熱流道溫度控制器研究與設(shè)計(jì)含程序及電路圖,熱流,溫度,控制器,研究,鉆研,設(shè)計(jì),程序,電路圖 報(bào)告用紙 共25頁 第24頁 電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)會(huì)報(bào)關(guān)于系統(tǒng)，城域網(wǎng)，控制論- B部分：控制論，第一卷 35，編號(hào) 1，2005年2月 傳遞反饋整定PID控制器魯棒性與 ISO -阻尼性能 陳陽泉，電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)高級(jí)會(huì)員 凱文穆爾，電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)高級(jí)會(huì)員 摘要 本文講述的是一種新的調(diào)整比例，積分，微分（PID）控制器的方法，他可以用來設(shè)計(jì)未知的，穩(wěn)定，最小相位的控制器。我們能夠設(shè)計(jì)出PID控制器，以確保階躍伯德圖是平坦的。也就是說，這個(gè)階段的相衍生頻率為零點(diǎn)給定頻率，此頻率被稱為“切線頻率”，而他能使閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的魯棒性和ISO-阻尼性能。在“切線頻率，”處，奈奎斯特曲線的切圓反映出曲線的敏感度。幾個(gè)傳遞反饋測試是用來識(shí)別裝置的增益和相位在一個(gè)迭代方式切線的頻率?，F(xiàn)已得到證明的有廣增益和相位的期望切頻率來估計(jì)關(guān)于衍生量的幅度和廣相位頻率，而由博德的積分得到相同頻率關(guān)系的點(diǎn)。然后，這些衍生量可以用來設(shè)計(jì)一個(gè)斜坡的奈奎斯特圖來調(diào)整PID控制器的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的增益變化的魯棒性。目前還沒有多少模型是在假設(shè)中拉愛完成PID控制器的設(shè)計(jì)的。而本方法只需要有幾個(gè)傳遞測試是，然后用仿真例子說明，從而能提出簡單有效和對魯棒PID與異阻尼性能控制器的設(shè)計(jì)方法。 索引詞匯： PID整定 ，博德積分，平坦相位，異阻尼性能，比例積分微分（PID）控制器，傳遞反饋測試。 一 引言 據(jù)一項(xiàng)調(diào)查顯示[1過程狀態(tài)控制系統(tǒng)]在1989年由日本電子測量儀器制造商協(xié)會(huì)做了有90個(gè)以上的控制回路的比例積分微分（PID）控制器 。報(bào)告還指出[2]在加拿大，一個(gè)典型的造紙廠有超過2,000個(gè)控制回路，而97％的回路使用的是PI控制。因此，該工業(yè)集中大量各種類型了PI/ PID控制器，并已開發(fā)表現(xiàn)良好的快速的一鍵式繼電器自動(dòng)調(diào)整PID控制器，其可靠的PI/ PID控制技術(shù)讓人滿意[3] - [7]。雖然已有許多不同的方法來整定PID控制器的參數(shù)，但是齊格勒一尼柯爾斯法[8]仍然廣泛用于確定PID控制器的參數(shù)。 收稿日期2004年2月27日，于2004年5月30日修訂。本文是美國皮洪拉副主編推薦。 陳陽泉，洛根猶他州立大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系，UT斯達(dá)康84322-4160學(xué)院美國部自中心組織與智能系統(tǒng)（CSOIS）成員，電子郵件：yqchen@ece.usu.edu。 凱文穆爾，洛根猶他州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系，UT斯達(dá)康84322-4160美國學(xué)院自中心組織和智能系統(tǒng)（CSOIS）成員。約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室，研究和技術(shù)開發(fā)中心骨干，美國醫(yī)學(xué)20723-6099（電子郵件：kevin·moore @ jhuapl.edu）。 數(shù)字對象標(biāo)識(shí)符10.1109/TSMCB.2004.837950對臨界增益和廣臨界頻率可以使用簡單的公式來計(jì)算和測量控制器的參數(shù)。 1984年，阿斯托明和赫格倫[9]提出了一個(gè)自動(dòng)調(diào)諧方法。用一個(gè)簡單的傳遞反饋測試，采用描述函數(shù)的分析方法，得到關(guān)鍵的增益和系統(tǒng)的臨界頻率。這些信息可以用來計(jì)算與預(yù)期增益和相位的PID控制器。在傳遞電反饋測試中，一種常見的做法是使用一個(gè)滯后傳遞 [9] 抗干擾。另一種常用的方法是引進(jìn)傳遞函數(shù)內(nèi)的一個(gè)人為的時(shí)間延遲閉環(huán)系統(tǒng)，例如[10]，改變繼電反饋測試振蕩頻率。 在確定對系統(tǒng)的奈奎斯特曲線點(diǎn)后，可以用改進(jìn)的齊格勒—尼柯爾斯的方法[4]，[11]來推出這一指向另一個(gè)在復(fù)平面的位置。兩個(gè)方程的相位和幅度的分配可以獲得的PI控制器的參數(shù)。對于一個(gè)PID控制器來講，還要額外的采用其他公式，用于修改齊格勒一尼科爾斯的方法。為了獲得一個(gè)獨(dú)特的解決方案，積分時(shí)間和微分時(shí)間的比例關(guān)系的選擇不是固定不變。 最佳的控制性能在很大程度上受到了積分時(shí)間和微分時(shí)間的比例的影響 [10]。最近，他們之間的比例關(guān)系作用備受關(guān)注，例如，[12] - [14]。對于齊格勒一尼柯爾斯PID調(diào)整方法，比例數(shù)通常指定為魔術(shù)數(shù)字4 [4]。