下载文档原格式
PID参数整定及其对性能影响PID参数整定是指在控制系统中，对PID控制器的比例常数、积分时间、微分时间三个参数进行适当调整，以获得所需的控制性能。
PID控制器是最常用的控制器之一，通过调整PID参数可以实现控制系统的稳定性、精度、快速性和鲁棒性等性能要求。
一般来说，PID参数整定有以下几种方法：1.经验整定法：经验整定法是基于工程师的经验和实践，根据控制对象的特性进行参数整定。
这种方法简单快速，但不够精确。
通常将Kp设置为临界增益，Ti设为P传递时延或周期的几倍，Td设为P传递时间延迟的一小部分。
2. Ziegler-Nichols整定法：Ziegler-Nichols整定法是基于试控制实验的方法。
首先将控制器设为纯比例控制，增加比例增益，然后观察系统的震荡情况。
通过测量震荡周期和幅值，可以计算出参数整定值。
根据实测参数选取适当的PID参数。
3. Tyreus-Luyben整定法：Tyreus-Luyben整定法是一种基于试控制实验和改进的Ziegler-Nichols方法。
通过对系统进行连续比例控制和周期性反馈控制，获得系统幅值和周期。
根据试验数据计算出PID参数。
4.频域响应整定法：频域响应整定法是基于系统的频率特性设计的方法。
通过将PID控制器转换为频域表达式，分析频率响应曲线，选取适当的PID参数，使系统的响应满足要求。
不同的PID参数整定方法会影响控制系统的性能。
主要包括以下几个方面：1.稳态误差：比例增益Kp的大小影响着系统的稳态误差，Kp越大，稳态误差越小。
积分时间Ti的大小也会影响稳态误差，Ti越大，稳态误差越小。
2.系统响应速度：比例增益Kp的大小决定了系统的响应速度，Kp越大，响应速度越快。
同时，微分时间Td的大小也会影响响应速度，Td越大，响应速度越快。
3.系统抗干扰性能：积分时间Ti的大小决定了系统的抗干扰性能，当干扰增加时，积分作用会逐渐累积误差，并产生控制作用。
4.系统稳定性：在PID参数整定过程中，要保证系统的稳定性。
PID 控制参数对系统性能的影响1. 引言PID （比例积分微分）控制自产生以来就一直是工业生产中应用最广泛的控制方法，随着电子计算机和控制领域的发展，控制器的方案也在不断丰富，但由于PID 控制法（比例、积分、微分控制法）原理简单、适用性强和鲁棒性强等特点至今仍被广泛应用。
本文对不同的受控系统改变PID 调节的各参数，采用单位阶跃响应分析法和根轨迹法对PID 控制系统进行了仿真分析，旨在对PID 调节进行更加深入细致研究。
2. PID 控制原理仿真分析PID 是基于反馈理论的调节方式，通过对误差信号()e t 进行比例、积分和微分运算，再对结果进行适当处理，从而对被控对象进行调节控制，其主要结构如图1 所示。
PID 控制可以抽象为数学模型：()=I P c p D P P D I K K H s K sK K K T s s T s =++++ 式中P K ，I K ，D K 为常数。
我们需要通过设计这些参数使系统达到性能指标。
图1 PID 控制系统框图系统稳定性判据根轨迹法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，它是开环系统某一参数不断变化时，闭环系统特征方程根在S 平面上变化的轨迹。
当开环增益或其他参数改变时，其全部数值对应的闭环节点全部可在根轨迹图上确定。
系统的稳定性由系统闭环极点唯一确定，而系统的稳态性能和动态性能又与闭环零极点在S 平面上的位置密切相关，所以根轨迹不仅可以直接给出闭环系统时间响应的全部信息，还可指明开环零点、极点应该怎样变化才能满足给定闭环系统的性能指标要求。
若根轨迹全部在S 左半平面，则不论参数怎么变化系统都是稳定的；若根轨迹在虚轴上，则系统临界稳定；若根轨迹全部在S 右半平面，则系统是不稳定的；若根轨迹在整个S 平面，则系统稳定性与开环增益K 的大小有关。
比例（P ）控制对系统的影响 我们对系统021()(2)(3)G s s s =+⋅+ 调节不同的比例系数进行比例环节控制，则系统00()()()=()c P G s G s G s K G s =⋅⋅ 取P K =1，5，10，15，20和25，系统的单位阶跃响应如图2（a ）所示。
PID 控制参数对系统性能的影响1. 引言PID （比例积分微分）控制自产生以来就一直是工业生产中应用最广泛的控制方法，随着电子计算机和控制领域的发展，控制器的方案也在不断丰富，但由于PID 控制法（比例、积分、微分控制法）原理简单、适用性强和鲁棒性强等特点至今仍被广泛应用。
本文对不同的受控系统改变PID 调节的各参数，采用单位阶跃响应分析法和根轨迹法对PID 控制系统进行了仿真分析，旨在对PID 调节进行更加深入细致研究。
2. PID 控制原理仿真分析PID 是基于反馈理论的调节方式，通过对误差信号()e t 进行比例、积分和微分运算，再对结果进行适当处理，从而对被控对象进行调节控制，其主要结构如图1 所示。
PID 控制可以抽象为数学模型：()=I P c p D P P D I K K H s K sK K K T s s T s=++++ 式中P K ，I K ，D K 为常数。
我们需要通过设计这些参数使系统达到性能指标。
