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成绩:*****大**学毕业设计（论文）英文翻译院（系）*******专1LL划E级******毕业设计论文方向计算机过程控制翻译文章题目一种新的PID加前馈控制器设计学生姓名*****学号*****指导教师******2022年4月10日正如在注4中提到的，参数在新方法中起的作用是处理性能，鲁棒性以及控制活动浮现之间的权衡问题（实际上，它与经典技术的参考模型的时间常数发挥的是同样的作用）从提交的结果看，显而易见，新方法的鲁棒性关于建模的不确定性问题基本上和经典控制相同的此外，还可以看出，正如预期的，所需的过程输出的过渡时间增加时，这两种方法产生的性能越来越相似H注
5.显然，在呈现显著的建模不确定性（如本例）基于模型的前馈动作的关于一］定的控制技术规范（例如惟独一个标准的PID或者设定点加权较小的超调而且可能会得设定时间）的使用未必能达到令人满意的设定点的阶跃响应因此，必须再次强调，举这些例子的目的是评估新设计方法的性能（特殊是与传统的进行比较），让用户根据实际应用选择是否采用（例如，为了降低上升时间）和FOPDT模型的精度e$・pnupcueenFig.
6.Process output*reference signal,manipulated vanableand feedforwardsignal for thenew schemein example2（r=2）;solid line:M，）and〃（，）；dashed line:计⑺and14fM.Fig.
7.Process output,reference signal,manipulated variableand feedforwardsignalIbr thedassic schemein example2A，s=1/
0.4s+le如；solid line:y and ut;dashed line:vtt andugt.Fig.
8.Process output,reference signal,manipulated variableand feedforwardsignalor thenew schemein example2r=10;solid line:yt and“，；dashed line:M⑺andu t.nioFig.
9.Process output,reference signal,manipulated variableand feedforwardsignal forthe classicschemein example2A/5=I/2s+1e-solid line:yf anduf;dashed line:ytt and
4.实验结果为了证明设计在实际应用中的技术的有效性，应用实验室的实验装置（肯特里奇仪器）（见图10）具体来说，该仪器由小有机玻璃塔型水箱（其面积为40平方厘米），I通过一个基于PC的控制器实施水平控制水箱通过水泵填满水，泵的速度由直流电压来控制（调节变量），在0-5V的范围内变化，通过PWM电路该水箱在由一个装置在底座固定，目的是使水返回到蓄水箱水位是由一个电容式探头来控制，它提供了一个在0（空罐）和5V（满罐）之间的输出信号由于其主时间常数，这个装置的系］统的死区时间非常小，为了提供一个重要的结果，通过在设备的输入的软件添加了一个10秒的时间延迟尽管该模型是非线性的（流出水箱的流速取决于液位的平方根），通过应用面积法大过程输入中的一个从2到
2.5V的阶跃的开环响应，一个FOPDT模型已经建立FOPDT模型得到的是:P⑸晶基于这个模型，依据齐格勒尼科尔斯规则对PI控制器（具有反饱和机制）进行参数整定（KP=
1.2,Ti=33,Td=O）由于过多的测量噪声，微分动作并没有应用］为了获得一个从2到3V的过程输出的过渡（进程在稳定状态时开始），这大约相当于从6至12厘米的液位过渡，在新方案中的值已经被修订为=6s,而且M（S）备⑸；机一lAe一号Fig.1\.Process outputand manipulated variable forthe tanklevel control;lSssolid line:new scheme;dashed line:classic scheme;dash-dot