瓦倫，阿斯托明還要赫格倫提議說，按照以往的系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行情況和系統(tǒng)性能，是選擇積分時(shí)間和微分時(shí)間的比例關(guān)系為4的主要原因 [12]。 本文的主要貢獻(xiàn)是提出一個(gè)新的調(diào)整規(guī)則，給出了積分參數(shù)和微分參數(shù)之間的比例關(guān)系，而不是在修改齊格勒—尼科爾斯方法[4]的公式Ti=4Td，[11使用]。我們建議增加一個(gè)額外的條件是相位伯德圖在指定的頻率敏感的地方的切圓曲線及奈奎斯特曲線是局部平坦，這意味著該系統(tǒng)將獲得特殊的頻率Wc，這項(xiàng)額外的條件可以表示為，可以等價(jià)為： 其中是切點(diǎn)的頻率，G(s)=K(s)P(s)是開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，它是一個(gè)包括控制器K(s)和裝置P(s)的傳遞函數(shù)。 圖 1 基本概念說明阻尼強(qiáng)大的異PID調(diào)整 上述第（1）數(shù)學(xué)中詳細(xì)解釋了附錄等價(jià)。在本文中，我們考慮以下形式的PID控制器： “平坦的相位”的概率很早就被提出了，在附圖1中所示。1（a）在開環(huán)系統(tǒng)的伯德圖中顯示其正在調(diào)整的階段，其調(diào)整頻率是。我們可以預(yù)料，如果收益增加或減少某一個(gè)百分比，相位裕度將保持不變。因此，在這種情況下，根據(jù)各步驟標(biāo)稱增益變化將展示其異阻尼性能，也就是各種增益的反應(yīng)，其步進(jìn)階躍幾乎是相同的?！∵@也可以解釋為圖1(b)的敏感性圓觸奈奎斯特曲線的開環(huán)系統(tǒng)平板相點(diǎn)。顯然, 在現(xiàn)實(shí)世界中由于傳感器失真自獲得變化是不可避免的,其中還可能包括環(huán)境的變化等。通過ISO -阻尼可以避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，以確保不會(huì)有有害的沖擊，從而能得到令人滿意的結(jié)果。 假設(shè)開環(huán)系統(tǒng)在階段： 所以，定義的頻率在G(s)=K(s)P(s)的相角相應(yīng)的增益可表示為： 有了這兩個(gè)條件（3）和（4）和還要新的條件（1），所有三個(gè)PID控制器參數(shù)，都可以計(jì)算出來了。正如齊格勒一尼柯爾斯法，T i和Td是用于調(diào)整相位條件下（ 3）Kp，由增益狀態(tài)（4）確定。但是，條件（1）給出了Ti和Td之間，而不是Ti=aTd的關(guān)系。注意，在這個(gè)新的優(yōu)化方法中，不一定是，雖然近增益交叉頻率。確切地說，是頻率是奈奎斯特曲線切圓涉及的敏感性。同樣，切線階段，不一定是使用以前的調(diào)整方法來進(jìn)行相位裕度的PID調(diào)整，根據(jù)[4]，相位裕度總是選擇從30°到60°，由于平坦的相位條件（1），對近期衍生量會(huì)比較少。因此，如果選擇大約30°到35°，相位裕度將是一般所需的時(shí)間間隔。 二 邊坡調(diào)整第一階段的伯德圖 在本節(jié)中，我們將展示Ti和Td得到所根據(jù)新條件（1）。把s替換為從而使相關(guān)的閉環(huán)系統(tǒng)可以寫為：，其中： 是由PID控制器（2）獲得。該閉環(huán)系統(tǒng)階段就出由閉環(huán)系統(tǒng)w衍生物可以寫成如下： 從（1）看衍生開環(huán)系統(tǒng)相顯然不能直接從獲得（7）。因此，我們必須簡化（7）。控制器的w個(gè)方面的導(dǎo)數(shù)是： 要計(jì)算，因?yàn)槲覀冇校? 區(qū)別就（9）為的是w為： 直截了當(dāng)，我們得到： 代（5），（8），和到（7）（11）為： 因此，奈奎斯特曲線在任何特定的頻率W0斜率給出之后， 下面的介紹符號(hào)[15]和[16]，而和在整個(gè)定義為本文中的使用如下： 在這里，我們的任務(wù)是調(diào)整奈奎斯特曲線的斜率，以配合（1）所示的條件。通過結(jié)合（1），（6）和（13），就得到： 經(jīng)過簡單的計(jì)算，就得到了Ti和Td之間的關(guān)系如下： 其中。請注意，由于二次方程式，另一種關(guān)系的性質(zhì)，是。我們應(yīng)該摒棄之一，以確保個(gè)增益是一個(gè)真正的正數(shù)，以避免在K右半平面零。接下來，（17）使用。額外的，可以是負(fù)，如果沒有指定正確。 圖。 2。繼電器加上人為的時(shí)間延遲反饋制度。00的穩(wěn)定和最小相位近似植物可以考慮如下[17]： 其中個(gè)是系統(tǒng)的靜態(tài)增益，是相位角，而是在系統(tǒng)特定頻率階段的增益。很明顯，Ti和Td只與Sp有關(guān)系。對于這個(gè)新的調(diào)整方法Sp，包括了我們所要的所有的系統(tǒng)未知的信息。接下來，我們得到Sp的估計(jì)公式，它可以延長或延遲積分器時(shí)間。 考慮系統(tǒng)整合的值m： 顯然，沒有人能對這種系統(tǒng)的靜態(tài)增益直接計(jì)算Sp 但是，從積分集系統(tǒng)得到的（15），Sp應(yīng)該可以整合任何積分器。 對于有同樣的時(shí)間延遲同樣的方式有： 因此，從（18），我們得到： 顯然，時(shí)間延遲將無助于S平的估算。因此，一般而言，對于這種系統(tǒng)要用雙積分器與時(shí)間延遲。 圖 3 頻率響應(yīng)和（虛線：修改后的齊格勒—尼科爾斯，實(shí)線：建議）。（a）比較波特圖。（b）比較奈奎斯特圖 圖 4 頻率響應(yīng)和零點(diǎn)07和（虛線：修改后的齊格勒—科爾斯，實(shí)線：建議。兩項(xiàng)計(jì)劃，增益變化1 ，1.1，1.3被認(rèn)為是在階躍響應(yīng)）。（a）比較奈奎斯特圖。