Simulink环境下烘干室温度PID控制器的优化研究

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[摘 要]PID控制具有算法简单、容易设计和控制可靠等优点，至今仍被广泛地应用于各种工业控制系统中。但是随着受控对象的复杂性、非线性和时变性等情况的普遍存在，常规PID控制的效果也大打折扣，如今实际控制系统中也逐渐引进各种先进的控制策略。但是，限于先进控制策略理论的高深和实际实现的经济效益，对具有简单结构的PID控制的改进成为人们长期以来的研究热点。本文以温度控制系统为例在simulink环境下对常规PID的积分环节和微分环节进行优化对比。

[关键词]Simulink，积分分离，遇限消弱，PID优化

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0137-01

对于烘干室温度控制系统来说在实际运行过程中受到影响的因素较多，使用数学解析的方法来描述系统的运行非常困难，所以在本文研究中选用计算机辨识的方法描述系统的运行[1]。控制烘干室内温度升高或降低的主要因素是柴油燃烧器的燃烧情况。通过控制柴油燃烧器的二段火的燃烧占空比来控制烘干室的温度值。

通过测量采集烘干室温度在给定的柴油燃烧器的燃烧占空比作用输入下的烘干室内温度变化曲线，并进行对比与分析得出最近似的数学模型。确定了燃烧器控制与烘干室温度之间的函数关系，并推导出其温度控制系统传递函数为：

（1）

1.pid控制模型仿真

利用MATLAB软件对PID控制系统仿真，在Simulink 环境下建立PID控制器模型。

在传统的PID仿真过程中，设kp=km=0.68时，输出曲线产生等值振荡，采用Z-N法计算得到初始参数kp=0.343，ki=0.004，kd=9.781，但输出曲线仍然不够理想，结合PID调节经验，进行多次调整试验得到较为理想的曲线。

2.常规PID控制器的改进

2.1 积分环节的改进

在PID控制中常用的积分环节改进方法有积分分离法和遇限消弱法，在常规PID温度控制过程中，当温度受外界影响有较大幅度的变化或从新设置给定值时，会使控制系统产生较大的偏差，并且受系统惯性和滞后影响，在PID积分项的作用下，使系统输出产生长时间的波动和较大超调现象[2]。特别是对于温度变化缓慢的过程，这一现象将更严重。所以在对烘干室温度控制系统中考虑采用积分分离法改善常规PID控制，即当温度偏差大的时，屏蔽积分环节；当偏差较小时再启用积分环节作用。这就需要设定一个值用来界定温度偏差的大小，此为阀值，阀值应根据控制对象具体情况而定。阀值太大，不能达到积分分离的目的，如果太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。建立仿真模型，为方便对比将常规PID控制器模型加入。分别试探性设置阀值T（Threshold）分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，得到输出曲线如图1所示。

通过对比9个阀值的输出曲线可以看出，阀值的选取对控制结果的影响直接且效果明显，当阀值为0.1时，系统在前17S的上升速度非常快，但是当输出达到设定值的98%后，系统的调节速度变得较为缓慢，需要62S的时间才能达到稳定状态。当阀值设定为0.6时，系统输出在20S时就到达设定值且上升速度非常快，但是随着阀值的增大系统输出的超调量也明显增大。经过对比可以得出结论，使用积分分离法对常规PID温度控制系统改进，能够使控制系统在调节时间和超调幅度方面有所改善，但是其控制效果仍然不太理想，所以仍然需要继续研究，寻求更佳的优化控制方法。

2.2 微分环节的改进

在PID控制中引入微分环节作用可以加强控制系统的动态特性，可是微分环节的抗干扰能力特别低，这个特点使微分环节对系统的稳定控制非常不利。在实际应用中为降低干扰对微分环节的影响会采用数字滤波等手段，也可以采用不完全微分或微分先行的控制方法来改善微分环节[3]，微分先行控制器结构如图2所示。

在此烘干室温度控制系统中存在一定的滞后性，所以采用微分先行的方法来改进原有PID控制器，在微分先行PID改进办法中，将微分环节串联在系统的反馈回路中，被测温度数值即控制系统输出值及其变化速率经微分先行环节后送至比例积分控制器中，起到降低控制系统的超调量的作用，同时起到对控制滞后的补偿作用。

如图3所示，是微分先行PID控制响应曲线，经过与常规PID仿真结果对比可观察出，与常规PID相比微分先行PID更显著地减小了超调量，减少了系统调节时间，系统动态特性得到大幅提升。

参考文献

[1] 刘金琨.先进PID控制的MATLAB仿真[M].电子工业出版社，2004.

[2] 杨久红，王小增.积分分离PID算法的电阻炉温度控制系统[J].计算机测量与控制，2012，（1）：66-69.

[3] 李军.基于改进微分环节控制策略的研究及其应用[J].热力发电，2010，（8）：72-75.