基于MATLAB的PID工具箱的設計第一章引言當今的自動控制校術大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素:測量、比較和執行。測量關心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和調節控制系統的響應。反饋理論及其在自動控制中應用的關鍵是做出正確測量并與之比校后，如何用于系統的糾正與調節。在過程系統中，PID類控制器因其結構簡單、參數物理意義明顯、整定方便、魯棒性強等優勢，應用特別廣泛，整定算法和改進控制其結構在文獻中也多有報道，然而在MATLAB下至今尚沒有被廣泛接受的PID控制工具箱。為了解決這一難題，需要將各種典型的控制器模型統一集中到一個工具箱中。可以讓用戶不用編程序，只通過簡單的模塊組合就能完成PID控制器的設計與仿真。本論文的研究對象是面向工業過程的PID控制器參數的整定。通過仿真實例詳細分析了P、I、D三參量對系統動態性能的影響，給出了用MATLAB求取PID整定參數的方法,通過該方法用戶可以只用一條命令就可以輕易的完成一種整定方法.工業過程控制涉及的被控對象大多具有下述特點:1)對象的動態特性是不振蕩的對象的階躍響應通常是單調曲線，被調量的變化比較緩慢。工業對象的幅頻特性和相頻特性隨著頻率的增高都向下傾斜。2)對象動態特性有遲延由于遲延的存在，控制器動作的效果往往需要經過一段遲延時間后才會在被調量上表現出來。3)被控對象本身是穩定的或中性穩定的4)被控對象往往具有非線性特性對于被控對象的非線性特性，如果控制精度要求不高或者負荷變化不大，則可以用線性化方法進行處理。本論文只針對線性系統模型進行仿真研究。控制器部分采用由來已久的PID控制器。PID類控制器包括了PI,PD,PID控制器及其很多變形的PID控制器。在生產過程自動控制的發展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制器方式。在上世紀40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關控制外，基于MATLAB的PID工具箱的設計它是唯一的控制方式。此后，隨著科學技術的發展特別是電子計算機的誕生和發展，涌現出許多新的控制方法。然而直到現在，PID控制由于它自身的優點仍然是得到最廣泛應用的基本控制方式。在應用PID控制器的生產過程中，當工況發生變化時需要調整控制器的參數，這即是PID控制器的參數整定。本論文采用的PID整定方法是指工程整定方法中的動態特性參數法。其整定規則由PIandPIDControllerTuningRules一書提供。另外,在該論文的第三章中用例子對P、I、D的原理以及其對系統的影響進行了仿真.通過該仿真可以更明了的PID控制器在過程控制中的優越性.在論文的第四章通過MATLAB中提供的GUIDE命令調出一個空白界面設計的窗口,根據要求設計出該課題所需的界面.通過對各個控件的屬性修改和回調函數的填寫,經調試得出最終的PID工具箱基于MATLAB的PID工具箱的設計第二章MATLAB簡介2.1MATLAB發展簡史與特點MATLAB是有TheMathWorks公司推出的用于仿真的軟件。MATLAB語言是一種十分有效的工具，它能容易地解決在系統仿真及領域的教學與研究中遇到的問題，它可以將使用者從繁瑣，無謂的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多的花在解決科學問題中，這樣無疑會提高工作效率。經過幾十年的發展和研究，不斷的完善其功能。現在MATLAB已經推出7.8版本，占據了數值軟件市場的主導地位。目前，MATLAB已經成為國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，現在的MATLAB已經不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經成為了一種具有廣泛應用前景的、全新的計算機高級編程語言了，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內外高校和研究部門正扮演著重要的角色。MATLAB語言的功能也越來越強大，不斷適應新的要求提出新的解決方法。MATLAB長于數值計算，能處理大量的數據，而且效率比較高。該產品組是支持從概念設計、算法開發、建模仿真和實時實現的理想的集成環境。無論是進行科學研究還是產品開發，MATLAB產品組都是必不可少的工具。MATLAB產品組可以用來進行:數據分析、數值和符號計算、工程與科學繪圖、控制系統設計、數字圖像信號處理、財務工程、建模仿真原型開發、應用開發、圖形用戶界面設計。如果單純地使用MATLAB語言進行編程而不采用其它外部語言，則用MATLAB語言編寫出來的程序不作絲毫的修改便可以直接移植到其它機型上使用，所以說與其它語言不同，MATLAB是和機器類型和操作系統基本上無關的，與其他它程序設計語言相比，MATLAB語言有如下的優勢:(1)MATLAB語言的簡潔高效性使編程效率高MATLAB是一種面向科學與工程計算的高級語言，允許用數學形式的語言編基于MATLAB的PID工具箱的設計寫程序，且比BASIC.FORTRAN和C等語言更加接近我們書寫計算公式的思維方式，用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。(2)用戶使用方便MATLAB語言是一種解釋執行的語言(在沒被專門的工且編譯之前)，它靈活、方便.其調試程序手段豐富，調試進度快，需要學習時間少，人們用任何一種語言編寫程序和調試程序一般都要經過四個步驟:編輯、編譯、鏈接，以及執行和調試。