（b）比較階躍響應(yīng)。 根據(jù)（20）和（23）得： 三 新的PID控制器設(shè)計(jì)公式 假設(shè)我們都知道Wc和Sp。如何用實(shí)驗(yàn)測量來得到將在下一節(jié)基于和的測量基礎(chǔ)上討論。寫下明確規(guī)定Kp，Ki和Kd的公式，讓我們總結(jié)一下眾所周知的這一點(diǎn)，從而我們得到 ： 1）Wc，理想的切線頻率; 2），理想的切線階段; 3）和 的測量; 4）估計(jì). 此外，通過使用（3）及（4），PID控制器參數(shù)可以設(shè)置如下： 其中從（17）經(jīng)過來應(yīng)算，最后就可以計(jì)算td的值。 注三.1：選擇的Wc在很大程度上取決于該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。對于大多數(shù)控制系統(tǒng)，存在一個(gè)選擇的Wc個(gè)區(qū)間，其能實(shí)現(xiàn)平坦的相位條件。如果沒有更好的辦法得到Wc，理想的截止頻率也可作為初始條件。的一個(gè)良好的選擇是在30℃至35℃。 圖5 對和的頻率響應(yīng)比較（虛線：修改后的齊格勒—尼科爾斯，實(shí)線：建議）。（a）比較波特圖。（b）比較奈奎斯特圖。 圖 6 階躍響應(yīng)和（實(shí)線：建議與增益變化1，0.9，0.8修改控制器;虛線：修改后的齊格勒一尼科爾斯與1控制器增益變化，0.9，0.8）。 四 測量參數(shù)和自變量繼電反饋試驗(yàn) 繼在上一節(jié)的討論中的PID控制器的參數(shù)，如果我們知道和就可以直截了當(dāng)計(jì)算出。 正如（18）中提到的一樣，可以從靜態(tài)增益與和獲得相關(guān)的參數(shù)。在靜態(tài)增益或是很容易做到的，并假定為已知的。在繼電反饋測試中，如圖2，可用于“衡量”。在繼電反饋實(shí)驗(yàn)中，繼電器在封閉連接的，其可以參見如圖2，即有所未知的循環(huán)， 通?？梢杂糜谧R(shí)別系統(tǒng)奈奎斯特圖增益點(diǎn)。要改變由于繼電反饋得到的振蕩頻率，可以使用一個(gè)人為的時(shí)間延遲循環(huán)，人工時(shí)間延遲在這里可以用調(diào)諧旋方式來改變振蕩頻率。 我們的問題是，如何讓的值加權(quán)，從而對應(yīng)于切線頻率Wc。為了解決這個(gè)問題，可用如下迭代方法概括： 1：獲取所需切線頻率Wc的開始點(diǎn); 2:選擇兩個(gè)不同的值（和）的時(shí)間延遲參數(shù)，并做適當(dāng)?shù)睦^電反饋測試兩次。然后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)就得到的系統(tǒng)的奈奎斯特曲線點(diǎn)。這些點(diǎn)的頻率可以對應(yīng)的并分別表示為和。迭代得到開始時(shí)這些的初始值和; 3:與上迭代獲得的參數(shù)，人為的時(shí)間延遲參數(shù)可以更新為使用.簡單的插值/外推法如下： 其中n代表當(dāng)前迭代次數(shù)。隨著新的中繼測試后，相應(yīng)的頻率可以記錄為。 4：比較和 。如果，退出迭代。否則，轉(zhuǎn)到步驟3。在這里，是一個(gè)很小的正數(shù)。 在上面提出的迭代法，因?yàn)橐话阒g的延遲時(shí)間和的振蕩頻率的關(guān)系是可行的，所以是一對一。 迭代后，最終振蕩頻率非常接近理想的1 ，因此可以用振蕩頻率為，振幅和相位來考慮。 圖7 對和的頻率響應(yīng)比較（虛線：修改后的齊格勒—尼科爾斯，實(shí)線：建議）。（a）比較波特圖。（b）比較奈奎斯特曲線。 圖 8 比價(jià)階躍響應(yīng)和（擰）（實(shí)線：建議與增益的變化1，1.5，1.7;虛線：修改后的齊格勒一尼科爾斯增益變化改性控制器1控制器，1.5，1.7）。 由上因此可以得到，振幅和指定頻率的增益階段。使用（18）式可以計(jì)算Sp的逼近值。 五 例子說明 在上述新的PID設(shè)計(jì)方法中，提出了通過一些仿真模擬的例子。在以下系統(tǒng)仿真模擬中 可以對[12]進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。 A：高位系統(tǒng) 在（28）式中考慮系統(tǒng)，也在[15]中來考慮系統(tǒng)。其中系統(tǒng)參數(shù)規(guī)格，設(shè)置為和。PID控制器擬議采用的調(diào)整設(shè)計(jì)公式為： PID控制器修改齊格勒—尼科爾斯的設(shè)計(jì)方法： 在伯德圖和奈奎斯特曲線比較圖3中，從波特圖，可以看到，在頻率的附近相位曲線是平坦的。相位裕度約等于45 °。這意味著控制器的奈奎斯特曲線點(diǎn)移動(dòng)至對應(yīng)的相位裕度為135 °的相位單位圓，同時(shí)滿足奈奎斯特曲線（1）。 然而，在圖3（b）中，在開環(huán)系統(tǒng)中的奈奎斯特曲線是不會(huì)相切于靈敏度平坦的相位的圓的，而只是另一奈奎斯特曲線的一點(diǎn)。定義對應(yīng)的頻率間隔為單位階躍。因此，增益交叉頻率范圍內(nèi)可以移動(dòng)到的范圍內(nèi)，而通過調(diào)整其中有 而得到的參數(shù)。在這個(gè)例子中，如果更改為，那么有單位相位接觸部分將切圓的敏感度。上述提及的修改參數(shù)的PID控制器的方法，既是開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特曲線圖。如圖4（a）的閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和4（b）封閉的比較圖。圖。 4（1）和閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的比較圖。 4（b）項(xiàng)。