毕业设计基于Matlab的专家PID控制在快速系统中的仿真及应用.docx

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毕业设计基于Matlab的专家PID控制在快速系统中的仿真及应用

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

专家PID控制在快速系统中的仿真及应用

学院：

＿＿

专业：

＿

班级：

学号：

学生姓名：

＿＿＿＿

指导教师：

＿

2010年06月07日

贵州大学本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均以明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

目录

摘要III

ABSTRACTIV

前言1

第一章绪论2

1.1研究的目的和意义2

1.2国内外研究现状和发展趋势3

1.3本课题的主要研究内容4

第二章PID控制器综述6

2.1常规PID控制器概述6

2.2积分分离PID控制器8

2.2.1积分分离PID控制原理8

2.2.2积分分离PID的主要用途9

2.3专家PID控制器9

2.3.1智能PID控制概述9

2.3.2专家PID控制原理10

第三章专家PID控制及积分分离PID控制在MATLAB上的实现13

3.1MATLAB简介13

3.1.1MATLAB简介13

3.1.2SIMULINK介绍及建模方法13

3.2基于MATLAB的积分分离PID控制器设计15

3.2.1积分分离PID控制器的simulink程序设计15

3.2.2设计过程中的问题分析18

3.3基于MATLAB的专家PID控制控制器设计18

3.3.1专家PID算法的MATLAB实现18

3.3.2专家PID控制器的M文件实现21

3.3.3专家PID控制器的simulink程序设计24

3.3.4设计过程中的问题分析27

第四章系统数学模型的建立28

4.1数学模型的建立方法28

4.1.1数学模型概述28

4.1.2数学建模的一般方法28

4.2基于本课题的数学模型建立30

4.3.1实验设备简介30

4.3.2快速系统简介及控制对象的确定32

4.3.3建立流量控制系统数学模型32

第五章专家PID和积分分离PID在流量控制系统中的应用36

5.1积分分离PID在流量控制系统中的仿真36

5.2专家PID控制在流量系统中的仿真及分析37

5.2.1专家PID在流量控制系统中的simulink仿真37

5.2.2控制系统阈值的重要性分析38

5.2.3专家PID控制器的自适应能力分析40

5.3两种PID算法对比42

5.4专家PID控制系统的优缺点及解决方案43

第六章结论45

参考文献47

致谢48

附录1：

实验控制系统总貌图49

附录2：

实验设备硬件接线图50

附录3：

实验系统的阶跃响应曲线51

专家PID控制在快速系统中的仿真及应用

摘要

智能化理论是PID智能控制器构成的基础，当前智能化理论主要是指专家系统、模糊集理论、神经网络、混沌集理论等内容。

作为专家系统的知识，是实践经验丰富、被证明是有效的知识。

论文主要研究专家PID控制器的设计及其在流量控制系统中的应用，完成了以下工作：

（1）首先介绍了专家PID控制和积分分离PID控制的原理，并运用MATLAB实现了对两种PID控制器的设计及simulink仿真，且对两种PID控制器进行了比较。

（2）其次，文中还对建立数学模型的方法进行了介绍，并针对本课题和实验设备，选取流量为被控对象，使用阶跃响应曲线法建立了流量系统的数学模型。

（3）再次，针对流量系统数学模型，设计了基于专家PID控制算法和积分分离PID控制算法的控制器，对基于两种控制器的流量系统从系统跟随性、抗绕性等方面进行了研究。

除此之外，对专家PID控制器中阈值对系统的影响以及专家PID控制系统自适应能力进行了简要分析。

仿真结果表明，专家PID和积分分离PID的控制效果各有其优点，但专家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。

关键词：

专家PID，专家系统，快速控制系统，simulink仿真，积分分离PID

ExpertPIDcontrolinfastsystem'ssimulationandapplication

ABSTRACT

TheintellectualizedtheoryisthefoundationwhichthePIDintelligencecontrollerconstitutes,Thecurrentintellectualizedtheoryismainlyreferstocontentsexpertsystem,fuzzysettheory,neuralnetwork,chaoscollectiontheoryandsoon.Asexpertsystem'sknowledge,istheexperiencerich,istheeffectiveknowledgebytheproof.Thepapermainlystudiescontroller'sdesignoftheexpertPIDandit’sapplicationinflowcontrolsystem.Completedthefollowingwork:

（1）、First,ThesisdescribestheprincipleofexpertPIDcontrolandintegralseparationPIDcontrol,AnduseMATLABimplementationthetwokindofPIDcontrollerdesignandthesimulinksimulation,AndhascarriedonthecomparisontotwokindofPIDcontrollers.

