1、智能控制系統論文學 號： 31309045 姓 名： 王開祥 學 院：電子信息與電氣工程學部1緒論22 PID控制原理簡介32.1引言32.1PID控制原理32.2比例控制(P)42.3積分調節(I)52.4微分調節(D)63PID控制器應用技術簡介83.1數字PID控制算法原理83.2位置式PDI控制算法83.3 控制規律的選擇103.4 PID控制器的參數整定104模糊PID控制器及系統仿真104.1模糊自適應PID控制系統104.2 常規PID和模糊自適應PID控制系統的仿真比較114.4模糊自適應PID控制系統仿真135 總結16模糊自適應PID控制器及Simulink仿真摘要:隨著工

2、業生產的發展，于20世紀30年代，美國開始使用PID功調節器，它比直接作用式調節器具有更好的控制效果，因而很快得到了工業界的認可。至今，在所有生產過程控制中，大部分的回路仍采用結構簡單、魯棒性強的PID控制或改進型PID控制策略。PID控制作為一種經典的控制方法，幾乎遍及了整個工業自動化領域，是實際工業生產過程正常運行的基本保證;控制器的性能直接關系到生產過程的平穩高效運行以及產品的最終質量，因此控制系統的設計主要體現在控制器參數的整定上。隨著計算機技術的飛躍發展和人工智能技術滲透到自動控制領域，近年來出現了各種實用的PID控制器參數整定方法。PID控制算法作為最通用的控制方法，對它的參數整定

3、有許多方法;對于不同的控制要求、不同的系統先驗知識，考慮用不同的方法;這些算法既要考慮到收斂性、直觀、簡單易用，還要綜合負載干擾、過程變化的影響，并能根據盡可能少的信息和計算量，給出較好的結果。為克服一自由度PID控制器無法兼顧目標跟蹤和外擾抑制的缺點，結合二自由度控制器的結構和基于幅值最優化的控制器參數整定方法，并通過分析得到控制器參數求解公式，實現了二自由度PID控制器參數整定和二自由度Pl控制器參數整定。與常規控制方法相比，該方法得到的控制器具有更好的閉環響應性能，并且由于二自由度系數的半固定性，在整定PID控制器參數之前就可以確定，因此，對控制器參數的求解難度無影響。通過仿真比較研究，

4、對于連續對象，綜合得到幾種較好的基于繼電器反饋的控制器參數整定方法，對離散采樣數據采用基于最小二乘模型辨識的參數整定方滬書尸摘要法，提出并設計基于Matlab/simulink仿真工具的PID控制器參數整定仿真應用軟件。介紹了PID整定控制器的應用框架、輔助設計與仿真軟件的功能、特點，并給出了仿真實例。關鍵詞：模糊PID控制器參數自整定 Matlab 自適應PID控制1緒論在工業控制中，PID控制是工業控制中最常用的方法。模糊控制已成為智能自動化控制研究中最為活躍而富有成果的領域。其中，模糊PID控制技術扮演了十分重要的角色，并目仍將成為未來研究與應用的重點技術之一。到目前為止，現代控制理論在

5、許多控制應用中獲得了大量成功的范例。然而在工業過程控制中，PID類型的控制技術仍然占有主導地位。雖然未來的控制技術應用領域會越來越寬廣、被控對象可以是越來越復雜，相應的控制技術也會變得越來越精巧，但是以PID為原理的各種控制器將是過程控制中不可或缺的基本控制單元。本文將模糊控制和PID控制結合起來，應用模糊推理的方法實現對PID參數進行在線自整定，實現PID參數的最佳調整，設計出參數模糊自整定PID控制器，并進行了Matlab/Simulink仿真。仿真結果表明，與常規PID控制系統相比，該設計獲得了更優的魯棒性和動、靜態性及具有良好的自適應性。隨著工業生產過程的日趨復雜化，系統不可避免地存在