用建議經(jīng)改修改的齊格勒-尼科爾斯來比較封閉PID控制器，從擬議計(jì)劃的第一步看，在反應(yīng)過程中回路系統(tǒng)基本保持不變的情況下來看增益的變化。從而我們得到，使用修改過沖齊格勒-尼科爾斯控制器變化顯著。 圖9頻率響應(yīng)和 的比較.( 虛線：修改后的齊格勒—尼科爾斯，實(shí)線：頻率響應(yīng)的建議)，(a)伯德圖的比較。(b)奈奎斯特曲線圖的比較。 B 系統(tǒng)與系統(tǒng)的積分整合 對于系統(tǒng)來講，該系統(tǒng)的控制器就是， ， ，和。其修改和設(shè)計(jì)后的齊格勒—尼科爾斯法的控制器就是 在這種情況下的Bode圖，如圖5（a）所示，是和完全不同的系統(tǒng)。其平坦的相位發(fā)生在該伯德圖的高峰階段。而奈奎斯特圖的比較圖如圖5（b），而階躍響應(yīng)的比較圖如圖6。圖6中可以看到，該控制器的性能和修改后的齊格勒—尼科爾斯控制器的ISO—阻尼性整合的積分器相比較，沒有明顯的顯示更好的性能。 C 時(shí)間延遲的系統(tǒng)： 對系統(tǒng)來講推薦的控制器是 其中，，。齊格勒—尼科爾斯法的修改設(shè)計(jì)的控制器是 伯德圖和奈奎斯特曲線圖的比較如圖7。在相比圖中其變化是階躍的。 在圖8中可以清楚地觀察到異阻尼性能。 圖10。比較和（實(shí)線：擬議的增益變化1，1.5，1.7;虛線：改良的齊格勒一尼科爾斯增益控制器修訂控制器階躍響應(yīng)變化1，1.5，1.7）。 D系統(tǒng)的積分整合與時(shí)間延遲 對于系統(tǒng)，控制器有： 其中：，，。齊格勒—尼科爾斯法的修改設(shè)計(jì)控制器是 伯德圖和奈奎斯特曲線圖的比較圖如圖 9，在圖相比，可以看出是階躍響應(yīng)的。在圖 10中可以清楚地觀察到他們的異阻尼性能。 六 結(jié)論 這一種新的PID參數(shù)調(diào)整方法，提出了一種能完成未知的，穩(wěn)定的和最小相位的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。由于切線頻率，切線階躍相位和附加條件在的時(shí)候的伯德圖是局部平坦，所以我們可以設(shè)計(jì)出PID的控制器，以確保閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的很強(qiáng)的增益變化，并確保階躍響應(yīng)表現(xiàn)出ISO -阻尼性能。沒有系統(tǒng)的模型是假設(shè)在PID控制器的設(shè)計(jì)中完成的，而我們在做系統(tǒng)的時(shí)候只需要幾個(gè)中繼測試實(shí)驗(yàn)就可以完成我們的設(shè)計(jì)了。仿真例子說明，有效性和對魯棒PID與阻尼控制器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為不同類型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了很簡單的方法。 1）有確定的寬度和平坦的相位曲線，以實(shí)現(xiàn)所要設(shè)計(jì)控制器的性能和簡化設(shè)計(jì)程序， 2）對系統(tǒng)用不同類型的測試方法測試; 3）探討最小相位階躍和開環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 附錄 推導(dǎo)（1） 假設(shè)，那么 關(guān)于的求導(dǎo)數(shù)得到： 此外，還有，所以 當(dāng)與 所以得 后記 第一作者，陳陽泉，感謝L.-C. 亞洲控制雜志政務(wù)副主編提供了一個(gè)“關(guān)于在PID控制的研究進(jìn)展特刊免費(fèi)贈(zèng)送”，亞洲J.控制（第4卷，4，2002）。作者還感謝控制方面上的一個(gè)早期版本文件給了他意見及仿真模型和BM維納格雷長胡。 陳陽泉，1985年畢業(yè)于中國北京北京科技大學(xué)，獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位。1989年，在北京理工（位）研究所獲得自動(dòng)控制碩士學(xué)位。1998年，在新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）獲得控制和檢測儀器博士學(xué)位。他現(xiàn)在是猶他州州立大學(xué)，洛根工程，電氣和計(jì)算機(jī)系助理教授，以及對自我中心代理主任，組織與智能系統(tǒng)（CSOIS）成員。他目前的研究方向包括強(qiáng)大的和重復(fù)的迭代學(xué)習(xí)控制，識(shí)別與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器和傳感器，自動(dòng)式地面移動(dòng)機(jī)器人，階躍分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和控制，計(jì)算機(jī)智能與分布參數(shù)系統(tǒng)控制，智能機(jī)電系統(tǒng)和視覺伺服/跟蹤等。他擁有12個(gè)及兩個(gè)美國硬盤驅(qū)動(dòng)器及伺服機(jī)構(gòu)等各方面的專利。他發(fā)表了150多篇的各類文獻(xiàn)和50多篇的工業(yè)技師報(bào)告。他還與他人合著了關(guān)于研究專著迭代學(xué)習(xí)控制：收斂性，魯棒性和應(yīng)用程序的文獻(xiàn)（與長運(yùn)文，紐約：施普林格出版社，1999）和兩部系統(tǒng)仿真教科書：基于MATLAB / Simulink的技術(shù)與應(yīng)用（北京，中國：清華大學(xué)出版社，2002）和適用Matlab數(shù)學(xué)解決問題的先進(jìn)方法（北京，中國：清華大學(xué)出版社，2004）。他是IEEE編委會(huì)控制系統(tǒng)協(xié)會(huì)的副主編和ISA美國控制會(huì)議編委會(huì)的副主編。 