毕业论文数字PID控制的仿真研究.doc

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1、材 料 清 单一、 毕业设计任务书二、 毕业设计开题报告三、毕业论文 学生签名： 年 月 日 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）题目 数字PID控制的仿真研究 毕业论文（设计）的主要内容：1、本设计的任务是：PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规PID控制器可能无法达到理想的控制效果。为此对常规PID控制算法作改进，以提高控制质量。要求从数字PID控制算法的位置型算式、增量型算式入手研究问题，针对积分项的改进，获得积分分离PID控制算法和抗积分饱和PID控制算法；

2、针对微分项的改进，获得微分先行PID控制算法。再研究纯滞后系统的Smith控制算法。利用仿真软件MATLAB对上述先进PID算法分别进行仿真，得出仿真结果，证明控制效果优于常规PID控制。 2、深刻领会PID调节规律，掌握参数整定方法。 3、用仿真软件MATLAB/Simulink研究问题，可采用M语言编程实现仿真，也可用Simulink模型图实现仿真，得出仿真结果，比较控制质量。 4、在设计和仿真实验的基础上完成毕业论文（1.0 -1.2万字）。 二、毕业论文（设计）应收集的资料及主要参考文献：1 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真M.北京：电子工业出版社 .2 邵裕森，戴先中.过程控

3、制工程M.北京：机械工业出版社. 3 王正林.过程控制与Simulink应用M.北京：电子工业出版社 .4 李遵基.热工自动控制系统M.北京:中国电力出版社. 5刘红军,韩璞,王东风.锅炉汽包水位系统DMC-PID串级控制仿真研究J.系统仿真学报,2004,16(3):450-453. 6李遵基. 热工自动控制系统M. 北京:中国电力出版社,2001. 108-138. 7林永君，等.带预补偿环节的PID控制器及其在过热汽温控制中的应用J.河北电力技术，1999,18(3):30-34 . 8孙志英，佟振声.模糊自调整PID过热气温控制系统J.华北电力大学学报，2001,28(4):33-38

4、. 9吕剑虹，陈来九.模糊PID控制器及在汽温控制系统中的应用研究J.中国电机工程学报，1995,15(1):16-22 . 10薛文顺，吕剑虹.模糊PID复合控制系统及其在锅炉一次风压力控制中的应用J.电力自动化设备，2001,21(8):15-17,50 . 2010届本科毕业论文开题报告论 文 题 目 数字PID控制的仿真研究 班 级 0611 姓 名 学 号 06118026 指导教师（职称） 填表日期 2010 年 3 月 10 日说 明一、论文的开题报告是保证毕业论文质量的一个重要环节，为规范我院本科毕业论文的开题报告，特印制此表。二、学生应阅读的主要文献、资料15种以上，通过调研

5、和资料搜集，主动与指导教师讨论，在指导教师的指导下，完成开题报告，开题报告字数应在2500字以上。三、开题报告须经院毕业论文指导教师审查，同意后方可进行论文写作，并将开题报告交指导教师。不合格者，必须重写。一、选题的意义和研究现状1选题的理论意义、学术价值或实践价值PID控制作为最早发展起来的控制策略之一，以其算法简单、鲁棒性好、对模型精度要求低、易于设计和操作等优点，至今仍然广泛地应用于工业控制中。但随着工业控制复杂程度的增加、实际控制对象的非线性和时变等情况的普遍存在，常规PID控制的适应性往往欠佳。例如对于位置型PID算法，在偏差信号发生突变时，会出现积分饱和现象；增量型PID算法，当偏

6、差信号太小时，有可能出现积分不灵敏区控制参数不合适导致PID控制器的输出产生大幅度的振荡，从而极大的降低了被控对象的精度、速度；控制参数不合适导致PID控制器不能实现很好的跟随，这样会影响整个系统的总体速度等等。因此实际控制场合中逐渐引进各种先进的控制策略，以提高控制质量。2与选题相关的研究现状及发展趋势在当今的控制系统中,由于PID调节器具有结构简单,性能稳定可靠等优点,广范为人们采用,但是它在实际应用中存在一定的问题,主要表现为“参数整定困难”。于是人们提出数字PID的控制器,即从控制器中抽象出数学模型。PID控制算法是过程控制中应用最广泛的一种控制方法，这种控制算法在相当多的控制领域的应

