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数字PID控制算法仿真研究.doc
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数字PID控制算法仿真研究.doc
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数字 PID 控制算法仿真研究
摘要
PID 控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单,鲁棒性好和可靠
性高,被广泛应用于工业过程控制,尤其用于可简历精确数学模型的确定性控制系
统。而实际生产过程往往具有非线性、时变不确定性,难以建立精确的数学模型,
应用常规 PID 控制器不能达到理想的控制效果。为了达到使 PID 控制能适应复杂的
工况和高指标的控制要求,人们对 PID 控制进行了改进,出现了各种新型 PID 控制
器,对于复杂对象,其控制效果超过常规 PID 控制。
本文介绍了 PID 控制技术的研究进展。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,仿真研究了几种比较普遍运
用的方法,包括积分分离 PID 控制算法、抗积分饱和 PID 控制算法、不完全微分
PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法等。并在研究先进控制算法的基础上,将模
糊控制与 PID 控制结合,实现模糊 PID 控制,利用模糊推理方法实现对 PID 参数的
在线自整定。最后,根据现实情况,从系统的性能指标出发,针对实际控制对象,
选择合适的 PID 控制算法,并用 Matlab 与 Simulink 软件进行仿真及研究,结果表
明系统的控制效果良好。
关键词:PID;改进型 PID;模糊 PID;MATLAB/Simulink;仿真
I
大学本科毕业设计(论文)
Abstract
The PID control is a development to get up at the earliest stage of control one of the
strategies.Because it's calculate way be simple.Drive extensive application at the industry
process control.Particularly used for can mathematics model of the resume precision really
settle sex control system.But the actual production line usually hasn't line,the hour change
indetermination.Hard establishment the mathematics model of the precision.Application
normal regulations PID the controller can't attain ideal of control effect.For attaining to
make PID control ability orientation complications of work condition and Gao index sign
of control request.People carried on an improvement to the PID control. Appeared various
new PID controller.For complications object, it's control effect is far far above the normal
regulations PID control.
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.
Simulation and study several methods we used commom. Include Integral separation PID
control algorithm,Anti-windup PID control algorithm, not fully differential PID control
algorithm and first differential, when limited to weaken the integral PID control algorithm.
And advanced control algorithms based on fuzzy control and PID control combined with
fuzzy PID control, fuzzy reasoning method to achieve PID parameters online self-tuning.
Finally, in accordance with reality, starting from the system of performance indicators for
the actual control object, select the appropriate PID control algorithm, using Matlab and
Simulink software to simulate and study.The results of Matlab simulation indicate that the
control effect is good.
Keywords: PID; Improved PID; fuzzy PID; MATLAB/Simulink; Simulation
II
数字 PID 控制算法仿真研究
目录
摘要.................................................................I
Abstract.........................................................II
1 绪论..............................................................1
1.1 设计目的意义.................................................................................................................................1
1.2 国内外研究现状.............................................................................................................................1
1.3 论文主要任务.................................................................................................................................3
2 典型数字 PID 控制仿真研究...................................3
2.1 PID 控制简介..................................................................................................................................3
2.2 模拟 PID 控制算法.........................................................................................................................4
2.3 数字 PID 控制算法.........................................................................................................................5
2.3.1 位置式 PID 控制算法.........................................................................................................5
2.3.2 增量式 PID 控制算法.........................................................................................................6
2.4 数字 PID 控制算法仿真.................................................................................................................7
2.5 连续系统的数字 PID 仿真控制...................................................................................................10
3 改进型数字 PID 控制器的算法仿真研究....................13
3.1 积分项的改进...............................................................................................................................13
3.1.1 积分分离...........................................................................................................................14
3.1.2 抗积分饱和.......................................................................................................................17
3.2 微分项的改进...............................................................................................................................18
3.2.1 不完全微分 PID 控制算法...............................................................................................19
