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1、河河南南农农业业大大学学本本科科生生毕毕业业论论文文（设设计计）题 目 PID 控制算法及 MATLAB 仿真分析 学 院 机电工程学院 专业班级 电子信息工程 05 级 2 班 学生姓名 指导教师 撰写日期：2009年 05 月 30 日摘摘 要要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
2、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 Arit
3、hmetic of Using MATLAB SoftwareAbstractSo 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 in
4、tegrity, 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 con
5、troller 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
6、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 th
7、e 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; Paramet
8、er Tuning目目 录录摘 要.1ABSTRACT.11 引言.11.1 国内外研究进展.11.2 本论文研究内容.22 PID 控制算法 .32. 1 模拟 PID 控制算法.42.2 数字式 PID 控制算法.52.3 PID 控制算法的改进 .72.3.1 微分项的改进.72.3.2 积分项的改进.112.4 模糊 PID 控制算法.132.4.1 模糊推理的系统结构.142.4.2 PID 参数在线整定原则 .142.5 PID 控制器研究面临的主要问题.153 MATLAB 编程和仿真.163.1 PID 控制算法分析 .163.2 MATLAB 仿真.174 结语.23参考文献
9、.24致谢.25附录 1.1附录 2.101 引言引言 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
10、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。1.11.1 国内外研究进展国内外研究进展 今天熟知的 PID 控制器产生并发展于 1915-1940 年
11、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)
12、、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1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
13、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，Smith1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
14、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 本论文研究内容本论文研究内容本文在介绍传统的 PIDPID 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
15、 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2糊集表示，并把有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，便可实现对 PID 的参数最佳调整。2 PID 控制算法控制算法 PID 控制器是一种基于偏差在“过去、现在和将来”信息估计的有效而简单的控制算法。而采用 PID 控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于 PID 控制器参数的整定。PID 控制器参数整定，是指在控制器规律己
16、经确定为 PID 形式的情况下，通过调整 PID 控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标6。 对于 PID 这样简单的控制器，能够适用于广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分地反映了 PID 控制器的良好品质。概括地讲，PID 控制的优点主要体现在以下两个方面: 原理简单、结构简明、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器; 控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性，确切地说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏感。 但从另一方面来讲，控制算法的普及性也反映了 PID 控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几个方面:算法结构的简单性决定了 PID 控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等受控对象时，需要通过多个 PID 控制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果；算法结构的简单性同时决定了 PID 控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的；出于同样