图1 PID 控制系统框图2.1 系统稳定性判据根轨迹法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，它是开环系统某一参数不断变化时，闭环系统特征方程根在S 平面上变化的轨迹。
当开环增益或其他I(积分) P(比例)D(微分)R(t) 受控对象U(t)e(t)G 0(S)G C (S)参数改变时，其全部数值对应的闭环节点全部可在根轨迹图上确定。
系统的稳定性由系统闭环极点唯一确定，而系统的稳态性能和动态性能又与闭环零极点在S 平面上的位置密切相关，所以根轨迹不仅可以直接给出闭环系统时间响应的全部信息，还可指明开环零点、极点应该怎样变化才能满足给定闭环系统的性能指标要求。
若根轨迹全部在S 左半平面，则不论参数怎么变化系统都是稳定的；若根轨迹在虚轴上，则系统临界稳定；若根轨迹全部在S 右半平面，则系统是不稳定的；若根轨迹在整个S 平面，则系统稳定性与开环增益K 的大小有关。
2.2 比例（P ）控制对系统的影响我们对系统021()(2)(3)G s s s =+⋅+ 调节不同的比例系数进行比例环节控制，则系统00()()()=()c P G s G s G s K G s =⋅⋅ 取P K =1，5，10，15，20和25，系统的单位阶跃响应如图2（a ）所示。
1、比例系数K p对系统性能的影响（1）对系统的动态性能影响：K p加大，将使系统响应速度加快，K p偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；K p太小又会使系统的响应速度缓慢。
K p的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。
（2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大K p可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。
因此K p的整定主要依据系统的动态性能。
2、积分时间T I对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：积分控制通常影响系统的稳定性。
T I太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；T I太大，对系统的影响将削弱；当T I较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若T I太大，积分作用太弱，则不能减少余差。
3、微分时间T D对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：微分时间T D的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。
适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。
但T D值偏大或偏小都会适得其反。
另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
（2）对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。
在不同干扰下输出应能保持在给定值附近，控制量尽可能地小，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般来说，要同时满足这些要求是很难做到的，必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方面的要求。
网络控制系统的时延补偿与控制器设计The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020摘要随着计算机技术的发展，控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研究的热点，为此提出了网络控制系统（NCS）。
本文介绍了网络控制系统的工业背景和研究现状，重点介绍了网络时延问题的研究进展。
分析了网络控制系统的时延产生原因及特性，根据采样时间的不同和驱动方式的不同进行了建模分析。
根据不同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。
本文重点介绍了针对不确定时延采用Fuzzy-PID控制器的设计和仿真研究。
在最后，介绍了一种Matlab环境下的实时控制系统仿真工具箱Truetime，给出了具有时延特征的网络控制系统的控制仿真结果。
