant)，分别用P 、PD 、PI 、PID 几种控制方式设计校正网络（Compensators ），手工调试P 、I 、D 各个参数，使闭环系统的阶跃响应（Response to Step Command ）尽可能地好（稳定性、快速性、准确性） 控制对象(Plant)的数学模型： ()()??? ? ??++=115.01 )(S S S G 2 322++=S S 实验1中，我使用MATLAB 软件中的Simulink 调试和编程调试相结合的方法 不加任何串联校正的系统阶跃响应： （1） P 控制方式： P 控制方式只是在前向通道上加上比例环节，相当于增大了系统的开环增益，减小了系统的稳态误差，减小了系统的阻尼，从而增大了系统的超调量和振荡性。 P 控制方式的系统结构图如下： 取Kp=1至15，步长为1，进行循环 测试系统，将不同Kp 下的阶跃响应曲线绘制在一张坐标图下： PID控制器设计及仿真 摘要 温度控制对于工业生产以及科学研究都具有重要意义，当前我国科技技术还不太成熟，温度控制领域大多使用传统控制方式为主，该方法精度不高，容易造成系统不稳定，给控制系统带来了很大的困难，正是在上述背景下，本文以电锅炉为研究对象详细分析其温度控制策略。 本文主要针对电锅炉控制方法进行了深入探讨，首先分析的是PID控制策略，该方法的主要运行机理是温度偏差环节通过比例、积分和微分等线性组合从而构成控制部分，完成对电锅炉的控制；由于经典PID控制存在的缺陷，本文加入了补偿器，如Simith预估器、Ziegler-Nichols，并通过Simulink进行了仿真分析，实验结果表示虽然超调量和调节时间下降，但是系统却出现了问题误差，因此本文深入分析了模糊控制理论，将PID控制方法与模糊控制相结合。设计的模糊PID控制策略，通过Simulink的 Fuzzy逻辑箱完成了对电锅炉的稳定控制，仿真实验结果表明，实验的模糊PID控制策略能够较好的达到电锅炉的稳定控制目标，因此是一种较为理想的控制策略。 关键词：电锅炉；温度控制；模糊PID控制；仿真分析 Abstract Temperature control is of great significance for industrial production and scientific research, the current our country science and technology also is not very mature, the temperature control field are mostly using traditional control method is given priority to, the accuracy is not high, easy to cause system instability, the control system to bring very great difficulty, it is under the above background, taking electric boiler as the research object, this paper has a detailed analysis of the temperature control strategy. This paper focuses on the electric boiler control method has carried on the deep discussion and the analysis of the first is the PID control strategy, the main operating mechanism of the method is of temperature deviation by proportion, integral and differential linear combination so as to constitute control part, complete control of the electric boiler; Due to the flaws of the classical PID control, this paper joined the compensator, such as Simith forecast, Ziegler Nichols, and through the Simulink simulation analysis, the results said although the overshoot and adjustment time decreased, but the system has a problem of error, so this paper deeply analyzes the fuzzy control theory, the method of PID control is combined with fuzzy control. Design of Fuzzy PID control strategy, by the Fuzzy logic of the Simulink box has completed the stability control of electric boiler, the simulation results show that the experiment of the Fuzzy PID control strategy can better achieve the stability of the electric boiler control, thus is an ideal control strategy. Key words：The electric boiler; Temperature control; Fuzzy PID control; The simulation analysis 基于MATLAB 的PID 控制器设计 一．PID 控制简介 PID 控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。 PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值)(t r 与实际输出值)(t c 构成的控制偏差： )(t e =)(t r －)(t c 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P 、I 、D 基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器，PI 调节器，PID 调节器等。 