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1、内蒙古科技大学课程设计题 目：专家PID控制系统仿真学生姓名：张晓宇学 号：1267106302专 业：自动化班 级：自12-3班指导教师：李仲德专家PID控制系统仿真摘 要简单介绍了常规PID控制的优缺点和专家控制的基本原理，介绍了专家PID控制的系统结构，针对传递函数数学模型设计控制器。 基于MATLAB的simulink仿真软件进行应用实现，仿真和应用实现结果均表明，专家PID控制具有比常规PID更好的控制效果，且具有实现简单和专家规则容易获取的优点。论文主要研究专家PID控制器的设计及应用，完成了以下工作：（1）介绍了专家PID控制和一般PID控制的原理。（2）针对任务书给出的受控对象
2、传递函数G(s)=523500/(s3+87.35s2+10470s) ，并且运用MATLAB实现了对两种PID控制器的设计及simulink仿真，且对两种PID控制器进行了比较。（3）结果分析，总结。仿真结果表明，专家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。关键词：专家PID，专家系统，MATLAB， simulink仿真 Expert PID control system simulationAbstractThe advantages and disadvantages of conventional PID control and the basic princ
3、iple of expert control are briefly introduced, and the structure of expert PID control system is introduced. Simulink simulation software based on MATLAB is implemented. The simulation and application results show that the expert PID control has better control effect than the conventional PID, and h
4、as the advantages of simple and easy to get.This paper mainly studies the design and application of the expert PID controller:（1）介绍了专家PID控制和一般PID控制的原理。(1) the principle of PID control and PID control is introduced in this paper.（2）针对任务书给出的受控对象传递函数G(s)=523500/(s3+87.35s2+10470s) ，并且运用MATLAB实现了对两种PID控
5、制器的设计及simulink仿真，且对两种PID控制器进行了比较。(2) the controlled object transfer function G (s) =523500/ (s3+87.35s2+10470s), and the use of MATLAB to achieve the design and Simulink simulation of two kinds of PID controller, and the comparison of two kinds of PID controller.（3）结果分析，总结。(3) result analysis, summa
6、ry.仿真结果表明，专家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。The simulation results show that the control accuracy of the expert PID control is better than that of the control.Key words: Expert PID , MATLAB, expert system, Simulink, simulation目录摘 要IAbstractII第一章 引 言21.1 研究目的和意义21.2国内外研究现状和发展趋势3第二章PID控制器综述32.1常规PID控制
7、器概述32.2专家PID控制器3第三章 专家PID控制在MATLAB上的实现43.1简介43.2设计专家PID 控制器的实现方法53.3.专家PID控制器的S函数的M文件实现73.4专家PID控制器的simulink设计83.5专家PID控制和传统PID比较13第四章 结论144.1专家PID控制系统的优缺点及解决方案144.2最终陈述14第一章 引 言近十几年，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注
8、和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。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，被广泛应用于工业过程控制。在PID控制中，一个至关重要的问题是PID参数(比例系数、积分时间、微分时间)的整定。参数整定的优劣不仅会影响到控制质量，而目还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。实际工业生产过程往往具有非线性、时变等不确定性干扰，常规PID控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情况。针对以上问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。专家智能自整定PID控制器是将专家控制与常规PID控制相结合而
9、具有的自整定、自学习等功能，可以用来描述复杂系统的特性，并通过学习和自组织得到相应的控制策略。论文以Matlab为基础，研究了两种控制算法：一般的PID和专家PID算法，通过对比研究，分别指出了两种控制器的特点及存在问题。1.1 研究目的和意义目前，智能控制已广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域，如:复杂的工业过程控制、机器人与机械手的控制、航天航空控制、交通运输控制等，尤其当被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、藕合等难以控制因素、采用其它控制理论难以设计出合适并符合要求的系统时，都有可能应用智能控制理论获得满意的解决。专家控制是智能控制的一个分支，是先进控制的一种。其实质是利
10、用专家经验来设计控制器，使控制器具有智能。本文的目的是用两种PID算法来实现PID控制在快速系统中的仿真及应用。1.2国内外研究现状和发展趋势目前，专家PID广泛应用于自动化仪表、工业控制、动力装置控制等各个领域。并且随着控制理论和计算机软硬件技术的不断发展和传感器集成化程度的提高，专家智能PID控制必将是极有发展前途的研究和应用方向。近年来，人们普遍认为:基于知识和经验的专家系统、基于模糊逻辑推理于计算的模糊控制、基于人工神经网络的神经网络控制及以上方法的交叉与融合，将是今后的研究热点。第二章PID控制器综述2.1常规PID控制器概述在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微
11、分控制，简称PID控制，又称PID调节。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。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。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。2.2专家PID控制器概括的讲，智能控制就是拟人智能的控制，也就是说，所设计的控制系
12、统不仅能自动地处理数据、信息，而且能处理知识，具有推理、判断、决策等能力，是人工智能、计算机技术与控制理论相结合的控制。专家控制系统是智能控制的主要内容之一，建立在控制理论和人工智能技术基础之上，为工业自动化控制的系统设计提供了新的方法。与一般的经典控制系统相比，专家控制系统的基本特性，是基于知识的结构和处理不确定性问题的能力。尽管己有许多方法来提高经典控制系统处理不确定性问题的能力，如鲁棒控制、自适应控制等，但是它们仍然难以应用到工业过程中.这是因为传统先进控制系统采用的是纯粹的分析结构、线性和时不变约束等，而且难以被用户理解。通过引入专家系统技术，使系统具有灵活性、可靠性和处理不确定信息的
13、能力:可以进行预测、诊断错误、给出补救方案，并且监视其执行，以保证控制性能。专家PID控制是在常规PID控制的基础上，根据专家及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统而提出的控制方法。其主要特点是分区进行不同算法的调节，它既有Bang-Bang控制（最优控制）的快速性，又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。专家整定 PID控制器，把人的判断技巧与推理能力参与到控制系统设计中去。在专家整定PID控制系统中，PID参数的整定工作由专家系统实现，控制信号仍然由 PID控制器给出，专家系统只是间接地影响控制过程。总之，专家PID控制的思想就是以误差e和误差变化率e为约束，对不同阶段的PID参
14、数进行智能整定，以适应对动态性能和稳态精度都较高的控制系统。第三章 专家PID控制在MATLAB上的实现3.1简介专家控制(Expert Control)的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制。任何一个控制系统都是由被控对象和控制器两大部分构成。无论是经典控制理论还是现代控制理论，它们主要研究的目标就是被控对象的动态行为。而控制器的设计通常是在被控对象数字模型已知的情况下进行的。但是在多数情况下，建立被控对象的数字模型并不是一件容易的事情，尤其是当对象具有非线性，时变性和分布参数等特性时，数字模型的建立
15、就更加困难。PID控制算法由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等特点，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；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工作情况的适应性很差。因此，常规PID控制的应用受到限制和挑战。因此，人们对PID控制做了各种改进工作。3.2设计专家PID 控制器的实现方法令e(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，e(k-1)、e(k-2)分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有：e(k)=e(k)-e(k-1)； (3-1)e(k-1)=e(k-1)-e(k-2) (3-2)专家PID控制器主要由专家判断组成，根据误差e(k)及其变化e(k)，可设计专家PID控制器，该控制器可分为以下5种情况进行设计：(1)当|e(k)|M1时，说明误差已经很大，控