关键词：网络控制系统，网络时延，时延补偿，Fuzzy-PID控制器ABSTRACTWith the development of computer technology, some considerable attentions have been directed to the integrated control systems and network communication control system. So Network Control System（NCS）is proposed. In this thesis ，the paper introduces the engineering background and research achievements, and focuses on the progress of network delay. The causes and the characteristic of network-induced delay are analyzed. According to the different of sampling time and drive way, model is built and analyzed. Depending on the different models, the controller with the compensation about the fixed time delay and random delay controller are designed. This paper focuses on using Fuzzy - PID controller against uncertainty delay to design and simulation testing. In conclusion，Simulink toolbox，named by Truetime，based on Matlab has been introduced in this paper. And the characteristics of the NCS simulation results are given.Liu Jian (Control Theory and Control Engineering)Directed by prof. Ma YongguangKEY WORDS：Networked control systems, Network-induced delay, Delay compensation, Fuzzy-PID controller目录中文摘要英文摘要第一章绪论 ...................................................................... 错误!未定义书签。
PID控制参数调节对系统性能的影响摘要：PID控制器是一种广泛应用于自动控制系统中的调节器，通过调节控制器中的三个参数（比例增益、积分时间和微分时间）来实现系统的稳定性和快速响应。
本文将探讨这些参数对系统性能的影响，并提出一种基于技术方法和实验方法相结合的参数调整策略。
实验表明，适当调整PID控制参数可以明显改善系统的响应速度和稳定性。
关键词：PID控制；参数调节；系统性能；比例增益；积分时间；微分时间一、引言PID控制器是一种广泛应用于工业生产和自动控制领域的控制器，它通过对比测量值和设定值之间的误差进行反馈调节，使得系统能够快速稳定地达到设定值。
PID控制器的核心是三个参数：比例增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td，它们分别决定了控制器对误差的比例、积分和微分修正程度。
调节PID控制器的参数是提高系统性能的关键，不同的参数组合会对系统的稳定性、响应速度和鲁棒性产生不同的影响。
因此，研究PID控制参数调节对系统性能的影响对于实现自动控制系统的优化具有重要的意义。
二、参数调节方法常用的PID参数调节方法包括试判断、经验公式、整定法和优化算法等。
试判断是一种基于经验的方法，通过试错的方式逐步调整参数，直到系统响应符合需求。
经验公式是一种常用的参数调节公式，根据系统性能要求和工作环境进行简单适配。
整定法是一种基于数学模型的方法，通过对系统动态特性进行分析和实验测量，获得合理的参数取值范围。
优化算法是一种基于优化理论的方法，通过数学处理和算法求解，寻找最优的参数组合。
对于复杂的系统和高精度要求，可以借助计算机软件模拟和实验平台进行参数调节和性能测试，以实现系统的最优化。
1.比例增益Kp：比例增益决定了控制器对误差的修正速度，过大的比例增益会导致系统震荡和不稳定，过小的比例增益会导致系统响应迟钝。
2.积分时间Ti：积分时间决定了控制器对误差的积累和累积修正程度，过小的积分时间会导致系统超调和振荡，过大的积分时间会导致系统响应迟缓。
目录1网络化控制系统简介 (1)2网络化控制系统中的问题 (2)3网络延时对PID控制系统性能影响的分析 (4)3.1系统描述(System description) (4)3.2 仿真分析(Simulation analysis) (6)4网络延时为不同值的系统分析 (8)4.1网络延时的系统阶跃响应 (8)4.2 的系统的阶跃响应 (9)4.3 时的系统阶跃响应 (9)4.4 系统根轨迹分析 (10)5实际实验(P RACTICAL EXPERIMENT) (12)1网络化控制系统简介网络化控制系统NCS（Networked Control Systems）,又称集成通讯与控制系统ICCS （Integrated Communication and Control System）。
一般认为ICCS是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的传感器、控制器、执行器等单元通过通讯网络连接起来形成闭环的分布式控制系统。
其涵盖了两方面的内容：系统节点的分布化和控制回路的网络化。
