基于SCILABXcos的PID控制器分析

基于SCILAB/Xcos的PID控制器分析作者：赵丽娜朱祉瑛
来源：《现代电子技术》2015年第03期
摘要：随着科学技术的普及发展，以及计算机应用进入各个领域，使用科学计算软件已经变成越来越常规的工作。

在这样的背景下，Matlab（主要是基于数值式计算）、MAPLE （主要是基于符号式计算）等科学计算软件得到了迅猛发展。

科学计算软件的广阔发展前景以及在未来的普及应用，同样是不可低估的。

在此通过SCILAB软件对PID控制器参数优化进行仿真分析，看到了SCILAB软件在PID控制方面的应用具有可行性和可靠性，为今后PID控制领域的分析探索出新的领域。

关键词： SCILAB； PID控制；参数优化；科学计算软件
中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）03⁃0128⁃03 Analysis of PID controller based on SCILAB/Xcos
ZHAO Li⁃na， ZHU zhi⁃ying
（Dalian Institute of Science and Technology， Dalian 116052， China）
Abstract： With the development of science and technology， as well as computer application in all fields， the use of scientific computing software has become more and more routine work. In this context， the Matlab （mainly based on numerical calculation）， MAPLE （mainly based on symbolic calculation） and other scientific calculation software has been rapidly developed. The broad development prospect and future universal application of scientific computing softwares should not be underestimated. A simulation analysis for PID controller parameter optimization is conducted with SCILAB software. It is found that the SCILAB software is feasible and reliable in the field of PID control. Some new areas have been explored for analysis in the field of PID control.
Keywords： SCILAB； PID control； parameter optimization； scientific computing software
0 引言
SCILAB是一种与Matlab类似的科学工程计算软件，其数据类型丰富，可以很方便地实现各种矩阵运算与图形显示，能应用于科学计算、数学建模、信号处理、决策优化、线性/非线性控制等各个方面。

它还提供可以满足不同工程与科学需要的工具箱，例如SCICOS，信号处理工具箱，图与网络工具箱等。

可以说，就基本的功能如科学计算、矩阵处理及图形显示而言，Matlab能完成的工作SCILAB都可以实现。

主要介绍论文的背景、相关领域的前人研究历史与现状，以及作者的意图与依据，包括论文的追求目标，研究范围和理论依据、技术设计等；不应详述教科书上能找到的基本理论。

1 分析方法
1.1 SCILAB简介
由于SCILAB的语法与Matlab非常接近，熟悉Matlab编程的人很快就会掌握SCILAB的使用。

同时，SCILAB提供的语言转换函数可以自动将用Matlab语言编写的程序翻译为SCILAB语言。

目前，SCILAB除了WINDOWS与NT版本外，还有多种UNIX或LINUX下的版本，如SGI MIPS Irix，PC Linux，Sun Sparc stations（Sun Solaris）等。

目前SCILAB已经发布到5.4.1版，全世界使用SCILAB的人数估计有1 000 000。

SCILAB也是以矩阵作为主要的数据类型，同时拥有丰富的绘图功能。

SCILAB能处理包括信号处理、数据分析、图像增强、数值优化、动态系统仿真等方面的问题。

网络上也有不少人为它写了许多延伸库、丰富了它的功能。

同Matlab软件中的Simulink工具箱类似，SCILAB也拥有一个用于混合动态系统建模/仿真的工具箱：Xcos（它代替了SCILAB 5.2之前的Scicos）。

用户可以自己编写扩展的工具模块并添加于SCILAB中，或者使用别人已编写好的扩展模块。

SCILAB提供了一个模块管理器（ATOMS）统一对扩展模块进行搜索、安装和更新。

SCILAB的其他一些工具箱：图像处理（SIP、SIVP）、小波变换（SCILAB Wavelet Toolbox）、串口通信（Serial Communication Toolbox）、图形和网络计算（Metanet）、GPU计算（sciGPGPU）、航天动力学分析（CelestLab）等等。

1.2 SCILAB的特点
作为开放源码的软件，SCILAB的源代码、用户手册及二进制的可执行文件都是免费的，公布于INRIA的网站上可以直接下载，在网站也可以下载。

用户不仅可以在SCILAB的许可证条件下自由使用该软件，还可以根据自己需要修改源代码，使之更加符合自身需要。

其主要特点如下：
（1）目前有大约1 700个用于科学和工程计算的数学函数可以使用；
（2）能够实现2维和3维可视化数据图形输出；
（3）对约束/无约束、连续/离散问题的优化问题的应用；
（4）可以对数据进行分析与建模；
（5）在控制领域实现对控制系统的分析与设计；
（6）在信号处理领域的分析应用；
（7）目前实现了自定义开发扩展功能的API。

