PID模糊全自动洗衣机.doc

第一章 绪论 1.1 课题研究的背景及学术意义 随着越来越多的新型自动控制应用于实践，其控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器、变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器；电加热控制系统要采用温度传感器[1]。 目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。比如，工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器可以根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。 经典PID控制的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它因结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一，现今也在很多领域有应用。尤其是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，控制理论的其它技术难以采用，系统控制器的结构和参数又必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。 根据统计数据：全世界过程控制领域使用的控制器84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。 1.2 经典PID控制系统的分类与简介 1.2.1 P控制 这类控制输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍是控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。但是不能最终消除的缺点限制了它的单独使用。 积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积，一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除。 （2-2） 调节器输出u(k)与跟过去所有偏差信号有关，计算机需要对e（i）进行累加，运算工作量很大，而且计算机故障可能使u(k)做大幅振荡，这种情况往往使控制很不方便，在有些场合可能会造成严重的事故。另外，控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置；如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。因此，在实际的控制系统中不太常用这种方法。 2.1.2 增量式PID算法 依据位移式PID算法，推理得公式2-3。 (2-3) 式中，e(k)——第k次采样时的偏差值； e(k-1)——第（k-1）次采样时的偏差值； u(k)——第k次采样时调节器的输出； KP——比例系数； ，。 依据算法形式，显然可以看出增量式PID算法和位置式算法相比具有以下几个优点： 首先，增量式算法只与e（k）、e（k-1）、e（k-2）有关，不需要进行累加，不易引起积分饱和，因此能获得较好的控制效果。 其次，在位置式控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动到自动的无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量式设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而易于实现手动自动的无扰动切换。 再次，增量式算法中，计算机只输出增量，误动作影响小。必要时可加逻辑保护，限制或禁止故障时的输出。 为适应更多的应用领域，PID控制器也有了多种算法。 2.1.3 积分分离PID算法 积分分离PID算法基本思想是：设置一个积分分离阈值β，当|e(k)|≤|β|时，采用PID控制，以便于消除静差，提高控制精度；当|e(k)|＞|β|时，采用PD控制。其对应的算法如公式2-4所示。 （2-4） 其中，α为逻辑变量，其取值原则为： 对同一控制对象，分别采用普通PID控制和积分分离PID控制，见图2-2。 图2-2 PID控制和积分分离PID控制比较 其中1-普通PID控制效果 2-积分分离PID控制效果 显然，积分分离的PID比普通的PID的控制效果好。 2.1.4 不完全微分PID算法 在PID控制器的输出端再串联一阶惯性环节（比如低通滤波器）来抑制高频干扰，平滑控制器的输出，这样就组成了不完全微分PID控制，见图2-3。 图2-3 不完全微