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模拟PID调节器的设计
模拟PID调节器的设计
第一章 引言
PID是Proportional-Integral-Derivational的缩写,分别指比例、积分、微分。在工业过程控制的发展史上,PID控制是历史上最悠久、生命力最强的控制方式,也是迄今最通用的控制方法。PID控制以其简单清晰的结构、良好的鲁棒性和广泛的适用范围, 深受工业界的青睐,并且日益受到控制理论界的重视。即使在美、日等工业发达国家,采用高级控制技术的回路也只占很小的比例,9O% 以上的控制回路基本上还是采用PID控制器。另外,PID控制自3O年代末开始,经过了几十年的发展,由模拟PID控制器发展到数字PID控制器,为了改善其性能,继而出现了非线性PID控制、选择性(PID—PD)控制、I-PD控制以及各种自适应PID控制算法等。
PID 控制器在长期应用中已积累了丰富的经验,然而, PID控制器能否得到有效的发挥,一方面与PID控制器结构设计有关,另一方面也与其参数整定有很大关系。特别在工业过程控制中,当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以应用时,系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID技术最为方便。但是,随着科学技术的发展,对被控对象动、稳态性能要求越来越高,使得常规PID控制器不能满足要求,经过长时间的探索与研究,PID控制向智能化、自适应化、最优化方向发展的趋势已是明显的事实。
摘要
PID控制是最实用化的控制方式,它是一项流行的线性控制策略,它是对偏差信号e(t)进行比例、积分、微分运算变换后形成的一种控制规律,基本思想是“利用偏差、消除偏差”。PID控制已经被证明是一种很好的控制模式。产品已在工程实际中得到了广泛的应用PID控制技术的发展可以分为两个阶段。20世纪30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构,也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段( 1900 ~1940 )。PID控制的思想逐渐明确,气动反馈放大器被发明,仪表工业的重心放在实际PID 控制器的结构设计上。1940年以后是第二阶段——革新阶段。在革新阶段, PID 控制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制, PID 控制器的体积逐渐缩小,性能不断提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展做出重要贡献,甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。
3.2 现状评估:
PID控制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有削弱PID控制器的应用,相反,新技术的出现对于PID控制技术的发展起了很大的推动作用。一方面,各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器,PID控制技术被注入了新的活力。另一方面,某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制,从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。在实际生产现场中,由于受到参数整定方法烦杂的困扰,常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳,对运行工况的适应性很差。针对这些问题,长期以来,人们一直在寻求PID控制器参数的自动整定技术,以适应复杂的工况和高指标的控制要求。下面将详细的说明模拟PID调节器的参数整定。
3.3研究趋势
①对于单入单出被控对象,需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的PID参数整定方法,使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强,使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定对于多入多出被控对象,需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法,进一步完善分散继电反馈方法,尽可能减少所需先验信息量,使其易于在线整定智能PID控制技术有待进一步研究,将自适应、自整定和增益计划设定有机结合,使其具有自动诊断功能;结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进尽可能的小。其工作流程图如下:
图4.1模拟PID调节器设计流程图
4.1.1传感器的选择
MPX2100半导体压力传感器可以把压力转换成毫伏级的电压信号,该压力传感器具有良好的线性度,它的输出电压与所加压力成精确的正比例关系。另外,MPX2100所具有的温度补偿特性克服了半导体压力敏感器件存在温度漂移问题,因而具有广阔的应用前景。
1 工作原理
MPX2100是一种压阻式压力传感器,在硅基片上用扩散工艺制成 4个电阻阻值相等的应变元件构成惠斯顿电桥。电桥
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