PID控制器研究.docx

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PID控制器研究

班级4-0431

学号********

西安电子科技大学

本科生毕业设计论文

题目商用PID控制器研究

学院机电工程学院

专业自动化

学生姓名张良

导师姓名屈胜利

毕业设计（论文）诚信声明书

本人声明:

本人所提交的毕业论文<商用PID控制器研究>是本人在指导教师的指导下独立研究,写作的成果,论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字,研究成果,均在论文中加以说明:

有关教师,同学和其他人员对本文的写作,修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见,建议,均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意.

本论文和资料若有不实之处,本人承担一切相关责任.

论文作者:

（签字）时间:

年月日

指导教师已阅:

（签字）时间:

年月日

西安电子科技大学

毕业设计（论文）任务书

学生姓名张良学号********指导教师屈胜利职称副教授

学院机电工程学院专业自动化

题目名称商用PID控制器研究

任务与要求

现代工业过程控制系统的控制器主要采用PID控制器。

目前在西方发达国家，其工业过程控制系统的控制器，90%采用PID控制器。

作为商品出售的实际的PID控制器与教科书中的PID控制器有较大不同。

实际的商品PID控制器技术，长期以来作为商业秘密而不公开，直达近年才逐渐为人所知。

这个题目具有较大的应用价值。

难度：

中上。

毕业设计任务：

1．

搜集相关的中英文资料，研读分析为了得到好的PID控制器，必须考虑的因素有哪些？

2．根据以上分析研究结果，设计出PID控制器，并于教科书中的PID控制器进行比较。

3．仿真对比研究。

开始日期2008年1月15日完成日期2008年6月1日

院长（签字）年月日

注：

本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。

西安电子科技大学

毕业设计（论文）工作计划

学生姓名张良学号04043095

指导教师屈胜利职称副教授

学院机电工程学院专业自动化

题目名称商用PID控制器研究

一、毕业设计（论文）进度

起止时间工作内容

2008年1月15日——

2008年4月15日查找、阅读文章资料。

2008年4月16日——

2008年6月1日设计出PID控制器，并于教科书中的PID控制器进行比较研究。

2008年6月2日——

2008年6月10日写毕业设计。

二、主要参考书目（资料）

文章、专著。

1．尾形克彦，现代控制工程（第三版），北京：

电子工业出版社，2000年

2．张燕申，控制系统设计与实践，北京：

清华大学出版社，1999年

3．多篇英文资料

三、主要仪器设备及材料

计算机。

四、教师的指导安排情况（场地安排、指导方式等）

每周一次。

五、对计划的说明

注：

本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（计划书双面打印）

西安电子科技大学毕业设计（论文）中期检查表

学院

机电工程学院

专业

自动化

学生姓名

张良

学号

04043095

班级

040431

导师姓名

屈胜利

职称

副教授

单位

自控系

题目名称

商用PID控制器研究

检查内容

检查结果

题目是否更换及更换原因

学生出勤情况

进度评价

（完成总工作量的百分比）

质量评价、进度描述

总体评价

（按优、良、中、及格、不及格五挡评价）

存在的问题与建议

学院审核（盖章）

注：

此表由指导教师填写，5月15日前交学院办公室，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分；此表装订入毕业设计（论文）中。

西安电子科技大学

毕业设计（论文）成绩登记表

学院

专业

自动化

姓名

学号

成绩

题目名称

指导教师

职称

指导教师评语及对成绩的评定意见

签名年月日

答辩小组意见

签名年月日

学院答辩委员会

意见

答辩委员

会主任签名（学院盖章）年月日

注：

学院、专业名均写全称

摘要

现代工业过程控制系统的控制器主要采用PID控制器。

目前在西方发达国家，其工业过程控制系统的控制器，90%采用PID控制器。

作为商品出售的实际的PID控制器与教科书中的PID控制器有较大不同。

实际的商品PID控制器技术，长期以来作为商业秘密而不公开，直达近年才逐渐为人所知。

PID调节器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而被广泛用于过程控制和运动控制中，被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID调节的问题就是PID调节器参数的整定问题.这里介绍几种PID参数整定的方法,比如Ziegler&Nichols法等以及为了获得更好的PID控制效果而做的PID变形,比如anti-windup,积分分离PID,微分先行PID,抗积分饱和PID等等,接下来本人用其中几种来设计PID控制器,并在matlab中仿真实现,用其结果比较说明.

