基于MATLAB GUI的Ziegler-Nichols PID参数整定仿真系统

PID控制器的设计是"自动控制原理"课程的重要内容,Ziegler-Nichols法是一种典型的PID控制参数整定方法。该方法中比例系数K、时间常数T、延迟时间τ的确定是关键,其值可通过开环单位阶跃响应曲线的拐点及切线分析获得,拐点及切线从图形直接观察分析不够准确、快速。通过Matlab GUI仿真,实现了参数K、T和τ的直接获取,拐点及切线的绘制,PID整定参数的计算及对应单位阶跃响应曲线的显示。该仿真系统操作方便、能够直观快速地获取参数、节省了大量的分析和计算时间。该仿真系统可用于"自动控制原理"课程教学和实验教学,有助于学生对Ziegler-Nichols法的理解,提高学生的分析和设计能力。

采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制

为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的激光红外多通池压强控制系统。硬件方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法,完成对P、I、D3个参数的确定。结果表明:多通池压强为60 Torr(1 Torr=133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO2、12CO2气体分子在4.3μm吸收光谱进行测量。随着气体压强从0.026~0.066 atm(1 atm=101325 Pa),13CO2和12CO2气体分子吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。同时,利用红外气体检测系统对CO2同位素丰度进行长达2 h的测量。CO2同位素丰度均值为-9.081‰,测量值在-8.351‰^-9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。可以证明:该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。

Ziegler-Nichols方法在发动机怠速控制器整定中的应用

当被控对象的结构和参数不够清楚,或得不到精确的数学模型时,应用PID控制技术最为方便。PID控制最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型,只要调节控制参数就可以取得满意的控制效果。因此确定控制参数的值是对系统进行控制的关键。在实际应用中,控制参数应该避免复杂的计算公式,一般是用试凑法来确定。由于三个参数对控制效果的相互影响,得到精确的控制参数并不容易。Ziegler-Nichols方法是一种整定PID控制器,探索其控制参数的方法。在发动机怠速控制器参数整定中应用这一方法可以快速精确的算出相应的各参数数值,得到理想的控制效果。

考虑风光出力不确定性的风光储微电网系统智能协调控制策略

对风光储互补的微电网发电系统进行研究,针对风光发电与负载功率不匹配问题,提出了一种基于新型变步长电导增量法的最大功率点追踪控制方法,利用基于Ziegler-Nichols法的改进自适应PID算法实现负载功率蓄电池充放电控制的协同控制策略。通过在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型并进行验证,证明了所述方案的准确性以及可行性。

基于Ziegler-Nichols法则的PID控制器参数整定

本文通过实例分析了PID控制算法的作用,并给出了采用Ziegler-Nichols整定法整定参数的PID控制器设计方法。实例仿真结果表明,该方法是有效的。

基于PID控制在砂芯夹持系统中的稳定性优化

针对铸造行业制芯段镂空砂芯装配过程抗压能力差和易裂的问题,文中以夹持器结构、夹持压力及机械振动等要素构建数学模型,分析其系统稳定性,增加PID控制器进行校正,采用Ziegler-Nichols法整定Kp,Ti和Td的参数值,获得PID控制器传递函数。经MATLAB/Simulink软件仿真分析系统动态响应性能,实现系统的最优控制,使系统超调量σ由34%减小至25%,有效减小了机械振动干扰对砂芯的冲击,保障了下一工序铸铁的合格率。

四旋翼飞行器控制系统稳定性能研究

针对四旋翼飞行器是一个复杂的非线性、强耦合且易受干扰的控制系统,稳定性和动态性能存在矛盾,具有良好动态性能的四旋翼却很难达到理想的稳定控制。为解决传统四旋翼设计中只追求保持平稳悬停的静态稳定性,忽略动态调整时稳定性的问题,并克服大幅度干扰信号或姿态调节信号产生的发散式抖动,以及提升四旋翼的稳定性能和抗干扰性能等困难,提出一种采用Ziegler-Nichols方法参数整定PID的四旋翼控制方案,分析系统模型推导出优化的PID参数。实验结果表明,改进方法使四旋翼良好地跟踪给定信号,既能保持平稳悬停,又能应对大幅度动态调整,解决了传统四旋翼不能兼顾静态稳定性和动态稳定性的问题,为提升四旋翼稳定性能提供了一种科学方法。

一种混合有源电力滤波器的电流控制新方法

针对可控器件的死区和数字化控制器存在的延时对系统整体性能产生消极的影响,提出一种新的电流跟踪控制策略,该控制策略以一个基于改进的Ziegler-Nichols方法实现参数优化的PI控制器和π补偿Smith预估器为基础.其中实现电流跟踪控制的控制器算法是在Ziegler-Nichols方法优化PI控制参数的算法上的修正,较之传统的方法寻优PI控制器参数有着更好的控制效果;π补偿预估器的引入则可以有效地补偿系统控制中的延时,提高系统的响应速度和稳定性能,并提高系统的控制精度;同时利用时间乘以误差绝对值积分(ITAE)准则给出π补偿预估器参数与PI控制器参数间的数学关系式,实现了预估器参数的辨识.仿真和实验验证了所提控制策略的有效性,与模糊PI控制效果进行比较,具有更好的滤波效果.

