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1、 基于基于MATLABMATLAB的数字的数字PIDPID控制器设计及仿真分析控制器设计及仿真分析 摘摘 要要 PID控制作为历史最为悠久，生命力最强的控制方式一直在生产过程自动化控制中发挥着巨大的作 用。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，被广泛用于过 程控制和运动控制中。数字PID控制算法是将模拟PID离散化而得到的，各参数有着明显的物理意义，而 且调整方便，所以PID控制器很受工程技术人员的喜爱。 本论文主要实现基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真。首先介绍了传统的模拟PID控制方法，包 括比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方
2、法等。接下来，介绍了数字PID控制。随着 时代的发展，科技的进步，传统的模拟PID控制方法不能满足人们的需求，数字PID控制的改进算法也便 随之而来。本文最后，应用MATLAB软件，在实验的环境下实现了其设计及仿真。 本次毕业设计用来完成数字 PID 控制器的设计，并通过 MATLAB 实现其仿真同时加以分析。通过查 阅文献得知，与传统模拟 PID 控制器相比较，该控制器具有良好的灵活性，而且可得到精确的数学模型。 另外，基于 MATLAB 的数字 PID 控制器设计及仿真，充分的利用了 MATLAB 的实验环境，整个设计验证了 数字 PID 的广泛可实现性及准确性。 关键词关键词：PID 控
3、制；模拟 PID 控制器；数字 PID 控制器；MATLAB 仿真； Design and simulation analysis of Digital PID Controller MATLAB-based Abstract As the most age-old and powerful control mode, PID control always has had a great effect on the automatic control of the production process. PID control is one of the first developed con
4、trol strategy, because of the I simple algorithm， great robust and high reliability, it is widely used in process control and motor control. Digital PID control algorithm is gotten by discreting the analog PID control, and the parameters have obvious physical meaning and facility adjustment, so PID
5、controller is popular with engineering and technical personnel. In the paper, the main idea is to accomplish MATLAB-based digital PID controller design and simulation analysis. In the first place, the traditional analog PID control methods is introduced, including proportional control methods, propo
6、rtional integral control and proportional integral differential control. In the second place, the digital PID control methods are offered. With the development of the times, the advancement of technology, traditional analog PID control method cannot make a satisfaction, then digital PID control is f
7、ollowed. At last，the application of MATLAB software to achieve their design and simulation is easy to accomplish. The graduation project is to complete the digital PID controller design and simulation through MATLAB simulation and analysis. It is known that through the literature, compare with tradi
8、tional PID controller, the controller has good flexibility and precision of the mathematical models available. In addition, in the number of MATLAB-based PID controller design and simulation, the MATLAB experiment environment is used comprehensively. The entire design is confirmed the wide range and
