PAGEPAGE25 河南農業大學本科生畢業論文（設計）題目PID控制算法及MATLAB仿真分析學院機電工程學院專業班級電子信息工程07級2班撰寫日期： 摘要PID控制器具有結構簡單、容易實現、控制效果好、魯棒性強等特點，是迄今為止最穩定的控制方法。它所涉及的參數物理意義明確，理論分析體系完整，并為工程界所熟悉，因而在工業過程控制中得到了廣泛應用。從實際需要出發，一種好的PID控制器參數整定方法，不僅可以減少操作人員的負擔，還可以使系統處于最佳運行狀態。因此，對PID控制器參數整定法的研究具有重要的實際意義。本文介紹了PID控制技術的發展歷史和研究進展。分析了傳統的模擬和數字PID控制算法，并對傳統的PID控制算法進行微分項和積分項的改進，學習了幾種比較普遍運用的方法，如不完全微分PID控制算法、微分先行、遇限消弱積分PID控制算法等。在學習的基礎上，提出了一種自整定參數的專家模糊PID控制算法，由仿真結果可以看到，這種參數自整定方法與一般控制方法（抗積分飽和控制法）相比，在調節時間、抑制超調量、穩定性都要好，可以在工業上推廣使用。關鍵詞：PID控制；結構簡單；魯棒性；控制算法；參數整定目錄摘要 11引言 11.1國內外研究進展 11.2本論文研究內容 22PID控制算法 32.1模擬PID控制算法 42.2數字式PID控制算法 52.3PID控制算法的改進 72.3.1微分項的改進 72.3.2積分項的改進 112.4模糊PID控制算法 132.4.1模糊推理的系統結構 142.4.2PID參數在線整定原則 142.5PID控制器研究面臨的主要問題 153MATLAB編程和仿真 163.1PID控制算法分析 163.2MATLAB仿真 174結語 23參考文獻 24致謝 25附錄1 1附錄2 11引言PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。光學表面等離子共振（SPR）生物傳感技術受溫度影響很大，因此設計高精度的溫度控制器對于生物分析儀十分重要。在指導導師研究的便攜式SPR生物分析儀中的溫度控制就采用了PID控制技術，本論文研究PID的控制算法是PID控制器整定參數優化和設定的關鍵技術之一。在工業過程控制中，目前采用最多的控制方式依然是PID方式，即使在日本，PID控制的使用率也達到84.5%。它具有容易實現、控制效果好、魯棒性強等特點，同時它原理簡單，參數物理意義明確，理論分析體系完整，并為工程界所熟悉，因而在工業過程控制中得到了廣泛應用。盡管自1940年以來，許多先進控制方法不斷推出，但PID控制器仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業過程控制中。然而，在實際的應用中，許多被控過程機理復雜，具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點，特別是在噪聲、負載擾動等因素的影響下，參數復雜煩瑣的整定過程一直困擾著工程技術人員。為了減少參數整定的工作量，克服因環境變化或擾動作用造成系統性能的降低，就要提出一種PID控制參數的自動整定[3]。1.1國內外研究進展今天熟知的PID控制器產生并發展于1915-1940年期間。在工業過程控制中PID控制器及其改進型的控制器占90%。在1942年和1943年，泰勒儀器公司的zieiger和Nichols等人分別在開環和閉環的情況下，用實驗的方法分別研究了比例、積分和微分這三部分在控制中的作用，首次提出了PID控制器參數整定的問題。隨后有許多公司和專家投入到這方面的研究。經過50多年的努力，在PID控制器的參數調整方面取得了很多成果。諸如預估PID控制(PredictivePID)、自適應PID控制(adaptivePID)、自校正PID控制(self-tuningPID)、模糊PID控制(FuzzyPID)、神經網絡HD控制(NeuraPID)、非線性PID控制(NonlinearPID)等高級控制策略來調整和優化PID參數[1]。由卡爾曼提出的卡爾曼濾波理論[1]，采用時域上的遞推算法在數字計算機上進行數據濾波處理，該濾波器對控制干擾和測量噪聲具有很好的濾波作用。由美國Michigan大學的Holland教授提出的遺傳算法[3]，時他提出的模擬自然界遺傳機制和生物進化論而形成的一種并行隨機搜索最優化方法。它將優勝劣汰，適者生存的進化論原理引入優化參數形成的編碼串聯群體中，按所選擇的適配值函數通過遺傳中的復制，交叉及變異對個體進行篩選，使適配值高的的個體被保留下來，組成新群體，新群體有繼承上一代信息，優于上一代，周而復始知道得到滿意值，這種算法簡單，可并行處理，得到全局最優解。隨著現代工業的發展，人們面臨的被控對象越來越復雜，對于控制系統的精度性能和可靠性的要求越來越高，這對PID控制技術提出了嚴峻的挑戰，但是PID控制技術并不會過時，它必將和先進控制策略相結合向高精度、高性能、智能化的方向發展。1.2本論文研究內容本文在介紹傳統的PID控制算法，并對傳統算法改進后，在學習的基礎上提出一種模糊參數自整定方法，這種模糊控制的PID算法必須精確地確定對象模型，是操作人員（專家）長期實踐知識用控制規則模型化，再運用推理對參數實現最佳調整。它在常規PID基礎上，以輸出反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID參數kp，ki，kd進行在線自整定,以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求。把規則的條件、操作用模糊集表示，并把有關信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，便可實現對PID的參數最佳調整。2PID控制算法PID控制器是一種基于偏差在“過去、現在和將來”信息估計的有效而簡單的控制算法。而采用PID控制器的控制系統其控制品質的優劣在很大程度上取決于PID控制器參數的整定。PID控制器參數整定，是指在控制器規律己經確定為PID形式的情況下，通過調整PID控制器的參數，使得由被控對象、控