3.2.2 微分先行 PID 控制算法...................................................................................................21
3.3 模糊自适应整定 PID 控制...........................................................................................................22
3.3.1 模糊自适应整定 PID 控制原理.......................................................................................23
3.3.2 PID 参数在线整定原则....................................................................................................24
3.3.3 仿真程序及分析...............................................................................................................25
4 数字 PID 应用仿真研究..................................................................................................................27
4.1 并联式双容液位过程...................................................................................................................27
4.2 汽车速度控制系统的设计与仿真...............................................................................................29
5 结论与展望....................................................33
5.1 结论...............................................................................................................................................33
5.2 展望...............................................................................................................................................33
谢辞...............................................................34
参考文献.........................................................35
附录...............................................................36
附录一.................................................................................................................................................36
附录二.................................................................................................................................................38
附录三.................................................................................................................................................39
附录四.................................................................................................................................................40
附录五.................................................................................................................................................42
附录六.................................................................................................................................................43
附录七.................................................................................................................................................45
数字 PID 控制算法仿真研究
1 绪论
1.1 设计目的意义
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之一。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,尤其适用于可建立精
确数学模型的确定性系统。
然而实际工业生产过程中,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。在噪声、负载扰动等因素的影响下,过程参数甚至模型结
构均会随时间和工作环境的变化而变化。常规 PID 控制器参数往往整定不良、性能
欠佳,对运行工况的适应性很差。这就要求在 PID 控制中,不仅 PID 参数的整定不
依赖于对象数学模型,并且 PID 参数能够在线调整,以满足实时控制的要求。
从实际需要出发,对数字 PID 控制算法进行仿真研究,得到一种好的数字 PID
控制算法,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,
对数字 PID 控制器的仿真及研究具有重要的实际意义。
随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用,自动整定技术已经
变成了现实,适应了复杂的工况和高指标的控制要求。同时,随着现代控制理论
(诸如智能控制、数字 PID 的改进和模糊控制技术等)研究和应用的发展与深入,
为控制复杂无规则系统开辟了新途径。它们是传统控制发展的高级阶段,主要用来
解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题。
近年来,智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展,随之不
断涌现将智能控制方法和常规 PID 控制方法融合在一起的新方法,形成了许多形式
的智能 PID 控制器。它吸收了智能控制与常规 PID 控制两者的优点。首先,它具备
自学习、自适应、自组织的能力,能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、
能够适应被控过程参数的变化;其次,它又具有常规 PID 控制器结构简单、鲁棒性
强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势,使得智能
PID 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。
1.2 国内外研究现状
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)国外研究现状
日本的 Inoue 提出一种重复控制,用于伺服重复轨迹的高精度控制,它原理来
1
大学本科毕业设计(论文)
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。
由卡尔曼提出的卡尔曼滤波理论,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,是他提出的模拟自然
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 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,
再此基础上能得到精确地预估模型,得到很好的控制效果。
(2)国内研究现状
中国工程院院士柴天佑针对常规解耦控制理论与方法难于对具有不确定性的多
变量强耦合的复杂工业过程进行有效控制的难题,他首先在国际上提出多变量自适
应解耦控制的研究方向,打破传统解耦控制思想,提出了基于控制器设计与直接对
闭环系统解耦相结合的在线解耦控制策略, 系统地提出了 20 余种多变量自适应解耦
控制算法,建立了算法的稳定性和收敛性分析,结合电力、冶金等行业的具有多变
量强耦合、强非线性、参数时变、生产条件与运行工况变化大、常规控制系统难于
投入运行的复杂工业过程开展了应用研究,将所提出的自适应解耦控制方法成功应
用于冶金多段加热炉、余热锅炉、合金钢棒材连轧机立式活套、大型风洞、化工精
馏塔等,取得了显著的应用成效。
浙江大学何芝强在 PID 控制器参数整定方法及其应用研究一文中,阐述了常用
的经典 PID 控制器参数整定方法,并用 MATLAB/SIMULINK 工具对这些方法做了
一定的仿真。在此基础上,针对 SISO(Single Input and Single Output)最小模
型系统,提出了两种实用的 PID 控制器参数整定方法。主要的工作概括如下:在对
基于给定相角裕度 PID 控制器参数整定方法(PM 法)进行深入研究的基础上,提出了
一种更为实用的 PID 控制器参数整定新方法,并详细地推导了相应的 PID 控制器参
数整定公式。该方法解除了 PM 法中相角裕度和滞环宽度之间存在的固定函数关系,
能够根据对象特性的不同,灵活地选取继电特性参数,从而得到品质更好的等幅振
荡,使得 PID 控制系统具有更佳的闭环控制效果,并具有比 PM 法更好的实用性。
针对实际中常用的飞升曲线法难以确定最大斜率处和利用系统信息较少的不足,提
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