9、 accuracy of digital PID controller. Key words：PID control；analog PID controller；digital PID controller；MATLAB simulatio II 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题目的及意义1 1.2 数字 PID 控制器的研究现状2 第 2 章 PID 控制器 .3 2.1 传统 PID 控制器概述3 2.2 PID 控制器的基本原理 5 2.2.1 比例(P)调节 6 2.2.2 比例积分(PI)调节 .7 2.2.3 比例积分微分(PID
10、)调节 9 第 3 章 数字 PID 控制器 .13 3.1 数字 PID 控制系统.13 3.2 数字 PID 控制的基本算法.14 3.2.1 位置式 PID 控制算法 14 3.2.2 增量式 PID 控制算法 16 3.2.3 位置算式与增量算式的比较 17 第 4 章 数字 PID 的改进算法 .19 4.1 积分算法的改进.20 4.1.1 积分分离法 21 4.1.2 变速积分法 24 III 4.1.3 遇限消弱积分法 25 4.1.4 梯形积分法 26 4.2 微分算法的改进.27 4.2.1 不完全微分 PID 控制算法 27 4.2.2 微分先行 PID 控制算法 30
11、4.3 带死区的 PID 控制算法.32 第 5 章 基于 MATLAB 的数字 PID 控制器设计及仿真 34 5.1 位置式 PID 控制算法仿真实例.34 5.2 增量式 PID 控制算法仿真实例.35 参考文献 37 谢 辞 37 0 第第1 1章章 绪论绪论 1.11.1 课题目的及意义课题目的及意义 PID控制器又称为PID调节器，是按偏差的比例P、积分I、微分进行控制的调节器的简 称，它主要针对控制对象来进行参数调节。PID控制器问世至今，控制理论的发展经历了古 典控制理论、现代控制理论和智能控制理论3个阶段。在工业控制系统和工程实践中，传统 的PID控制策略依然被广泛使用。因为
12、它算法简单、稳定性好、鲁棒性好、在工程上易于实 现。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 其它技术难以采用时，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。但PID控制器的参数整定方 法复杂，通常采用PID归一参数整定法和试凑法来确定，费时、费力，且不能得到最优的参 数整定。针对这一为题用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法及控制参数对PID控制规律 的影响。利用MATLAB强大的计算仿真能力，解决了利用试凑
13、法来整定参数十分浩繁的工作， 可以方便、快速的找到使系统达到满意的性能指标参数。 1 1.21.2 数字数字PIDPID控制器的研究现状控制器的研究现状 自动化仪表中的调节仪表 ,经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、工 业控制机、或已发展至现场总线系统。尽管装置在信号传送方式、计算运算 方式、元器件等方面都发生了巨大的变化 ,然而核心的控制模式或控制算式却始终以 为主 ,控制的研究历史最悠久 ,在过程控制中 ,应用最广泛 ,获得的成效也很 大 ,这同本质的鲁棒性、本质的优化结构模式与本质的智能化特色密切相关。 的研究包括如下几个方面 : 最优参数整定 ; 算式的最优化结构 ; 以为基础的
14、先进控制系统 ; 自适应 ; 专家系统与智能。 其中 ,后两个方面在模糊集理论、神经网络、遗传算法、混沌集理论等研究的推动下 ,可以 说已经到了白炽化。控制方式经历了 6 0多年的应用考验 ,已证明是一种很好的控制 器模式 ,尤其引人注目的是近年来电气传动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域 ,也 都采用 ,可以说应用领域已大为扩大。 2 第第 2 2 章章 PIDPID 控制器控制器 2.12.1 传统传统 PIDPID 控制器概述控制器概述 常规 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、调整方便、鲁棒性 好和可靠性高，被广泛应用于工业控制。目前，大多数工业对象的动态特性
15、尚未被完全掌 握，得不到精确的数学模型，难以满足控制理论分析的要求，在决定系统参数时，往往还 需要依靠现场调试及经验，而 PID 调节器就充分显示了它的威力。所以它的应用经久不衰， 而且有所发展，应用范围更加广泛。至今它仍是一种最基本的控制算法。 众所周知，著名的 PID 控制是按偏差的比例（P-Proportional）积分（I-Integral） 和微分（D-Derivative）线性组合而进行控制的方式。PID 控制器早在 30 年代末期就已经 出现，经过五十多年不断的更新换代，由模拟 PID 控制器发展到数字 PID 控制器，并被广 泛用于工业过程控制中。所有这些都表明 PID 控制作
16、为一种最基本最常用的控制方式之所 以经久不衰，是因为这种控制算法中包含着一些深刻的本质的东西，需要我们去认识和总 结，这对于研究和设计智能控制器无疑是十分必要的。 目前，大多数工业对象的动态特性尚未被完全掌握，得不到精确的数学模型，难以满 足控制理论分析的要求，在决定系统参数时，往往还需要依靠现场调试及经验，而 PID 调 节器就充分显示了它的威力。所以它的应用经久不衰，而且有所发展，应用范围更加广泛。 至今它仍是一种最基本的控制算法。 PID 控制器提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以 预测未来 PID 控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的 情况下。PID 控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且嵌入在许多有特殊要求的 控制系统中。在过程控制中，绝大多数的控制回路采用 PID 控制器。 为什么 PID 控制器在现代控制系统中应用的如此广泛呢？ 首先，PID 控制器有很长的应用历史，只要设计和参数整定合适，在许多场