7、用中都取得了比较意的效果，而由微机、单片机、DSP等数字芯片实现的数PID控制算法，由于其软件系统的灵活性，使算法得到了进步的修正和完善。PID控制算法的种类很多，由于应用场合同，对算法的要求也有所不同。有很多改进的PID算法被提出来解决前面提出来的问题，诸如：积分分离PID控制算法、抗积分饱和PID控制算法、梯形积分PID控制算法、变速积分PID控制算法、带滤波器的PID控制算法、不完全PID控制算法、步进式PID控制算法等。3主要参考文献 1刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真M.北京：电子工业出版社.2张宇河，金钰.计算机控制系统.北京理工大学出版社，19963王正林.过程控制与Si

8、mulink应用M.北京：电子工业出版社.4董秀成.控制算法的计算机仿真及比较研究J.电讯技术2000(5):52-575刘红军,韩璞,王东风.锅炉汽包水位系统DMC-PID串级控制仿真研究J.系统仿真学报，20 04,16(3):450-453. 6李遵基. 热工自动控制系统M. 北京:中国电力出版社,2001. 108-138.7林永君，等.带预补偿环节的PID控制器及其在过热汽温控制中的应用J.河北电力技术，1999,18(3):30-34 .8邵裕森，戴先中.过程控制工程M.北京：机械工业出版社.9李笑等编著.控制系统数字仿真M.东北大学出社,199910陶永华主编.新型PID控制及其

9、应用(第二版)M.机械工业出版社,200211何克忠等编.计算机控制系统M.清华大学出版社,199812张晓华控制系统数字仿真与CAD哈尔滨工业大学,1999.613姜玉宪等编著.控制系统仿真M.北京航空航天大学出社,199814卢铭娜，朱学峰，郭永玲，陈玉霜.PID控制器微分算法的改进研究和仿真J.自动化技术与应用，2006,25(10):43-47.15何克， 郝忠搀 计算机控制系统 。 清华大学出版社，1988年。16潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术M.电子工业出版社,2002年281-28217舒迪前预测控制系统及其应用M北京:机械工业社,199818Saha P K,Shoib M

10、ohammed,Kamruzzaman J.Development of a neural net work based integrated control systemJ.Computers and Electrical Engineering,1998,24:423-4419WangWei,Li Hanxiong,Zhang Jingtao.Intelligencebased hybrid control二、研究方案1研究的思路与方法(1)解决问题的关键技术MATLAB作为一种面向科学与工程计算的高级语言，使用极其方便，而且提供丰富的矩阵处理功能，目前它是国际控制界最流行的仿真语言。Si

11、mulink是MATLAB提供的一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性系统和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。Simulink中包含有Source(输入源)、Sinks(输出方式)、Linear(线性环节) 、Nonlinear(非线性环节)、Connections(连接与接口)等多种子模型库，每个子模型库又包含多种控制过程的功能模块，用户可编辑这些功能模块并利它们组建自己的控制系统。(2) 解决问题的思路和方法从数字PID控制算法的位置型算式、增量型算式入手研究问题，针对积分项的改进，获得积分分离PID控制算法和抗积分饱和PID控制算法

12、；针对微分项的改进，获得微分先行PID控制算法。再研究纯滞后系统的Smith控制算法。利用仿真软件MATLAB对上述先进PID算法分别进行仿真，得出仿真结果，证明控制效果优于常规PID控制。 2研究的基本内容（大纲）1、传统数字PID算法+ -+ +c(t)u(t)e(t)r(t)比例积分微分被控对象图1模拟PID控制系统结构图它主要由PID控制器和被控对象所组成。而PID控制器则由比例、积分、微分三个环节组成。它的数学描述为: 2-1 2-2式中，K为比例系数T;为积分时间常数;T为微分时间常数.1）位置型PID控制算法 由于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，故

13、对式(2-1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(2-1)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以差分代替微分，则可以作如下的近似变换: 2-3显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。将式2-3代入式2-1，可以得到离散的PID表达式为: 2-4式中:k 采样序列号;u(k) 第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)第k次采样时刻输入的偏差值;e(k-1) 第k-1次采样时刻输入的偏差值；K 积分系数，K/T 微分系数，/。我们常称式2-4为位置型