凱文穆爾，1982年畢業(yè)于路易斯安那州立大學(xué)的電氣工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位。1983年分別獲得南加州大學(xué)洛杉磯分校的學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。1989年，獲得克薩斯州大學(xué)電氣工程與控制理論專業(yè)博士學(xué)位。自1998年以來，他一直是猶他州州立大學(xué)，洛根工程，電氣和計(jì)算機(jī)系教授，以及對自我與智能控制系統(tǒng)中心主任。他的研究方向包括迭代學(xué)習(xí)控制理論，自主機(jī)器人，工業(yè)和機(jī)電一體化系統(tǒng)和控制應(yīng)用。他是研究迭代學(xué)習(xí)控制確定性系統(tǒng)的帶頭人，是迭代學(xué)習(xí)控制確定性系統(tǒng)專著的作者， IEEE控制系統(tǒng)技術(shù)的副主編。 參考文獻(xiàn) [1] S. Yamamoto and I. Hashimoto, “Recent status and future needs: The view from Japanese industry,” in Proc. 4th Int. Conf. Chemical Process Control, Chemical Process Control – CPCIV, 1991. [2] W. L. Bialkowski, “Dreams versus reality: A view from both sides of the gap,” Pulp Paper Canada, vol. 11, pp. 19–27, 1994. [3] A. Leva, “PID autotuning algorithm based on relay feedback,” Inst. Elect. Eng.—Proc. Part-D, vol. 140, no. 5, pp. 328–338, 1993. [4] T. Hagglund and K. J. Astrom, PID Controllers: Theory, Design, and Tuning, 2nd ed: ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 1995. [5] C.-C. Yu, “Autotuning of PID controllers: Relay feedback approach,” in Advances in Industrial Control. London, U.K.: Springer-Verlag, 1999. [6] K. K. Tan, W. Qing-Guo, H. C. Chieh, and T. Hagglund, Advances in PID controllers. London, U.K.: Springer-Verlag, 2000, Advances in Industrial Control. [7] S. P. Bhattacharyya, A. Datta, and M. T. Ho, Structure and Synthesis of PID Controllers. London, U.K.: Springer-Verlag, 2000. [8] J. G. Ziegler and N. B. Nichols, “Optimum settings for automatic con- trollers,” Trans. ASME, vol. 64, pp. 759–768, 1942. [9] K. J. ?str?m and T. H?gglund, “Automatic tuning of simple regulators with speci?cations on phase and amplitude margins,” Automatica, vol. 20, no. 5, pp. 645–651, 1984. [10] K. K. Tan, T. H. Lee, and Q. G. Wang, “Enhanced automatic tuning procedure for process control of PI/PID controllers,” AlChE J., vol. 42, no. 9, pp. 2555–2562, 1996. [11] C. C. Hang, K. J. ?str?m, and W. K. Ho, “Re?nements of the Ziegler- Nichols tuning formula,” Proc. Inst. Elect. Eng.—Pt. D, vol. 138, no. 2, pp. 111–118, 1991. [12] A.Wallén, K. J. ?str?m, and T. H?gglund, “Loop-shaping design of PID controllers with constant t =t ratio,” Asian J. Contr., vol. 4, no. 4, pp. 403–409, 2002. [13] H. Panagopoulos, K. J. ?str?m, and T. H?gglund, “Design of PID con- trollers based on constrained optimization,” in Proc. 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Bode, Network Analysis and Feedback Ampli?er Design.New York: Van Nostrand, 1945. 