6、非線性、滯后和時變現象。其中有的參數未知或緩慢變化;有的帶有延時和隨機干擾;有的無法獲得較精確的數學模型或模型非常粗糙。傳統的PID(比例proportional，積分integral，微分derivative)控制器雖然以其結構簡單、工作穩定、適應性好、精度高等優點成為過程控制中應用最為廣泛最基本的一種控制器(據日本統計，當前工業上使用的控制中，PID控制約占91.3%，而現代控制理論的控制方式只有1.5%)，而且PID調節規律特別是對于線性定常系統的控制是非常有效的，一般都能夠得到比較滿意的控制效果，其調節品質取決于PID控制器各個參數的確定。然而，針對上述的復雜系統，如果使用常規的PID

7、控制器，其PID參數不是整定困難就是根本無法整定，因此不能得到滿意的控制效果。為此，近年來各種改進的PID控制器如自校正、自適應PID及智能控制器迅速發展起來。模糊控制理論無論從理論方面還是應用方面都已經取得了很大的進展，但是與傳統控制理論相比模糊控制理論仍然顯得不夠成熟。從上面的分析我們也可以看出模糊控制的主要缺點就是沒有一個有效的分析和設計方法，仍然需要靠積累的專家經驗。2 PID控制原理簡介2.1引言PID調節器從上世紀40年代問世以來，至今已有半個多世紀的歷史，在這前幾十年工業過程控制中，除在最簡單的情況下可直接采用開關控制以外，PID控制一直是最主要的控制方式。隨著工業生產自動控制的

8、發展，由于人們的勤勞與智慧，為PID的發展和推廣做出了巨大的貢獻，使之成為工業過程控制中歷史最悠久、生命力最頑強、應用最廣泛的基本控制策略。就是在微處理技術迅速發展的今天，尤其隨著電子計算機的誕生以及科學技術智能化的發展，涌現出各種新的控制方法，然而在生產過程控制中仍廣泛應用PID控制或改變了形式的PID控制策略。以上足以說明PID控制在自動控制的發展過程當中，已具有不可替代的地位，并仍將成為今后新型控制策略中，具有主導地位的必要組成部分。PID控制之所以在生產過程中普遍采用，主要由于它具有良好的控制性能、魯棒性好、可靠性高;控制算法簡單、使用方便、靈活等優點。2.1PID控制原理PID控制是

9、偏差比例(P)、偏差積分(I)、偏差微分(D)控制的簡稱。在模擬控制系統中，常規模擬PID控制系統原理框圖(如圖2-1)所示。系統由模擬PID控制(虛框內部分)和被控對象組成。如圖2-1模擬PID控制系統原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成偏差公式（2-1）將偏差比例、積分和微分控制，通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規律為公式（2-2）其傳遞函數形式為公式（2-3）式中 KP比例系數TI積分時間常數TD微分時間常數2.2比例控制(P)如圖2-3 比例電路公式（2-7）公式（2-8）在比例調節器中，調節器的輸出信號u

10、與偏差信號e成正比例，即公式（2-9）其中KP稱為比例系數。比例調節即及時成比例地反映控制系統的偏差信號e，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例調節器的特點是簡單、快速，對于具有自平衡性的控制對象可能產生靜差(自平衡性是指系統階躍響應終值為一有限值);而對于帶有滯后的系統，可能產生振蕩，系統的動態特性也隨之降低。增大比例系數KP，可以加快響應速度，減小系統穩態誤差，從而有利于提高控制精度。然而KP取的過大，系統開環增益也隨之加大，一般將導致系統穩定性降低甚至激烈震蕩(也有一些系統，其穩定性隨KP增大反而變好。此時，如果殘差過大，則需要通過其它途徑解決)。減小比例系數KP，能使