综上我选择PID 调节: 比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好,但是比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。在实际应用中为了达到更高的要求，常根据对象的特征和控制要求，将P 、I 、D 基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。所以我选择PID 调节。 PID 是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是： 比例- 来控制当前，误差值和一个负常数P （表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P 只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。那么它在10°C 的时候会输出100%，在15°C 的时候会输出50%，在19°C 的时候输出10％，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。 积分 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个 PID 控制的基本原理 1．PID 控制概述 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关 心的是变量,并与期望值相比较,以此误差来纠正和控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是： 做出正确测量与比较后,如何用于系统的纠正与调节。 在过去的几十年里,PID 控制,也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术 飞速发展的今天,在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID 结构,而且许多高级控制都是以PID 控制为 基础的。 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成,它的基本原理比较简单,基本的PID 控 制规律可描述为： G(S ) = K P + K1 + K D S (1-1) PID 控制用途广泛,使用灵活,已有系列化控制器产品,使用中只需设定三个参数（K P ,K I和K D ）即可。在很多情况下,并不一定需要三个单元,可以取其中的一到两个单元,不过比例控制单元是必不可少的。 PID 控制具有以下优点： （1）原理简单,使用方便,PID 参数K P、K I和K D 可以根据过程动态特性变化,PID 参数就可以重新进行调整与设定。 （2）适应性强,按PID 控制规律进行工作的控制器早已商品化,即使目前最新式的过程控制计算机,其 基本控制效用也仍然是PID 控制。PID 应用范围广,虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过适当简化,也 可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,就可以进行PID 控制了。 （3）鲁棒性强,即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。但不可否认PID 也有其固有的缺点。PID 在控制非线性、时变、偶合及参数和结构不缺点的复杂过程时,效果不是太好； 最主要的是：如果PID 控制器不能控制复杂过程,无论怎么调参数作用都不大。 在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天,虽然涌现出了许多新的控制方法,但PID 仍因其自身的优 点而得到了最广泛的应用,PID 控制规律仍是最普遍的控制规律。PID 控制器是最简单且许多时候最好的控制器。 在过程控制中,PID 控制也是应用最广泛的,一个大型现代化控制系统的控制回路可能达二三百个甚至更多, 其中绝大部分都采用PID 控制。由此可见,在过程控制中,PID 控制的重要性是显然的,下面将结合实例讲述PID 控制。 1.1.1 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式,其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输 出存在稳定误差。比例控制器的传递函数为： G C (S ) = K P (1- 2) 式中, K P 称为比例系数或增益（视情况可设置为正或负）,一些传统的控制器又常用比例带（Proportional Band, PB）,来取代比例系数K P ,比例带是比例系数的倒数,比例带也称为比例度。 对于单位反馈系统,0 型系统响应实际阶跃信号R0 1(t)的稳态误差与其开环增益K 近视成反比,即： t→∞ 对于单位反馈系统,I 型系统响应匀速信号 (1- 3) R1 (t)的稳态误差与其开环增益K v近视成反比, 即: lim e(t) = R1 1 / 15 P I D控制器设计 PID 控制器设计 一、 PID 控制的基本原理和常用形式及数学模型 具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID 控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p ) ()()()(0 ++=? (1-1) 相应的传递函数为： ??? ? ??++=S S s K K K G d i p c 1)( S S S K K K d i p 1 2++? = (1-2) PID 控制的结构图为： 若14 二、 实验内容一： 自己选定一个具体的控制对象(Plant)，分别用P 、PD 、PI 、PID 几种控制方式设计校正网络（Compensators ），手工调试P 、I 、D 各个参数，使闭环系统的阶跃响应（Response to Step Command ）尽可能地好（稳定性、快速性、准确性） 控制对象(Plant)的数学模型： ( )()??? ? ??++=115.01 )(S S S G 2 32 2 ++= S S 实验1中，我使用MATLAB 软件中的Simulink 调试和编程调试相结合的方法 不加任何串联校正的系统阶跃响应： （1） P 控制方式： P 控制方式只是在前向通道上加上比例环节，相当于增大了系统的开环增益，减小了系统的稳态误差，减小了系统的阻尼，从而增大了系统的超调量和振荡性。 P 控制方式的系统结构图如下： 取Kp=1至PID控制的基本原理
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