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容： 熱流道與普通流道相比，具有效率高，成型件質(zhì)量好和節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)，而目前熱流道溫度控制這一類技術(shù)絕大部分都掌握在外國人手中，我國最近幾年才有所發(fā)展和推廣，在很大程度上依靠于進(jìn)口，而進(jìn)口價(jià)格較貴，很多企業(yè)不能承擔(dān)。就目前而言國內(nèi)在熱流道溫度控制也和國外有相當(dāng)大的差距，不但控制溫度系統(tǒng)復(fù)雜，控制精度不高，控制范圍波動(dòng)大而且可靠性也不高。 本系統(tǒng)主要通過單片機(jī)來對溫度進(jìn)行控制，不但控制的可靠性高，系統(tǒng)簡單，而且控制精度也高。 要求： 1、電路應(yīng)力求成本低，性能好，使用方便，便于生產(chǎn)制造； 　　　2、溫度測量誤差±1%； 　　　3、輸出負(fù)載能力：20A，100W—4400W（220V）。 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù)： 整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生應(yīng)該完成的所有工作，包括： 1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中必須包括詳細(xì)的300-500個(gè)單詞的英文摘要； 2、獨(dú)立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）； 3、提供完成的樣機(jī)及測試報(bào)告，制作樣機(jī)清單及總結(jié)調(diào)試報(bào)告，并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 、 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1] 任仲貴. CAD/CAM原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1991.9. [2] 王明強(qiáng). 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002. [3] 龔仲華.三菱FX/Q系列PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2006 [4] 趙燕,?周新建主編.可編程控制器原理與應(yīng)用.北京：中國林業(yè)出版社：北京?大學(xué)出版社，2006 [5] 孫德勝，李偉主編.PLC操作實(shí)訓(xùn)[M].三菱.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 [6] 顏全生主編；杜江,易國民參編.PLC編程設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社?，2009 [7] 陳蘇波等編著.三菱PLC快速入門與實(shí)例提高[M].北京：人民郵電出版社，?2008 [8] 嚴(yán)盈富,羅海平，吳海勤.監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社，?2008 [9] [Hong-Chao Zhang and Enhao Lin. A hybrid-graph approach for automated setup planning in CAPP. Robotics and Computer Integrated Manufacturing [J], 1999, 15: 89-100. [10] Y. Zhang, W. Hu and Y. Rong et al. Graph-based set-up planning and tolerance decomposition for computer-aided fixture design. International Journal of Production Research [J], 2001, 39(14): 3109-3126. [11] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. 五、試驗(yàn)、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件 計(jì)算機(jī)一臺(tái)、 任務(wù)下達(dá)時(shí)間： 2010年 1 月12日 畢業(yè)設(shè)計(jì)開始與完成時(shí)間： 2010年3月1日至 2010年 6 月 20 日 組織實(shí)施單位： 教研室主任意見： 簽字： 年 月 日 院領(lǐng)導(dǎo)小組意見： 簽字： 年 月 日 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)等 主要內(nèi)容： 1、復(fù)習(xí)相關(guān)課程、查閱相關(guān)資料，了解熱流道及其加熱裝置的工作原理； 2、進(jìn)行方案選擇論證，優(yōu)選出最佳方案； 3、根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行軟件仿真和調(diào)試校核； 4、根據(jù)原理圖繪制PCB，并制作相應(yīng)的硬件電路； 5、撰寫設(shè)計(jì)說明書。 重點(diǎn)： 1、溫度傳感器選擇和溫度的測試； 2、PID控制參數(shù)和控制程序； 3、系統(tǒng)誤差控制和仿真； 4、單片機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)； 5、單片機(jī)最小系統(tǒng)的制作和檢測； 難點(diǎn)： 1、溫度檢測元件和相關(guān)電路的設(shè)計(jì)； 2、PID控制參數(shù)的確定和系統(tǒng)仿真； 3、系統(tǒng)誤差的控制； 4、總系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和控制程序。 