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1、摘 要 用计算机实现PID控制，不只是简单的把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的强大运算能力，储存能力和逻辑判断能力结合起来，克服在实际应用中的一些PID控制缺陷。本文罗列了常见的四种PID改进方法，包括积分分离算法，抗积分饱和算法，微分项的改进算法和带死区的数字PID算法，这些控制算法的优点是可以减小系统的超调量，使系统变得稳定，提高了控制系统的品质，能在控制过程中设置输出值的上下限，能在设定值变化时使控制作用的变化较为平缓，在使用带死区PID控制算法后，在一定程度上可以抑制由于执行机构存在回差而可能产生的控制量来回振荡现象。在了解PID改进算法规律数字化的基础上使用面向对象的C+语
2、言在VC+6.0平台上写出了完整的运算代码及仿真界面，具有一定的人机交互界面。同时并以一个具有一定纯滞后的典型热工被控对象为例，在上述仿真环境下，验证各种改进算法的效果，并绘制输出后的仿真曲线。关键词：PID，改进，编程，仿真，C+ IIABSTRACTTo realize the PID control with the computer, not only Digitalization PID control rules simply, but further unifies with computers formidable operational capability、 the sto
3、rage power and logical judgment ability to overcome some PID control flaws in the practical application. This article has displayed four common PID corrective methods, including the integral separation algorithm, the anti-integral saturated algorithm, the differential improvement algorithm and the b
4、elt dead areas digital PID algorithm, these control algorithms not only reduce systems overshoot ,which make the system become stable, thus improve control systems quality ,but also establish the bound of the output in the controlled process, thus resulting in a stable change when the setting value
5、change, after using dead-section PID control algorithm, to a certain extent ,it may suppress the control variable oscillation caused by backlash exit in Actuator . Using the object-oriented C+ language to write the complete operation part and the simulation contact surface in the VC+6.0 platform in
6、the base of understanding the PID improvement algorithm rule digitization, which have certain man-machine interaction contact surface. Simultaneously, take the example that the certain pure time delay typical hot working controlled plant, under the above simulation environment, confirms the effect o
7、f each kind of improvement algorithm and draws up the output simulation curve.KEY WORDS: PID，improve，program，simulate，C+ language 目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 选题背景和意义11.1.1发展现状及背景11.1.2 常用PID递推位置式算法及其不足21.2 国内外发展现状31.2.1 积分分离算法31.2.2 抗积分饱和算法41.2.3 微分项的改进算法51.2.4 不完全微分算法61.2.5 带死区的数字PID算法61.2.6单神经元自适应P
8、ID控制71.3 本文主要内容71.4 本论文的章节安排8第2章 PID改进控制算法设计82.1积分分离算法82.2抗积分饱和算法102.3不完全微分PID控制122.4 微分先行PID控制132.5带死区的数字PID算法13第3章 程序设计153.1 研究现状和开发工具的选择153.2 程序说明153.2.1 PID算法程序说明163.2.1.1 PID算法主程序main.cpp163.2.1.2 PID计算算法过程程序pid calc.cpp173.2.1.3 头文件pid.h203.2.1.4 头文件function.h203.2.2 仿真绘图程序说明203.3 仿真结果比较及人机界面2
9、13.3.1.常规PID算法输出结果如图 3-3：213.3.2.积分分离算法仿真过程及结果如图3-4，3-5：213.3.3抗积分饱和算法仿真结果图3-6233.3.4带死区的数字PID仿真曲线图3-7：243.3.5微分项的改进数字PID仿真曲线图3-8：错误！未定义书签。3.4 仿真结果分析25结论与展望26附录1 PID算法C+编程29附录2 仿真曲线绘图程序38致 谢42华北电力大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 选题背景和意义1.1.1发展现状及背景当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差
10、纠正调节控制系统的响应。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，足以说明它的普遍性，所以PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。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离散化得到，各参数有着明显的物理意义，调整方便，所以PID控制器很受工程技术人员的喜爱。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例
11、控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决，比如PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制环境复杂，或者在输出幅值有限制的情况下，并不能很好的发
12、挥控制作用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器，所以本文的意义是尽可能的改进PID运算规律数字化后的运算算法，并与现在广泛使用的计算机相结合，更加高效的应用在工程方面，使其能够应对各种较为复杂的工作情况，将PID这种简单又实用的控制器应用到更广阔的领域。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，已不再是简单的机械控制，而已经发展到通过网络或自身智能来控制被控对象。这样的产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PI
13、D控制器产品，各大公司均开发了智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器已经不再是简单的数字PID常规控制，而引用了很多改进算法。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功
14、能。随着PID控制器的日趋完善,上文中提到的在PID控制器中引用了许多PID改进算法，来弥补PID不能适应较为复杂的控制环境。如积分分离算法、抗积分饱和算法、微分项的改进算法、不完全微分算法、微分先行算法、带死区的PID控制、单神经元自适应PID控制、融合型智能PID控制器等。而且随着技术的不断发展,肯定会出现越来越多适用不同具体场合的PID控制方法。1.1.2 常用PID递推位置式算法及其不足PID算法在工业控制中应用的最为广泛，其离散数学模型表示为1： （1）式中 k采样序号，k=0,1,2; u(k)第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)第（k1）
15、次采样时刻输入的偏差值；Kp比例系数，KI积分系数，KD微分系数，通常称式（1）为位置式PID控制算法，这种是位置式的非递推形式。当控制器的输出直接控制执行机构的增量时，通常采用的是增量式PID控制算法。增量式PID控制算法的表达式为： （2）其中u(k)、u(k-1)分别为k、k-1时刻的PID控制器的输出值。根据增量式PID算法可以推导出位置式PID算法的递推形式，其表达式为：（3）其中r(k)为系统的输入，y(k)为控制对象的测量量。由于非递推位置式算法的积分项计算时与前K次的误差都有关，计算量大，而且易于出现问题；而递推位置式算法在计算过程中只与最近的三次误差值有关，计算量小，在计算机编程的控制算法中得到广泛的应用。在计算机编程时为了限制PID的输出超限现象，通常对PID控制器进行限幅，控制其输出的最大和最小值。但在实验中我们却发现这种PID算法在加大比例系数时容易产生严重的欠调失控的现象，为此我们利用MATLAB软件对常用的递推位置式PID算法进行了仿真研究。采用了MATL
