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1、 .基于MATLAB的PID控制器设计摘 要本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）与其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设
2、计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词： PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真；冷却机； / Design of PID Controller based on MATLABAbstractThis paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the
3、 great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, itll
4、exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, matlab simulation software widely used now. this design is to apply
5、that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid controller design method, design a pid controller of temperature control system and observe the output waveform while input step signal through virtual oscilloscope after system completed. Keywords: PID parameter s
6、etting ；PID controller； MATLAB simulation；cooling machine目 录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题来源与PID控制简介11.1.1 课题的来源和意义11.1.2 PID控制简介11.2国外研究现状与MATLAB简介3第二章控制系统与PID调节52.1 控制系统构成52.2PID控制52.2.1比例、积分、微分52.2.2、控制7第三章系统辨识93.1系统辨识93.2系统特性图103.3系统辨识方法11第四章 PID最佳调整法与系统仿真144.1PID参数整定法概述144.2针对无转移函数的PID调整法154.2.1RELA
7、Y FEEDBACK调整法154.2.2 RELAY FEEDBACK 在计算机做仿真154.2.3在线调整法194.2.4 在线调整法在计算机做仿真204.3针对有转移函数的PID调整方法234.3.1系统辨识法244.3.2波德图法与根轨迹法27第五章油冷却机系统的PID控制器设计285.1 油冷却机系统285.1.1油冷却机285.1.2感测与转换器295.1.3 控制组件305.2油冷却机系统之系统辨识315.3油冷却机系统的PID参数整定33结论40致 41参考文献42第一章 绪 论1.1 课题来源与PID控制简介1.1.1 课题的来源和意义任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以有
8、很多种数学形式来描述它，如微分方程、传递函数、状态空间方程等。但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果，比如快速性稳定性准确性等。为了达到最佳的控制效果，我们在闭环系统的中间加入PID控制器并通过调整PID参数来改造系统的结构特性，使其达到理想的控制效果。1.1.2 PID控制简介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 5
9、0 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 控制器由比例单元（ P ）、积分单元（ I ）和微分单元（ D ）组成。其输入 e(t) 与输出 u(t) 的关系为公式（1-1） 公式（1-1）因此它的传递函数为公式（1-2） 公式（1-2） 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调
10、节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化
11、时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（ Kp ， Ki 和 Kd ）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，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用围广。虽然很多控制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，Ki和Kd可以根据过程的动态特性与时整定。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，
12、 PID 参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子，在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。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：如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求
13、在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的 PID 参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算 PID 参数。但仍不可否认 PID 也有其固有的缺点：PID 在控制非线性、时变、耦合与参数和结构不确定的复杂过程时，工
14、作地不是太好。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。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。1.2 国外研究现状与MATLAB简介PID控制中最重要的是对其参数的控制，所以当今国外PID控制技术的研究主要是围绕如何对其参数整定进行的。自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定.根据发展阶段的划分，可分为常规PID参数整定方法与智能PID参数整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法与多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点
15、与难点；按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法与非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。Astrom在1988年美国控制会议（ACC）上作的面向智能控制2的大会报告概述了结合于新一代工业控制器中的两种控制思想自整定和自适应，为智能PID控制的发展奠定了基础。他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化，在文3中继续阐述了这种思想,认为自整定调节器包含从实验中提取过程动态特性的方法与控制设计方法，并可能决定何时使用PI或PID控制，即自整定调节器应具有推理能力。自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究变得日益重要。目前，在众多的整定方法中，主要有两种方法在实际工业过程中应用较好，一种是由福克斯波罗（Foxboro）公司推出的基于模式识别的参数整定方法（基于规则），另一种是基