14、PID控制算法。对于位置型PID控制算法来说，位置型PID控制算法示意图如图2所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。而且如果执行器(计算机)出现故障，则会引起执行机构位置的大幅度变化，而这种情况在生产场合不允许的，因而产生了增量型PID控制算法。+-r(t)e(t)uc(t)PID位置算法调节阀被控对象图2位置型控制示意图+-r(t)e(t)uc(t)PID增量算法步进电机被控对象图3增量型控制示意图(2)增量型PID控制算法所谓增量型PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量(k)。增量型PID控制系统框图如图2-3所示。当执行机构需要

15、的是控制量的增量时，可以由式2-4导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得： 2-5用式(2-4)减去式(2-5)，可得： 2-6式2-6称为增量型PID控制算法。增量型控制算法的优点是误动作小，便于实现无扰动切换。当计算机出现故障时，可以保持原值，比较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。但是由于其积分截断效应大，有静态误差，溢出影响大。所以在选择时不可一概而论型算法。2、改进型PID控制的设计1）改进型积分分离PID控制的设计积分分离控制基本思路是:当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，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，引入积分控制除静差，提高控制精度。

16、其具体实现步骤如下:（1）根据实际情况，人为设定阂值O;（2）当|error(k)|时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；（3）当|error(k)|umax,则只累加负偏差；若u(k-1)0.3时,纯滞后对调节系统的影响就更加严重。1957年美国教授Smith提出了用预估器克服纯滞后,为解决纯滞后指出了一种新的出路,现在,随着计算机的发展,可以很方便的实现纯滞后补偿了。1.2 设计的研究内容本文主要从数字PID控制算法的位置型算式、增量型算式入手研究问题，针对积分项的改进，获得积分分离PID控制算法和抗积分饱和PID控制算法；针对微分项的改进，获得微分先行PID控制算

17、法。再研究纯滞后系统的Smith控制算法。利用仿真软件MATLAB对上述先进PID算法分别进行仿真，得出仿真结果，证明控制效果优于常规PID控制。1.2.1 积分分离PID控制算法 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，提高控制精度。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的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使控制量超过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，这在生产中是绝对不允许的。 积分分离控制算法的基本思路是：当被控制量与系统设定值偏差较大时，取消积分作用，避免由于积分作用使系统稳定性下降，超

18、调量增加；当被控量接近设定值时，引入积分控制，以消除系统静差，提高系统控制精度3。1.2.2 抗积分饱和PID控制算法 所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致执行机构达到极限位置Amax(例如阀门开度达到最大)，如图所示，若控制器输出u(k)继续增大，阀门开度不可能再增人，此时就称计算机输出控制量超出了正常运行范围而进入了饱和区。一旦系统出现反向偏差，u（k）逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深，则退出饱和区所需时间愈长。在这段时间内4，执行机构仍停留在极限位置而不能随偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能

19、恶化。这种现象称为积分饱和现象或积分失控现象. 图 1 执行机构饱和特性 作为防止积分饱和的方法之一就是抗积分饱和法，该方法的思路是在计算控制器输出u(k)时，首先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否超出限制范围：若u(k-1)umax,则只累加负偏差；若u(k-1)umax ,则只累加正偏差。这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。1.2.3 微分先行PID控制算法 微分先行PID 是理想型PID 改进中的一种,它适合于给定值频繁变化的情况。微分先行PID控制的特点是只对输出量yout(k)进行微分，而对给定值rin(k)不作微分。这样，在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化通常是比

20、较缓和的。这种输出量先行微分控制适用于给定值rin(k频繁升降的场合，可以避免给定位升降时所引起的系统振荡，从而明显地改善了系统的动态特性5。1.2.4 纯滞后系统的Smith控制算法 在工业生产过程中，被控对象除了容积延迟外，通常具有不同程度的纯延迟。 这类控制过程的特点是:当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没有响应，使得系统不能及时随被控制量进行调整以克服系统所受的扰动。因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。所以，含有纯延迟的过程被公认为是较难控制的过程，其难控制程度随着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。纯滞后系统与一般系统相区别的主要