(3)擴充能力強，交互性好高版本的MATLAB語言有豐富的庫函數，在進行復雜的數學運算時可以直接調用，而且MATLAB的庫函數同用戶文件在形式上一樣，所以用戶文件也可作為MATLAB的庫函數來調用。因而，用戶可以根據自己的需要方便地建立和擴充新的庫函數，以便提高MATLAB的使用效率和擴充它的功能。(4)MATLAB語言方便的繪圖功能MATLAB的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(命令)，這種為科學研究著想的設計是通用的編程語言所不能及的。MATLAB語言可以用最直觀的語句將實驗數據或計算結果用圖形的方式顯示出來，并可以將以往難以出來的隱函數直接用曲線繪制出來。2.2MATLAB圖形用戶界面(GUI)計技術用戶界面是指人與機器之間交互作用的工具和方法，交換信息的接口。圖形用戶界面(GraphicalUserInterfaces,GUI)則是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象構成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法選擇、激活這些圖形對象，使計算機產生某種動作或變化，比如實現計算、繪圖等。隨著Windows技術的發展，MATLAB的用戶及TheMathWorks公司的開發者們逐漸意識到在多個窗口界面下運行MATLAB的必要性和可行性。1992年TheMathWorks公司推出了具有創造性意義的MATLAB4.0版本，并于次年正式推出了MATLAB4.0版的PC機版本，以適應日益流行的MicrosoftWindows環境下使基于MATLAB的PID工具箱的設計用。MATLAB4.0版本一出現，立即引起了使用者和程序開發人員的極大興趣，因為它使在其它語言環境下看起來十分復雜的WINDOWS圖形界面設計顯得非常的容易和方便。MATLAB5.0版的出現使MATLAB圖形界面設計技術進入了一個新的階段。該版本提供了一個實用的用戶圖形界面開發程序Guide，然而在該版本中其功能很不完善，6.0版中提供的Guide程序功能有了很大的改觀，但有些地方也不甚理想，MATLAB6.1中增強了Guide程序的功能，它完全支持可視化編程，其方便程度類似于VisualBasic。將它提供的方法和用戶的MATLAB編程經驗結合起來，可以很容易地寫出高水平的用戶界面程序。基于MATLAB的PID工具箱的設計第三章PID控制器設計3.1PID控制器原理PID控制器，是比例P、積分I、微分D控制的簡稱，它是一種負反饋控制。PID控制器是最早發展起來的控制策略之一，在生產過程的發展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。因為這種控制具有簡單的控制結構，在實際應用中又較易于整定，所以它在工業過程控制中有著最廣泛的應用。PID控制器結構簡單，各參數物理意義明確，控制參數相互獨立，參數選定比較簡單，適用面廣，在工程上易于實現；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優控制。PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活。長期以來被廣大科學技術人員及現場操作人員所采用，并積累了大量的經驗。特別是在化工過程控制中，由于控制對象的精確數學模型難以建立，系統參數又經常發生變化常采用PID控制器，并根據經驗進行在線整定。隨著計算機技術的發展，PID控制已能用微機方便地實現。由于計算機軟件的靈活性，PID算法可以得到改進而更加完善，并可與其它控制規律結合在一起，產生更好的控制效果。即使在控制理論日新月異發展的今天，在工業過程控制中，90%以上的控制器仍然是PID控制器。PID控制的優點:1)原理簡單，使用方便。2)適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產部門。按PID控制進行工作的自動調節器早己商品化。在具體實現上它們經歷了機械式、液動式、氣動式、電子式等發展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最新式的過程控制計算機，其最基本的控制功能也仍然是PID控制。3)魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。基于MATLAB的PID工具箱的設計一種控制方法能被廣泛應的和發展，根本原因在于這種控制方法能滿足實際控制的應用需求和具備應用實現的條件。在計算機技術沒有發展的條件下，大量的控制對象是一些較為簡單的單輸入單輸出線性系統，而且對這些對象的自動控制要求是保持輸出變量為要求的恒值，消除或減少輸出變量與給定值之誤差、誤差速度等。而PID控制的結構，正是適合于這種對象的控制要求。另一方面，PID控制結構簡單、調試方便，用一般電子線路、電氣機械裝置很容易實現，這種PID控制比其它復雜控制方法具有可實現的優先條件，即使到了計算機出現的時代，由于被控對象輸出信息的獲取目前主要是“位置信息”、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高階的信息無法或很難測量，在此情況下，高維、復雜控制只能在計算方法上利用計算機的優勢，而在實際應用中，在不能或難以獲得高階信息的條件下，PID控制或二階形式的控制器仍是應用的主要方法。在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。典型模擬PID控制系統原理框圖如下圖所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。從圖中可以看出，在PID控制器下，分別對誤差信號e(t)進行比例、積