一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"0.前言1\o"CurrentDocument"不完全微分PID算法設(shè)計(jì)2算法仿真研究3\o"CurrentDocument"一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制程序4\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)結(jié)果7\o"CurrentDocument"結(jié)論及總結(jié)8\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)8\o"CurrentDocument"課設(shè)體會(huì)10一階純滯后系統(tǒng)的不完全微分PID控制沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院摘要：提出在PID算法中加入一階慣性環(huán)節(jié)，通過(guò)不完全微分PID算法來(lái)改善干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，用MATLAB仿真分析說(shuō)明該算法在改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能方面具有良好的控制精度。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)控制技術(shù)的使用越來(lái)越多，而隨著工業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論也在發(fā)展和完善，出現(xiàn)了多種控制方法如最基礎(chǔ)的PID控制以及微分先行控制、中間微分控制、史密斯補(bǔ)償控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)中遇到了一系列的問(wèn)題：如在本文中所研究的一階純滯后系統(tǒng)的控制就是控制理論中一個(gè)較為重要的問(wèn)題。由控制理論可知，無(wú)滯后控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是沒(méi)有延遲）比有滯后系統(tǒng)更加穩(wěn)定，更加容易控制。因此如何解決生產(chǎn)中滯后的問(wèn)題在當(dāng)前工業(yè)大生產(chǎn)中尤其重要。論文在常規(guī)PID控制也就是比例-積分-微分控制的基礎(chǔ)上提出了三種控制方法即:微分先行控制、中間微分反饋控制、史密斯補(bǔ)償控制。并對(duì)這三種方案進(jìn)行Simulink仿真，檢測(cè)其抗干擾性能。為便于分析，論文將所得仿真結(jié)果以圖形的方式給予顯示出來(lái)，形象生動(dòng)便于理解。關(guān)鍵詞：一階純滯后；不完全微分;仿真;PID0.前言在多數(shù)工業(yè)過(guò)程當(dāng)中，控制對(duì)象普遍存在著純時(shí)間滯后現(xiàn)象，如化工，熱工過(guò)程等.這種滯后時(shí)間的存在，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，滯后嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性，在工業(yè)生產(chǎn)上產(chǎn)生事故.因此長(zhǎng)期以來(lái),純滯后系統(tǒng)就一直是工業(yè)過(guò)程中的難控制對(duì)象，人們也對(duì)它進(jìn)行了大量的研究.在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和理論研究中出現(xiàn)了多種控制方法，如PID控制、PID改進(jìn)控制、Smith預(yù)估算法控制以及模糊沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等.而對(duì)于最基礎(chǔ)的一階純滯后系統(tǒng)常用的控制方法主要是PID控制、不完全微分PID控制.1.不完全微分PID算法設(shè)計(jì)為了克服上述缺點(diǎn)，在PID算法中加一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器）G（S）=1/［1+Tff（S）］，將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上，構(gòu)成如圖1的不完全微分PID控制：E1不完全微分m控制算法結(jié)構(gòu)圖/KpK尸+亍"+1+7；七8）心）將上式離散化U?）=L（k）—"）_UJk）kry微分頂輸出匕”）=—二頃,）l-<rvTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"與成微分方程U片0）-7；竺M=K空也atch將上式離散化U店」「刷―=KJ。'f―1I得％街=襯二％仕一1>—斛汁儂）1儂一1）］式中，T為采樣時(shí)間，T為濾波器系數(shù)，T和T分別為積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，f1D令a=Tf/（Tf+T）,則T/（T+Tf）=1-a；顯然有1<a，1a<1成立，不完全微分項(xiàng)為：/KpK尸+亍"+1+7；七8）心）%（幻劃叩0—咿T｝］十區(qū)七（&-1）沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文若e(k)為單位階躍(即e(k)=1,k=0,1,2,A)由此得出不完全微分項(xiàng)為:U口(*〕=月(°)可見(jiàn)，引入不完全微分后，微分輸出按otUD(0)的規(guī)律)(a(1)逐漸衰減，所以不完全微分能有效地克服前述微分項(xiàng)的不足。2.