21、特征是被控对象时滞与其瞬态过程时间常数值比较大，采用通常的控制策略不能实现系统的精度控制，甚至使系统不稳定。通常认为当被控对象时滞与其瞬态过程时间常数大于0.3时，被控系统为纯滞后系统。 纯滞后补偿控制的基本思路是:在控制系统中某处采取措施(如增加环节或增加控制支路等)，使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性等6 。2 PID控制算法 PID控制器是一种基于偏差在“过去、现在和将来”信息估计的有效而简单的控制算法。而采用 PID控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于 PID控制器参数的整定。PID控制器参数整定，是指在控制器

22、规律己经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。 对于PID这样简单的控制器，能够适用于广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。概括地讲，PID控制的优点主要体现在以下两个方面: 原理简单、结构简明、实现方便，是一种能够满足大多数实际需要的基本控制器; 控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性，确切地说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏感。 但从另一方面来讲，控制算法的普及性也反映了PID控制器

23、在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几个方面:算法结构的简单性决定了 PID控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等受控对象时，需要通过多个PID控制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果；算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的；出于同样的原因，决定了单一PID控制器无法同时满足对假定设定值控制和伺服跟踪控制的不同性能要求。 如何更好地整定PID控制器的参数一直是PID控制器设计的主要课题。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的

24、负担，还可以使系统处于最佳运行状态。传统的PID控制算法或是依赖于对象模型，或是易于陷入局部极小，因此存在一定的应用局限性，且难以实现高性能的整定效果，常常超调较大、调整时间较长、误差指标过大等。常规的控制系统主要针对有确切模型的线性过程，其PID 参数一经确定就无法调整，而实际上大多数工业对象都不同程度地存在非线性、时变、干扰等特性，随着环境变化对象的参数甚至是结构都会发生变化。自Ziegler和Nichols提出PID参数经验公式法起，有很多方法已经用于PID控制器的参数整定。这些方法按照发展阶段，可分为常规PID控制器参数整定方法和智能PID控制器参数整定方法。按照PID的控制方式又分为

25、模拟PID控制算法和数字PID控制算法7。2.1模拟 PID 控制算法模拟PID控制系统结构如图2-1所示。+ -+ +c(t)u(t)e(t)r(t)比例积分微分被控对象图2模拟PID控制系统结构图它主要由PID控制器和被控对象所组成。而PID控制器则由比例、积分、微分三个环节组成。它的数学描述为: 2-1 2-2式中，K为比例系数T;为积分时间常数;T为微分时间常数. PID控制器各校正环节的主要控制作用如下: (l)比例环节及时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，以减少偏差。比例系数k的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。k越大，系统的

26、响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率(重视程度)越高，但将产生超调，甚至导致系统不稳定。k取值过小，则会降低调节精度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 (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，越大，积分作用越弱，反之则越强。积分作用系数越大，系统静态误差消除越大，但积分作用过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若积分作用系数过小，将使系统静差难以消除，影响系统的调节精度。(3)微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个

27、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。2.2数字式 PID 控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式HD控制算法和增量式PID控制算法。(1) 位置式PID控制算法 由于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8，故对式(2-1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(2-1)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下的近似变换: 2-3显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e

28、(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。将式(2-3)代入式(2-1)，可以得到离散的PID表达式为: 2-4式中：k 采样序列号;u(k) 第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)第k次采样时刻输入的偏差值;e(k-1) 第k-1次采样时刻输入的偏差值；K 积分系数，K/T 微分系数，/。我们常称式(2-4)为位置型PID控制算法。对于位置型PID控制算法来说，位置型PID控制算法示意图如图2-2所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。而且如果执行器(计算机)出现故障，则会引起执行机构位置的大幅度变化，而这种情况在生产场合不允许的，因而产生了增量型PID控制算法。+-r(t)e(t)uc(t)PID位置算法调节阀被控对象图3位置型控制示意图+-r(t)e(t)uc(t)PID增量算法步进电机被控对象图4增量型控制示意图 (2)增量型PID控制算法所谓增量型PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量(k)。增量型PID控制系统框图如图2-3所