这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护等优点，但由于网络中的信息源很多，信息的传送药分时占用网络通讯资源，而网络的承载能力和通讯带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得数据在传输过程中不可避免地存在时延。
时延由于受到网络所采用的通讯协议、负载状况、网络速率以及数据包大小等情况到影响，呈现出或固定或随机，或有界或无界的特征，从而导致控制系统性能下降甚至不稳定，也给控制系统的分析和设计带来困难。
网络给NCS带来的主要问题包括：时延采样时刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突，导致时延增大甚至系统失稳。
NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计，而且受到网络通讯和网路资源的限制。
信息调度应尽可能避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大提高网络化控制系统的服务性能。
网络化控制系统是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。
本书基于现场总线技术及自动化北京市重点实验室的科研成果，系统地介绍了网络化控制系统的组成原理、控制结构、建模方法，网络拥塞闭环控制机理，网络时延闭环控制方法，现场总线控制技术及应用，基于工业以太网的控制系统设计，基于Internet 和Web的网络远程控制系统设计。
网络化控制系统软件开发技术，以及网络化控制技术在工业加热炉、工业锅炉和电厂锅炉湿法烟气脱硫中的应用。
在传统的计算机控制系统中，传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连接，传递信号一般采用电压和电流等模拟信号。
在这种结构模式下，控制系统往往布线复杂，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、抗干扰性、灵活性和扩展性，特别在地域分散的情况下，传统控制系统的高成本、低可靠性等弊端更加突出。
随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，工业控制系统也发生了巨大的技术变革，网络化控制系统（NetworkedControlSystem，NCS）应运而生，其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络，从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换，避免了点对点专线的铺设，而且可以实现资源共享、远程操作和控制，增加了系统的灵活性和可靠性。
在控制系统中使用网络并不是一个新的想法，它可以追溯到20世纪70年代末期集散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的诞生。
在DCS出现之前，早期的计算机控制系统是直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC），在这种控制结构中，所有传感器和执行器都与同一台计算机点对点的连接。
由于当时计算机昂贵，系统一般采用集中式的体系结构，整个生产过程和控制策略都由一台计算机完成，即使是计算机一个单一的故障也会使整个系统及其所有回路失效。
伴随着计算机成本的下降和网络技术的发展，（计算机）控制网络被首次引入到了控制系统，导致了DCS的产生。
DCS将控制任务分散到若干小型的计算机控制器（也叫做现场控制站）中，每个控制器采用DDC控制结构处理部分控制回路，而在控制器与控制器、控制器与上位机（操作员站或工程师站）之问建立了计算机控制网络，这种控制结构使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行。
DCS大大提高了控制系统的可靠性，并实现了集中管理和分散控制。
2网络化控制系统中的问题尽管在DCS中已经引入了控制网络，但由于当时传感器和执行器只能发送和接收模拟量信号，所以在传感器与控制器、控制器与执行器之间仍然采用点对点连接的DDC控制结构。
采用模拟量信号进行信息传输，只是在控制器的输入、输出端进行信号的模拟量／数字量（A／D）和数字量／模拟量（D／A）转换。
通讯网络给NCS系统带来的问题为：1）控制时延是某个采样时刻和对应的执行期响应时刻之差。
从控制的角度看，时延将导致向卫滞后，恶化系统性能，从信息调度的角度看，时延将使信息不能准时到达，丢失截止期，甚至带来不可预料的通讯多米诺效应。
2）抖动是在任何特定的时间间隔，与时间相关的、突然的、乱真的变化，可以看成一种突发性的故障;表现为控制周期的抖动，时延抖动，采样抖动;从调度的角度看，抖动表现为输出抖动，队列抖动，截止期抖动等。
3）瞬态误差是控制信号在网络中传输时发生丢失或冲突而产生的，会使数据和通讯时延加剧，时序采样值不能准时到达，产生空采样问题以及样本数据拒绝问题。
NCS的研究涉及控制和通讯网络两个方面，对同一个问题既可以从控制角度来研究，也可以从信息调度角度来研究，或者综合两方面进行研究。
