[信息與通信]-基于pid的多變量解耦控制研究

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1、┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第1章緒論1.1多變量系統(tǒng)介紹控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和非線性智能控制理論三個發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論研究的是線性時不變系統(tǒng)的控制問題。非線性控制理論和智能控制理論則能解決傳統(tǒng)控制理論不能很好解決的問題。本文主要研究多變量解耦控制，在工業(yè)過程控制中多為內部結構比較復雜，有多個輸入和多個輸出，存在一定耦合作用的系統(tǒng)。如圖1.1所示，輸入量為,,…,,輸出量為,,…,.在這樣的系統(tǒng)中，為了使各個被控量滿足生產要求，往往需要設置若干個控制回路，而這些控制回路之間就可能相互影

2、響、相互關連、相互耦合，其中任何一個回路的控制作用發(fā)生變化，將同時會影響其它控制回路中被控制量也發(fā)生變化。，它的各個被控制量之間也互有影響，在對某一輸出量進行控制時，必然使所有輸出量都產生波動，其結果是使控制過程延長，震蕩加劇，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在設計系統(tǒng)時，必須注意工藝過程中各參數(shù)間相關的情況。不然若按各參數(shù)相互獨立而分別設置相應的控制回路的話，輕則系統(tǒng)不能很好工作，影響產品質量，重則甚至發(fā)生嚴重生產事故。在工業(yè)過程控制中要求系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運行，有較好的調節(jié)性能，能以較小的誤差跟蹤設定值的變化，或使誤差為零。因此需要對耦合系統(tǒng)進行解耦。[7]1.2多變量解耦控制概況第

3、43頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊多變量系統(tǒng)的解耦控制大體分為三類：傳統(tǒng)解耦控制、自適應解耦控制以及智能解耦控制。傳統(tǒng)的多變量系統(tǒng)的解耦控制是采用微分幾何的方法利用反饋，將多變量系統(tǒng)化為從外部看完全解耦的線性系統(tǒng)。這種方法要求被控對象必須用精確的數(shù)學模型來描述，因此難于實現(xiàn)自適應控制。以PID控制理論為基礎的控制方法可以對多變量系統(tǒng)進行解耦控制。這種控制有多種類型：數(shù)字PID控制方法通過計算機控制系統(tǒng)，可根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量。自適應PID控制方法能夠認識環(huán)境條件的變化，并自動校正控制動作使系統(tǒng)能夠達到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果

4、。模糊控制不要求掌握受控對象的精確數(shù)學模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。單神經(jīng)元PID控制具有自學習和自適應能力，而且結構簡單易于計算。[8]1.3MATLAB語言簡介MATLAB具有強大的編程功能和易操作交互式計算環(huán)境。MATLAB語言可以被認為是一種解釋性語言，在其工作空間，用戶可以在MATLAB的命令窗口中鍵入一個命令就可以直接進行數(shù)學運算，也可以應用MATLAB語言編寫應用程序，運行程序及跟蹤調試程序。MATLAB中含有極為豐富的專門用于控制系統(tǒng)分析與設計的函數(shù)，還可以實現(xiàn)對線性系統(tǒng)的時域或頻域分析，設計與建模。SIMULINK是MAT

5、LAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶的交互接口是基于WINDOWS的模型化圖形輸入，其結果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建，而不是語言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊實現(xiàn)的功能，而不必考查模塊的內部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調用，在將它們連接起來就可以構成所需要的系統(tǒng)模型。[5]1.4本課題的任務本課題的任務是在PID控制的基礎上進行多變量系統(tǒng)的解耦控制算法研究，并利用MATLAB/SIMULINK對所

6、研究的算法進行數(shù)字仿真。第43頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2PID多變量解耦控制自從計算機進入控制領域以來，用數(shù)字計算機代替模擬計算機調節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實現(xiàn)PID控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使PID控制更加靈活。數(shù)字PID控制在生產過程中是一種最普遍采用的控制方法。2.1PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。積分微分比例被控對象r（t）+e（t）u（t）c（t）+圖2.1模擬PID控制

7、系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin（t）與實驗輸出值yout（t）構成控制偏差：（2.1）PID的控制規(guī)律為：（2.2）或寫成傳遞函數(shù)的形式：（2.3）第43頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊式中，——比例系數(shù)；——積分時間常數(shù)；——微分時間常數(shù)。簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：⑴比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。⑵積分環(huán)節(jié)：只要用于消除靜差，提高系統(tǒng)