2．準(zhǔn)備情況（查閱過的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件等） 查閱過的文獻(xiàn)資料： 1、強(qiáng)錫富，傳感器. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.5 2、王瓊，單片機(jī)原理及應(yīng)用. 合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005 3、楊將新等，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社。2006 4、周潤景，張麗娜. 基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真. 北京航空航天大學(xué)出版社，2006.5 5、嚴(yán)天峰，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試.北京航空航天大學(xué)出版社，2005 6、萬光，Soc單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐與應(yīng)用設(shè)計(jì)—基于C8051F系列.北京航空航天大學(xué)出版社，2006 7、謝振輝， 改進(jìn)式51單片機(jī)實(shí)驗(yàn). 北京：科學(xué)出版社，2006 8、杜樹春王. 單片機(jī)C語言和匯編語言和混合編程實(shí)踐. 北京航空航天大學(xué)出版社，2008 9、鄒久朋，80C51單片機(jī)實(shí)用技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2008 10、8.Robert L.Mott. Machine Elements in Mechanical Design[M].Beijing:China 現(xiàn)有設(shè)備：計(jì)算機(jī)一臺(tái) 3．總體安排和進(jìn)度計(jì)劃 2010-1-12～2010-2-18：查閱資料，英文翻譯； 2010-2-18～2010-3-18：查閱資料，了解系統(tǒng)原理和PID相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)； 2010-3-18～2010-4-18：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及電路控制部分設(shè)計(jì)，繪制控制電路原理圖 2010-4-18～2010-5-18：制作電路硬件和硬件調(diào)試與檢測、撰寫論文； 2010-5-18～2010-6-6：檢查、修改、打印，畢業(yè)答辯準(zhǔn)備，提交論文。 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師（簽字）： 年　　月　　日 開題小組意見 開題小組組長（簽字）： 年　　月　　日 院（系、部）意見 主管院長（系、部主任）簽字： 年　　月　　日 - 3 - 摘 要 本文簡要介紹了熱流道的概率和熱流道溫度控制的重要性。詳細(xì)闡述了熱流道溫度控制器硬件、軟件的組成和溫度控制算法的設(shè)計(jì)，并對PID控制算法進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，確定了控制軟件、硬件的各個(gè)組成部分。在硬件部分，根據(jù)設(shè)計(jì)的控制要求和程序量，本系統(tǒng)選擇了性價(jià)比高的AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單片機(jī)。其中，溫度信號(hào)輸入采用了鉑電阻Pt100和A/D轉(zhuǎn)換，控制信號(hào)采用了過零光電耦合器和雙向可控硅來完成對熱流道溫度的控制。 本系統(tǒng)軟件部分主要由溫度信號(hào)采集模塊、溫度顯示模塊、控制算法模塊和控制信號(hào)輸出模塊組成。本系統(tǒng)的控制思想是單片機(jī)根據(jù)采集到的溫度和設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，然后得到溫度誤差，再根據(jù)得到的溫度誤差進(jìn)行PID應(yīng)算，最后輸出控制模塊根據(jù)PID應(yīng)算的結(jié)果做出相應(yīng)的變化，而這些變化通過過零光電耦合器和雙向可控硅來完成對溫度控制。本系統(tǒng)軟件最主要的部分就是PID控制算法的設(shè)計(jì)和輸出控制算法的設(shè)計(jì)，在文中詳細(xì)介紹了P、I、D三個(gè)控制參數(shù)的整定方法和對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了整定，給出了系統(tǒng)控制程序。 