line:no08feedforward.jdq30s实验结果图11中，其中为了比较，简单的不带前馈P的ID控制器行动也也被考虑到看起来，尽管经典的前馈设计并不合用于标准PID控制在上升时间时的降低是以一个更大的超调和一个控制变量的幅度增加为代价的，新方法优于其他在于它提供了上升时间的最佳值和无明显超调的稳定时间的最佳值其实，显而易见的，较高的饱和程度，对于经典的前馈方案是必需的，目的是提供类似于新方案的性能，而且它突出了拟议的技术的主要优势，即利用非线性分段常数前馈动作使能够在设定点的阶跃响应获得低的上升时间，I尽管次最大时间的控制变量的值是必需的■对于一个加前馈的控制器提出了一个设计和整定的过程考虑到建模的不确定性，是否一个基于模PID型的前馈控制动作应该被用来代替另一种前馈方案仍然是一个开放问题，而且将得到进一步的研究在任何情况下，这种方法已经证明了它在实际情况下的有效性，而且由于它的简单化，它优于经典逆的模型，作为一个分段恒定信号而当做前馈控制动作而被采用，并不需要用户花费额外的努力去实现它事实上，用户彻底保留了技术诀窍控制器可以用任何方法整定，以确保良好的抗负载干扰性能而且在给定的应用中可以利PID用过渡时间参数提高性能因此，这种方法在单台控制器以及在分布式控制系统中被采用就显得尤其合适参考文献
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1989.论文出处A newdesign fora PID plus feedforwardcontroller题目出处Journal ofProcessControl14作者Antonio Visioli一种新的PID加前馈控制器设计摘要本文中提出，一个新的PID加前馈控制器的设计和调整过程它包括确定一个假设一阶加死区时间模型前馈信号，以实现预定义的过程输出的过渡时间的过程然后，PID参数整定，以确保良好的负载扰动抑制和任何常规方法闭环系统的参考信号获得通过过滤适当的设定点的阶跃信号仿真和实验结果表明，该方法优于典型的（反）基于模型的方法，由于其简单，因此，适合在分布式控制系统，以及在单基站控制器来实现关键词过程控制；PID控制；前馈控制；调整；
1.介绍■比例-积分-微分（PID）控制器，由于能够达到良好的成本/效益比，所以是控制器行业最为广泛使用的事实上，由于他们的易用性，他们可以在一定宽的范围内提供令人满意的性能自动整定技术已经开辟，以匡助操作员选择适当的参数值，■在这种方式下，使用它们所需的专业知识也越来越少然而，众所周知，这些控制器的性能很大程度上取决于，除了PID参数的整定，适当实施这些额外的功能，如反饱和,集点过滤，前馈等在当下，高效的设计这样一个功能的方法越来越容易实现，这都归因于在集散式控制系统（DCS）以及在单基站控制器的计算能力的提升在任何情况下为了维护使用控制器的方便性，这些功能应该尽可能对是用户透明的，或者说是直观地■在此背景下，本文提出了一种新的PID加前馈控制器的设计方法事实上，对于PID控制器，虽然调节往往是首要关注的，但同时，在许多应用中，实现一个高性能的设定值后的工作也很重要为了解决这个问题，典型的做法是采用两度自由控制器，也就是采用前馈补偿器（线性的）众所周知的的集点加权策略的使用属于这个框架I这种方法的主要缺点是减少超调，是以较慢的给定响应为代价的为了克服这一缺点，通常使用一种基于逆模型前馈响应（见第
2.1节及图1）止匕外，也已经提出了使用一|个变量的设定点权重但必须指出，在这种情况下，调节和伺服控制性能不可能更加独立，而且整体控制方案设计更为复杂Fig.
1.The typicalP1Dplusteed forwardcontrol scheme.I实际上，众所周知，在设定点以下性能的显著改善可以通过采用非线性前馈行动，正如所示，其中一项由Bang-Bang控制策略激发了的技术实现了设定点变化的快速响应本文提出的方法采用了非线性目的是当设定点需要改变时获得一个用户自定义的前馈行动过程输出的过渡时间该技术依赖于假设一个一阶加死区时间FOPDT过程模型并为预定义的输出过渡时间运用一个确定的值恒定的信号然后，为了对付不可避免的模型不确定性，PID参数的整定目的是确保良好的负载抗扰性能，而且给定闭环信号取决于适当过滤给定阶跃信号在这种方式中，在设定点以下，不伤害去负］荷能力的情况下获得高性能■必须强调的是，这篇文章的目的是提出一种基于模型的前馈的控制行为的设计方法，而不是派生条件应用这样一个前馈的行为关于模型的不确定性，这样的目的是有益的对于后者问题的标准方法在当前的工业背景下根本不存在，尽管有显著的结果已经在最近的文献中呈现■本文组织如下在第2节，总体方法会进行详细解释，说明例子会在第3节中描述，而实验结果在第4节和结论在最后一节进行总结
2.方法论
2.