11、系統減少超調量，穩定裕度增大，卻同時降低了系統的調節精度，導致過度過程時間延長。根據系統控制過程中各個不同階段對過渡過程的要求以及操作者的經驗，通常在控制的初始階段，適當的把KP放在較小的檔次，以減小各物理量初始變化的沖擊;在控制過程中期，適當加大KP，以提高快速性和動態精度，而到過渡過程的后期，為了避免產生大的超調和提高靜態精度穩定性，又將KP調小。2.3積分調節(I)2-4 積分電路公式（2-10）公式（2-11）公式（2-12）2-5微分電路在積分調節中，調節器的輸出信號u的變化速度與偏差信號e。成正比，即公式（2-13）或公式（2-14）式中TI稱為積分時間常數。可見偏差一旦產生，控制

12、信號不斷增大，偏差信號消失后，控制信號保持原值，顯然，在已知TI為常數的情況下，控制信號為常數當且僅當e=O，即對于一個帶積分作用的控制器而言，如果它能夠使閉環系統達到內穩，并存在一個穩定狀態，則此時對設定值r的跟蹤必然是無靜差的。積分調節主要用于提高系統的抗干擾能力，消除靜差，提高系統的無差度。積分調節的特點是，它相當于滯后校正環節，因此如相位滯后，使系統的穩定性變差。積分作用雖然可以消除靜差，但不能及時克服靜差，偏差信號產生后有滯后現象，使調節過程緩慢，超調量變大，并可能產生振蕩。TI越大積分速度越慢，TI越小積分速度越快。即積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反

13、之則越強。增大積分作用即減小TI有利于減小系統靜差，但過強的積分作用會使超調過大，系統穩定性下降甚至引起振蕩。減小積分作用即增大TI，雖然有利于系統穩定，避免振蕩，減小超調量，但又對系統消除靜差不利。在控制系統設計實踐中，通常在調節過程的初期階段，為防止由于某些因素引起的飽和非線性等影響而造成積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調量，積分作用應弱些，而取較大的TI;在響應過程的中期，為避免對系統動態穩定性造成影響，積分作用應適中;在過程后期，應以較小的TI值以減小系統靜差，提高調節精度。2.4微分調節(D)公式（2-15）公式（2-16）公式（2-17）實際中也有PI和PD控制器。PID控制

14、器就是根據系統的誤差利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關系在時域中如公式（2-18）和（2-19）:u(t)=Kp(e(t)+Td+) 公式（2-18）U(s)=+E(s) 公式（2-19）公式中U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，其中、分別為控制器的比例、積分、微分系數。在微分調節器中，調節器的輸出u與被調量或其偏差對于時間的導數成正比，既公式（2-20）其中TD稱為微分時間常數。可見微分作用輸出只與偏差變化有關，偏差無變化就無控制信號輸出，所以不能消除靜差。調節器中增加微分作用相當于使控制輸出超前了TD時間，TD為零時，相當于沒有微分作用。

15、微分調節的特點是，針對被控對象的大慣性改善動態特性，它能給出響應過程提前制動的減速信號，相當于其具有某種程度的預見性。它有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定，同時加快系統的響應速度，減小調整時間，從而改善了系統的動態特性。3PID控制器應用技術簡介3.1數字PID控制算法原理隨著計算機的誕生與發展，傳統的控制方式已經逐漸被數字控制方式所取代。在計算機控制系統中，PID控制規律是用計算機算法程序來實現的，使用的是數字PID控制器，數字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。3.2位置式PDI控制算法由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量

16、，因此公式（3-1）中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式，現以一系列的采樣時刻點kT代表連續時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換:公式（3-1）式中T為采樣周期，k為采樣序號，k=0，1，2顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即略去了T。將(3-1)代入(2-2)，可得離散的PID表達式為公式（3-2）或公式（3-3）式中u(k)-第k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)-第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)-第令(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；KI-

17、積分系數，KI=KD-微分系數，由Z變換性質得式(3-5)的Z變換式為公式（3-5）由式(3-6)便可得到數字PID控制器的Z傳遞函數為公式（3-6）數字PID控制器(如圖3-1)所示。3-1數字PID控制器的結構圖3.3 控制規律的選擇由以上論述可知，無論采用常規模擬調節器還是數字調節器均可實現PID調節，但為了得到滿意的控制效果，有時需要在控制過程中根據對象特性和負荷情況，合理選擇控制規律。尤其是數字PID控制器算法簡單，控制參數整定方便，并且其參數KP、TI、TD和T相對獨立，要求計算機運算工作量比較小。所以采用數字PID控制器在線修改控制方案就能輕而易舉的達到選擇不同控制規律的要求3.

