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pid控制算法及matlab仿真分析.doc
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摘 要
PID 控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点,是迄今为
止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确,理论分析体系完整,并为工程
界所熟悉,因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发,一种好的 PID
控制器参数整定方法,不仅可以减少操作人员的负担,还可以使系统处于最佳运行状
态。因此,对 PID 控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。本文介绍了 PID
控制技术的发展历史和研究进展。分析了传统的模拟和数字 PID 控制算法,并对传统
的 PID 控制算法进行微分项和积分项的改进,学习了几种比较普遍运用的方法,如不
完全微分 PID 控制算法、微分先行、遇限消弱积分 PID 控制算法等。在学习的基础
上,提出了一种自整定参数的专家模糊 PID 控制算法,由仿真结果可以看到,这种参
数自整定方法与一般控制方法(抗积分饱和控制法)相比,在调节时间、抑制超调量、
稳定性都要好,可以在工业上推广使用。
关键词:PID 控制;结构简单;鲁棒性;控制算法;参数整定
Research of the PID Control Arithmetic of Using MATLAB
Software
Abstract
So far, the PID is the most common control arithmetic. Its structure is simple and
easy to implement, however, the control effect is perfect and it has a strong robust
characteristics. The physical parameters is, meaning of ,theoretical analysis of system
is integrity, and it is familiar by the engineering sector, which in the industrial process
control has been widely used. For the actual needs, a good parameter PID controller
tuning method can not only reduce the burden on operators, but also make the system
running at best. Therefore, the fixed PID controller parameter tuning study has
important practical significance. In this paper,we will introduce the development
history and the research progress of PID control technology,analysis the traditional
analog and digital PID control algorithm.and improve the differential and integral of
traditional PID control algorithm. Learn several methods we used commom.Such as
not fully differential PID control algorithm, first differential, when limited to weaken
the integral PID control algorithm. based on study,we will learn the expert fuzzy
control algorithm that can self-tuning PID parameters.from the simulation results we
can see that compared the general (anti-saturation control), this method of parameter
self-tuning in regulation time, overshoot suppression and stability well, It can promote
be used in industry.
Key words: PID Control; Simple Structure; Robustness; Control
Arithmetic; Parameter Tuning
目 录
摘 要............................................................................................................................1
ABSTRACT ...................................................................................................................1
1 引言............................................................................................................................1
1.1 国内外研究进展................................................................................................1
1.2 本论文研究内容.................................................................................................2
2 PID 控制算法 .............................................................................................................3
2. 1 模拟 PID 控制算法 ..........................................................................................4
2.2 数字式 PID 控制算法 .......................................................................................5
2.3 PID 控制算法的改进 .........................................................................................7
2.3.1 微分项的改进.........................................................................................7
2.3.2 积分项的改进.......................................................................................11