1.前馈设计■拟议方法的目的是设计一个基于PID控制器加前馈术语旨在实现过程输出y值从Y0到Y1在持续时间S中间隔时间的过渡在下面，为清晰起见，不失普通性，将承担从Y0=0,Yl0o通常情况下，一个PID加前馈控制方案，目的是提高设置点响应，按图1所示的方案能够实现其中MS是一个参考模型，它提供了设定值变化所需的响应，同时GS被认为是GS-MS GS-W其中，P⑸是过程传递函数PS的最小相位部份新设计的PID加前馈控制方案如图2,同时实现了以下的方法首先，这个过程是由FOPDT模型描述，即:P se£Ts1许多不同的方法例如著名的面积法已经制定，目的是通过一个简单的鉴别实验来确定的模型参数见例［2,11］在此模型基础上，前馈模块FF的输出U定ff义如下:U值是确定的，琐碎的计算后，在这样一种方式的过程输出y在t L时是ffylo结果是这样，如果这一过程彻底由模型⑵描述，输出的过渡时间间隔在［L,+L］间发生然后，在t时假设恒定值为ut的情况下，在t L时刻，输出值定为yl为ff了对付不可避免的模型不确定性和负载扰动，必须提供反馈动作这是通过执行一个PID控制器来完成的，它的整定过程在
2.2节讨论中有讨论然后，一个合适的参考信号y必须被应用到闭环系统，期望的y等于将获得期f f望的的过程输出以防此过程彻底仿照式
（2）中的来完成因此，幅值yl的阶跃参考信号y必须被系统过滤spKu F（s）y eTs1ff is然后饱和在yl的水平H注i.新方法利用这样一个事实输出要求过渡过程，而不是跟踪普通的参考信号后一种情况的典型控制图方案1必须被采用・注
2.从实用的角度来看，直接过渡时间可以由用户直接或者通过（可能）更直观的推理而获得例如，用户可能会选择一个开环系统的带宽和闭环系统的带宽之间的比，通过这样值可以轻松确定显然，减少的值意味着UFF值（而且因此整体操］纵变量）增加，太低的值可能意味着确定的控制变量由于执行器的饱和不能被应用因此，此外，运营商可能会根据所需的控制力度首选U的值（定义的U通常作为ff ff一个控制变量上限的百分比）并最终确定值・注
3.以防在瞬态响应中新的设定点值被选中，这足以为新值确定前馈动作并对当前应用进行总结类似地，最新的设定值变化决定U的参考信号必须归结到一个和ff前一个相关的（见第3节）・注
4.请注意，参数能够处理的性能，稳定性和控制活动之间的权衡问题这被认为是一个整定过程中非常实用的功能，因为它在公式本身整定的物理意义方面给出了一个珍贵的见解，因此，操作者可以很容易地适应特定应用
2.
2.鲁棒性和PID设计■由于前馈的动作是基于一个简单的FOPDT工厂的模型，鲁棒性问题必须要进行讨论建模误差的补偿留给反馈PID控制器在这方面，考虑［7］,其中的分析是非常实用的，它表明，由于期望与实际输出之间的误差导致的建模的偏差可以被视为一个仪载扰动的影响■G s1PsCs,d PS■其中，2S是110控制器的传递函数见6因此，考虑过程的输出是前馈的影响叠加动作和负载扰动的结果即真正的负载扰动和因为建模误差而产生的一个“虚拟”的d和考虑在标称情况下，设定点以下的性能只由前馈的动作决定，在考虑到其加载抗扰性能的情况下进行PID控制器的整定是明智的例如，可以使用众所周知的］Ziegler-Nichols整定规则⑵
3.举例说明在展示实验结果之前，2个说明型例子是为了更好地评估提出的方法，以便更好地与
2.1节中提到的标准技术进行比较请注意，这一分析的目的是要表明，拟议的技术在设计一种基于模型的前馈控制方案中是有效的，而不是展示当使用基于模型的前馈动作很方便在这两个例子中，假设yl=l,即在=0时刻，被应用于YSP的单位阶跃信号的响应能被估计到被采用的PID控制器用下面的传递函数来描述Cs K1J,Ts pTs T，dW其中，N=10,比例增益KP,积分时间常数Ti和微分时间常数Td根据著名的基于阶跃响应的齐格勒-尼科尔斯公式整定而来［2］
3.