针对时间驱动的NCS，绝大多数的文献对NCS进行分析时，都假定传感器、控制器和执行器的采样速率是一致的，即研究的是单率采样系统下的情形。
然而，对于NCS，由于节点的分散化，单一的采样速率不符合实际情况。
多率采样是符合实际系统真实情形的，Salt等人针对多率采样的控制问题进行了研究，传感器和控制器启动时又很小的时间偏差，新的传感器值到达控制器的概率假定是已知的。
若，则说明是在新的测量数据未知的情况下对控制信号进行计算。
但是对多率采样系统来说，采用时间驱动的采样方式常常会出现很多问题，如过多的冗余信号将使系统的时延、空采样、报文丢失扥变得更加严重，从而导致系统性能恶化。
在NCS中网络传输的信息可以分为两类：实时性信息和非实时性信息。
实时性信息对时间要求非常苛刻，如果在规定时间的上限内信息未能起作用，则该信息将被丢弃，而使用最新的信息。
NCS信息调度策略中主要调度两类数据信息：周期信息和非周期信息。
周期信息是一种实时性信息，也被称为时间出发信息或者同步信息。
非周期信息主要是指节点间的请求服务等信息，其发生时刻是随机的，也被称为事件触发信息、异步信息或者随机性信息。
在NCS中，信息调度发生在应用层，信息调度规定节点的优先发送次序、发送时刻和时间间隔，以避免网络冲突。
如果网络化控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成，则称传输是可调度的。
网络化控制系统中信息调度的研究可分为调度与控制分开设计和调度和控制协同设计两类。
目前，针对时延和丢包情况下NCS的稳定性研究以及带随机噪声的NCS的最优控制问题的研究较多，而针对带有确定性干扰NCS的最优扰动抑制问题和故障诊断问题则不多见，将最优扰动抑制理论应用于带有时延和丢包的NCS实现系统的最优扰动抑制是研究的一个重要方向。
在用Markov链对NCS建模时，都假定状态及其转移概率是已知的，而实际上还存在Markov链中状态未知的情形。
如何通过HMM（Hidden Markov Model）来辨识Markov 状态数及其转移概率是分析和设计NCS必须面临的问题。
基于HMM的估计理论是处理混杂情况下辨识问题的有力工具，将HMM理论应用于NCS也是研究和设计NCS的重要方向。
NCS信息调度的研究大多限于单控制回路，对共享网络的多个控制回路的优化调度等问题需要进一步的研究。
考虑网络利用率、数据包丢失率、系统稳定性等多重约束，建立NCS多目标优化的数学模型。
进而考虑NCS的实时性要求，研究NCS分级多目标优化问题的求解方法。
3网络延时对PID控制系统性能影响的分析在众多的控制算法中，PID控制是迄今为止最通用的控制方法，PID控制器以其结构简单，对模型误差具有一定的鲁棒性及易于操作等优点，被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中，所以对PID控制算法在网络化控制系统中的应用研究具有重要的意义．对此，国内外已有不少研究，比如黎善斌、王智、孙优贤等为了有效地抑制网络延时对网络控制系统性能的影响，提出了一种鲁棒数字PID控制器设计方法；Almutairi等人I_采用模糊逻辑给出了一种补偿网络延时的智能PI控制器；Tipsuwan、Chow_J 通过大量实验和仿真提出了一种基于最优增益调度的PI控制算法，使得PI控制器在网络控制中获得最佳的控制性能；Pohjo—la_I 在论文中也针对网络的固定延时和随机延时提出了最优调节、Ziegler—Nichols调节等方法来改进网络控制系统中PID控制器的设计，并使用了Mo—CoNet(Monitoring and Controlling Laboratory Processesover Internet)系统做了多个实验；Cao和Zhang_针对随机延时也提出了一种改进型的模糊PID控制器设计．上述方法大都没有对延时给被控对象的影响做出定量分析，被控对象大都是电机系统，本文将分析不同的延时对模拟生产过程参数的水箱液位实验装置PID控制性能的影响，先用True Time给出仿真结果，再用中国科学院自动化研究所开发的NetCon网络控制器进行了实验研究3.1系统描述(System description)3.1.1 系统结构本文要研究的网络化控制系统采用基于Cs—MA／CD协议的以太网Ethemet或Internet 通讯，数据传输速率为10Mbps，整个网络控制系统的基本结构如图3.11所示．网络化控制系统与传统的控制系统最大的区别就是控制器两端的数据都经过网络传输。
首先由传感器对被控对象的当前状态进行周期性采样，将其转换成数字信号后通过网络发送给控制器，控制器通过控制算法计算输出量，通过网络发送给执行器．在这个过程中就可能出现两次数据传送延时，从传感器采样到该数据被控制器处理的这段时间，称为传感器-控制器延时，记为；从控制器输出控制信号至执行器开始执行这段时间，称为控制器-执行器延时，记为．假定网络延时是固定的，用连续时间方法来分析整个网络控制系统，一种典型的网络化控制系统框图如图3.2所示．其中R(s)、U(s)、Y(s)和E(s)= R(s)-Y(s)分别是系统参考输入、控制量、输出量和偏差的拉氏变换．被控对象则表示为，而PID控制器用来表示其中、和分别是比例系数、积分系数和微分系数；和．传感器-控制器延时环节和控制器-执行器延时环节。