2.4 模糊 PID 控制算法 ..........................................................................................13
2.4.1 模糊推理的系统结构...........................................................................14
2.4.2 PID 参数在线整定原则 .......................................................................14
2.5 PID 控制器研究面临的主要问题...................................................................15
3 MATLAB 编程和仿真 .............................................................................................16
3.1 PID 控制算法分析 ...........................................................................................16
3.2 MATLAB 仿真...............................................................................................17
4 结语...........................................................................................................................23
参考文献......................................................................................................................24
致 谢......................................................................................................................25
附录 1.............................................................................................................................1
附录 2.............................................................................................................................1
1
1 引言
PID 控制器以其结构简单、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。光学表面等离子共振(SPR)生物传感技术受温度影响很大,
因此设计高精度的温度控制器对于生物分析仪十分重要。在指导导师研究的便携
式 SPR 生物分析仪中的温度控制就采用了 PID 控制技术,本论文研究 PID 的控制
算法是 PID 控制器整定参数优化和设定的关键技术之一。
在工业过程控制中,目前采用最多的控制方式依然是 PID 方式,即使在日本,
PID 控制的使用率也达到 84.5%。它具有容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特
点,同时它原理简单,参数物理意义明确,理论分析体系完整,并为工程界所熟
悉,因而在工业过程控制中得到了广泛应用。尽管自 1940 年以来,许多先进控
制方法不断推出,但 PID 控制器仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械
等工业过程控制中。然而,在实际的应用中,许多被控过程机理复杂,具有高度
非线性、时变不确定性和纯滞后等特点,特别是在噪声、负载扰动等因素的影响
下,参数复杂烦琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。为了减少参数整定的工
作量,克服因环境变化或扰动作用造成系统性能的降低,就要提出一种 PID 控制
参数的自动整定
[3]
。
1.1 国内外研究进展
今天熟知的 PID 控制器产生并发展于 1915-1940 年期间。在工业过程控制
中 PID 控制器及其改进型的控制器占 90%。在 1942 年和 1943 年,泰勒仪器公
司的 zieiger 和 Nichols 等人分别在开环和闭环的情况下,用实验的方法分别研究
了比例、积分和微分这三部分在控制中的作用,首次提出了 PID 控制器参数整
定的问题。随后有许多公司和专家投入到这方面的研究。经过 50 多年的努力,
在 PID 控制器的参数调整方面取得了很多成果。诸如预估 PID 控制(Predictive
PID)、自适应 PID 控制(adaptive PID)、自校正 PID 控制(self-tuning PID)、模糊 PID
控制(Fuzzy PID)、神经网络 HD 控制(Neura PID)、非线性 PID 控制(Nonlinear PID)
等高级控制策略来调整和优化 PID 参数
[1]
。
日本的 Inoue 提出一种重复控制
[1]
,用于伺服重复轨迹的高精度控制,它原
2
理来源于内模原理,加到被控对象的输入信号处偏差外,还叠加一个“过去的偏
差”,把过去的偏差反映到现在,和“现在的偏差”一起加到被控对象的控制,
偏差重复利用,这种控制方法不仅适用于跟踪周期性输入信号,也可抑制周期性
干扰
[ 1]
。
由卡尔曼提出的卡尔曼滤波理论
[1]
,采用时域上的递推算法在数字计算机上
进行数据滤波处理,该滤波器对控制干扰和测量噪声具有很好的滤波作用。
由美国 Michigan 大学的 Holland 教授提出的遗传算法
[3]
,时他提出的模拟自
然界遗传机制和生物进化论而形成的一种并行随机搜索最优化方法。它将优胜劣
汰,适者生存的进化论原理引入优化参数形成的编码串联群体中,按所选择的适
配值函数通过遗传中的复制,交叉及变异对个体进行筛选,使适配值高的的个体
被保留下来,组成新群体,新群体有继承上一代信息,优于上一代,周而复始知
道得到满意值,这种算法简单,可并行处理,得到全局最优解。
对于工业控制中许多被控对象的纯滞后性质,Smith
[1]
提出一种纯滞后补偿
模型,与 PID 控制器并接一个补偿环节,该补偿环节称为预估器,实际上的预
估模型是反向并联在控制器上的,smith 控制方法前提是必须确切地知道被控对
象的数学模型,再次基础上能得到精确地预估模型,得到很好的控制效果。
随着现代工业的发展,人们面临的被控对象越来越复杂,对于控制系统的精
度性能和可靠性的要求越来越高,这对 PID 控制技术提出了严峻的挑战,但是
PID 控制技术并不会过时,它必将和先进控制策略相结合向高精度、高性能、智
能化的方向发展。
1.2 本论文研究内容
本文在介绍传统的 PID 控制算法,并对传统算法改进后,在学习的基础上提
出一种模糊参数自整定方法,这种模糊控制的 PID 算法必须精确地确定对象模
型,是操作人员(专家)长期实践知识用控制规则模型化,再运用推理对参数实
现最佳调整。它在常规 PID 基础上,以输出反馈值与目标值的误差 e 和误差变
化率 ec 作为输入,用模糊推理的方法对 PID 参数 kp,ki,kd 进行在线自整定,以
满足不同 e 和 ec 对控制器参数的不同要求。把规则的条件、操作用模糊集表示,
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