1.3 SCILAB软件国内外应用状况
SCILAB始源于20世纪80年代在INRIA开发的计算机辅助控制系统设计软件Blaise，90年代初，Simulog停止分发Basile。

Basile更名为SCILAB，1994年1月2日，SCILAB的第一个释放版本，SCILAB 1.1上传到一个匿名ftp站点。

直到2002年底，SCILAB都是由6人小组与一些外部开发者一道共同开发并发布的。

从2003年开始，由新成立的SCILAB协会负责SCILAB软件的后续开发以及相关技术支持。

SCILAB协会于2005年启动了基于Java的 SCILAB 5.x 的开发，而之前的部分SCILAB开发小组成员（包括ENPC以及部分INRIA成员）则在之前的 SCILAB 4.x 的基础上另外发布了基于GTK+的SCILAB版本：ScicosLab（该版本集成了Scicos）。

为了保证SCILAB的长远发展，在INRIA的支持下，SCILAB事业公司于2010年6月成立。

自2012年7月开始，SCILAB事业公司将完全负责对SCILAB后续版本的开发与发布，此外公司也提供关于SCILAB的专业服务与支持。

对这一优秀的自由软件，国外已有很多人加以关注、讨论和赞赏。

在国内，2001年1月SCILAB首次放在旨在推广开放源码软件的“共创联盟网站”上，短短不到一个月内，下载次数已达300多次。

著名的Springer出版社于1999年6月出版了一本关于SCILAB的书：《Engineering and Scientific Computing With SCILAB》，介绍了SCILAB的编程语言、函数、各种工具箱及其在控制、优化、图形、信号处理中的应用实例。

字，以反映论文具有的首创性；凡可用图形、曲线或表格说明的部分，一定不要用累赘的文字描述。

避免用图形和表格重复地反映同一组数据；图、表、公式应编排在文中第一次提及时；切忌采用教科书式的撰写方式，对已有知识避免重新描述或论证，尽量采用开列参考文献的方法；对用到的某些教学辅佐手段，应防止过分注意细节的数学推导。

2 PID控制器的原理
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。

PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。

可取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。

PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。

可实现自动/手动无扰动切
换。

手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。

PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID参数自整定控制仪可选择带有一路模拟量控制输出（或开关量控制输出、继电器和可控硅正转、反转控制）及一路模拟量变送输出，可适用于各种测量控制场合。

PID参数自整定控制仪支持多机通信，具有多种标准串行双向通信功能，可选择多种通信方式，如RS 232、RS 485、RS 422等，通信波特率300～9 600 b/s 仪表内部参数自由设定。

可与各种带串行输入输出的设备（如电脑、可编程控制器、PLC 等）进行通信，构成管理系统。

3 实验
现以一简单PID控制器为例，在Scialb控制台窗口下：打开两窗口（组件盘窗口、模型窗口），选择拖模块，连线构系统；建立Xcos仿真模型。

输入即激励；系统输出即响应；激励和响应汇入单图形显示器显示，便于对比。

系统框图构建如图1所示。

图1 系统框图
3.1 对话设参数示例
3.1.1 CLR模型对话框
设置传递函数的参数如图2所示。

此例中该组件模块传递函数设置为[1（1+0.5s+s2）。

]
3.1.2 仿真激励
参数均设置好后，可直接应用“启动”工具钮，便仿真激励了，此时运行期间“启动”工具钮暗，“停止”工具钮亮，可利用此工具钮停止仿真过程。

当仿真结束了，则“启动”工具钮亮，“停止”工具钮暗。

可利用“启动”工具钮再次仿真运行。

仿真结束，相应响应曲线应出现单图形显示器的图像窗口。

3.1.3 分析响应
如果考虑观察有关观察点的坐标，可以右键击出图形窗口的选择观察点坐标方式对话框，如图3所示。

单图形显示器显示了响应曲线，以及选择的观察点坐标。

还可以在编辑菜单下选择有关项目栏设置字体、网格、色彩等属性，也可以在控制台工作区用xgrid指令给图像窗口绘制网格。

3.2 结果分析
对系统引入反馈前后仿真结果进行比较，如图4所示。

图4（a）的仿真结果是仿真的初始结果，会看到与理想值差别较大，图4（b）则是进行了多次循环仿真之后的调整仿真结果。

4 结论
通过循环仿真前后的对比，可以看出PID控制的优越性，同时通过Scilab软件的仿真运行结果说明，PID控制器在该软件上的分析是可行的，并且具有一定的可靠性。

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