PID自整定控制仪的研制与开发

论文摘要

PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高,至今仍广泛应用于过程控制和运动控制中。随着现代过程工业生产的发展,现场工况变化频繁和日益复杂、需要经常对PID参数进行不断整定,以适应工艺产品产量和质量的要求。本论文针对生产过程控制现状,研制和开发了PID自动整定仪来解决复杂工艺装置的PID参数整定问题。论文首先阐述PID自动整定仪总体方案设计,软件采用模块化设计包括系统初始程序模块、量程选择模块、采样设定模块、模型辨识模块、参数整定模块等。硬件设计选用ARM7LPC2132芯片为核心处理器,CA320240C液晶显示屏作为系统的显示单元,完成模拟量采样、PID自整定运算、模拟和数字控制量输出、液晶显示、按键设置、通讯等功能。论文在查阅国内外文献资料的基础上,对目前国内外P1D控制应用状况和整定方法进行了分析和比较,结合嵌入式系统需要算法简单逻辑性强等要求设计采用了基于相关系数辨识法的PID自动整定算法。该算法主要由两部分组:相关系数辨识部分和PID最优整定部分。相关系数辨识部分包括数据采集、数据处理、模型辨识和模型检验内容;PID参数最优整定是一个基于二次型目标函数的最优控制器参数设计的过程。采用相关系数法辨识对象的模型,并在此基础上,根据所设计的目标函数,采用H-J模式搜索法寻优出最佳PID参数。研制和开发的PID自动整定仪可以在不影响生产过程条件下对控制过程进行离线建模,并自动整定出优化的PID控制参数。论文在MATLAB仿真验证的基础上,以大连理工大学过程控制实验室液位实验装置作为试验对象,进行了软件调试验证,通过现场试验及数据分析,验证所开发软件能够在扰动情况下使实验装置很快恢复到平衡点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 PID控制概述
• 1.1.1 PID控制概念与特点
• 1.1.2 PID控制的现状
• 1.1.3 PID控制的局限性
• 1.2 PID控制改进方案
• 1.2.1 自适应PID控制
• 1.2.2 智能PID控制
• 1.2.3 模糊PID控制
• 1.2.4 自整定PID控制
• 1.3 本论文研究方向与内容
• 2 PID自整定控制仪结构设计
• 2.1 硬件整体设计
• 2.1.1 硬件设计思想
• 2.1.2 硬件整体设计方案
• 2.2 软件整体设计
• 2.2.1 嵌入式软件设计简介
• 2.2.2 软件功能需求简介
• 2.2.3 软件整体设计思想
• 2.2.4 PID参数自整定算法的研究思路
• 2.2.5 软件整体设计原则及改进方案
• 3 基于相关系数辨识的PID整定算法研究
• 3.1 概述
• 3.1.1 基于相关系数辨识法的PID自动整定算法基本原理
• 3.1.2 算法构成
• 3.2 相关系数辨识法
• 3.2.1 相关系数
• 3.2.2 对象模型的建立
• 3.2.3 模型辨识寻优
• 3.2.4 模型校验
• 3.3 PID参数整定算法
• 3.3.1 Hooke-Jeeves模式搜索法
• 3.3.2 PID参数整定
• 3.4 相关系数辨识法PID自动整定算法优化
• 3.4.1 模型参数优化
• 3.4.2 PID寻优算法优化
• 4 算法性能仿真与测试
• 4.1 基于MATLAB环境的数字仿真比较
• 4.1.1 算法鲁棒性能分析
• 4.1.2 算法整体性能分析
• 4.2 系统性能测试
• 4.2.1 模型测试
• 4.2.2 实际系统测试
• 5 PID自整定控制仪硬件设计
• 5.1 硬件总体结构及设计思路
• 5.1.1 硬件设计思路
• 5.1.2 硬件总体结构
• 5.2 微控制器最小系统设计
• 5.2.1 微控制器LPC2132
• 5.2.2 电源电路
• 5.3 LCD显示电路
• 5.4 输入输出模块设计
• 5.5 RS-485接口电路
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