模糊PID控制的原子力显微镜仿真平台

为了在传统PID控制的基础上实现参数的实时在线调整,获得更好的控制效果,进行了模糊PID控制的原子力显微镜仿真研究。运用欧拉-伯努利方程对幅度调制模式原子力显微镜(AM-AFM)的探针动态过程进行建模,并依据AM-AFM负反馈控制的系统模型,加入模糊PID控制模块,建立了一套完整的AM-AFM系统仿真平台。根据专家经验并查找模糊规则手册,建立了PID参数的模糊规则表,实现PID参数实时在线调整,实现了高品质的控制;同时,结合Ziegler-Nichols法离线调整出一组初值,并将此初值运用于模糊系统的模糊中心选择,进一步提高了控制效果。运用仿真平台对两个典型样品进行扫描仿真,检验了模糊PID的控制效果,表明模糊PID能显著提高AM-AFM对表面起伏较大的样品的成像质量。

混合有源电力滤波器的新型电流迭代学习控制

混合有源电力滤波器可以动态抑制电网谐波电流和补偿容性无功功率,改善电网电能质量。针对传统PI型迭代学习控制算法在并联有源电力滤波器应用中的不足,算法收敛性严重依赖于学习控制的初始输入,迭代学习控制器的参数是定常值,会影响有源滤波系统的控制性能。本文提出一种新型PI迭代学习控制算法,将其应用于混合有源电力滤波器系统的电流反馈控制中,得到了应用迭代算法的收敛性条件,并采用一种改进的Ziegler-Nichols方法对控制器参数进行了优化,以提高系统的控制精度。为了提高系统的动态响应性能,提出一种谐波电流误差的反馈-前馈控制策略,其中电流误差信号的D型前馈控制环节用于实现滤波器系统的电流快速补偿,同时利用一个三层BP神经网络对前馈控制增益进行优化。仿真和实验结果证明了该迭代算法及控制策略的可行性与有效性。

用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

由于分布反馈式(DFB)激光器的工作温度会影响其激射波长,降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力仪的磁场测量灵敏度,以TMS320LF2812为核心控制器,采用数字比例-积分-微分(PID)控制技术,设计并研制了一种高精度、高稳定性DFB激光器温度控制系统。在硬件电路设计方面,由温度控制前向通路和温度采集后向通路组成,构成完整的闭环温度控制结构。软件设计中,采用ZieglerNichols工程整定方法,实现对P、I和D三个参数的整定。以中心波长为852 nm的DFB激光器为被控对象,利用该温度控制系统对其进行了温度控制实验。实验结果表明:系统的有效控温范围为5~60℃,控温精度为±0.02℃,稳定时间为20 s。并且在长时间(220 min)测试中,DFB激光器工作温度稳定性优于7.9×10^(-4)(RMS),为其在SERF原子磁力仪的实用化方面提供了性能保障。

混合有源滤波器的新型电流迭代学习控制

为提高电网电能质量,针对注入式混合有源电力滤波装置(HAPF)提出一种新的电流补偿控制策略,由电网谐波电流误差信号的微分型学习律前馈控制环节和反馈迭代学习控制器构成。在电流误差的反馈迭代控制器中应用了一种带遗忘因子的PI新型迭代学习控制算法,遗忘因子的加入能够增强迭代学习控制算法的鲁棒性,且该算法区别于传统PI型迭代学习控制算法,其算法收敛性不依赖于谐波误差信号的初始控制输入。在反馈迭代控制器中应用了一种改进的Ziegler-Nichols方法实现控制器参数的优化,提高了系统的控制精度。利用模糊优化算法对前馈控制增益进行优化,以改善系统的动态响应性能。最后,对所提控制策略进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果证明了所提控制方法的可行性,电网中的特征次谐波有明显减少。