（2）、Second,Inthearticleamathematicalmodelofthemethodwereintroducedalso.Andforthistaskandexperimentalequipment,Selecttheflowofchargedobjects,EstablishedamathematicalmodeloftrafficsystemThroughstepresponsecurvelaw.

（3）、Third,Inviewofmathematicalmodelfortheflowsystem,DesignedthecontrollerbasedonexpertPIDcontrolalgorithmandtheintegralPIDcontrolalgorithmseparation,basedonthetwocontrollersofflowsystem.Inaddition,BrieflyanalyzedtheinfluenceonexpertPIDcontrollerinthesystemofthresholdandtheauto-adaptedabilityofexpertPIDcontrolsystem.

ThesimulationresultshowthatthecontroleffectofexpertPIDandtheintegralseparatesPIDhasitsownadvantages,ButexpertsPIDcontrolusesthemulti-sectioncontrol,itscontrolprecisionisbetter,andhasexcellentanti-interferenceperformance.

Keywords：

ExpertPID,Expertsystem,RapidControlSystems,Simulinksimulation,integralseparatesPID

前言

近十几年，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。

智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。

在PID控制中，一个至关重要的问题是PID参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。

参数整定的优劣不仅会影响到控制质量，而目还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。

实际工业生产过程往往具有非线性、时变等不确定性干扰，常规PID控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情况[2]。

针对以上问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。

专家智能自整定PID控制器是将专家控制与常规PID控制相结合而具有的自整定、自学习等功能，可以用来描述复杂系统的特性，并通过学习和自组织得到相应的控制策略。

论文以Matlab为基础，研究了两种控制算法：

积分分离的PID和专家PID算法，并结合实验室实验装置，取流量为被控对象，分别建立了流量控制系统的积分分离式PID控制器及专家PID控制器，通过对比研究，分别指出了两种控制器的特点及存在问题。

第一章绪论

1.1研究的目的和意义

目前，智能控制已广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域，如:

复杂的工业过程控制、机器人与机械手的控制、航天航空控制、交通运输控制等，尤其当被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、藕合等难以控制因素、采用其它控制理论难以设计出合适并符合要求的系统时，都有可能应用智能控制理论获得满意的解决[2]。

专家控制是智能控制的一个分支，是先进控制的一种。

其实质是利用专家经验来设计控制器，使控制器具有智能。

本文的目的是用两种PID算法来实现PID控制在快速系统中的仿真及应用。

即：

专家PID和积分分离式PID。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。

但是，要想取得好的控制效果，必须离线或者在线整定PID控制器的参数，使之具有合理的数值。

实际上，任何一个有效的控制设计都需要包含人的经验知识、判断技巧和直觉推理能力。

基于这一想法，本文根据专家系统控制原理，设计了一种专家整定PID控制器，试图把人的判断技巧与推理能力参与到控制系统设计中去。

在专家整定PID控制系统中，PID参数的整定工作由专家系统实现，控制信号仍然由PID控制器给出，专家系统只是间接地影响控制过程。

专家系统拥有整定专家的知识（调试规程），它可以根据控制过程提供的实时信息，自动地在线整定PID参数，改善控制性能。

且专家控制器具有进入稳定状态快的特点；采用专家PID控制器对具有非线性、时变性和分布参数等特性的对象能够得到较好的控制效果。

文中以流量系统为例，并设计积分分离PID控制器，与专家PID控制器相对比，来研究两种算法的优缺点。

积分分离PID控制基本思路是，当被控量与设定值偏差较大时候，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。