關(guān)鍵詞：溫度控制；單片機(jī)； PID Abstract At first, the paper introduces the conception of the hot runner and the importance of hot runner temperature control. What’s more, the paper described in detail of the hardware and software of the temperature control system and the design of temperature control algorithm, and analysis and design of the PID control algorithm. The paper introduces the control system design of overall program, and determine the composing of the control software and hardware. In the hardware ，according to the design control requirements and the program, the system selected the cost-effective microcontroller of AT89C52 microcontroller as the master control system. Among them, the temperature signal input using a Pt100 platinum resistance and the A / D conversion, the control signal using zero-crossing optocoupler and triac to complete hot runner temperature control. The system software mainly composed of the temperature signal acquisition module, the temperature display module, the control algorithm module and the control signal output module. This system of thought control is the microcontroller according to the collected temperature and compare the temperature setting, and then get the temperature error, Then according to the temperature error by PID should be counted, the final output control module according to the results of PID should be considered to make the appropriate changes, and these changes through zero optical coupler and triac to complete temperature control. The most important part of system software is the PID Control algorithm design and output control algorithm design, in the paper described in detail the P, I, D parameter setting of three control methods, and given system control program. Key words: Temperature Control ；Microcontroller ；PID 目 錄 引言 1 1 緒論 2 1.1 概述 2 1.2 熱流道溫度控制的現(xiàn)狀與發(fā)展 2 1.3 課題的設(shè)計(jì)與分析 3 1.3.1系統(tǒng)性能要求及特點(diǎn) 3 1.3.2系統(tǒng)硬件方案分析 3 1.3.3系統(tǒng)軟件方案分析 4 2 硬件電路設(shè)計(jì) 5 2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 5 2.2 主控模塊器件選擇及設(shè)計(jì) 5 2.2.1單片機(jī)的選用 5 2.2.2單片機(jī)介紹 6 2.2.3主控模塊設(shè)計(jì) 9 2.3 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì) 10 2.3.1溫度傳感器的選用與介紹 10 2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換 13 2.4 鍵盤及顯示電路 17 2.4.1鍵盤電路設(shè)計(jì) 17 2.4.2顯示電路設(shè)計(jì) 18 2.5 信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì) 19 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 3.1 軟件設(shè)計(jì)思想 21 3.2 系統(tǒng)軟件組成 21 3.3 主程序模塊 22 3.4 數(shù)據(jù)采集模塊 23 3.5 數(shù)據(jù)處理模塊 23 3.5.1數(shù)字濾波 24 3.5.1溫標(biāo)轉(zhuǎn)換 24 3.6 鍵盤與顯示模塊 25 3.6.1鍵盤模塊 25 3.6.2顯示模塊 25 3.7 控制算模塊 25 3.8 其他模塊 26 3.9 抗干擾措施 27 4 系統(tǒng)控制方案 29 4.1 PID控制 30 4.1.1PID控制理論 30 4.2 PID控制參數(shù)整定 32 5 系統(tǒng)調(diào)試 33 5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試 33 5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試 33 6 結(jié)論 35 謝辭 36 參考文獻(xiàn) 37 附錄 38 附錄1 源程序清單 38 附錄2 系統(tǒng)電路總圖 54