毕业论文--基于MATLAB的PID参数整定算法的仿真研究.docVIP

1 引言 1.1 课题研究背景 PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单但却有效的控制算法。由于其算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点，PID控制策略被广泛应用于工业过程控制中。 国际上有一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如日本电子测量仪表制造协会的一份调查报告表明90%以上的控制回路是采用PID控制策略。王伟等在PD整定方法综述中也提到在全世界过程控制中用的84%仍是纯PD控制器，若改进型包括在内则超过90%。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有多个控制回路，其中97%以上是PID控制。可见，在实际生产过程控制中，常规PID控制最为常用，因此，可以将PID控制器看成自动控制的“面包与黄油”。PID控制能被广泛应用和发展，根本原因在于这种控制方法满足实际控制的应用需求和具备应用实现的条件。 在计算机技术没有发展的条件下，大量需求的控制对象是一些较为简单的单输入单输出线性系统，而且对这些对象的自动控制要求是保攀输出变量为要求的恒值，消除或减少输出变量与给定值之误差、误差速度等。而PID控制的结构正是适合于这种对象的控制要求。另一方面，PID控制结构简单、调试方便，用一般电子线路、电气机械装置很容易实现，在无计算机条件下，这种PID控制比其他复杂控制方法具有可实现的优先条件。即使到了计算机出现的时代，由于被控对象输出信息的获取目前主要是“位置信息” 、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高阶的信息无法或很难测量，在此情况下，高维、复杂控制只能在计算方法上利用计算机的优势，而在实际应用中，在不能或难以获得高阶信息的条件下，PID控制器仍是应用的主要方法[1]-[3]。 总而言之，PID控制器历史悠久，生命力旺盛，并以其独特的优点在工业控制中发挥巨大作用。下面简单地回顾PID控制器的发展历史： 第一个阶段：十七世纪中叶至二十世纪二十年代 机器工业的发展，对控制提出了要求。反馈的方法首先被提出，在研究气动和电动记录仪的基础上发现了比例和积分作用，它们的主要的调节对象是火炉的温度和蒸汽机的阀门位置等。调节方式类似于Bang-Bang继电控制，精度比较低控制器的形式是P和PI。 第二个阶段：二十世纪二十年代至四十年代 1953年，泰勒仪器公司的发现了微分作用，微分作用的发现具有重要的意义， 它能直观地实现对慢系统的控制，对该系统的动态性能能够进行调节，与先期提出的比例和积分作用成为主要的调节部件。 第三个阶段:1942年以后至现在 在1942年和1943年，泰勒仪器公司的Zeiger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PD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，特别是近年来随着各种现代控制技术的发展，PID控制器的应用并没有被削弱，相反，新技术的出现对于PID控制技术的发展起了很大的推动作用。一方面，各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器，PID控制技术被注入了新的活力。另一方面，某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制，从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展，使PID控制器的调整方面取得了很多成果。诸如最优PID制（Optimal PID）、预估PID控制(Prective PID)、自适应PID控制(adaptive PID)、自校正PID控制（self-timing PID）、模糊PID控制（Fuzzy PID）、神经网络PID控制（neural PID）、非线性PID控制 (Nonlinear PID)等高级控制策略来调整PID参数。 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 PID控制基础 PID控制器由于结构简单、使用方便、鲁棒性强等优点，在工业控制中得到了广泛的应用，但由于传统PID控制器的结构还不完美，普遍存在积分饱和、过渡时间与超调量之间矛盾大等缺点。所以改进传统PID控制器也就成了人们研究的热点。本章首先介绍了PID控制器的基本原理,然后介绍了数字PID控制及算法。 1.2.1 PID控制器基本原理 图1.1 PID控制系统原理图 如图1.1所示常规PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 （1.1