关键字:

商用PIDPID参数整定PID变形Matlab仿真

ABSTRACT

PIDcontrollersarecommonlyusedinmodernindustrialprocesscontrolmainly.Nowadaysinwestadvancedcountries,90%ofthecontrollersinindustrialprocesscontrolsystemsarePIDcontrollers.ThePIDcontrollersavailableascommoditiesarequitedifferentfromthoseillustratedintextbooks.ThetechsofpracticalPIDcontrollersarekeepassecretsforalongtime,whicharejustknowntopeoplerecently

PIDcontrollershavebeendevelopedforalmost70years,whicharecommonlyusedinprocesscontrolandmotioncontrolfortheirsimplicity,goodstability,credibility,easy-tuning.Itisparticularusefulwhentheconfigurationsorparametersofthecontrolobjectsarenotfullyclear,theaccuratemathmodelareunabletoobtain,controltheoriesarenotapplied,ortheconfigurationsorparametersofthecontrollershavetobeensetthroughexperiencesortuningondot.Namelyasystemoracontrolabjectarenotfullycleartous,ortheparameterscannotbeobtainedbyeffectivemeasurement,PIDcontroltechsarepreferred

TheproblemsofPIDcontrollerscommonlyaroundPIDparameters.Herewewilldiscusssomesettingmethods,suchasZiegler&Nicholsmethod&transfigurationofthePIDcontrollersforbettercontrolresultsuchasanti-windup,anti-intergrationsaturation,partialdifferentialandsoon,whichareemulatedinMatlab.theresultofthatareusedforillustrationthroughcomparing.

Keywords:

commercialPIDparameterssettingofPIDtransfigurationofPIDMatlabemulation

第一章绪论

1.1研究背景

PID控制技术是在反馈思想被实际应用（Bennett,1979,1993）以后在工业应用中发展起来的PID控制技术的发展可以分为两个阶段。

第一个阶段为发明（（Invention）阶段，从1900到1940年。

在发明阶段，PID控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心放在实际PID控制器的设计上。

1940年以后是第二阶段一革新（（Innovation）阶段。

在革新阶段，PID控制器己经发展成一种鲁棒的，可靠的，易于应用的控制器。

仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展（Bennett,2001）。

从气动控制（Pneumaticcontrol）到电气控制（Electriccontrol）到电子控制（Electroniccontrol）再到数字控制（Digital

control）,PID控制器的体积逐渐缩小，性能不断提高。

一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展起了重要贡献，甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。

值得指出的是，1939年Taylor仪器公司推出的一款带有所谓"pre-act'，功能的名为“Fulscope"的气动控制器，以及同时期Foxbor。

仪器公司推出的带有所谓"hyper-reset'’功能的“Stabilog”气动控制器，都是最早出现的具有完整结构的PID控制器（Bennett,2001）."Pre-act"与“Haper-reset"功能实际都是在控制器中加入了微分控制。

它以其结构简单、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。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，

控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场

调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

常规PID控制有许多不完善之处，首先问题就是PID控制器参数的整定问题，也就是PID调节的问题.这里介绍几种PID参数整定的方法,比如Ziegler&Nichols法等

在实际应用中,比如工业生产过程中往往具有非线性,时变不确定性,难以建立精确的数学模型,应用常规的PID控制器不能达到理想的控制效果,而且在实际生产现场中由于受到参数整定方法繁杂的困扰,常规PID控制器参数往往整定不良性能欠佳,对运行工况适应性很差.为了获得更好的PID控制效果而做的PID变形,比如anti-windup,积分分离PID,微分先行PID,抗积分饱和PID等等,这都是多年人们不断研究,不断总结,结合实际,从而得出的更符合实际需要的PID控制器.

1.2本文目的

本文根据基本PID原理及PID控制器参数的整定方法设计了基本PID控制器以及根据具体的实际需要改变了其中的一些环节,从而得出了与基本不同的PID控制算法。

这更加符合实际的需要.

本文研究的内容是:

首先理解基本的PID控制器.其次作出PID的变形,这都在Matlab中仿真实现,并和基本PID相比较,说明要得好的PID控制器所要考虑的因素,哪些是可取的,哪些是不利的.