1.例一一个FOPDT系统被认为是Ps eoLs1而且过渡时间已被选定为=
0.5秒通过提出公式4,我们得到u=
2.54,ff即前馈信号ut，当0t
0.5时等于
2.54,tO.5s时等于1请注意在这种情况下，ff过程被完美地摹仿，我们得到了PID控制器的输出当t0s时为0,即参考信号y,因为闭环系统与所获得的过程的输出是等价的为了比较，图1的经典控制方案也被应用到相同的过程通过选择M s—------------------eo.5s
0.5s1我们3noSS得到看188G（s）
110.5s1产生的前馈信号和过程输出也在图3（虚线）中显示此外，在此例中PID控制器在t0s时的输出是零，这是因为没有模型的不确定性似乎通过新方法建立时间-BUM已经缩短了五倍摆布，这很明显，因为在经典控制方案中，
0.5作为整个系统的时间常数（这是第一顺序），而不是实际的过渡过程时间为了更好地评估结果的意义，已经通过将参考模型的时间常数值设定为/实施方便的控制方案，即1S1（）（）M seo^G s
0.1s
10.1s1Fig.3・Process outputand teedforuardsignal forexample I;solid line:new结果再次scheme;dashed line:classic scheme with T=
0.5;dash-dot line:classic显示在图3中schemewithr=
0.
1.（虚线点线）从这可以看出，设定的时间值与获得的新方法在这个例子中已经通过多增加的控制力度而取得了成功■从结果中提出，显而易见的，通过采取一个简单的非线性前馈动作使得性能显着提高（尽管对用户没有额外的设计工作）实际原因明显的可以看到，是为了得到实•024681Oooo-0102468O现所需的过程输出过渡所需的时间，信号才保持在一个恒定的水平，但这个结果通过一个线性的前馈动作是不能得到的为了更好地了解设计的方法，也给出了在一个暂态响应中改变设定点值的例子（见备注3）具体来说，在时间t=
0.25,设置点的值从1变为2在相同的情况下，过程输出和控制变量在图4中可以看到（注意，PID控制器的输出对于每一个控制方案］来说仍然是零）再次看出，新方法能够基本实现和经典控制同样的结果，而且相对更加简洁■最后，这个例子中，在设定点响应进行估计时有负载扰动发生特殊地，在时间阶跃扰动的振幅
0.5被应用到控制变量PID控制器增益KP=2,TI=1和Td=
0.25（注使用为了避免控制变量中的过多的振荡减少了Ziegler-Nichols公式中的比例增益）有关新方法的结果在图5中显示值得再次强调的是，由此产生的过程输出（和控制变量）是一个无负载扰动（见图3）和一个只在负载存在时发生的输出（即具有恒定的设定点值）的叠加应用于经典方法和结果的同样的考虑，为了简洁就再也不显示59nosseooa同Fi
5.Process output,reference signal,manipulatedvariableand feedforwardsignalforthenew schemein example1with aload disturbance;solid line:yt and〃f;dashed line:^f anduaf.
3.
2.例2作为第二个例子，一个带死区时间的四阶过程已经得到解决:P（S）eo.5s（S1）4运用面积法，它的结果为K=l,T=
2.12,L为
2.38因此PID参数选为KP=
1.07,TU
4.76和Td=
1.19o通过修正二2,常数前馈动作（见
（3））的最终值是U=
1.637ff新方法的相关结果在图6中显示至于例1,已经与标准方法进行了比较因此，已经得到了修正（）（）M se,G s
2.12s12^38s
0.4s
10.4s1这个例子中，相关的结果显示在图7中在例1,结果说明，新方法获得类似于经典的性能但需要少得多的控制工作新计划中以二10同类实验多次（UF
1.01）和1是经典控制结果分别显示在图8和图9中M（s）e2s
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