黃福珍++錢虹

【摘 要】PID控制是《計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》課程的主要內(nèi)容之一。文章主要針對(duì)該內(nèi)容從PID控制算法理論分析、Matlab驗(yàn)證PID控制規(guī)律以及實(shí)驗(yàn)溫度PID閉環(huán)控制三個(gè)方面進(jìn)行分析，提出了一些有針對(duì)性的教學(xué)建議和方法。

【關(guān)鍵詞】《計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》 PID控制 教學(xué)探討

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然要求[1]?！队?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》是我校自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)主干課程之一，本課程的目的就是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件的選擇、組織配置、設(shè)計(jì)及應(yīng)用，即計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中的監(jiān)測(cè)技術(shù)以及在該領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用特點(diǎn)。PID控制器設(shè)計(jì)是《計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》的主要內(nèi)容之一，一般的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教材中都有關(guān)于PID控制的內(nèi)容，主要包括：位置式PID算法、增量式PID算法、PID控制算法的改進(jìn)和PID參數(shù)整定等[2]。但是在教學(xué)過程中，很多學(xué)生反映這部分內(nèi)容比較難學(xué)，接受和理解起來較為困難。本文從PID控制算法理論分析、Matlab驗(yàn)證PID控制規(guī)律以及實(shí)驗(yàn)溫度PID閉環(huán)控制三個(gè)方面進(jìn)行分析，提出了一些有針對(duì)性的教學(xué)建議和方法，加強(qiáng)理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系，以提高本部分課程內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

一、PID控制算法理論分析

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的控制，稱為PID控制。在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展過程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的一種控制方式。因此，PID控制算法一直是控制相關(guān)專業(yè)的教學(xué)重點(diǎn)，在《自動(dòng)控制原理》《自動(dòng)控制儀表》《過程控制系統(tǒng)》和《計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》等課程中都有所涉及，只是講解的側(cè)重點(diǎn)不同。

《計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》這門課程主要介紹數(shù)字PID控制器的原理及設(shè)計(jì)方法。由于學(xué)生在前期課程中接觸過模擬PID算法，所以在具體教學(xué)時(shí)，我們首先按照比例、積分和微分的順序分別介紹PID的三種控制作用以及對(duì)一般控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響；接著討論三種控制方式組合后P、PI、PD及PID的優(yōu)缺點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出數(shù)字位置式PID算式與增量式PID算式，并對(duì)這兩種算法從數(shù)學(xué)和應(yīng)用的角度進(jìn)行比較分析。

除標(biāo)準(zhǔn)PID算法外，為使PID控制更加靈活多樣，更滿足對(duì)控制系統(tǒng)提出的各種要求，還有各種各樣的改進(jìn)PID算法，如積分分離的PID算法、變速積分的PID算法、不完全微分的PID算法以及帶死區(qū)的PID算法等。在課堂教學(xué)中，教師要注意講解為什么要提出這些改進(jìn)的算法，并將改進(jìn)的算法與標(biāo)準(zhǔn)PID算法進(jìn)行性能對(duì)比。

二、Matlab驗(yàn)證PID控制規(guī)律

Matlab軟件在數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和自動(dòng)控制等方面都有廣泛應(yīng)用，它內(nèi)含的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink通過方塊圖的方式來構(gòu)建系統(tǒng)，可以方便、快速地找到能使系統(tǒng)達(dá)到滿意性能指標(biāo)的參數(shù)，并以圖形的形式反映仿真結(jié)果[3-4]。將Matlab引入到《計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)》課程PID控制部分的教學(xué)中，不僅有助于學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的掌握和理解，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到PID控制規(guī)律的本質(zhì)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

與PID控制密切相關(guān)的參數(shù)有比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，熟悉這三個(gè)重要參數(shù)對(duì)過渡過程的影響，有助于快速調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)。我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)為例來說明PID作用對(duì)控制過程的影響。假設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：，在單位階躍輸入信號(hào)作用下，用Matlab仿真來研究參數(shù)Kp、Ki、Kd對(duì)控制過程的影響。

首先采用純比例控制，圖1給出了比例系數(shù)Kp變化時(shí)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖。從圖中可以看出：?jiǎn)渭兊谋壤刂茻o法使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0，即單純的比例控制是有差調(diào)節(jié)。當(dāng)Kp較小時(shí)（Kp=2），穩(wěn)態(tài)誤差較大；隨著Kp增大（Kp=10），穩(wěn)態(tài)誤差逐漸變??；Kp再進(jìn)一步增大（Kp=50），穩(wěn)態(tài)誤差較小，但同時(shí)系統(tǒng)振蕩也增加了。

圖1 Kp對(duì)控制過程的影響

三、實(shí)驗(yàn)溫度PID閉環(huán)控制

我們的實(shí)驗(yàn)是在西安唐都科教儀器公司開發(fā)的TD-PITE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的。溫度閉環(huán)控制原理如圖2所示。人為數(shù)字給定一個(gè)溫度值，與溫度測(cè)量電路得到的溫度值（反饋量）進(jìn)行比較，其差值經(jīng)過PID運(yùn)算，將得到控制量并產(chǎn)生PWM脈沖，通過驅(qū)動(dòng)電路控制溫度單元是否加熱，從而構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 溫度控制實(shí)驗(yàn)原理圖

下載PID程序調(diào)試運(yùn)行后，改變PID參數(shù)IBAND、KPP、KII、KDD，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，找出合適的參數(shù)并記錄。其中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的含義及取值范圍如表1所示。

PID控制器控制效果的好壞在很大程度上取決于參數(shù)Kp、Ki和Kd的選取是否合適。確定這些參數(shù)可以采用理論分析方法，但是工程上一般采用試湊法、擴(kuò)充臨界比例度法或擴(kuò)充響應(yīng)曲線法等實(shí)驗(yàn)方法來確定，特別是系統(tǒng)被控對(duì)象模型參數(shù)不確定或不準(zhǔn)確時(shí)，實(shí)驗(yàn)方法較為有效。課堂教學(xué)中關(guān)于這三種工程整定方法的基本原理和步驟都已詳細(xì)介紹過。本實(shí)驗(yàn)中，我們安排學(xué)生根據(jù)具體需要選擇相應(yīng)的參數(shù)整定方法，并在參數(shù)整定過程中，要求學(xué)生進(jìn)一步總結(jié)參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，以進(jìn)一步理解PID 控制作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李曼.自動(dòng)化生產(chǎn)中的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（03）：16.

[2]林敏.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[3]高玨.Simulink仿真在PID控制教學(xué)中的探索與設(shè)計(jì)[J].廣州化工，2013，41（20）：199-200，212.

[4]西安唐都科教儀器公司.80X86微機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-2002478883717.html，2012.