当前智能控制器在生产过程控制中的应用都比较单一，一般都起着代替控制系统中PID控制器的作用。

另外无论是神经网络还是模糊控制直接应用于快速时变对象、非线性对象、大滞后对象与多干涉扰动对象都还存在着很多困难。

因此，对智能控制系统的研究是极为重要的。

1.2国内外研究现状和发展趋势

现代控制工程基本围绕下面两个问题进行：

设计时对被控对象及其环境的信息要求越来越少和能在变化了的环境或未知环境下工作这对以精确数学模型为基础的经典控制理论和自适应控制技术来说，目前是一个难以逾越的障碍以研究不确定性问题为目的的人工智能（AI）的发展正在逐步解决上述问题。

近十年来，AI的发展很迅速专家系统（ES）是AI中最活跃的一个领域，ES和智能控制所研究的问题都具有不确定性.Astrom第一个将两者结合，提出专家控制。

专家智能控制系统（EICS）能很好解决现代控制工程提出的问题，因为它避开了装置的数学模型。

自动化仪表中的调节仪表，经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、DDC工业控制机、DCS或PLC已发展至现场总线系统。

尽管装置在信号传送方式、计算运算方式、元器件等方面都发生了巨大的变化，然而核心的控制模式或控制算式却始终以PID为主，PID控制的研究历史最悠久，在过程控制中，应用最广泛，获得的成效也很大，这同PID本质的鲁棒性、本质的优化结构模式与本质的智能化特色密切相关。

PID的研究包括如下几个方面：

PID最优参数整定；PID算式的最优化结构；以PID为基础的先进控制系统；自适应PID；专家系统与智能PID。

其中，后两个方面在模糊集理论、神经网络、遗传算法、混沌集理论等研究的推动下，可以说已经到了白炽化。

PID控制方式经历了60多年的应用考验，已证明是一种很好的控制器模式，尤其引人注目的是近年来电气传动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域，也都采用PID，可以说PID应用领域已大为扩大。

国际著名的自动化仪表厂商都十分注意PID功能的应用，如20世纪70年代至80年代中期，从DCS的PID组态，扩大各种PID控制功能（如抗积分饱和、叠加逻辑状态等）到推出自整定PID控制器（如日本东芝公司的FujiMicer自整定调节器、美国Foxboro公司的Exact自整定调节器、日本横河电机株式会社的YS-80专家自整定调节器）。

DCS装置，如Honeywell公司的TDG-3000、PLC系统装置、OMRON等都提供实现组态的多种编辑器，如IEC1131标准的5种编程语言：

SFC（顺序功能图）、FBD（功能块图）、LLD（梯形逻辑图）、IL（指令语句表）以及ST（结构化文本）。

国外著名DCS公司还都纷纷将仿人智能控制作为软件植入系统装置，从而使智能控制进入了商品化与实用化。

由于工业生产过程复杂，非线性、时变性、时滞性都很突出，客观上对人工智能控制有要求，这就是可能潜在巨大的商机，也是智能控制倍受关注的原因之一[3]。

近年来人工智能的迅速发展为控制理论及应用开辟了崭新的道路，人工智能和控制理论的结合产生了智能控制。

通过对系统特征状态的识别，构造专家式智能PID控制器是一种行之有效的实现智能控制的方法。

在理论研究特别在应用方面，国内与国外差距明显。

国外如日本、欧美等国家不但在理论研究方面走在前列，而且已经有成功应用的产品，Yokogawa电气和Fuji电气的温度控制器，它们把模糊逻辑与标准的PID控制集成在一起来抑制超调，取得了成功。

而国内重复研究的多，创造性研究的少；停留于仿真成果的多，能够在工程上应用的少，尤其是运行时问较长的智能PID控制器可以说微乎其微。

这一状况需要广大理论工作者和工程技术人员共同努力，尽快转变这一局面。

智能PID控制方法将智能控制与传统PID控制结合起来，可以很好地控制复杂的非线性系统，兼顾了各种方法的优点。

随着控制理论和计算机软硬件技术的不断发展和传感器集成化程度的提高，智能PID控制必将是极有发展前途的研究和应用方向。

目前，专家PID广泛应用于自动化仪表、工业控制、动力装置控制等各个领域。

并且随着控制理论和计算机软硬件技术的不断发展和传感器集成化程度的提高，专家智能PID控制必将是极有发展前途的研究和应用方向。

近年来，人们普遍认为:

基于知识和经验的专家系统、基于模糊逻辑推理于计算的模糊控制、基于人工神经网络的神经网络控制及以上方法的交叉与融合，将是今后的研究热点。

1.3本课题的主要研究内容

课题基本内容为专家PID控制在快速系统中的仿真及应用。

设计积分分离的PID控制器，专家PID控制器，并以快速系统为例，在MATLAB上分别使用这两种控制器对系统进行设计及仿真。

根据设计的研究顺序，主要做了以下学习与研究。

（1）、先对本课题所涉及的专家PID控制与积分分离PID控制的原理与控制算法进行了介绍；

（2）、选一任意快速系统为被控对象，运用MATLAB工具对两种PID控制算法进行simulink程序设计及仿真。

并对程序设计过程中的一些问题进行了分析；

（3）、基于实验设备，选流量为快速系统被控对象，并用实验阶跃响应曲线发建立控制系统数学模型；

（4）、用所设计的两种PID控制算法的simulink程序，以流量控制系统为被控对象进行仿真。

在此，对专家PID控制中的一些规则设置进行了分析，并将专家PID控制与积分分离PID控制算法相对比，研究了两种PID控制的抗扰性、稳定性及控制精度。

文中还对控制系统数学建模的一般方法进行了介绍，以及针对本课题的数学建模方法的叙述。

整个论文将控制系统从对任意系统仿真到针对实际控制系统进行建模及仿真，做了流程性的讲述。

第二章PID控制器综述

2.1常规PID控制器概述

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

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。

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控制是一种线性控制，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t），将偏差e（t）的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。

常规PID控制见图2-1。

图2-1普通PID控制框图

控制规律如下：

（2-1）

经拉氏变换，整理成传递函数形式为：

（2-2）

在数字控制系统中，使用的是数字PID控制器，离散化后表示为：

（2-3）

其中：

T为采样时间；Ti、Td分别为积分时间常数和微分时间常数；Kp、Ki、Kd分别为比例增益、积分增益和微分增益。

正确地整定PID数字控制器的参数Kp、Ki、Kd是PID控制的关键。

（1）比例环节：

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

比例控制能迅速反应误差，偏差一旦出现，比例环节立即产生作用来减小误差。

比例作用加大，可以提高系统的响应速度，减小稳态误差；但比例作用过大会使动态性能变坏，超调增加，还会导致闭环系统不稳定。

（2）积分环节：

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

积分环节的作用是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

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。

积分作用有利于消除稳态误差，但又会使系统过渡过程变长；同时，积分的作用太大会使系统的超调增加，甚至使系统出现振荡。

（3）微分环节：

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

微分作用适当增大有利于减小超调，但会使调节时间增加；同时，微分作用会使系统对扰动的抑制能力减弱，在误差信号带噪声的情况下，还会起到放大噪声的作用[5]。

总之，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。

2.2积分分离PID控制器

2.2.1积分分离PID控制原理

在普通PID控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差。

但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过了执行机构可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，这在生产过程中是绝对不允许的[4]。

积分分离控制基本思想是：

当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。

其具体实现步骤如下：

（1）根据实际情况，人为设定阈值ε>0；

（2）当|error（k）>ε|，采用PD控制；

（3）当|error（k）≤ε|，采用PID控制。

积分分离控制算法可表示为：

式中：

e（k）是k时刻调节器的输入与输出的偏差量；Kp是比例系数；Ki是积分系数；Kd是微分系数；T为采样周期；b为积分项的开关系数，

在实际编程当中，也可以对积分分离PID进行改进，采用分段积分分离的方式，根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。

2.2.2积分分离PID的主要用途

积分分离PID控制，在系统误差较大时，取消积分环节；当