18、4 PID控制器的參數整定數字PID控制中一個至關重要的問題，就是控制器參數(比例系數、積分時間、微分時間和采樣周期T)的整定。控制系統參數整定好壞，不但直接影響控制器的調節品質，而且還會影響到控制器的魯棒性。自從產生PID控制以來，人們始終關注的重要問題之一，就是PID控制器參數整定問題。4模糊PID控制器及系統仿真4.1模糊自適應PID控制系統模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，讓計算機把人的經驗形式化、模型化，根據所取得的語言控制規則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉化為精確量，作為饋送到被控對象(或過程)的控制作用。模糊控制表是模糊控制算法在計算機中的表達方式，它是根據輸入輸出的

19、個數、隸屬函數及控制規則等決定的。日的是把人工操作控制過程表達成計算機能夠接受，并便于計算的形式。模糊控制規則一般具有如下形式:If e = Ai and ec = Bithen u= Ci ,i=1,2,其中e,ec和u分別為誤差變化和控制量的語言變量，而Ai、Bi、Ci為其相應論域上的語言值。應用模糊推理的方法可實現對PID參數進行在線自整定，設計出參數模糊自整定PID控制器。仿真結果表明，該設計方法使控制系統的性能明顯改善。自適應模糊PID控制器是在PID算法的基礎上，以誤差e和誤差變ec作為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數調整，來滿足不同時刻的e和ec對PID參數

20、自整定的要求。利用模糊規則在線對PID參數進行修改，便構成了自適應模糊PID控制器，其結構框圖如圖4-1所示。4-1 自適應模糊PID控制器結構框圖PID糊自整定是找出PID參數(KP、KI、KD）與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理對3個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數的不同要求，從而使對象具有良好的動、靜態性能，模糊控制的核心是總結工程設計人員的技術和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，得到針對3個參數KP、KI、KD,分別整定的模糊規則表。4.2 常規PID和模糊自適應PID控制系統的仿真比較利用MATLAB中的simulink工具箱和模

21、糊邏輯工具箱可以對經典PID控制系統和模糊自適應PID控制系統進行仿真，公式（4-1）4.3常規PID控制系統仿真在MATLAB中，構建PID控制系統仿真的模型如圖4-2所示。利用穩定邊界法、按以下步驟進行參數整定:4-2 PID控制系統仿真模型將積分、微分系數TI=inf ,TD=0，KP置較小的值，使系統投入穩定運行，若系統無法穩定運行，則選擇其他的校正方式。逐漸增大KP, 直到系統出現等幅振蕩，即臨界振蕩過程，記錄此時臨界振蕩增益KC臨界振蕩周期TC。按照經驗公式:，,。整定相應的PID參數，然后進行仿真校驗。等幅振蕩時: KC=12.8，TC=25-10=15臨界穩定法整定后參數：KP

22、= 7.6800 ； Ti= 7.5 Td= 2，得到 KI=1,KD=15等幅振蕩如圖4-3，4-3 系統等幅振蕩圖臨界振蕩整定法整定后圖形如4-4 傳統PID控制系統仿真結果4.4模糊自適應PID控制系統仿真首先利用F IS圖形窗口創建1個兩輸入（e、ec）和三輸出（KP、KI、KD）的Mamdani推理的模糊控制器，如圖4-5設輸入（e、ec）的論域值均為（-6,6），輸出（KP、KI、KD）的模糊論語為（-3,3），取相應論域上的語言值為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中（PM）和正大（PB），而令所有輸入、輸出變量的隸屬度函數均為trinf如圖4-6，