DC-DC Boost变换器控制算法的研究

为了改善DC-DC Boost变换器的性能,在电压控制模式的基础上,设计了PI控制器,对输出电压进行控制。分析了DC-DC Boost变换器的基本原理,推导了变换器的传递函数。本文用Ziegler-Nichols方法和Loop-Shaping方法计算出PI控制器中Kp和Ki的值,进而通过Matlab仿真和实验,比较了两种方法的输出响应,得出结论:采用Loop-Shaping方法能更好改善变换器的性能。

采用数模混合双闭环方法的DFB激光器驱动电源

由于驱动电流波动会影响分布式反馈式(DFB)激光器激射波长及发光功率,采用数模混合双闭环技术,以TMS320LF28335为核心控制器,设计并研制了一种高稳定性DFB激光器驱动电源。在硬件电路设计方面,该激光器驱动电源采用运算放大器深度负反馈原理,提高了系统的稳定性(优于4×10-5)。软件设计中,引入Ziegler-Nichols PID算法,消除了实际驱动电流值与理论值之间的微小差异(小于0.5%)。同时,该驱动电源具备防上电/断电冲击保护电路、延时软启动电路和过流保护电路等保护电路。利用该驱动电源,对中心波长为1742 nm的DFB激光器做了驱动测试。实验表明,在长时间(>220 h)稳定性测试中,驱动电流稳定度优于4×10-5(RMS),满足DFB激光器对驱动电流的要求,具有很强的实用价值。

PID控制技术及其参数整定方法

详细分析了PID控制常用的参数整定方法,并给出了基于Simulink Response Optimization的最新的参数整定方法,最后给出了基于专家经验的的智能调参技术。

柔性充液航天器喷气控制系统稳定性分析

主要讨论了伪速率喷气控制的柔性充液航天器系统的稳定性问题。首先建立了系统动力学模型，并简述了控制系统的设计；然后重点讨论了伪速率调制器的描述函数分析与计算方法；最后给出了采用Ｎｉｃｈｏｌｓ图法进行稳定性分析的工程应用实例。

PID控制在大型腌制库温度调节中的应用

温度控制是肉食品工厂腌制工艺的关键,常常运用PID控制技术对大型腌制库的库温实施调节。通过对Ziegler-Nichols阶跃响应法、局部模板匹配法及2自由度PID控制法进行MATLAB的模拟测试,表明单独使用这些方法并不能得到良好的控制效果,而把Ziegler-Nichols局部模板匹配法及2自由度PID控制法结合起来的复合PID控制法加上控制回路系统能够得到无超调、整定时间短及系统特性变化响应性良好的控制系统。

热交换系统二自由度PID控制

为解决热交换系统的温度控制问题,采用二自由度PID(Proportional-Integral-Derivative)控制算法设计了温度控制器。该控制器的PID参数通过Ziegler-Nichols振荡法整定,二自由度化控制器参数根据经验规则进行调整。利用所设计的二自由度PID控制器和传统的PID控制器进行了多项仿真实验,包括目标跟踪、抗扰、鲁棒性和标称模型控制等。实验结果表明,二自由度PID控制器的目标跟踪速度优于传统PID,具有良好的鲁棒性,对标称模型的控制具有更小的上升时间和反冲。

CSTR配备的不同类型控制器的参数整定及寻优

以水合法制丙二醇为例,利用Ziegler-Nichols法及经验法考察了CSTR反应器配备的比例控制器(P)、比例积分控制器(PI)及比例积分微分控制器(PID)的控制参数对CSTR反应器控制效果的影响,进而确定其优化的控制参数值。动态模拟结果表明:当配备P型控制器且控制参数kc=2×107时,控制效果最好,但存在控制余差;当配备PI型控制器时,利用Ziegler-Nichols法对控制参数进行调试;当配备PID型控制器时,采用与PI型控制器相同的控制参数整定方法,能够满足对CSTR反应器的控制要求。

储能式无轨电车DC/DC非线性控制策略的研究

在超级电容储能式无轨电车的充电控制系统中,外部的扰动会使得控制系统的输出控制性能降低,从而导致系统的噪声放大。为了增强控制系统的鲁棒性和自适应能力,基于跟踪微分器提出了一种新型的非线性控制方法,提高了超级电容储能式无轨电车的充电控制性能,优化了系统的输出电流电压的控制曲线。针对控制参数变化和调节的问题,加入Ziegler-Nichols的频域响应法(简称ZN法)来整定控制参数。通过仿真及试验分析,验证了所提控制算法的有效性,对于系统的输出控制性能有明显的提升,解决了系统快速性和超调之间的矛盾,从而实现了超级电容储能式无轨电车高效快速地充电。