1.3本人主要工作

PID调节在工业应用中应用广泛，各项科研成果层出不穷。

本文主要做了以下工作:

（1）系统介绍了PID控制器的原理和发展状况;系统介绍常规PID调节器和数字PID调节器的控制算法，分析了算法的缺陷，以及其相关改进算法;

（2）介绍了本文所用的系统仿真软件:

MATLAB的基础知识，为下面的系

统仿真提供了基础知识;

（3）根据以上两点所作出的基础,作出PID控制器,并在Matlab中仿真实现,根据方针结果,作出说明,指出不同的因素对PID控制器的不同影响,以及不同环境对不同因素的不同需要.

第二章常规PID控制算法及其改进算法

PID拉制至今仍是应用最广泛的一种实用拉制器各种现代控制技术的出现并没有削弱PID拉制器的应用，相反，新技术的出现对于PID拉制技术的发展起了很大的推动作用。

一方面，各种新的拉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结构的新型拉制器，PID拉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有更精确的PID控制，从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展例如模型预测控制就要求在底层有经过良好整定的PID拉制器.

PID控制是模拟控制系统最常用的控制规律之一。

模拟PID控制系统原理框图如图2.1所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

图2.1

2.1常规PID控制原理

2.1.1常规PID调节器算法

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成控制

偏差:

e（t）=r（t）-y（t）（2.1）

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。

其控制规律为:

其传递函数为:

式中，Kp—比例系数，Ti—积分时间常数，Td—微分时间常数。

PID控制器各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e（t），偏差一旦产生，控

制器立即产生控制作用，以减小偏差。

（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Ti，Ti,越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节:

反映偏差信号的变化趋势〔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

2.1.2参数整定

2.1.2.1常规PID调节器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类:

一是理论计算整定法。

它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。

这种方法所得到

的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

二是工程整

定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，并且方法简单、

易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有稳定边界法、动态特性参数法和衰减曲线法。

三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

现在一般采用的是稳定边界法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:

（I）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

2.1.2.2PID参数整定公式

PID参数自整定包括提取过程动态特性和PID控制器的设计两部分。

为了将复杂的设计过程应用于实际的PID白整定控制器，可以把PID控制器的设计结果表T为一些由过程的简单模型参数或动态特性参数表示的整定公式，即把PID控制器的参数弥，TiTd,b和Tf等用K,L,T等模型参数或Tw,Ku等频域特征参数组成的整定公式表示。

其中基于FOPDT模型的桩定公式是最常见的（Ziegler&Nichols,1942;Cohen&coon,1953;Haalman,1965;Smith&Corripio,1985;Rivera,etal.,1986;Astrom&Hagglund,1995B,2004;Clement&Chidambaram,1997a,19976;Wangetal.,2001;Hagglund&Astrom,2002）。

这些整定公式本身包含了PID控制器的设计过程，可以直接应用于PID自整定控制器中。

Ziegler-Nichols整定公式

1942年Ziegler和Nichols提出了两种经典的获取PID控制器参数的方法（Ziegler&Nichols,1942）。

这两种方法及其改进至今仍在广泛使用。

同时许多自动整定方法也是以Z-N法为基础的。

阶跃响应方法

第一个方法是基于系统的开环阶跃响应，即通过一次调节试验从系统开环阶跃响应中辨识系统FOPDT模型参数。

许多过程都可用FOPDT模型近似表示为:

（2.3.1）

式中，K为静态增益.

L为等价死区时间;T为等价时间常数

设a=KL/T=LR,R=K/T为输出响应最大上升变化斜率.

图2.2

从系统的阶跃响应曲线中获取过程的数学模型参数（R,L），即可用下表所列的Z-N整定公式计算PID参数。

表2.1

频率响应方法

频率响应方法也是基于对系统特征的简单辨识。

对于线性时不变系统，如果输入信号是正弦信号，则稳定后输出信号为同频率的正弦信号，只有幅度和相位发生变化。

系统传递函数可以表述为频率的函数:

其中

叫为输入到输出的幅值增益，

是输入信号与输出信号之间的相移

图2.3

系统的Nyquist曲线上图所示。

曲线上相位为一180。

的点的被称为极限点该点的频率称为临界振荡频率

。

如果在闭环系统中将控制器设为纯比例控制，当比例增益达到足够高时，系统将不稳定。

调节比例增益使系统达到临界状态时，这时控制信号与过程输出都是正弦信号，相差-180。

简单起见假设设定值ysp=0则“u=-Ky·由于系统等幅振荡，可知

，其中临界增益Ku被称为临界比例系数，

为过程传递函数。

由此方程可知

。

这样，Nyquist曲线上的极限点被确定，系统的频域传递函数就可以通过一次调节试验辨识。

基于以上原理，Ziegler和Nichols提出了PID参数整定的第二种方法:

将PID控制器接入控制系统，选用纯比例控制

缓慢增大比例系数，直到系统开始振荡记下临界振荡周期Tu和临界比例系数Ku,。

用下表所列Z-N整定公式计算PID参数。

表2.2

分析

Ziegler-Nichols整定公式是建立在对各种过程的仿真基础上的经验公式。

Z-N方法可以通过简单的调节试验获得决定过程模型的两个参数。

Z-N整定公式的建立准则是1/4衰减比，这样系统有较好的抗负载扰动的特性，但系统的阻尼特性和稳定裕度较差。

Z-N整定公式没有考虑测量噪声、灵敏度和设定值响应，总体性能在许多场合并不理想。

频率响应方法的参数Tu和Ku比阶跃响应方法的参数R和L更容易准确的获取。

阶跃响应方法通常比频率响应方法有更高的环路增益。

两种方法对于PID控制都可以获得比PI控制更好的参数。

2.1.3PID调节器在应用中的局限性和改进方法

2.1.3.1常规PID调节器在实际应用中的局限

（1）由于实现控制系统的器件的物理特性的限制，使得PID控制器获取得原始

信息偏离真实值，而其产生的控制作用偏离理论值。

（2）由于在系统的设计与整定过程中，要兼顾动态与稳定性能，只能采取折衷方案，难以大幅度提高控制系统的性能指标.

（3）对于存在强非线性、快速时变不确定性、强干扰等特性的对象，控制效果较差。

2.1.3.2改讲算法

针对以上局限，可以通过以下几种常规控制算法来加以改进。

（1）改进型积分器

线性积分器的工作原理可以表示为:

（2.3.2）

式中，Ti为积分常数。

由于ei（t）=0时，积分器存在保持作用，往往使得控制器

在误差输入为零时，控制作用过强，导致较太的超调，甚至影响系统的稳定性。

如果当ei（t）=0时，eo（t）也为零，则能较好地抑制超调，增加系统的稳定性。

即:

（2.3.3）

为了实现上述所示的理想积分器，人们提出了各种类型的非线性积分器，它

们的相位滞后都较小。

常见的有:

①Clegg非线性积分器（CNI）;

②Karybakas非线性积分器（KNI）;

③智能非线性积分器（INI）,

这些非线性积分器通过对线性积分器的改进，既保留了对输入信号幅值进行

积分、减小乃至消除静差的能力，又减小了相位滞后，改善了动态性能。

（2）跟踪微分器

在实际系统中，输入信号常常不可微，甚至不连续，而输出信号的量测又常

常有噪声污染，因此误差信号e（t）=r（t）-y（t）的微分信号不便提取。

采用跟踪微

分器则能较好地解决这一问题。

研究表明，跟踪微分器不仅使从含有噪声或不可微分的信号中提取微分信号

成为可能，而且由其构成的PID控制器由于不依赖对象的具体数学表达式，因此有较强的适应性。

但此PID控制器的稳定性分析以及参数整定尚无确定的方法，只能通过仿真和实验来确定。

但是由于该算法主要针对稳态值附近的响应过程发挥作用，因而如果系统的初始PID参数整定不好，或者存在大的外部扰动，或者对象参数时变较大，则系统的控制性能不会得到很大提高。

2.2数字PID控制

在连续—时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。

其设计技术成熟，

长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制

要求。

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.在计算机PID控制中，

使用的是数字PID控制器。

数字PID控制比连续PID控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题、经修正而得到更完善的数字PID算法。

2.2.1位置式PID控制算法

按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶向后差分近似代替微分，即:

可得离散PID表达式:

式中

T为采样周期,k=1,2,….e（k）和e（k-1）

分