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1、改进的PID控制算法研究摘 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，在生产过程的自动控制领域中，按照偏差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)进行控制的PID的基本控制方式。由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程并取得了良好的控制效果。但是随着科学技术的不断进步和发展，被控对象正变得越来越复杂，而人们对其控制精度的要求却日益提高，然而一般PID控制技术却越来越不适应现代工业对象的变化，由于计算机进入控制领域，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控
2、制更加灵活。论文首先介绍了PID的基础知识与原理之后介绍了一般PID控制在工业过程控制中经常用到的两种形式，位置式和增量式。之后着重介绍了两种改进的PID控制算法：积分分离PID算法与不完全微分PID算法，比较传统控制算法与改进的算法的优缺点，并基于MATLAB对其进行仿真，讨论仿真结果。仿真结果表明：积分分离控制算法和不完全微分控制算法可以提高控制精度和消除系统高频干扰等。证明改进的PID控制算法相比一般PID控制算法有很多优点。关键词：改进PID控制；积分分离；不完全微分Improved PID Control AlgorithmAbstractPID control as the old
3、est, most viable way to control automation in the production process has played a huge role in the production process of the automatic control field, in accordance with the deviation ratio (P), integral (I), and differential (D) to control the basic PID control method. As the algorithm is simple and
4、 robust and reliable, are widely used in industrial processes and achieved a good control effect.But with the advancement of science and technology and development, the controlled object is becoming more and more complex, but it demands of its control precision is increasing, but the general PID con
5、trol technology has become increasingly incompatible with the object of change in modern industrial A computer access control field, instead of using digital computer simulation of the computer component computer control system regulator, PID control algorithm with software, and can use the computer
6、s logic to PID control more flexible. Paper first introduces the basic knowledge and principles of PID after the introduction of the general PID control in industrial process control is often used in two forms, location, type and incremental. After highlighting the two modified PID control algorithm
7、: PID algorithm integral separation incomplete differential PID algorithm with the more traditional control algorithm and the improved algorithm of the advantages and disadvantages, and its simulation based on MATLAB to discuss the simulation results.Simulation results show that: Integral control al
8、gorithm and incomplete separation of differential control algorithm can improve the control precision and high-frequency interference elimination system. Improved PID control algorithm that compared with the general PID control algorithm has many advantages.Key words: Improved PID control; integral
9、separation; not fully differential目 录摘 要IAbstractII第1章 引言11.1 课题产生背景11.2 研究现状21.3 本课题主要任务4第2章 PID控制算法62.1 PID控制原理62.2 数字PID控制92.2.1 位置式PID控制算法92.2.2 增量式PID控制算法102.3 PID控制优缺点11第3章 积分分离PID控制算法及仿真143.1 积分分离PID控制算法143.2 MATLAB软件介绍173.3 积分分离PID控制仿真19第4章 不完全微分PID控制算法及仿真224.1 不完全微分PID控制算法224.1.1 不完全微分PID控制
10、算法一224.1.2 不完全微分PID控制算法二244.2 不完全微分PID控制仿真26第5章 结论32参考文献33谢辞34源程序35V第1章 引言1.1 课题产生背景PID控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除了在最简单的情况下可以采用开关控制外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出了许多新的控制方式。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。PID控制具有以下优点1:(1) 原理简单，使用方便；(2) 适应性强，可以广
11、泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门；(3) 鲁棒性强。PID控制由于结构简单、工作稳定、鲁棒性好等因素在当今的工业过程控制中仍占有主导地位。随着PID控制器的日趋完善出现了许多改进型的PID控制器，如积分分离型、不完全微分型、微分先行型、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。但随着技术的不断发展，会出现越来越多适用不同具体场合的PID控制方法。在普通PID控制中引入积分环节的目的，主要是为了消除静态误差，提高控制精度。但是在过程的启动、结束或大幅度增减时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可
12、能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在有些系统中是绝对不允许的。PID被广泛应用在各个范围内使其变得非常广泛化，改进的PID控制算法可以被用在很多行业之中，也正应为其广泛性，所以对于PID改进控制算法的研究变的十分有意义。简单说来，PID控制器各个校正环节的作用如下:(1) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号。error(t)偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T1，T1越大，积分作用越弱，反之越强。(3) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势(
13、变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。1.2 研究现状PID调节器是一种较为理想的传统调节器, 其比例作用起主要调节作用，一般只有比例作用能单独完成自动调节控制。但是，仅采用比例调节，系统会存在稳态误差。积分作用的引人可以实现无差调节，但又容易过调使系统产生振荡；微分作用能减小动态偏差，用于克服对象的迟延和减小积分作用造成的过调比较有效，但不能单独使用。在实际应用中，总是以比例调节为主，根据对象特性和调节要求适当加入积分和微分调节作用，构成较为完善的PID调节器。为了实现无差调节，传统的PID调节器引人积分作用后,不可
14、避免地使系统的调节过程发生超调。适度的超调对于提高系统的响应速度是有利的，但过度超调将使系统发生振荡，甚至使系统不稳定。PID参数整定时如何使系统保持适度的超调始终是一个难点,而全程调节系统中对象特性参数的变化更使得整定过程复杂化。在现代由于计算机进入控制领域，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法2。在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。目前有位置式PID控制算法以及增量式
15、PD控制算法。位置式PID控制算法由于采用了全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对error(k)量进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的控制量u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)可能会出现大幅度的变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制的控制算法。增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少的优点:(l) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。(2) 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。(3) 算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但是增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置式控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实