算法仿真研究設(shè)被控對(duì)象為含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：G=e-80s/50S+1(S)在對(duì)象的輸出端加幅值為0.01的隨機(jī)干擾信號(hào)，采樣時(shí)間為20s低通濾波器為Gf(S)=1/(180S+1)控制器取Kp=0.30,T1=55,TD=140控制算法程序框圖如圖2；圖2控制算法程序框圖PID的MATLAB仿真程序：%PIDControler不完全微分clearall;closeall;ts=20;sys=tf([1],[60,1],'inputdelay',80);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');[num,den]=tfdata(dsys,'v');u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;ud_1=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;error_1=0;ei=0;fork=1:1:100time(k)=k*ts;rin(k)=1.0;%Linearmodelyout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;D(k)=0.01*rands(1);yout(k)=yout(k)+D(k);error(k)=rin(k)-yout(k);%PIDControllerwithpartlydifferentialei=ei+error(k)*ts;kc=0.30;ki=0.0055;TD=140;kd=kc*TD/ts;Tf=180;Q=tf([1],[Tf,1]);%LowFreqSignalFilterM=2;%M=1不完全微分，%M=2普通Pid控制?。fM==1%UsingPIDwithPartialdifferentialalfa=Tf/(ts+Tf);ud(k)=kd*(1-alfa)*(error(k)-error_1)+alfa*ud_1;u(k)=kc*error(k)+ud(k)+ki*ei;elseifM==2%UsingSimplePIDu(k)二kc*error(k)+kd*(error(k)-error_1)+ki*ei;end%Restrictingtheoutputofcontrollerifu(k)>=10u(k)=10;endifu(k)<=-10u(k)=-10;endu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);error_1=error(k);endfigure(1);plot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)的設(shè)定輸入值「（K）取單位階躍函數(shù)，跟蹤輸出控制曲線如圖3,比較采用普通PID算法的輸出控制曲線圖4?？梢钥闯?，盡管不完全微分PID算法要復(fù)雜一些，但能有效地改善干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的控制精度。圖3普通PID算法輸出控制曲線

0.2200400600800100012001400150016002000timefs)4.21.8fi.4LIo.o.o.-5MC一」圖40.2200400600800100012001400150016002000timefs)4.21.8fi.4LIo.o.o.-5MC一」由仿真結(jié)果可以看出，采用不完全微分型PID算法，引入不完全微分后能有效克服普通PID的不足，盡管不完全微分算法比普通PID控制算法要復(fù)雜的多，但由于其良好的控制特性，近年來(lái)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。研究本課題的課題背景和課題綜述即課題在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用有一個(gè)初步的了解，以及自動(dòng)控制的背景知識(shí)，為后面純滯后問(wèn)題的提出和研究做好鋪墊。參考文獻(xiàn)《MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用》作者：張德豐楊文茵出版社：清華大學(xué)出版社出版年份：2012年沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》第二版作者：于海生丁軍航潘松峰吳賀榮出版社：清華大學(xué)出版社出版年份：1999年金以慧.過(guò)程控制[M].清華大學(xué)出版社,1993年:196-202潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2002年:281-282課設(shè)體會(huì)通過(guò)本次課設(shè)，我學(xué)會(huì)了matlab軟件的運(yùn)用，對(duì)直線插補(bǔ)與逐點(diǎn)比較法平有了一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，遇到問(wèn)題是，在解決問(wèn)題的過(guò)程中使我對(duì)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，不再像知識(shí)把書(shū)本上的習(xí)題學(xué)來(lái)考試。課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門(mén)專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門(mén)講道課，一門(mén)辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了；了解了方法；以及如何提高的性能等等，掌握了的方法和技術(shù)，通過(guò)查詢資料，也了解了原理。我認(rèn)為，在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國(guó)提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟，會(huì)面對(duì)需要面對(duì)的事情?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說(shuō)得