PID控制算法及MATLAB仿真分析

河南农业大学本科生毕业论文（设计）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：PID控制；结构简单；鲁棒性；控制算法；参数整定ResearchofthePIDControlArithmeticofUsingMATLABSoftwareAbstractSofar,thePIDisthemostcommoncontrolarithmetic.Itsstructureissimpleandeasytoimplement,however,thecontroleffectisperfectandithasastrongrobustcharacteristics.Thephysicalparametersis,meaningof,theoreticalanalysisofsystemisintegrity,anditisfamiliarbytheengineeringsector,whichintheindustrialprocesscontrolhasbeenwidelyused.Fortheactualneeds,agoodparameterPIDcontrollertuningmethodcannotonlyreducetheburdenonoperators,butalsomakethesystemrunningatbest.Therefore,thefixedPIDcontrollerparametertuningstudyhasimportantpracticalsignificance.Inthispaper,wewillintroducethedevelopmenthistoryandtheresearchprogressofPIDcontroltechnology，analysisthetraditionalanaloganddigitalPIDcontrolalgorithm.andimprovethedifferentialandintegraloftraditionalPIDcontrolalgorithm.Learnseveralmethodsweusedcommom.SuchasnotfullydifferentialPIDcontrolalgorithm,firstdifferential,whenlimitedtoweakentheintegralPIDcontrolalgorithm.basedonstudy,wewilllearntheexpertfuzzycontrolalgorithmthatcanself-tuningPIDparameters.fromthesimulationresultswecanseethatcomparedthegeneral(anti-saturationcontrol),thismethodofparameterself-tuninginregulationtime,overshootsuppressionandstabilitywell,Itcanpromotebeusedinindustry.Keywords:PIDControl;SimpleStructure;Robustness;ControlArithmetic;ParameterTuning目录摘要............................................................................................................................1ABSTRACT...................................................................................................................11引言............................................................................................................................11.1国内外研究进展...............................................................................................11.2本论文研究内容................................................................................................22PID控制算法.............................................................................................................32.1模拟PID控制算法..........................................................................................42.2数字式PID控制算法.......................................................................................52.3PID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...........................................................................142.4.2PID参数在线整定原则.......................................................................142.5PID控制器研究面临的主要问题..................................................................153MATLAB编程和仿真.............................................................................................163.1PID控制算法分析...........................................................................................163.2MATLAB仿真...............................................................................................174结语...........................................................................................................................23参考文献......................................................................................................................24致谢......................................................................................................................25附录1.............................................................................................................................1附录2.............................................................................................................................111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]。1.1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